深层软土区公路桥梁变径挤扩支盘桩施工技术＊

（中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 401121）

1.工程概况

广东省潮汕环线高速公路二期工程4合同段位于潮州市，其中兴潮大道跨线桥共123个桥墩，原设计的普通摩擦桩直径均为1.8m，桩长在75m～103m，共有512根桩基。

该桥址区海相沉积地层主要为第四系全新统冲积（Q4mc+al）粉质黏土、淤泥质粉质粘土、砂层及圆砾土及第四系素填土（Q4ml）[1]。海相沉积软基覆盖层深厚可达30m，前期在该地层90m以上超长桩基反循环冲击钻成孔时易缩颈、易塌孔、成孔难度大。

为减少施工难度和质量风险，后期将兴潮大道跨线桥192根普通摩擦桩改为变直径挤扩支盘桩，上端桩径1.8m（长度均为20m）下端桩径1.4m，桩长为45m～74m，盘径2.5m。

2.总体技术方案

采用普通钻机分深度成直桩孔，再将挤扩支盘机吊入孔内，待挤扩支盘机到达某一支、盘位标高时方可进行挤扩。为保证底盘可以正常挤扩，挤扩一般由下向上进行，逐个进行支盘的挤扩作业,形成锥体状的盘形空间，最后安放桩基钢筋笼并灌注水下混凝土。

3.主要施工工艺

3.1 直桩成孔技术

3.1.1 钻进成孔

刚开始钻时采取慢速[2]，待钻头进入地层后方可加快钻速。采取反循环钻时，应将钻头提至孔底20cm高，待泥浆循环通畅后才开钻[3]。

钻孔进入设置支盘地层时，要根据地层条件调整泥浆比重，必要时应加入化学材料，增强护壁效果，避免塌孔，减少泥浆流失。

变桩径支盘柱成孔采用先成孔较大直径段[4]，确定标高后，后成较小直径段。在桩基施工过程中，经常检查钻机的平稳状况暨垂直度，当钻进接近变径段时，应更换钻头，再次检查钻机垂直度，确保大小直径桩基的同心偏差小于5cm。

3.1.2 主桩成孔垂直度控制的创新改进

目前采用回旋钻机施工变直径挤扩支盘桩基时，普遍需要在钻孔过程中更换不同直径的钻头[9]。更换钻头不仅需要挖机或吊车配合，且需要钻机移位后重新就位，由于测量误差、钻机就位误差、钻头重量的变化，重新就位的钻机在水下变径处对中相对困难，难以和第一次下钻的中点重合，极易造成成孔后桩基不同桩径的段落轴线不重合，轻则变径处保护层不合格，影响桩基耐久性，重则钢筋笼无法安放，造成废孔。更换钻头过程时间较长，孔内泥浆容易逐渐沉淀，孔口泥浆比重降低，护壁质量下降，在钻机再次就位、对中过程中，钻机不断对孔口施压，极易造成孔口坍塌。

针对更换不同直径钻头传统做法带来的不利情况，施工中研制了一种桩基成孔直径可调式钻机钻头（专利号ZL201821783661.6）[5]，其包括转轴和安装在转轴一端的冠部，冠部包括位于转轴端部的固定钻头部、位于固定钻头部上方的用于压实抹光泥浆护壁的主围壁、以可拆卸方式连接在固定钻头部尾部外侧的副翼刀和以可拆卸方式连接在主围壁外侧的副围壁，固定钻头部和主围壁距离转轴轴线的最大距离相同，副翼刀和副围壁安装后距离转轴轴线的最大距离相同。本创新研制的直径可调节式钻头装置能够在钻机不移位情况下实现钻头的变径，保证变径桩基轴线重合，施工简单快捷、省工省时，提高了施工效率和变径桩基成孔的质量。

3.2 已成直桩孔内挤扩支盘施工

3.2.1 支盘成形过程

（1）直桩施工完成后，将挤扩支盘机吊入孔内，下放时要对中，以免碰伤孔壁导致塌孔影响挤扩质量。在下放过程中，将液压油管固定于接长杆上，待挤扩支盘机到达某一支、盘位标高时方可进行挤扩。

（2）挤扩支盘机到达盘位标高时，启动液压站，开始挤扩，液压油缸驱动弓压臂向外运动，挤压桩孔内壁，挤扩完成后复位；将接长杆与推杆固定好，在推杆上吊一锤球，锤球与刻度盘的角度一一对准，通过旋转推动杆，使主机旋转规定的角度，采取对桩孔内壁进行第二次挤扩。重复上述工序多次，即可形成需要的盘状空间。

