浅析湘中丘陵地区高速公路桥梁桩基施工方法

李向阳 许腾飞

中交路桥华东工程有限公司 上海 201210

灌注桩是指在桥梁设计桩位上通过机械钻孔、钢管挤土及人力挖掘等手段在土体中开孔，并在孔内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩，根据成孔方法不同，灌注桩分为沉管、钻孔灌注桩及挖孔灌注桩等[1]，依据钻孔机械不同，又分为冲击钻孔，旋挖钻孔，回旋钻孔，气举反循环成孔，泵吸反循环成孔等。

山区及丘陵地区高速公路桥梁中，桩基施工常用的成孔方式采用人工挖孔、冲击钻钻进以及旋挖钻钻进的方式成孔。山区及丘陵地区高速往往线路长，沿线地层分布不均，变化较大，同时受地形及场地限制。如何根据现场地形地貌及地质条件合理选择成孔方式，对项目进度及成本控制具有重大意义。本文结合湖南省白仓至新宁清江桥高速公路项目桥梁桩基现场施工情况，对各类常用成孔方式进行分析、总结，可为后续类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

邵阳县白仓至新宁县清江桥高速公路，起点位于湖南省邵阳县塘渡口镇，终点位于新宁县清江桥乡，路线全长45.423km。

本项目桥梁桩基设计均为灌注桩，大部分为端承桩，少数为摩擦桩。

桩径类型有Φ1.2m、Φ1.3m、Φ1.4m、Φ1.6m、Φ1.8m、Φ2.0m、Φ2.2m；最短桩长15m，最长桩长51.5m，端承桩（除溶洞外）桩长均小于30m，摩擦桩基本为40余米。

1.2 工程自然条件

1.2.1 地形地貌

本线路地势起伏变化较大，呈两端高、中间低的形式，地面高程226.12m～374.96m。地貌类型主要有河谷阶地地貌，为夫夷水及其支流阶地，低山丘陵间沟谷地和丘陵、丘岗地貌，三类地貌沿线交错分布，总体上为低山丘陵地貌。

1.2.2 地质条件

本标段线路上覆地层主要为人工填土、冲洪积成因的粉质粘土、细砂、粗砂、卵石，残坡积成因的粘土、粉质粘土、碎石。

下伏基岩为页岩、炭质页岩、砂岩、灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩、泥岩等。沿线分布不均匀，变化大，主要为碳酸盐岩类，岩溶较发育，存在多种岩溶形态，如溶沟、溶槽、溶洞等。

1.2.3 水文地质条件

项目走廊带散布大量的水塘、水库，主要河流为夫夷水及其支流，属资水南源。呈平行羽状分布，流程短，落差大，流域面积小。

地下水主要位于第四系松散堆积层中，分别为岩裂隙水、孔隙水和碳酸盐岩裂隙水三种类型。

1.2.4 周边环境

本项目位于湘中丘陵地带，沿线居民区较多且集中，主线桥梁主要跨越国道、县道及低山丘陵间农田地段。天桥均位于主线挖方段，上跨新建高速，地势较陡，且无进场道路。

起点设枢纽互通与既有高速公路相接。互通范围内设置拼宽桥梁1座，跨线桥（既有高速路基改桥）1座，天桥、渡槽各1座，上跨新建高速匝道及原高速。

2 常见桩基成孔方式工艺原理、适用条件

2.1 人工挖孔

2.1.1 工艺原理

人工挖孔桩，主要成孔工艺有两种，一种为爆破结合人工挖土，一种为水磨钻成孔。

水磨钻成孔采用立式三相工程水磨钻机，配合人工挖孔清渣使用，利用钻机套筒周边的刀片在钻机的转动下切割岩体，并将岩体切入套筒内，待钻入一定深度后提出套筒，敲断并清除筒内岩石，钻机取出岩芯后，中间岩石和周边岩壁形成临空面，再用钻机或铁锹凿碎中间岩石，吊运出渣[2]。

人工挖孔即人工在孔内用铁铲或风镐进行取土（凿岩），过程中逐节浇筑护壁。地质为岩层时，配合炸药进行岩层松动，然后人工进入取土。

2.1.2 适用条件

⑴水磨钻适于岩石较硬，桩基长度不大于20m，且周边临靠建筑较近，对临边建筑保护要求高的地段。

⑵人工挖孔适用于主要适于施工场地狭窄或缺水源、地质较好地段的地段。桩基长度不宜大于20m。

2.2 冲击钻成孔

2.2.1 工艺原理

利用钻机不断地提锥、落锥反复冲击孔底，即采用适当的冲程和冲击频率，把地层中的泥砂、石块挤向四壁或打成碎渣，通过泥浆循环或掏渣筒掏渣实现出渣，重复上述过程,至钻进深度达要求深度而实现成孔的。

