水磨钻机在邻近铁路岩石地质条件下桥梁桩基施工中的应用

钟林杉

（龙岩交通建设集团有限公司，福建 龙岩 364000）

0 引言

水磨钻施工设备简单、易于操作、场地要求低、安全可靠、成孔快、成孔质量高，且施工产生的振动小、对周边土体扰动小，可以有效降低施工对邻近构筑物的影响。在邻近铁路岩石地质条件下采用水磨钻进行桥梁桩基人工挖孔施工有明显优势，加强水磨钻施工工艺的研究与应用，对推进交通基础设施的建设有重要意义。

1 工程概述

X123 东延线闽清北站至东桥朱山段公路工程A段，起于闽清北站，与站前大道顺接，途经大箬村并，于KO+383、K1+126 建大箬中桥、大安大桥，跨过现有沟谷，沿外福铁路右侧山体布线到达安仁溪村，并建安仁溪隧道穿山而过，沿旧路走向截弯取直进行改造，在K7+125 上跨合福高铁隧道，继续沿旧路截弯取直，至项目终点。

大安大桥：上部结构(2×30+3×30+2×30)m 预制T 梁先简支后连续，梁高2m；下部构造采用柱墩配桩基（1#、2#、5#、6#墩桩长12～18m，共8根，桩径1.8m）、箱墩承台配群桩基（3#、4#群桩长12m 共8根，桩径2m），桥台采用重力式桥台配扩大基础。大安大桥与周围构筑物位置如图1 所示，大安大桥平面布置如图2所示。

图1 大安大桥与周围构筑物位置

图2 大安大桥平面布置图

大安大桥是该项目的关键工程：左边与外福铁路直线距离约60m，右边与合福高铁直线距离约500m，且邻近居民区。

桥梁场区属于丘陵斜坡夹U 型谷宽谷地地貌，横跨山间小溪和现有道路，地势起伏变化较大，冲洪积沟谷地形平缓狭长，坡度约5～10°，坡体现状稳定，河道内为冲洪积中砂、碎石层，下伏基岩为侏罗统南园组凝灰熔岩及其风化层。

2 施工方法选择

根据现场地质情况及桩基设计，初步拟定爆破人工挖孔、水磨钻机人工挖孔、冲击钻孔施工方法，优缺点对比如表1 所示。

表1 施工方法优缺点对比

项目部经多方面对比论证，选定水磨钻机成孔方案。

3 水磨钻机介绍及工艺原理

水磨钻机是通用工程机械，由水磨钻机、水磨钻筒、水泵三个部分构成。每套水磨钻机可根据施工需求，配置3～5 个水磨钻筒，每个钻筒可焊接6～8 个金刚石刀头。水磨钻法是利用水磨钻机在桩基截面外缘钻取紧密相连的孔，成孔后取芯，所有的钻孔连起来并形成环，使桩基芯的岩石与桩壁分离，桩基的岩芯周边形成临空面，而后对桩基的岩芯进行破裂分块处理，用卷扬机和吊斗把分裂岩块外运。按取芯、破裂分块、岩块外运的操作顺序循环施工，从而实现桩基成孔。

4 施工工艺

4.1 水磨钻机施工工艺流程

水磨钻机施工工艺流程如图3所示。

图3 施工工艺流程图

4.2 场地平整

铲车配合挖掘机对施工场地进行整平，同时修整出桩孔开挖平台。为防止周边的水灌入桩孔内，要在施工平台四周挖好临时排水沟，同时预防水流冲刷孔口造成下沉[1]。

4.3 测量放样

整平施工场地后，采用全站仪准确放出施工桩位的中心位置，经复核无误后，在桩位四周埋设护桩，然后报监理检测，经检测合格方可进行下一步工序。施工过程中，根据需要应对桩位中心进行复核，以保证桩位符合设计要求[2]。

4.4 锁口施工

为防止钻孔过程中水或杂物进入桩孔，应在钻孔前沿桩孔外边缘浇筑宽度500～600mm 的钢筋混凝土锁口，锁口高出原地面不小于300mm。

进入岩层之前使用气动风镐、铲锹等施工设备挖除土层，并及时浇筑混凝土护壁，为保证施工安全，要控制开挖进尺。

4.5 孔口搭设支架

孔口采用脚手管（φ48，δ=3.5mm）搭设防护支架（见图4、图5），安装活动提升架，活动提升架经现场验收合格后安装，后方配重采用砂箱或混凝土预制块，压重总重量不小于500kg。为了防止雨水进入孔内且阴雨天气能正常施工，应在支架最顶端用防雨布覆盖[3]。

