根式樁基數控定位頂進施工技術研究

石懷遠，徐大振

(安徽省公路橋梁工程有限公司，合肥 230000）

1 工程概況

廬江縣湯池大道二期工程，起訖樁號為：K3+600～K11+700，主線長為8.1km。技術標準采用雙向六車道一級公路兼市政功能，設計速度80km/h，路基寬43m、路面寬30m、綠線寬100m。本工程設置橋梁7 座，其中，白石天河特大橋主橋為變截面預應力混凝土連續梁，主跨130m 跨越河道及大壩，邊跨78m；兩側引橋采用30m 標準跨徑裝配式預應力混凝土連續箱梁。根據橋梁的基本布局，全橋梁跨徑組合為15×30m+（78m+130m+78m）+21×30）m，長度為1 372.0m，15#～18#墩為主墩及過渡墩，均為根式鉆孔灌注樁施工，樁徑1.8m，單根樁根鍵分別為56 個、72 個、72 個、56 個，樁底持力層位于中風化泥質砂巖，均為摩擦樁設計，設置4 根聲測管，C30 水下混凝土樁基。

2 工藝原理

根式樁基數控定位頂進施工技術[1]，鉆孔施工采用旋挖鉆成孔，期間采用優質泥漿護壁。鉆孔成樁后，應及時清干凈孔底殘渣，確保沉渣厚度滿足設計要求。樁基鋼筋籠在加工廠采用長線法制作，預留好根鍵安裝位置及安裝磁性發射裝置，加工完成后分節段運輸至現場，采用機械接頭接長下放，并安裝聲測管，樁基聲測管應嚴格按照圖紙設計尺寸進行安裝。鋼筋籠下放完成后應及時完成根鍵頂進安裝，利用聲測管進行根鍵下放前定位；根鍵采用旋挖鉆與專用數控頂進裝置配合進行頂進安裝施工；頂進過程中，通過數控平臺數據及安裝在頂進裝置上的磁式傳感應器達到精確定位；根鍵頂進安裝完成后應盡快灌注混凝土，樁身混凝土灌注必須一次完成；樁基混凝土由拌和站供應，通過混凝土罐車經施工便道運輸至施工墩位。利用剛性導管法澆筑水下混凝土成樁。根式基礎布置如圖1 所示。

圖1 根式基礎布置圖

3 施工工藝

根式樁基施工利用常規旋挖鉆進成孔，旋挖鉆配合專用頂進設備進行根鍵安裝頂進施工，根鍵安裝完成后進行混凝土澆筑。其操作要點為鋼筋籠的制作與安裝、磁性發射裝置的預埋安裝、根鍵預制、數控定位頂進施工。

3.1 鋼筋骨架的制作與安裝

樁基鋼筋籠采用長線加工法在定位胎具上分段制作鋼筋籠，采用鋼筋籠胎座，多節段同時加工，控制鋼筋籠軸線偏差，保證鋼筋匹配對接精度。鋼筋籠所用的鋼材需要進行現場檢查，確保產品合格，滿足所用鋼材的規格要求。

鋼筋籠螺旋鋼筋成型后開始進行根鍵預留孔位的設置，為了便于分辨和統計將鋼筋籠的根鍵預留的主筋空當分別按照角度編號，編號為0°、90°、180°、270°、45°、135°、225°、315°8 個方向，預留孔位置定位從樁頂鋼筋反算孔位開設位置，將箍筋割除，并加強定位。

待鋼筋籠根鍵預留口加強定位完成后，進行磁性發射裝置的安裝，安裝完成后進行軸心定位，保證磁式傳感應器能順利感應，從而輔助根鍵精確頂進。利用聲測管輔助設備頂進前精準就位，每根樁沿鋼筋籠周邊按照設計圖紙要求均勻布置聲測管（檢測結束后每根鋼管均需壓漿封實）。

鋼筋骨架的起吊采用汽車吊。使用兩點吊來保證骨架起吊時不變形，第一個吊點設置在骨架底部，第二個吊點設置骨架長度的中點到上三分點之間。

3.2 根鍵施工

3.2.1 根鍵制作

根鍵采用在預制場集中預制。為了確保根鍵的預制精度，根鍵預制模板由鋼板加工制作，在預制場內將模板組裝好，預制根鍵混凝土采用吊斗進行澆筑，采用直徑比較小的振搗棒。

預制完成的根鍵進行濕潤，并對達到吊裝強度的進行編號，分層堆放，堆放的高度必須滿足地基的承載力要求。

3.2.2 根鍵頂推作業平臺的設計與加工

預制成型的根鍵采用旋挖鉆與專用數控頂進裝置配合進行頂進施工，采用磁性感應系統進行定位復核[2]。

根鍵頂進裝置，通常由反力架、千斤頂和錐壓件組成。反力架由1 個上頂板、4 個滑臺和連桿組成。4 件滑臺與加強環結合在一起，中間帶有十字形凹槽。滑塊卡在滑臺的卡槽中，只能徑向移動。錐壓件為十字形。錐壓件放置在滑臺的十字形槽中，滑槽的頂部與千斤頂連接，并且可以在反力架內軸向移動。工作原理是滑塊的斜面緊靠錐壓件的斜面。隨著壓力的逐漸減小，滑塊產生向下的2 個分力。向下的分力作用在滑臺上，并通過連桿在頂板上產生向下作用力，千斤頂向下壓錐壓件，在頂板上產生一個向上作用力。這2 個力是相互平衡的內力，從而形成了軸向自平衡系統。同時，滑動向外的分力作用在根鍵上并向外頂出，頂進裝置以頂推力1 600kN 運行。