2.2.2 适用条件

⑴地质：特别是对卵石层地质条件中钻孔最为适用。⑵桩长：不大于80m。⑶桩径：适用于0.8m～3m。

2.3 旋挖钻成孔

2.3.1 工艺原理

旋挖成孔首先是通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻头内，然后再由钻孔机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，直至钻至设计深度。对粘结性好的岩土层，可采用干式或清水钻进工艺，无需泥浆护壁。而对于松散易坍塌地层，或有地下水分布，孔壁不稳定，必须采用静态泥浆护壁钻进工艺，向孔内投入护壁泥浆或稳定液进行护壁。

2.3.2 适用条件

⑴地质：一般用于砂土、粘性土、粉质土等土层及软弱地质差的地段。⑵桩长：不大于80m。

3 桩基成孔方式选择

为加快施工进度，在地质条件、场地条件允许的情况下优先选择旋挖钻成孔。

本项目位于岩溶区，岩溶发育，且项目三跨夫夷水河，为河谷阶地地貌，上覆地层为卵石层，层厚3～4m，易塌孔。针对岩溶桩基、卵石层，项目采用冲击钻钻孔施工，充分利用泥浆护壁特点，防止塌孔，同时通过回填黏土、片石能很好的解决硬质岩层倾斜大，出现岩溶等情况，同时在施工中经过不断冲击砸实能有效的解决漏浆、塌孔等问题[3]。

起点枢纽互通拼宽桥梁桩基与原桥桩基净距仅2.13m，天桥、渡槽桩基位于原高速挖方段碎落台位置，距离高速较近，安全风险高。为减少拼宽桥梁桩基施工对原桥梁的扰动，同时为降低边通车边施工的安全风险，拼宽桥梁及天桥、渡槽桩基采用人工挖孔（水磨钻）法施工。主线天桥均位于挖方边坡内，现场无大型设备进场及施工条件，主线天桥桩基同样采用人工挖孔（水磨钻）法施工。

4 各类成孔方式实施过程及效果

4.1 人工挖孔

⑴工期：人工挖孔一般地质条件下，实际综合工效1m/d；有效施工工效1.5m/d。水磨钻在一般地质条件下，实际综合工效0.8m/d，有效施工工效1.2m/d。⑵成本：采用人工、爆破的，不含税单价550元/m³（除混凝土、炸材外所有施工费用）；采用水磨钻的，不含税单价800元/m³（除混凝土外所有施工费用），水磨钻单价为常规单价，具体根据实际情况确定。⑶质量效果：人工开挖成孔施工操作工艺简单、施工方便、不需要大型机械设备，可同时进行多桩施工，单桩承载力高，可直接检查桩外形尺寸和直接确认桩地质情况、受力性能可靠，抗震能力强，施工质量易保证。水磨钻对于施工扰动要求较高的情况下更为适用。⑷安全效果：挖孔过程劳动强度大、单桩施工速度缓慢、施工中的安全隐患也非常突出。必须采取井下作业，人身安全问题较大，施工安全管理难度较大[4]。同时受天气影响明显，遇地下水较高时抽水对周边建筑物的影响比较大。

4.2 冲击钻成孔

⑴工期：嵌岩桩地质条件下，实际综合工效（黏土层）3～4m/d；有效施工工效4～5m/d。实际综合工效（淤泥层）6～8m/d；有效施工工效10m/d。实际综合工效（碎石、全风化层）4～5m/d；有效施工工效5～6m/d。实际综合工效（强风化层）3～4m/d；有效施工工效4～5m/d。实际综合工效（中风化层）1m/d；有效施工工效1～1.5m/d。⑵成本：不含税单价250～500元/m³（除混凝土、砖渣外运外所有施工费用），孔径1.2m～2.5m，孔径与单价成反比。⑶质量效果：冲击钻锥以自由落体的方式冲击岩土。由于钻头质量大，冲击末速度较高，冲击力大，能够有效地破碎较硬的岩石；冲击土层时的冲挤作用形成的孔壁较为坚固；钻进时孔内泥浆循环的作用，使得悬浮钻渣循环至孔口排除，并保持了孔壁稳定,泥浆用量少；使用冲击钻机所成的孔更稳固，大大减小了塌孔现象的出现机率，在灌注混凝土前孔内泥浆能达到更加洁净的指标。⑷安全效果：冲击钻自重较轻，设备较少，相对于旋挖桩等设备多的机械安全隐患少；占用场地较少，标准化施工可达到复制性就位；钻机所使用设备简单，安装方便，减少了外部机械所带来的的安全问题；采用电脑控制系统，设置冲程后可自动冲击。