图4 支架示意图

图5 支架实际照片

4.6 桩基开挖

第一，岩石取芯：该桥4#墩桩基桩径2m，选用水磨钻筒外径160mm，内径140mm，壁厚度10mm，高度720mm，每循环可钻进600～650mm。水泵外径120mm，高度40mm。沿桩基截面外缘布置44 个取芯点，取芯直径150mm，取芯圆与锁口内壁相切，取芯圆之间的距离为130mm。依次钻取外边缘的44 个岩芯，取出的岩芯高约650mm，将外周所有的岩芯取完后，桩基的岩芯外围便形成一个环形临空面（见图6）。钻取方向依次向外倾斜大于5.7°以防缩孔。第二，倾斜度计算：水磨钻机高度1500mm，水磨钻筒外径160mm；上部电机突出部位超出钻筒70mm，钻孔时倾斜角度为（70+160/2）/1500=0.1，tan-1（0.1）=5.7°，所以倾斜角度不小于5.7°的情况下进行施工才能保证不缩孔。第三，破裂分块：为方便岩体分解，将桩基的岩芯等分成4份，每份占桩芯岩体的1/4，然后用铁锤将钢楔打入手电钻预先钻好的孔内，使岩体在水平的冲击力作用下沿铅锤面被拉裂，同时根部发生水平剪切破裂。重复以上操作，将桩芯岩体依次破裂分块。第四，岩块外运：用卷扬机和吊斗，把分裂的岩块分批外运。第五，桩孔修正：水磨钻钻芯后桩基孔壁容易形成锯齿状，会影响有效桩径，因此需要人工敲掉侵占桩基空间的锯齿状岩石。

图6 人工取芯图

4.7 成孔要求

第一，挖孔达到设计孔深后，应及时进行孔底处理，确保孔底无松渣，孔底桩径不小于设计值，孔底地质状况应满足设计要求。第二，根据铅锤法，检查孔的倾斜度，倾斜度需≤0.5%[4]。

4.8 成桩施工与验收

成桩施工包括钢筋笼加工和安装、混凝土浇筑，施工过程与常规挖孔施工相同，若桩孔内有水且不能抽取，混凝土浇筑则应按冲孔桩灌注的方式施工。混凝土浇筑完成后，应对桩顶标高进行复测；待混凝土的期龄符合要求，再检测其混凝土强度和桩身完整性。

5 安全控制

5.1 施工人员安全保障措施

第一，现场施工作业人员必须戴安全帽、穿绝缘的长筒胶鞋、系好安全带，作业时将安全带拴在从孔口而下的保险绳上。第二，现场必须配备专用的安全爬梯，以供孔下作业人员通行；下孔作业前，要注意检查各施工设备是否完好、牢固可靠，同时观察桩孔周边是否有安全隐患未排除。第三，孔口1m 范围必须设置二道水平钢管防护栏，高度不得低于1.2m，并挂安全网，留一个通行口，方便人员上下和运送渣土。第四，孔口2m 范围内不得有弃土、堆渣。第五，孔深超过5m时，为防止吊桶及渣土坠落伤人，在孔底上方2～3m 处设置由钢筋制作的半圆形保护盖。外运时吊桶不得装满超过高度的2/3，以防溢落，吊桶上下要平稳垂直，作业人员站在安全护罩下方。第六，孔深超过10m时，必须进行机械通风，保持孔底空气清新。

5.2 设备安全保障措施

提升架：防止垮塌或倾覆，提升架必须按安全规范要求进行配重；为保证井架的强度，应用型钢与钢管焊接。

卷扬机：第一，为防止卷扬机提升时卷扬机松动倒挂，卷扬机与提升架转盘使用螺栓进行连接牢固。第二，为防止触电事故，电动卷扬机的电气部分不得有漏电现象，各个金属外壳应有良好的接地线。第三，钢丝绳位于卷筒中间时，卷筒轴线与钢丝绳应呈90°角；作业使用过程中钢丝绳应在卷筒中至少保留三圈，收绕钢丝绳时，严禁止用手引导。第四，施工作业前，要注意检查钢丝绳是否出现断丝断股、磨损、毛刺，钢丝绳反接头是否牢固，吊钩是否有磨损、插销是否可靠，渣桶是否破损，若发现隐患，须在整改完成后恢复施工。第五，卷扬机使用的吊钩要求安全可靠，同时配有保险装置，以防止脱钩。

5.3 邻近铁路施工的监控量测

5.3.1 量测项目

邻近铁路施工时，为监测施工对既有结构物的影响、指导施工，沿线路按照施工内容布置监控量测点。按公路工程有关施工安全技术规范的规定和图纸要求，并根据施工现场情况，确定量测项目（见表2）。

表2 量测项目、量测仪器及工作内容表

5.3.2 监控量测

施工之前建立可靠的高程和水平位移控制网，基准点设置应充分考虑施工可能带来的影响，以免遭到破坏。施工期间每天量测1次，同时根据位移变化情况减少或加密量测。施工后视变化规律确定量测频率，量测时间间隔一般为邻近段落施工结束后7天，在雨季应加密量测次数，注意位移变化趋势。

6 结语

水磨钻机成孔施工工艺非常适合在涉及居民区、旧路改扩建、邻近铁路等施工条件受到限制下的桥梁桩基施工，相较于其他施工方法，水磨钻机成孔施工方法不但安全可靠、成孔质量高、无粉尘，作业环境好，且所需施工设备简单、易于操作，还可根据施工进度需要随时增加工作面，施工组织机动性高，能够有效提高成桩效果。