山区桥梁大直径孔桩施工研究

喻文远

（贵州路桥集团有限公司，贵州贵阳 550001）

0 引言

由于大直径人工挖孔桩施工技术的应用，人工挖孔桩直径也从最初的1.8m、2.2m、2.5m、3.1m、3.6m、4.0m 等逐步增加，在现代大跨度、超高墩柱桥梁工程施工中日益普遍。但是，结合实际研究表明，机具的机械特性、工作人员的业务素质、施工经验等各种因素，都可以影响大直径孔桩、灌注桩等施工技术的使用效益。

1 工程概况

六枝特大桥左幅桥型布置为5×40mT 梁+166m+3×320m+166m 预应力空腹式刚构+13×40mT 梁，右幅布置为5×40mT 梁+166m+3×320m+166m 预应力空腹式刚构+9×40mT 梁。桥台采用桩柱式、U 台配群桩基础，全桥共有258 根桩基（Φ1.5m 桩基12 根、Φ1.8m 桩基30 根、Φ2.0m 桩基36 根、Φ2.2m 桩基64根、Φ2.4m 桩基10 根、Φ3.1m 桩基34 根、Φ3.6m 桩基72 根），桩长为12m～56m 不等，其中主墩6～8墩桩基桩径均为3.6m，各24 根，六枝特大桥6～9主墩承台设计混凝土强度等级为C35，其他各墩承台设计混凝土强度等级为C30，全桥总计26 个承台，其中6～8墩承台按整体式设计，尺寸为41.8m×27.4m×6.5m，单墩承台混凝土方量为7444.58m；9墩桩基桩径为3.1m，共34 根。

2 大直径挖孔桩施工技术的具体应用

2.1 施工准备

对施工图纸进行全面审查与熟悉，结合当地的水文、地质条件，以安全施工为原则，以高质量施工速度为目标，因地制宜施工建设，充足准备。

由于六枝特大桥主墩的桩基桩径3.6m，直径较大，在山区交通不便，大型钻孔设备不能进入施工现场，施工单位经过多方案比选，决定采用旋挖钻机配合人工挖孔施工方案，以加快施工进度及保障人员安全，先采用将旋挖钻钻取桩基2.2m 的中间土石方，再用人工扩孔旋挖钻出渣。利用错开工作时间的方式，安排旋挖钻机在夜间钻芯、出渣，白天人工扩孔及人工浇筑孔桩护壁混凝土。

首先，整平现场场地，修建排水沟，确保场地内无积水，做到三通一平。加工制作空压机风管，预埋电缆PVC 管及空压机风管后硬化场地。搭设防雨棚、安装提升设备、修整场地及便道、合理布置堆料，减少孔桩压力和避免影响施工。做好孔口防护，在孔口设置高出地面不小于30cm 防护圈锁口，并应设置临时排水沟，防止地表水流入孔内及土、石、杂物掉入孔内伤人。准备孔桩开挖辅助设施、器材，如孔内的照明、通风、排气、安全爬梯、掩体等设施。

实施大直径桩基施工采用旋挖钻机配合人工挖孔施工方案工艺流程，对案例施工的准备环节倾注大量时间和精力，由项目总工与工程科技术人员、现场主管技术员等对施工现场情况进行充分研究，并全面根据现场的实际状况绘制施工工艺流程图。同时，根据具体施工流程和主要技术指标，科学编制施工方案。为了提高施工方案的灵活性，施工单位认真研究技术应用中所存在的问题，并建立各种应急预案，确保所有安全生产、工程质量隐患都得以有效解决。同时进行施工管理方面的技术培训，以保障工程施工技术人员都具有相应的施工安全生产、质量控制等问题处理能力，挖孔桩工人施工的安全和质量才得以保障，大直径人工挖孔桩施工才能在安全情况下正常进行。该项目在材料采集、检测等环节也实施了严密的质量管理与控制，材料保证符合工程设计和技术规范的规定要求。另外，该项目还对桩位偏差、垂直度、桩径大小、护壁强度定期抽检、施工作业过程严格执行施工标准化、材料节超精细化等方面都实施严格管理。

