臨近既有線橋梁樁基開挖施工分析

中鐵二局四分公司

摘要：臨近既有運營高速公路施工安全要求高、難度大、責任追究嚴厲，以往均被列為項目的重難點工程；特別是地質條件差，距離既有運營公路很近的橋梁基礎施工更是需要嚴密的施工組織方案和精挑細選的施工技術。水磨鉆挖孔樁施工技術在臨近既有運營高速公路施工中發揮到了極致，有效地保證了既有高速公路結構的安全、正常的運營和新建橋梁樁基礎的安全施工。本文以永吉高速公路臨近既有運營高速公路的樁基礎施工為例，對水磨鉆施工樁基礎施工應用進行分析、總結，對臨近既有建、構筑物的其他工程基礎施工也具有很強的借鑒意義。

關鍵詞：既有線；挖孔樁；水磨鉆

近年來隨著我國交通建設規模的擴大，在道路建設中與各種線路和沿線重要設施不可避免的發生交叉、互通和臨近的現象，制定既有結構安全及新建結構的的施工安全保證既有運營公路的正常運行；各公路高管局對既有線安全施工制定了大量的規章制度，配備大量的人力物力進行監控，對施工單位的既有線施工帶來極大的挑戰。水磨鉆挖孔樁技術在臨近既有線，嚴禁振動的施工條件下，因其施工安全，投入相對較低，完全滿足既有線施工的需要，在川湘貴地區被廣泛應用。

1 工程概況

永吉高速公路石家寨互通橋及加寬橋位于位于湖南省吉首市寨陽鄉境內，其中石家寨左線1#加寬橋、石家寨左線2#加寬橋、石家寨右線加寬橋與既有吉茶高速公路石家寨高架橋相接；莊稼坡右線加寬橋與既有吉茶高速公路莊稼坡高架橋相接；石家寨A匝道橋28#墩位于既有吉茶高速石家寨高架橋梁底，距既有吉茶高速公路梁底距離39.46m，距既有橋梁樁基水平最小凈距7.8m；除此之外，B-E匝道橋尾部墩位樁基距既有運營高速公路也較近。在施工過程中既要保證既有高速公路結構安全、行車運營安全，又要保證施工期間工作面土體的穩定性及新建樁基的施工安全，選擇合理樁基施工方式，即成為該工程的重點和難點工作之一。

2 地質地貌情況

依據勘察設計結果顯示，擬建加寬橋橋梁區無斷層構造，未見新結構活動痕跡，地層結構較為穩定。橋位區巖層為單斜巖層，巖層產狀165°<8°，傾向與橋梁軸線呈大角度相交。

橋址區分布地層主要分布第四系全新統填筑土，第四系更新統粉質粘土，寒武系下統清虛洞組（∈1q）泥質灰巖。結合現場已施工樁基情況，地面下約2.0m為碎石土，再往下為中風化頁巖或灰巖。

3 樁基設計參數

1）樁基設計孔徑分布有1.5m、1.8m、2.0m、2.2m、2.5m，孔深分布為13.33-37.13m；其中樁基最大長度為33.0m（挖孔樁長度37.13m），孔徑2.5m。

2）新建橋梁樁基礎與既有橋梁樁基礎的孔間凈距最小為2.31m；新建橋梁樁基礎底與既有橋梁樁基礎底高差為0.09-7.21m。

4 施工選擇分析

常見的樁基成孔方法有沖擊鉆成孔、旋轉鉆成孔、爆破成孔、靜態爆破成孔、人工風鎬開挖成孔等。施工前組織對各種成孔方法進行了比選，并組織參建各方及專家進行了論證。受地形限制大型設備無法運至墩位、受場地限制無法布設泥漿池等設施，更重要的是施工過程中不能有過大振動而影響既有橋結構，故一致認為采用水磨鉆成孔的施工方法最適宜臨近既有運營高速公路樁基施工。同時與會人專家對爆破安全距離進行驗算，確定爆破安全距離為10m，離既有高速公路凈距大于10m的樁基可采用爆破成孔，10m范圍內的樁基采用水磨鉆成孔。

