大桥桥墩冲孔灌注桩设计与施工注意事项

杨杰

山西路桥第六工程有限公司 山西晋中 030600

在我国公路交通体系中，公路桥梁工程是一大重要构成部分，公路桥梁工程具有很多特点，如建设成本大、施工技术要求高等。在我国公路桥梁工程中，桥墩是重要基础，桥墩要想稳定深入到基岩中，桥墩一定要具有较高的稳定性与承载能力。在现阶段中，冲孔灌注桩是一种常见的桩基础，该桩基础具有很强的适用性，在各种类型的地质环境中都是非常适用的，针对在冲击作用下所形成的孔壁，具有多种优势特点，如便于操作、坚固、成孔过程能耗低等。基于此，本文就大桥桥墩冲孔灌注桩设计与施工注意事项展开了深入探讨。

1 冲孔灌注桩施工技术概述

从本质上分析，冲孔灌注桩技术是一种灌注桩技术。冲孔灌注桩指的是通过冲击钻机把冲锤提升至一定高度，然后借助其自由落体运动形成的冲击力实现地基岩石的切削，逐渐地形成具有直径、深度的孔，同时从孔内安装钢筋笼以及灌注混凝土，最后形成具有良好承载力的桩体。

冲孔灌注桩存在一个显著的优势特点，即对各种不同类型的地质环境具有极强的适应能力，不但能够对风化岩层、砂土、砾石、粉土、钻土进行有效适用，而且还能够适用于很多复杂的水文情况与地质情况，如地下水极为丰富、存在构筑物或者钢筋混凝土构件、软弱夹层等。另外，在对土层进行冲击过程能够产生冲击作用，形成比较坚固的孔壁，在漂砾石层、卵砾石层中具有比较高的施工成孔率；该施工技术便于操作，比较容易掌握相关钻进参数，机械设备故障发生率比较小；针对钻孔过程中产生的钻渣，通过在孔内泥浆循环作用下能够排出到地面，同时能够保持孔壁的稳定性；在进行冲进过程中，在对钻具进行提升时才会需要动力，钻具在进行自由下落冲击过程中，并不会对动力造成任何消耗。在现阶段中运用冲孔灌注桩时，一般选用直径在0.8m-1.5m的桩孔，最大直径为2.5m，冲孔的深度能够高达50m，所以在承载力与动荷载大的公路桥梁工程中可以选用冲孔灌注桩。其中，冲孔桩机示意图，如图1所示。

1.1 冲孔灌注桩类型

结合不同类型的冲击钻头，冲孔灌注桩主要包含了钻杆式灌注桩与钢丝绳式灌注桩。以钻杆式冲击钻为例，其成孔直径比较小，且效率低，现如今已经很少采用；而钢丝绳冲击钻能够结合设计孔径要求调整钻头尺寸，同时冲锤的重量处于3000kg至10000kg，适用性比较强，是冲孔灌注桩普遍采用的一种形式[1]。

1.2 冲孔灌注桩优劣势及适用性

冲孔灌注桩造成的影响比较小，而且桩长与桩径都能够结合设计规定要求进行合理调整，桩端需要插入到结构较为稳定的基岩层内，单桩具备良好的承载力。但是冲孔灌注桩的施工流程比较复杂，针对施工操作水平有着较为严格的要求，同时钻孔施工阶段存在安全隐患，需要一定的技术间隔时间才可以承受荷载，尤其是冬季施工受到的条件相对偏多。

冲孔灌注桩基本适用于：黏土层、砂土层、粉土层、填土层以及裂隙较为发育地层等，可以使用的范围比较广，桩体直径处于600mm至2500mm之间，其中最大的冲孔深度接近是300m[2]。

1.3 桩基础施工技术的未来发展趋势

第一，桩基础在施工过程中常常会涉及到多变复杂的水文地质条件与工程地质条件、多种不同类型的桩。在最近几年中，随着我国桥梁工程施工技术的不断快速发展，桩基础施工机械设备变得越来越为复杂与专业，相应地，有效推动了我国桩机施工工艺、使用用途范围、新品种的不断快速发展。第二，随着我国施工技术水平的不断提高，我国桩基础施工工艺变得越来越为标准与完善，同时有效提高了我国桩基础的施工质量。第三，自从我国对施工环保标准、施工场地文明提出越来越为严格的要求，人们越来越重视桩基础施工环境效应消减问题。第四，随着我国公路桥梁工程建设规模的不断扩大，人们对公路桥梁结构的承载力提出越来越高的要求，为实现绿色低碳施工，施工单位的绿色环保施工理念在不断加强，再加上随着公路桥梁施工现场水文条件、工程地质条件变得越来越复杂，施工工艺需要朝着多元化方向进行发展。