2.2 旋挖钻机配合人工挖孔桩

2.2.1 施工步骤

（1）测量定位及锁口施工：复核桥位的桩位坐标，确认设计图纸提供的桩位数据，沿桩中心呈“十”字型引出四个副桩位点用来控制桩位，严格设计图纸对桩孔进行锁口的施工。

（2）旋挖钻机掘进：在测量定位完成及锁口施工完成后，采用直径为2.2m 钻头的旋挖钻机进行开挖钻进桩芯及出渣，每轮钻进深度为8～10m。旋挖钻机配合人工施工工艺见图1工艺流程图。

图1 旋挖钻机配合人工挖孔桩施工工艺流程图

（3）扩孔爆破施工：旋挖钻钻芯完成后，采用人工进入孔桩内在芯孔边上钻设炮眼及装填炸药，进行扩孔爆破施工，扩孔宽度为桩基设计桩径+护壁厚度。

（4）出渣：爆破后人工进入桩孔内清理孔壁及将松动渣土弃入下方桩芯内，待桩芯内弃满渣土后再利用旋挖钻机进行出渣，不用人工出渣，这样提高了出渣的速度，也保证了出渣过程中的安全，临近设计高程时采用吊桶配合汽车吊出渣，保证了桩底不受到旋挖钻机的扰动。

（5）混凝土护壁施工：桩孔内渣土清除完成后绑扎护壁钢筋，支立护壁模板，然后浇筑混凝土，待护壁混凝土达到设计强度75%后进行下一次循环掘进，这个施工方法大大提高施工速度、减少工人的劳动强度、安全性与原始的全人工开挖也得到大的改善。

2.2.2 桩基护壁厚度验算

（1）验算公式

人工挖孔桩开挖时，为了防止孔桩墙壁发生塌孔，保证施工人员安全，人工挖孔桩必须采取分段开挖、分段浇筑护壁的方法施工。分段现浇混凝土护壁厚度，应该取受力最大处，即地下最深段、地质最差处护壁所承受的土压力及地下水的侧压力，经过计算确定护壁混凝土厚度。孔桩护壁受力示意图见图2。设混凝土护壁厚度为t，则可按下式计算：

图2 桩混凝土护壁受力简图

当挖孔无地下水时：

当挖孔有地下水时：

混凝土护壁厚度满足：

N—— 作用在护壁截面上的压力，N/m，N=pD/2；

P——土和地下水对护壁的最大总压力，N/m；

γ——土的重度，kN/m；

γ——水的重度，kN/m；

H——人工挖孔桩护壁深度，m；

h——地面至地下水位深度，m；

D——人工挖孔桩外径，m；

f——混凝土的轴心抗压强度设计值，MPa；

φ——土的内摩擦角（）；

K——安全系数，取1.65。

（2）六枝特大桥主墩桩基

六枝特大桥主墩中每个墩均有部分桩基存在地下水且水位较高，取8墩桩基护壁作控制计算，8墩桩基直径为3.6m，深53m，混凝土护壁采用C30 混凝土，每节护壁高度1m，地基土为黏性土，天然重度γ=19.5kN/m，内摩擦角φ=20，地面以下9m 有地下水，桩基混凝土护壁所需厚度为t。

最深段的总压力为：

该桥桩基护壁采用C30 混凝土，f=14.3MPa，D=3.6m，则混凝土护壁厚度为：

此桩基混凝土设计护壁厚度为20cm（设置Ф12的护壁钢筋，间距为20cm），满足要求。

2.2.3 桩芯防坠落防护

在使用旋挖钻钻芯后，桩孔内将产生直径为2.2m的桩芯，将存在安全隐患，采用直径20 钢筋焊接成尺寸为2.6m×2.6m 钢筋网片（网间距为15cm）覆盖在取芯孔上方，便于孔桩扩孔作业人员操作以及防止人员发生坠落事故，挖孔人员在孔内施工时必须佩戴好安全帽、安全带、挂好防坠器。