（3）调整挤扩标高，可以在同一桩孔中挤扩出若干个支或盘，一般规定盘与盘、盘与支的最小距离不得小于8倍盘环宽，支与支最小距离不得小于4倍支长。

3.2.2 支盘挤扩施工

（1）成盘工艺流程。施工准备→孔口铺设刻度盘并找平、对中→支盘机油管与压力泵油管连接→起吊挤扩机→对中放入孔中→连接接长杆→下放至底盘标高→穿转动杆→挤扩机稳住对中→转动杆挂锤球对中刻度盘某一原点→启动油泵挤压→施压至设计压力值→回油→量测上浮量→观测压力表→记录。

（2）施工准备。对液压站、油管及弓压臂检查合格后方可作业。根据现场实际选择油管长度、接长杆长度，并在接长干的显眼位置标志长度，然后对准桩孔位置水平牢固安放刻度盘。

挤扩支盘机入孔前，必须在刻度盘上挂线，找出桩基中心点，挤扩支盘机对中孔位后采取慢速下放，不要碰撞孔壁，防止产生塌孔。

挤扩支盘机入孔后，使用设备及接长杆本身长度再次复核成孔深度及桩基垂直度。

（3）挤扩支盘施工。1）软土地区灌柱桩施工过程中很容易产生挤土效应[6]，施工中采用隔桩跳打法施工[7]。遇软弱复杂地质土层，成孔作业后应对支盘设备作业可能造成的影响提出事前要求[8]。2）将护筒顶标高作为基准点，将各支盘标高换算成深度值，由施工技术员进行现场交底并监督实施。3）用十字线找出桩基中心点，将刻度盘的中心与桩位中心线重合，使安装的刻度盘处于水平位置并稳固。4）吊车起吊挤扩支盘机必须对中垂直入孔。将接长杆的长度标识在显眼的杆上，并以刻度盘顶作为基准点，准确控制盘位施工标高。待挤扩支盘机下放到孔的设计标高位置，稳住接长杆，并保持与孔位中心居中。5）穿接转动杆，使接杆上的锤球对准刻度盘上某一基准点，按照施工每个盘转动10次、六星支转动3次原则依次推进，按每次刻度盘的度数进行控制。启动油泵，对中稳住挤扩主机开始挤扩。6）注意各承力盘的首次压力值，首扩压力值超出设计偏差时，应立即报告支盘技师通知监理，将六星支改成盘。挤扩达到设计压力值后停止加压，量测上浮量，操作技师记录每次的上浮量和压力值。7）挤扩作业中，要随时观察挤扩压力及上浮量的变动、液压油表的油位下降量及孔内是否有油冒出，若发现异常情况立即处理。挤扩完成后确认弓压臂已复位，再缓慢提升支盘机。8）施工时要求准确记录挤扩压力值、设备上浮量、液压油位差、孔内泥浆下降值、起止时间等，结合地质勘察报告对地层进行判别，若发现不符情况马上停机处理。9）由于支盘挤扩作业对孔壁及周边土体扰动较大，特别在粉质粘土地层挤扩时会造成缩颈，且回淤严重，因此在挤扩完成后必须采用反循环钻机对桩孔进行扫孔作业。

3.2.3 挤扩中盘位快速测量、盘位角度精准定位的创新改进

在支盘挤扩桩刚开始施工时，对于盘位标高量取，用长卷尺一节一节量取挤扩设备的工作杆费时费力。经过改进，采取在工作杆上进行刻度描画，精确控制盘位标高，节省了测量时间。

在支盘挤扩桩刚开始施工时，过于长的油管对施工造成很大的困扰，每下一节杆都需要人工用铁丝把油管绑扎到工作杆上；后续提升时，油管也是散乱一地，耗大量的人工把油管拉上来。后来进行了油管方面的优化，加工一个可拆卸挂钩，下设备时只需要把挂钩一头捆绑在油管上，一头挂在工作杆上；再加工一个像卷扬机一样的转盘，后续提升时，只需要转动转盘油管就自动盘上，大大节约了施工时间。

在支盘挤扩桩刚开始施工时，盘位的挤扩角度控制需凭人眼睛大概去控制，角度精度不准，容易造成重复挤扩或挤扩不到位；后续经过多次试验与研究，确定给施工平台上画一个圆，对圆划分成10块，再在转杆上加一个小垂球，解决了现有支盘机盘位角度控制不准的难题。