2 工程实例

2.1 项目背景

此公路工程项目的全线长度是28.35km，起讫桩号是K21+538--K49+888，采用的是双向四车道，设计的行车速度是60km/h。该项目包含了一座跨河大桥，主桥结构采用的是连续钢构，其上部结构是预应力混凝土现浇连续箱梁（跨径是66m+130m+66m），大桥的长度是338.5m，桥面的宽度是15.5m。通过对大桥项目现场地质情况进行勘察发现，地质主要表现是岩溶低山类洼地，其中河谷呈现为V字型，河流右岸边上石灰岩表面存在较为严重的溶化现象，而且溶孔、溶沟等较为发育，地形比较陡峭；而河流左岸边上地形平缓，河流涨水后左岸大部分都会被水淹没。考虑到普通旋转钻机难以进行溶洞的有效处理，同时洞底石灰岩较为坚硬，钻机钻进施工尤为困难，所以综合分析大桥项目现场地质条件及施工要求等要素，最后确定大桥桥墩施工采用冲孔灌注桩施工技术。

2.2 冲孔灌注桩设计

桩体设计。从冲孔灌注桩方面分析，其承载力基本分为岩土层侧向阻力、桩体和岩层之间的嵌固力、桩体端的竖直向承载力。此项目中单个灌注桩的承载力R主要根据公式①进行计算[3]。通过调查统计大桥项目的桥体自重与车辆的载荷，大体估算确定的单桩承载力处于5500kN至6200kN之间。此大桥项目的承载结构选择的是冲孔灌注桩（其直径φ=1000mm）。

公式①中：q代表的是桩体底端的单位面积阻力值；A代表的是桩体底端的横截面积；μ代表的是桩身的周边长度；qi代表的是第i层岩土层侧面的摩擦系数；li代表的是第i层的岩土厚度。

桩端下溶洞顶板厚度设计。以岩溶区桩体设计为例，通常要求桩端与溶洞顶板之间的安全厚度 d5h＞ （d代表的是桩径）。但是考虑到大部分溶洞的发育相对偏浅，而桩体的长度为了能够符合承载力规定要求就必须进行打穿溶洞，所以就会增加施工难度以及施工成本。此大桥项目现场地质表现为岩溶性地质，而且包含了很多小溶洞，所以在设计阶段应高度重视桩底与溶洞之间的安全距离，以免桩体底部出现露空现象，从而严重影响其承载力。此项目在进行安全距离设计时选择的是图1厚度计算模型，结合“钢混板冲切构件”公式②能够计算得出持力层厚度h[4]。通过计算确定此大桥桥墩桩体的底端与溶洞之间的安全距离处于2.5d至3.0d。

公式②中：F代表的是桩体持力层载荷；β代表的是截面高度影响系数，此项目中的取值是0.85；f代表的是石灰岩抗拉强度，此项目中的取值是0.8MPa；d代表的是桩体直径，此项目中的取值是1000mm；h代表的是持力层厚度。

2.3 注意事项

冲孔施工注意事项。成孔效果直接关系着冲孔灌注桩的施工质量。此项目中冲击成孔选择的是泥浆护壁方式，所以在冲孔施工过程中必须注意下述几个方面：①塌孔。若是在冲孔施工阶段出现了塌孔现象，则必须及时将护筒拆除同时回填处理冲孔，然后重新埋设护筒与打孔。若是孔内发生了坍塌，则需要查找塌孔具体位置，然后选择“砂+黏土质”混合料回填到塌孔部位之上约1m，并重新进行打孔；②孔垂直度。若是冲孔垂直度未能符合设计规定要求，则需要从孔偏斜部位通过反复地提升钻机实现扫孔处理，一直到孔的垂直度符合规定要求。若是采用扫孔处理措施仍然不能有效解决弯孔问题，则需要选择“卵石+粘质土”混合料实施回填处理，当回填位置的密实度达标之后，重新进行钻孔；③卡钻与掉钻。若是钻孔施工阶段发生了卡钻现象，则严格禁止强行提升，首先需要对钻头的具体位置进行确定，然后晃动钢丝绳以促进钻头松动，最后缓慢、匀速地提升钻头[5]。若是出现了掉钻问题，同时无护筒等相关防护措施，严格禁止一切施工人员入孔。在确定入孔之前，必须规范佩戴各项安全防护设施，通过专业设备对孔内的危害气体进行检测，当孔内环境符合安全标准要求之后才可以进孔查看。若是钻孔过程中遇到了坚硬岩石层，必须合理地减小冲击频率，待钻头达到稳定状态之后才能够持续钻进。

混凝土灌注注意事项。此项目中混凝土灌注施工必须注意下述几个方面：①超灌。孔壁坍塌是引发超灌现象的一项重要因素，所以需要合理地延长混凝土灌注施工的间隔时间，此项目中混凝土灌注时间应从40min提升至120min，并对混凝土的坍落度进行控制与调整，从180mm减小到150mm[6]。还可以减小混凝土灌注施工速度，如果塌孔现象较为严重，则必须选择钢护壁进行施工；②堵管。在混凝土灌注施工中若是发生了堵管现象，则应先检查混凝土的坍落度，可以合理地增加坍落度。确定混凝土的初凝时间，以免出现导管被埋，也可以适当的抖动导管，但是必须严格控制抖动幅度，以免发生断桩现象。

3 结语

文章结合大桥工程项目实际情况，重点研究了桥墩冲孔灌注桩设计及施工注意事项。实践表明，采用冲孔灌注桩技术显著提升了桩体施工质量，其承载力完全符合设计规定要求，通过检测桥墩无下沉现象，而且取得了良好的经济效益与社会效益，为类似桥梁项目的施工提供了借鉴。