2.3 人工挖孔配合小型机具出渣

桩基开挖前，应搭设防雨棚。周圈设安全栏杆并三面满挂2m 高密目安全网，下班后把出渣口也挂上密目安全网，并且要做好安全门锁上。桩口上和桩下施工操作层上设置半圆形防护钢板（采用δ6mm 厚的半圆形钢板支撑于桩基护壁上端，并采用3 根钢丝绳构成三角形进行提升半圆形防护钢板，挖孔时将钢丝绳固定于孔口围挡地脚螺栓）侧孔内躲避，以防落物伤人。采用吊桶出渣时，吊桶不可装满，只允许装到桶高的2/3，避免在吊运过程中渣土洒落出桶，对下方施工人员造成伤害。挖出的土石方渣必须堆放在桩孔边外1m 以外，并及时运走。

由于该桥墩柱较高较大，所以桩基数量较多，桩基较集中，间距较小，施工相互干扰较大，人工挖孔桩必须跳孔开挖，每天开挖一米支护一米，待护壁混凝土达到强度后才可以向下开挖。使用铁铲和风镐手动进行挖掘，尤其是使用风镐和气枪。在钻孔开挖过程中出现岩石后，可采用钻孔爆破法施工，科学布置爆孔位置和炮眼深度，采用接近内部作用药量的药量。电起爆系统应设计在外部毫秒网络中，以便有足够的时间间隔启动每个爆炸孔，使其成为独立的动作装药。采用机械排渣和人工出渣两种相结合的方法进行孔桩渣排出，这样减少了工人的劳动强度，大大提高了挖孔桩的进度。

2.4 钢筋笼制作及吊装

六枝特大桥主墩桩基钢筋笼采用在钢筋加工房加工为半成品后，再运输到现场，现场采用200 工字钢及75 槽钢加工成钢筋笼胎模胎架，胎架纵向间距2.5m。在胎架上加工制作钢筋笼，便于准确定位钢筋笼主筋间距，整条钢筋笼在胎模上加工制作完成后，再拆分成几段，便于吊装把钢筋笼放入孔中，孔口再连接成整条钢筋笼逐级放入孔中；其他桥墩桩基钢筋笼采用在钢筋加工房分节制作完成后转运至现场再进行吊装的方式。

2.4.1 钢筋使用前应检验是否合格并清除钢筋表面的锈皮，使钢筋表面清洁。钢筋应严格按照设计尺寸加工。

2.4.2 钢筋笼根据孔桩深度分段分节加工，主筋接头错开布置，接头采取套筒连接形式，主筋与箍筋连接宜点焊。

2.4.3 钢筋笼加劲圈等在钢筋加工房加工区加工为半成品，现场采用人工进行加强补焊加工制作。

2.4.4 钢筋笼加工完后应间隔采用Φ28 钢筋制作成五角星形焊接支撑加劲箍筋，防止钢筋笼吊装时发生变形。

2.5 通风及有害气体检测措施

由于此桥的桩基直径较大，工人操作空间大，工人数量相对较多，要特别注意通风供给新鲜空气，保证氧含量充足。该桥桩基较深，有的已经达到60m，且地质结构复杂，开挖过程中要预防有毒有害气体的产生，危及工人的安全，每天下孔前必须先通风，检测有毒有害气体。

2.5.1 当开挖深度超过5m，开挖前采用活体试验或气体检测仪进行有毒气体检测，经检测确认无有毒气体后方可进入孔内作业，挖孔过程中，孔内施工人员随身配备便携式气体检测仪，如检测仪报警，施工人员必须马上离开孔内，并现场技术人员报告。

2.5.2 当孔深达到10m 或孔深未达到10m 但检测到有害气体时，人员在下入孔内前必须先通风15min 以上后，经有害气体检测仪检测合格后方可进入孔内，并且人员在孔下作业时采用通风设备持续强制通风，通风设备选用送风量18m/min（大于24L/s）的鼓风机。

2.5.3 当孔深超过40m 时，人员在进入孔内前必须先通风25min 以上，并经气体检测仪检测合格后方可进入孔内，人员在孔下时，至少有1 人随身配备便携式气体检测仪，并采用鼓风机持续强制通风。