3.2.3 根鍵頂進設備轉換和定位系統調試安裝

1）根鍵頂進設備轉換

根鍵施工之前，旋轉鉆頭拆除以安裝油體并將連桿連接到頂進裝置。

過油體的功能是通過旋轉鉆的液壓系統或外部油泵的油壓通過油管傳送到頂進裝置千斤頂上。油體配備有收放線盤。在進行頂進施工的過程中，直接將其放置在孔外正上方，下放鉆桿時，也同時下放油管。在整個過程中，油管均保持自然直立狀態，從而防止了油管懸掛在鋼筋籠上。

頂進裝置與鉆桿連接時，設置連接頭。該連接頭一端與鉆桿銷接，一端與頂進裝置焊接。

2）定位系統調試安裝

為解決傳統根鍵施工人工測繩定位頂進存在的效率低和精準度難控制等諸多缺點，項目根據實際情況進行了設備更新及創新應用；采用計算機數控系統精確定位根鍵頂入位置，并運用磁力感應系統進行定位復核，進一步提高定位精準度，在提高作業效率和可靠性的同時，還減少了對土體和鋼筋的擾動影響。

數控定位系統調試安裝，運用安裝在旋挖鉆桿上的測量設備，通過電子數控操作平臺進行數控定位，根鍵頂進設備轉換后，應進行垂直儀器和深度儀等數控設備調試，保證其使用精度。

磁性感應系統調試，其原理是利用安裝在頂進設備上的磁式傳感器感應安裝在鋼筋籠根鍵預留孔位上的磁性發射裝置進行定位，磁式傳感器是接近傳感器，它（甚至透過非黑色金屬）響應于一個永久的磁場，作用距離大于電感傳感器，響應曲線確定了永久磁場的方向。當物體（永磁體或外部磁場）接近，線圈鐵芯的導磁性（它確定線圈的電感量）變小，線圈的電感量也減小。振蕩器被激勵以增加振蕩，振蕩電流增加，當磁性物體接近時，會增加磁性傳感器的電耗。其最大優點可以穿過金屬檢測。如圖2 所示。

圖2 磁性感應系統

3.2.4 根鍵頂推

當鉆孔樁成孔檢驗合格，鋼筋籠下放操作完成，然后開始根鍵頂推工作。

1）根鍵頂推順序

根鍵分層頂推，先頂推最下面一層，自下而上頂推其他各層根鍵。

2）根鍵頂進施工方法

在連接到頂進裝置和旋轉鉆桿之后，旋轉鉆轉到孔邊，并進行相應的調整，以便在使用聲測管進行就位之前將其定位，將頂進裝置放置在鋼筋籠的中心。對中后，將旋轉鉆機轉到鉆孔的一側，調整鉆頭的位置并安裝根鍵，以使根鍵與鋼筋籠上的預留孔對應。下放鉆桿到該層根鍵標高，利用數控頂進系統和磁性定位設備輔助進行確切定位，定位后，用旋轉鉆液壓系統或外部油泵頂進根鍵，頂進完成后，提升鉆桿并將頂進裝置提升到孔外。

3）根鍵頂進位置精度控制

進行根鍵頂進施工過程中，必須正確地定位根鍵的平面和垂直位置，以便可以輕松地將其頂進到鋼筋籠預留孔中。

（1）平面位置定位

根鍵平面位置由聲測管引導進行控制，當平面定位時，鉆頭旋轉以進行稍微調整，確保頂進裝置的滑槽套入聲測管。

（2）豎向位置定位

豎向位置定位通過采用計算機數控系統精確定位下放深度，并運用磁力感應系統進行定位復核，具體方法如下：

鋼筋籠形成后，將護筒作為垂直方向上的控制點，測量每一層的根鍵到控制點的距離。安裝鋼筋籠后，設置一個水平標高控制線在控制點的孔旁邊，該控制線作為根鍵頂進裝置下放的零點，確定鉆桿下放深度。

頂進施工前，先不安裝根鍵，下放頂進裝置至標高控制點，對鉆桿讀數進行清零，利用磁性感應系統，判斷數控數據的精準度，若兩者量測深度一致，則鉆桿下放深度準確，若量測深度不一致，則通過內插法調整每層根鍵頂進時鉆桿下放深度數據，使之與實際相符。

鉆桿標定后，安裝根鍵，調節頂進裝置的平面位置，將頂進裝置放低至標高控制線，確保控制線與根鍵的水平線平齊，確保鉆桿下放深度清零，然后放下鉆桿到根鍵頂進深度位置，豎向定位完成。

3.3 灌注水下混凝土

灌注水下混凝土采用導管法。導管用壁厚4mm，內徑25cm 的鋼管制作。導管使用前做水密、承壓試驗，保證導管不漏水。導管底離孔底40cm，導管頂部應設漏斗、儲料斗[3]。

在灌注過程中，要注意管內的混凝土下降和水位的升降情況，測量并記錄管道的埋置深度和混凝土的高度。灌注首批混凝土時，埋管的深度應不小于1 m，為了確保樁質量，在樁頂設計標高以上加灌一定高度，增加的高度一般為0.8m。

4 結語

本工程通過對圩區根式樁基數控+磁力感應系統施工技術的實踐證明，發現數控技術的應用大大增加了根鍵頂進效率及精度，利用聲測管及磁力感應系統進行輔助定位，進一步提高根鍵安裝精度，保證根鍵施工質量；該施工技術具有簡單、高效、投入小等特點，且施工質量更容易保證，產生了顯著的經濟效益和社會效益。得到了監理及上級部門專家的一致好評。同時積累了根式樁基礎的施工經驗，為主橋施工順利開展打下了基礎。