桥梁水下墩基础钢护筒混凝土灌注桩施工技术研究

摘要：以地处河流交汇处的某公路桥梁墩基础工程为例，研究公路桥梁在河水中进行水下墩基础钢护筒混凝土灌注桩施工技术，通过制作并埋设高强度钢护筒、钻孔下放钢筋笼和水下灌注混凝土，完成水下墩基础钢护筒混凝土灌注桩施工。验收结果表明：灌注桩施工质量良好，水下墩基础钢护筒混凝土灌注桩施工技术具有可行性。

关键词：水下墩基础；钢护筒混凝土灌注桩；冲击成孔；光纤温度测试

0 引言

随着我国经济的持续增长，公路桥梁建设的规模不断扩大，特别是在河流、滩涂中施工，技术要求更加严格。桥梁基础的稳定性直接关系到整座桥梁的安全和使用寿命，因此研究和发展先进的桥梁基础施工技术，对确保工程质量具有极其重要的意义。钢筋混凝土灌注桩是公路桥梁基础施工的常用施工技术，具有简便易行、成本较低的优点。但该施工技术也存在一些明显的不足，例如容易受到地质条件的影响、质量控制不易等。

钢护筒混凝土灌注桩能适应复杂的地质条件和不同的施工环境，特别适用于地基软弱、土层较厚、地下水位较高等地质情况。由于钢护筒的约束作用，混凝土在灌注过程中受到的阻力较小，能够形成更加密实的桩体，从而提高灌注桩的承载力。与钢筋混凝土灌注桩施工技术相比，钢护筒混凝土灌注桩施工技术具有明显的优势和更高的应用价值。本文以某公路桥梁工程为例，对该工程在河水中实施墩基础钢护筒混凝土灌注桩的施工技术展开研究。

1 工程概况

某公路桥梁工程地处河流交汇处，河水较深、流速较快，地质条件复杂，对施工技术的要求很高。该公路桥梁工程长度为860m，其中主桥长243m，副主桥长205m，引桥长412m。由于该桥梁基础工程在河水中进行墩基础施工作业，其施工难度较大。因此该桥梁基础工程采用钢护筒混凝土灌注桩施工技术进行施工。

2 水下墩基础钢护筒混凝土灌注桩施工技术

2.1 制作并埋设钢护筒

按照施工要求，为了保证钻孔的垂直度和稳定性、防止孔壁坍塌和地表水流入孔内，在钢护筒埋设之前进行施工准备，包括场地平整、测量放样、材料准备等，在确定桩位、钢护筒内径和埋设深度后，进行钢护筒的制作和埋设[1]。

2.1.1 计算钢护筒内径

需要根据混凝土灌注桩的设计图纸确定钢护筒的内径。钢护筒内径计算公式如下：

（1）

式中：D表示钢护筒的内径；d表示设计的混凝土灌注桩桩径；L表示钢护筒的长度；η表示钢护筒的倾斜率；ε表示平面位置允许误差。

2.1.2 计算钢护筒埋深

根据钢护筒内外压力平衡原理，计算钢护筒埋设深度[2]，以确保钢护筒在河水中不会发生变形。钢护筒埋设深度计算公式如下：

（2）

式中：H表示钢护筒埋深；h1表示桥梁施工水位到河床表面的深度；h2表示钢护筒内部水位和施工水位之间差值；δ1表示钢护筒内部的泥浆容重；δ2表示河水的容重；δ3表示钢护筒外部河床土的饱和容重。

2.1.3 钢护筒制作

经计算确定钢护筒的内径和埋设深度后，为了确保所采购的钢材具有较高强度、足够韧性和耐腐蚀性，满足工程要求，需确定所用钢板的材质、规格、厚度和平整度技术指标，然后进行备料。钢板运输到加工厂后，对其各项技术指标进行检查验收，合格后投入钢护筒制作。

对钢板进行除锈、除油等清理工作，确保其表面清洁、光滑，以提高卷制效果。按照钢护筒设计要求、参照卷板机卷制能力，经计算确定每个钢护筒的卷制尺寸，并使用裁板机进行剪裁。将剪裁好的钢板放置在卷板机上卷制成圆筒。对卷制好的圆筒进行拼装和焊接，确保其形状、密封性和强度。对制作完成的钢护筒进行质量检测，包括内径和长度尺寸、焊接质量等，确保其满足施工要求。将检验合格的钢护筒进行编号、码放，并采用适当的运输方式将其运至施工现场。