4.3 旋挖钻成孔

⑴工期：一般地质条件下，实际综合工效80～100m/d；有效施工工效90～110m/d。⑵成本：孔径1.3m及以下，不含税单价200元/m³（除混凝土、砖渣外运外所有施工费用）；孔径1.5m～2.0m，不含税单价180元/m³（除混凝土、砖渣外运外所有施工费用）。⑶质量效果：自动化程度高、成孔速度快、质量高。钻进过程中一些施工参数如转速、钻压力、深度等有电脑显示，可有效的控制成桩的垂直度，防止超挖和欠挖。采用全程钢套跟进还可以避免缩径等桩身质量缺陷，切实解决了复杂地层护壁难的问题，钻孔质量好。⑷安全效果：采用了国际先进技术，性能优异，自动化程度高，在施工时能够自行移动并达到移动、孔位对准方便、快捷，减少人工操作，相对比较其他钻机如冲击钻需要较多人工操作的钻机，有效的减少了人和机械之间的危险因素。

5 存在问题及建议

5.1 存在问题

⑴人工挖孔桩：人工挖孔桩需要人下井作业，劳动强度高，工作环境及条件较差，如遇到腐植层、煤炭层等不良地层情况下存在一氧化碳或瓦斯等有毒气体产生，直接危害作业人员生命安全；如遇到回填土、含承压地下水土层、流砂、膨胀性等软弱土层时，易发生塌孔危及施工人员安全。⑵冲击钻：污染环境，不环保；循环泥浆，沉淀出渣需要泥浆池，占用较大的施工场地。此外，冲击钻冲击过程容易偏孔及吊锤，大孔径施工需要分级进行扩孔，冲击震动受干扰比较大。⑶旋挖钻：旋挖钻机受地层地质情况的制约，遇硬质岩层、卵石层，孤石层时钻进困难，易发生事故。同时，由于旋挖钻体型较大，重量较重，对场地大小及承载力要求较高。

5.2 建议

⑴人工挖孔桩：人工挖孔桩施工过程中，主要受地下水及孔内流沙、淤泥等因素影响，严重可能造成较大的质量或安全风险。针对两项应针对性采取处理措施。

1）地下水：水问题在工程人工挖孔桩中属于常见问题，含水层中的水会因开挖时平衡状态的破坏，导致周围的静态水流入孔内。

①关于渗水的处理，采用膨胀性材料，通过遇水膨胀达到堵水效果。

②关于孔内积水的处理，如渗水量较大，发生涌水情况，无法单纯的通过堵水措施解决时，可采用抽水泵放置井底边挖边抽，保证孔内不积水。或将潜水泵置于孔内中部涌水处，从源头解决。

③当以上两种方法均不能解决时，可考虑在场地四周通过管井降水或分流，但应注意周边环境，考虑由于地下水位下降而导致的地表下沉。

2）流砂或易坍塌地层：在遇有流动的细砂、粉砂层地质时，较容易形成流砂，甚至会发生井漏，造成严重的后果。因此，要在施工时就采取一系列有效可靠的措施，来确保施工顺利安全进行。

①当流砂情况较轻时，有效的方法是将每次开挖深度缩短，减少孔壁暴露时间，并及时施做混凝土护壁，必要时护壁内增设钢筋，以保证护壁的稳定性。

②当流砂情况较重时，可以采用钢护筒跟进，或在开挖过程中遇该类地层时，沿孔底下方向四周钻孔注浆，形成止水帷幕，提高孔内周边土体的稳定性，从而有效控制塌方等情况。

⑵冲击钻：冲击钻机特别适用于山区丘陵嵌岩桩的成孔。表层为软弱土时，可以通过换填地表土，以求稳固钻机。也可以根据工地的实际情况自行组装，并且具有操作简单的特点。在钻机的结构和操作程序的繁简上，冲击钻优于旋挖钻机。

⑶旋挖钻：遇到易塌陷地层时，采用高质量静态泥浆造壁，同样应严格遵守以前钻机的慢进多扫的技术要求。在通过膨胀性土层时，应该加强扫孔，防止缩径的发生。

严格控制成孔过程中提升斗的升降速度和钻进速度，若钻机升降钻斗时速度过快，钻斗外壁和孔壁之间的泥浆冲刷孔壁，再加上钻斗下部产生较大负压作用，造成孔壁颈缩、坍塌现象。当钻斗在粉砂层或亚砂土层作业时，其升降速度应更加缓慢。必要时，针对特殊软弱地层，限制钻机作业成孔的时间，通过3～4根的试桩，测定掌握最佳的科学成孔时间后，再规范指导旋挖钻机正常施工。

回转斗提升时下方产生较大负压，导致提升阻力增大及孔壁收缩、坍塌。这个原因导致一些沿海滩涂软基地区禁止采用旋挖钻机的政策，可通过技术改进，侧壁加焊导流槽，利于泥浆的导流，减小桩孔内的负压。同时底盘加焊侧齿，控制回转斗与刀尖间的距离，防止回转斗升降旋转时碰坏孔壁。

6 结语

本文结合湖南省白仓至新宁清江桥高速公路项目所处位置地形地貌，地质、水文地质条件，以及项目环境等情况，根据不同成孔方式的适用条件及优缺点，合理的选择了人工挖孔桩、冲击钻及旋挖钻施工。经过现场施工论证，本项目桩基施工工期、安全、质量及经济可行，可为类似项目提供经验参考。