3.3 挤扩后成孔检测

支盘桩挤扩完成后，采用井径仪检测其盘位、盘径、盘高等指标。其工作原理为:在弹簧的作用下，井径仪的四个臂末端张开紧贴井壁，臂的末端随着井径变化也随着张开或合拢，同时带动电位器滑臂移动，从而随着井径变化就产生了电阻变化。当给电位器供电时，变化的电阻间电位差就反映了井径的变化，从而判断挤扩后成盘效果，确定盘位标高，挤扩后盘径及成盘的高度。

3.3.1 井径仪检测步骤

井口滑轮架必须摆放于孔的中心位置，绞车与井径仪接头处的螺母一定要拧紧。下放时，光电脉冲发生器会产生脉冲信号发送到微处理器作采样脉冲，并通过串行接口发至上位机作深度显示。

待孔底确认到位后，快速手动上提电缆，泥浆阻力将使开腿盘与测量腿脱开，测量腿随即自动弹开并贴于孔壁。测量时，孔径变化会带动测量腿倾角变化，每移动25mm电缆线时，对下机位做一次测量采集，通过串口发至上位机处理。

3.3.2 井径仪检测注意事项

（1）检测所用井径仪的井径腿全部伸开时的值不得小于成孔最大直径值。

（2）井径仪在下放孔中时必须对中，否则撑开腿与孔壁接触不均匀造成数据失真。

（3）井径仪到达孔底必须快速确认位置，然后迅速提升电缆，让撑开腿全部打开并紧贴孔壁。

4.热异常桩身完整性检测新技术应用

除采用传统的超声波无损检测法、钻芯检测法对桩身及承力盘混凝土进行检测外，施工中新应用了热异常技术检测桩身完整性[10]。

4.1 热异常桩身完整性测试原理

桩身混凝土在凝固过程中会产生热化学反应，产生热量的多少及散热比例与桩身混凝土量的多少及桩身形状与尺寸关系极大。因此，可以通过测量桩身温度来绘制桩身热剖面图，并以此来解释桩身材料是否连续，形状是否符合要求。

钢筋笼位置，尤其是桩周边位置的温度要低于桩身中心的温度，因为越靠外的热量向周边环境(如土壤、岩石、水或者空气)散发速度越快。如果钢筋笼与桩身轴线偏离，那么，靠近桩周边的钢筋笼位置温度较低，这时，相应的也会存在一个较高的温度。越靠近桩中心的部分温度越高。如果桩身存在孔洞、缩颈等质量缺陷，则缺陷附近的混凝土产生的热量就会少于正常混凝土。相反，如果桩身存在扩径，则扩径部位附近温度就会较高。温度测点沿桩周均匀分布，沿桩身等间距布置，这样可以通过测得的温度曲线来识别潜在的混凝土缺陷，估计桩基础的有效尺寸，以及检查钢筋笼外包层厚度以及钢筋笼的垂直度。

沿桩身轴向的现浇混凝土，除桩身两端外，混凝土产生的热量基本上都是沿径向消散的。然而，在大约一倍桩径的桩端范围内，热量既沿径向消散，也沿桩身轴向消散，因而冷却速度更快，温度相对更低。对桩底处的热剖面进行分析，可帮助用户估计桩长，以及分析桩底处桩身形状。

4.2 数据采集

在浇筑桩身混凝土前，按钢筋笼径向对称布设4根温度测试电缆（如图1所示），将安装了数字式温度传感器的测温电缆纵向绑扎到钢筋笼上，沿纵向温度传感器间隔约为30cm，最下方传感器距钢筋笼底约0.1m。每根测温电缆连接一个TAP数据采集盒，TAP数据采集盒会在用户设置的时间段内自动采集数据。

图1 测温电缆平面布置示意图

浇筑混凝土2d～3d后，利用温度数据采集盒对4根温度电缆进行全天候数据采集，数据采集持续5d时间。

4.3 数据处理及分析

在整个混凝土养护过程中所获得的温度数据，均可实时查看或上传到云端数据库，再辅以TIP测试软件，形成桩身混凝土温度—深度的对应关系，根据采集的温度数据及平均温度数据绘制随深度变化的曲线、实测温度横向展开值，确定桩径大小、盘高及盘径大小，快速识别有问题区域，如缩径、钢筋笼偏心，从而评估桩身的完整性。

5.结语

随着桥梁建设的不断发展，桥梁荷载越来越大，穿越各种软土地层的也越来越多，深长桩基成孔较困难，成桩质量也难以保证。在等值承载力下，挤扩支盘柱与普通泥浆护壁钻孔灌注桩相比，不仅泥浆排放量减少一半左右，而且变径挤扩支盘柱具有承载力高、沉降变形小、经济性优越等优点，其在沿海软土地区桩基工程中具有更大推广应用前景。