2.1.4 钢护筒埋设施工

根据施工图纸，确定钢护筒埋设位置并进行精确测量，确保位置准确无误。使用钻机在定位点进行钻孔，钻孔深度应达到设计要求，并确保孔壁光滑、垂直。将加工好的钢护筒使用吊车吊至钻孔上方，缓慢放入钻孔内。在钢护筒放入钻孔后，使用适当的方法将其固定在孔底，防止其移动或倾斜。在钢护筒固定后，应及时回填土并夯实，确保钢护筒的稳定性。完成钢护筒埋设后，应对其进行定位检测，以确保其满足施工质量要求。检测内容包括与灌注桩设计中心的同心度和垂直度以及钢护筒稳定性等。

2.2 钻孔和下放钢筋笼

钻孔和下放钢筋笼是整个公路桥梁水下墩基础施工中的关键环节，对于提高桩基的承载力和抗剪切能力具有决定性作用[3]。

2.2.1 冲击成孔

根据设计要求将钻机移动到钻孔位置，采取措施确保钻机安装稳定，并将钻头调整到灌注桩设计中心的位置并保持垂直度。钻机就位后，进行冲击成孔。冲击成孔是利用钻机的冲击力将土石破碎，形成桩孔。

在这一过程中，控制桩孔的深度和直径是关键，同时还需要注意防止发生塌孔和偏孔等问题。完成冲击成孔后，进行清孔，其目的是确保钢筋笼能够顺利下放。清孔过程需要严格控制，确保孔内杂物被彻底清理干净，然后即可吊放钢筋笼。

2.2.2 钢筋笼吊放

钢筋笼是灌注桩的重要组成部分，其吊放过程需严格控制。应确保钢筋笼的尺寸和质量符合设计要求，设置适宜的吊点，选择相匹配的吊装设备。在吊放过程中，应缓慢下放钢筋笼，避免其与孔壁发生碰撞。在河水中吊放灌注桩钢筋笼时，由于水流的冲刷和浮力作用，钢筋笼容易发生移位。为解决这一问题，采用扁担梁方法对钢筋笼[4]进行吊装。

吊放钢筋笼方法如图1所示。图1中，钢筋笼顶部设置了多根吊筋和加强筋，与扁担梁焊接在一起。在和钢筋笼焊接成整体后，可增强钢筋笼的稳定性，可确保钢筋笼的中心处于混凝土灌注桩的中心位置，且不会因河水的冲刷发生上浮和下落等问题。然后即可进如灌注混凝土工序。

2.3 水下灌注混凝土

2.3.1 灌注量计算

在混凝土灌注施工之前，需要配制符合设计要求的混凝土。由于该桥梁水下墩基础施工环境复杂，为了确保混凝土质量符合技术要求，采用优质粉煤灰水泥、卵石、中砂作为混凝土的主要原材料[5]。同时根据工程实际情况，严格控制配合比、水灰比、砂率等关键参数，以获得性能优异的混凝土。为了应对水下施工的特殊环境，还需添加缓凝剂、减水剂等外加剂，以提高混凝土的耐久性和稳定性。完成混凝土配制后，需计算混凝土灌注量，其计算公式[6]如下：

（3）

式（3）中：Q表示每根灌注桩的混凝土灌注量；l1表示灌注桩孔底与导管底端之间的距离；l2表示导管的初次下放深度；r表示导管的内径；H0表示导管内部混凝土和外部泥浆压力平衡时所需导管下放深度。

2.3.2 灌注与振捣

通过导管和漏斗等工具进行混凝土灌注，其中导管采用无缝钢管制作，钢管的直径大约为混凝土桩径的1/6，钢管内壁应光滑、顺直，确保混凝土的顺利灌注。漏斗则为钢板焊制形成的圆锥形结构，将其底部与导管顶部固定在一起，组成混凝土的灌注装置。

按照公式（3）计算得出的灌注量，将混凝土缓慢灌入漏斗，通过导管灌注到桩孔底部。在灌注过程中，应控制混凝土的流量和压力，确保其均匀、连续地注入到水下结构中。由于水下施工环境的特殊性，水下灌注混凝土的难度较大，需要克服水下的各种阻力。因此为提高混凝土的密实度，采用适当的振捣方式进行灌注。