2.5.4 孔内空气污染物超过现行《环境空气质量标准》(GB 3095—2012）规定的三级标准浓度限值时禁止人员下孔。

2.5.5 加强安全防御及避险等紧急救助常识教育,项目经理部将对施工人员和管理人员进行应急救援常识教育，作为安全防范和风险防范，并将教育所有施工人员只有在紧急进气（主要成分为氧气）和检查仪器检测无有毒气体后，才能下井救人。实现应急救援标准化，防止盲目救援，造成救援人员额外伤害，扩大事故规模。

2.5.6 加强有毒气体的全程监控,每个钻孔都配有便携式有害气体探测器。井底操作员必须在整个成孔过程中检测有毒气体。一旦发现孔内气体有毒，必须迅速疏散操作人员，并进行强制通新鲜空气，至少15～30min。有毒气体检测合格后，人员可继续进入孔内。

2.5.7 设专职安全员进行工点的全程督导,完善相关管理制度和措施，采取全过程监管，在关键点和多个环节安排专人检查落实有毒气体防护措施；情节严重的，应当进行专项整治。

2.5.8 准备足够的应急救援物资，把事故规模降到最低点,每个桩孔应该配备两个及以上通风系统。软梯、安全绳、防坠器等也必须配备到每个孔口边上，专用于该孔，主要用于突发事故后的应急救援设施。根据要求，施工现场必须配备多个医用高压氧气瓶、氧气输送管和现场急救设备，主要包括呼吸面罩。

当有工人在孔内工作时，必须对孔进行监督和保护，不得擅自离开。必须在孔内设置软梯子，不得将卸料起重机用作上下人员的升降机。在桩孔施工期间，工人需要全程带好气体检测仪器，发现有异常，工人应立即返上到地面。上下孔过程中，对人数有严格的要求（每次不能超3 人），要背好安全带，挂好防坠器，这是上下孔桩严格执行，确保工人安全。每个墩柱安排3 个技术员全过程监管施工安全，不能让工人违规操作，违章作业。用电安全是专职电工负责，非专业人员禁止乱接乱搭电力线路。

孔桩达到设计深度后，进行孔底处理，做到孔底表面无松渣、泥、沉淀土。然后进行物探自检，物探深度不小于10m，确认终孔标高及探明桩基10m 范围内是否有溶洞存在，确保达到设计规定的桩端持力岩层。

2.6 桩身混凝土灌注

桩基混凝土浇筑均采用导管法施工：对于六枝特大桥主墩桩基采用干作业浇筑法灌注，如桩基内存在地下水，则采用水泵将水抽干后进行干作业灌注法灌注；对于其他桥梁桩基，渗水量小于6mm/min 的桩基采用干作业浇筑法灌注；渗水量不小于6mm/min 的桩基，采用水下浇筑法。

采用干作业混凝土浇筑法施工，在混凝土通过导管进入桩孔底部时，由于桩基较深（40～61m 不等）,落差较大会对桩基底部产生强大的冲击力，对已经浇筑初凝的混凝土产生扰动，在导管上增加了减速装置，致使混凝土在下落过程中起到缓冲作用，降低混凝土下落的速度、减小了对下层混凝土的冲击力。为确保桩头部位混凝土的密实度，在混凝土灌注过程中，项目采用人工用振动棒插入振捣加埋管浇筑的方法进行，保证了浇筑混凝土的密实性，埋管4～6m 开始拆除导管，每次拆除3～4m 导管，一直要保证导管埋在混凝土中浇筑，并做好浇筑记录。

3 结语

施工中，大直径钻孔桩的施工处在高度隐蔽、高度危险状态，技术复杂，施工难度、施工安全风险较大，危险因素较多、控制较困难，对工程质量影响因素较多。通过对大直径挖孔灌注桩施工全过程的理论剖析与实践运用，为提高桩的工程质量提供理论支持。要更好地开展桥梁施工，必须通过科学的方法进行施工模拟，并引入新型的施工材料与施工机械设备，增加大直径挖孔灌注桩的质量与强度。