5 水磨鉆施工技術

水磨鉆施工原理為：用鉆孔取芯機在樁孔周邊開挖線范圍鉆孔取芯，使樁孔圓周形成空心槽，再以劈裂機分解中部巖體，靠劈裂機產生的水平沖擊力使巖石沿劈裂面劈裂，底部巖層發生水平剪切巖石成塊，再用電動卷揚機出渣。

5.1 施工設備

1）取芯機：HZ15-A型，鉆孔直徑160mm，最大鉆孔深600mm，功率為2.5KW。水磨鉆主要有水磨鉆機、水磨鉆筒和專用水泵三部分組成。一般一個水磨鉆機配備2-3水磨鉆筒，一個水磨鉆筒上有8個刀頭。水磨鉆筒外徑為16 cm，內徑為14 cm，壁厚度為1.2 cm，高度為62 cm，一個循環可鉆60 cm。專用水泵外徑為12 cm，高度為40 cm，非常適用于樁基孔底入巖施工。

2）水泵：Q（D）X1.5-25-0.55J，流量1.5m3/h，揚程25米，功率0.5KW。

3）卷揚機：Y132S-4，鋼絲繩額定拉力10KN，功率5.5KW。

4）通風機：功率1500W。

5.2施工工藝

水磨鉆施工樁基礎施工工藝流程見（圖4）：

圖2 水磨鉆施工工藝流程

5.3施工方法

水磨鉆進行樁基施工，其鋼筋、混凝土等施工工藝與傳統施工工藝相同，此處不再贅述，本文著重介紹成孔工藝。

1）粗放臨近既有線墩臺位置點及原地面高程，根據位置點規劃施工道路、平整臨近既有線的墩臺施工場地，施工場地平面高程以設計樁頂標高為準。

2）精準測量放樣，全站儀放出臨近既有線樁基礎的中心點并用水泥釘和紅油漆標記，為保證下挖樁基礎的垂直度，需根據中心點外引護樁。

3）根據放樣點開挖臨近既有線樁基，用常規施工樁基礎土層及松軟石層，初始進入風化巖層再將鉆機就位，固定鉆機位置，保證套筒向孔樁側壁外傾一定角度，為了在下循環施工可以保證鉆機就位后套筒起鉆點能置于設計孔樁邊線面不致造成縮孔，此措施將使樁孔呈節段倒合體，保證成孔截面尺寸。

4）水磨鉆取芯，調整水磨鉆設備，使設備傾斜角度不小于15°，采用直徑為160mm的混凝土取芯機沿樁基設計樁徑圓周取出高約為50cm的圓柱體巖芯，形成一個圓周臨空面，再采用鉆芯機在剩余的巖石層鉆孔，然后沿易劈面巖石層按間距50cm布置孔間距，孔深為60cm，沿難劈面巖石層按間距30cm布置孔間距，孔深為40cm。然后用液壓劈裂機劈裂中部巖體，以水平沖擊力使巖石沿錘面拉裂，底部發生水平剪切破裂。布孔需保證孔距、孔深鉆鑿排孔平行，其能避免造成劈裂面凹凸不平，保證巖石層在液壓劈裂機的劈裂下迅速開裂。

5）劈裂巖石成小型塊狀裝桶采用用電動卷揚機出渣，渣樣效果圖見（圖6），桶內裝渣高度宜比桶低10cm。

6）臨近既有線的水磨鉆樁基護壁的施工時，在既有線樁基礎底部上8.3m和低于既有樁基礎底標高區域均需澆筑厚度50cm的加厚護壁并同時在護壁內按間距15cm布置Φ12mm和Φ16mm的鋼筋，每節護壁鋼筋需伸入下節護壁內5cm，其他節段只需按常規挖孔施工護壁。加厚護壁有效保證了既有運營橋梁安全和孔內施工的安全，并解決了受地勢高差不均而產生的巨大側壓力對既有和新建樁基的質量的問題。