在混凝土灌注到设计标高时，停止混凝土灌注，并缓慢拔出导管，等待混凝土冷凝成型，即可形成钢护筒混凝土灌注桩，以此提升公路桥梁水下墩基础钢护筒混凝土灌注桩的稳固性能。

2.3.3 灌注桩数量和规格

该公路桥梁工程主桥、副主桥和引桥共设有钢护筒混凝土灌注桩54根，施工过程中严格按照设计要求进行施工，并在施工结束后对工程质量进行验收，以判断该施工技术的可行性。该公路桥梁钢护筒混凝土灌注桩数量和规格如表1所示。

3 工程验收

为验证本文使用的水下墩基础钢护筒混凝土灌注桩施工技术在该公路桥梁中的应用效果，对施工结果进行检查验收。

3.1 验收方法

采用传感光纤作为验收设备。在钢护筒混凝土灌注桩施工过程中，先将传感光纤埋设在灌注桩内，在施工结束桩身成型之后，对传感光纤进行定点加热，沿桩身每隔5m左右取一个测点，以检测桩身温升数据。通过Sentinel DTS分布式光纤温度测试设备绘制灌注桩的温升曲线，以此反映灌注桩的完整性。在检测灌注桩成桩质量时，本文分别从主桥、副主桥以及引桥这三个部位的灌注桩中，抽取桩顶标高为-10m，桩身长度为35m的三根混凝土灌注桩，对灌注桩内光纤温升进行记录。

3.2 验收结果与分析

按照上述布置内容，灌注桩现场检查验收数据，所得灌注桩内光纤温升数据，并按照数据绘制出灌注桩内光纤温升示意图。灌注桩内光纤温升示意图如图2所示。

从图2可以看出，该光纤空气段的温升速度大于钢护筒混凝土灌注桩内的光纤温升速度。这主要是因为空气比混凝土的导热系数更小，热量不容易向周围介质传导，所以空气段温升更快。与此同时，上述3根试验桩在相同加热功率下，其温升值几乎一致，均在2K之下，而且无论桩身长度为多少，各检测点之间的温升差值不大，均未超过0.5K。由此可以说明，钢护筒混凝土灌注桩的密实度极高，无较大质量缺陷，在光纤加热过程中，因混凝土温度较低，可吸收热量，所以各检测点上桩身部位的温差值波动趋势较为平缓。根据检查验收数据，可以判断钢护筒混凝土灌注桩的桩身质量良好，同时验证了本文研究的水下墩基础钢护筒混凝土灌注桩施工技术的可行性。

4 结束语

本文以某公路桥梁工程为例，对公路桥梁水下墩基础钢护筒混凝土灌注桩施工技术进行了深入、系统的研究，阐述了钢护筒混凝土灌注桩施工流程，并对本文所述施工技术的有效性和可靠性进行了检查验证。验证结果表明：本文所述施工技术取得了一些成果、具有应用价值，为今后类似工程提供了有益的参考。随着科技的不断进步，未来需进一步探索更加智能化、自动化的桥梁基础施工技术，以进一步提高施工效率和施工质量。

参考文献

[1] 李宁，杜松，王振，等.中马友谊大桥主桥深水基础临时结构设计及施工技术[J].桥梁建设，2023，53（4）：147-154.

[2] 冯忠居，马昊，蔡杰，等.跨海大桥装配式钢管混凝土复合桩基础防腐技术研究[J].公路，2022，67（11）：104-110.

[3] 周启辉，刘亚祺.芜湖长江三桥2号桥塔墩钻孔桩施工关键技术[J].世界桥梁，2022，50（2）：51-56.

[4] 刘玉宝，汤伟，刘沛元.厚砂层强基岩地质钻孔灌注桩施工技术研究[J].公路，2022，67（11）：226-230.

[5] 张校强，李琦，许建武.引孔植桩工艺在深水裸岩码头灌注桩施工中的应用[J].水运工程，2023（9）：211-215+228.

[6] 常聚友，刘德伟，钟在行，等.混凝土灌注桩施工质量的心法十要研究[J].铁道工程学报，2023，40（1）：42-46.