7）水磨鉆施工樁基時需每施工一節段測試一次孔內水位變化情況并檢查水磨鉆機底端的刀頭磨損情況。

8）樁基礎水磨鉆施工一般2根樁基配置1臺水磨鉆機，3個水磨鉆筒、1臺劈裂機、2臺電動卷揚機、渣桶以及2個水磨鉆鉆機操作工、2個卷揚機起重工。

5.4水磨鉆施工分析控制要點

1）施工前要認真分析挖孔樁處地質鉆探資料，查明樁基礎地層巖性、地質構造、基巖風化層厚度、破碎程度、軟弱夾層情況和地下水的狀態，對施工中常遇到的問題應采取相應的解決辦法，并針對可能出現的問題編制可行的應急處理措施。

2）在施工過程中一般會遇到裂隙發育、具有一定滲水的地層，要首先制定防滲措施，然后再進行具體操作。若施工過程中遇到裂隙輕微、滲水量小的地層應在已成形的孔壁上，以充填、滲透和擠密的形式把灌漿材料充填到縫隙中，壓力灌漿材料可選擇粉煤灰、早強型水泥混凝土、石灰粘土混合料等；若在施工過程中遇到裂隙發育、滲水量大的地層，應先擴孔后再立鋼模板，然后再澆筑孔壁混凝土。當相鄰樁孔在澆灌混凝土時，未成孔的樁基礎要停止掘進.確保施工質量和施工安全。

3）在水磨鉆進時需連續不間斷地關注水磨鉆施工進度及擴孔系數的合理匹配。在施工目標保持不變，且具備同樣的水磨鉆設備及施工條件的情況下，減少鉆機的工作總量，可以加快施工進度，但不一定就能減小擴孔系數，所以掌握好兩者間的合理匹配顯得尤為關鍵；為了保證孔位位置準確.每下挖500mm進行樁孔周壁的清理，校核樁孔的直徑和垂直度。

6 施工成果及對比分析

臨近既有運營高速公路橋梁樁基（圓孔樁基）開挖施工工藝在經過組織專家論證后開始引入水磨鉆施工技術。項目部順利完成了臨近既有運營高速公路橋梁樁基礎水磨鉆的施工。在施工過程中未出現塌孔，無安全事故，有效的保證了在建臨近既有運營高速公路橋梁樁基礎的施工安全和既有高速公路的運營安全，收到了預期的效果。

6.1對比分析

通過現場施工控制，發現水磨鉆挖孔技術與常規挖孔技術具有以下幾個方面的可對比性（見表2）。

表2 弱風化灰巖下水磨鉆挖孔技術與常規挖孔技術對比分析表

序號對比項目施工技術種類備 注

水磨鉆技術常規不爆破挖孔技術

1進度0.30m/d0.1m/d常規爆破挖孔技術0.6m/d

2投入挖孔設備水磨鉆+劈裂機風鎬+空壓機

3擴孔系數1.20，成孔規則平均1.35，成孔不規則

4周圍環境限制無限制受臨近既有線公路或居民區限制常規爆破挖孔有飛石出現

5噪音微小較大

6震動微弱較大

7其他孔壁滲水量較小，不受材料限制孔壁滲水量較大，受材料限制

1）由分析可知，兩種施工技術在總體施工進度上相差較大，常規挖孔施工附帶的問題較多，比如在施工過程造成的震動和噪音，這是臨近既有線施工所不允許的。

2）實施上，水磨鉆施工成孔質量易于控制，不存在欠挖現象，但由于沿護壁弧線方向施工，為確保施工效率，作業時需進行超挖，超挖部分需在澆筑節段混凝土護壁，相對常規挖孔技術水磨鉆施工技術能有效控制超灌混凝土量。

3）橋址兩邊有既有運營公路橋梁，常規挖孔、沖擊鉆、旋挖鉆施工均會產生較大噪音和震動，對環境、既有運營公路及附近居民會產生非常大的影響。采用水磨鉆挖孔施工技術后，確保了既有運營公路運營安全，且保證了臨近既有線橋梁樁基礎施工的順利完成。同時，由于不存在爆破安全隱患，施工安全性提高了。

7 水磨鉆施工技術的優越性

從實施效果中可以看出，水磨鉆施工技術具有如下優越性：

1）低噪音，擾動小。水磨鉆施工作業發出的聲音基本上來源于鉆取巖體時設備與巖體的磨切，而其響聲有限，對附近居民的生活不會構成太大影響。

2）不破壞巖體，增加了安全保證。水磨鉆施工技術基本上不會對巖體造成擾動、破壞，增加了安全保證。

3）進度較快，不受材料供應及環境的影響。水磨鉆施工無需使用任何材料，且不受天氣及周圍環境影響，確保了施工進度。

4）成孔質量好，擴孔系數可控。水磨鉆施工成孔規則，超挖欠挖控制良好，所以可大大降低混凝土的超灌幾率，減小了損失。

8 結束語

臨近既有線樁基礎施工采用水磨鉆挖孔施工技術，水磨鉆孔樁具有機具設備簡單，施工操作方便，占用場地小，無泥漿排出，施工質量可靠，可全面展開施工，縮短工期，造價低，與人工挖相比避免了爆破施工，不但安全可靠而且很環保。因此特別適用于臨近既有線的樁基施工，可以安全、優質、高效、環保地完成施工任務。

參考文獻：

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[4]王江華，安彥鵬 沿既有線深基坑支護設計與施工[J].路基工程，2008（2）：169—170

[5]JTG D60-2004 公路橋涵設計通用規范.中交公路規劃設計院

[6]桂業昆+邱式中 2005 橋梁施工專項技術手冊

上接第154頁

表2 一端張拉時各段鋼絞線的伸長量計算表

分段x

（m）θ

（rad）kx+

μθe-（kx+μθ）起點力

Pq（N）終點力

Pz（N）Pp

（N）△L

（m）

工作

長度0.560.00000.00110.9989195300.00195081.39195190.670.0039

L12.3050.00000.00460.9954195081.39194184.13194632.410.0162

L25.9340.14840.10800.8976194184.13174307.83184067.160.0394

L315.9570.00000.03190.9686174307.83168832.87171555.790.0988

L45.9340.14840.10800.8976168832.87151551.47160036.690.0343

L52.3050.00000.00460.9954151551.47150854.43151202.680.0126

所以一端張拉時鋼絞線的伸長量為：

總 =0.0039+0.0162+0.0394+0.0988+0.0343+0.0126

=0.2052（m）

由兩種張拉方式計算所得鋼絞線所受力及伸長量可知，采用一端張拉時，鋼絞線的受力由張拉端逐漸向固定端傳遞，在傳遞過程中由于孔道摩阻、鋼絞線的曲線布置等因素的影響，較兩端張拉時應力損失大，并且鋼絞線的兩端受力不均勻，同樣的控制應力下，兩端張拉較一端張拉效果更好。

5 持荷時間

在鋼絞線張拉到設計所需張拉力后，往往需要不少于2分鐘的持荷時間，因為鋼絞線在長度不變而高應力作用下，其應力隨時間的增長而降低，即鋼絞線的應力松弛，并且應力松弛有以下特點：與時間有關，開始快，后期慢；張拉控制應力越高，應力松弛損失率，應力松弛越大。故在持荷的2分鐘以內部分應力損失，也就意味著并不能真正持荷，實際表現為油壓表讀數略有降低，這時為將鋼絞線松弛的部分應力損失補償，必須及時反復補壓直到壓力達到設計張拉應力為止。很多梁廠考慮超張拉來補償部分松弛應力，雖然隨著張拉應力的增大松弛損失率增大，但是扣除損失后的應力仍然比采用設計張拉應力時大，張拉效果較好。

6 結語

正確計算張拉力及油壓表讀數，是正確施加應力的前提，而正確計算鋼絞線的伸長量及規范持荷才能較好的復核及控制張拉效果是否滿足設計及規范要求，在鋼絞線的張拉中，有效地實施三控，才能及時發現張拉過程中的問題，才能提高張拉質量。

參考文獻：

[1]《公路橋梁施工技術規范》（JTJ 041-2000）

作者簡介：

馬國強，（1987-）男，天津薊縣人，民族漢，職稱：助理工程師，學歷：中南大學本科。單位：中鐵七局集團武漢工程有限公司 湖北省 武漢市 430071。