懷陽高速西江特大橋淺覆蓋層深嵌巖樁基施工新技術

佘明星

（廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

對于淺覆蓋層甚至裸巖的河床地質情況，橋梁的樁基礎施工平臺的設計和施工鉆進設備的選擇與工藝的改進，是其成功的關鍵因素[1]。根據懷陽西江特大橋主墩樁基礎為研究項目，探討施工平臺的設計與高強度嵌巖樁工藝優化研究。懷集至陽江港高速公路懷集至郁南段項目位于廣東省肇慶、云浮兩市境內，路線起自肇慶市懷集縣西側，與二廣高速公路懷集支線汕昆高速相接，終點位于云浮市郁南縣西側，與廣梧高速公路相接，通過與廣梧高速共線至雙鳳互通與懷陽高速公路郁南至陽江港段相接。西江特大橋為全線控制性工程，位于封開西江大橋下游約5 km，在長崗鎮光升村西側和云浮市郁南縣古豐村東側之間跨越西江，全長1 571.6 m，其中主橋跨徑布置58 m+127 m+360 m+127 m+58 m=730 m雙塔中央索面混凝土梁斜拉橋方案，采用塔梁固結結構體系。

1 項目概況

西江特大橋索塔主墩21#、22#墩，樁基設計直徑均為D2.8 m嵌巖樁，樁間距5.6 m設計樁長30 m，每個主墩各20條，具體樁位布置見圖1。

圖1 主墩樁位平面示意圖（單位：cm）

西江特大橋工程特點：（1）主墩覆蓋層較淺，根據地質資料和河床掃描，覆蓋層在0.7～2.5 m之間，且沖刷嚴重，施工平臺的支撐穩定性和鋼護筒下放安裝是技術難點；（2）樁徑為2.8 m，且均為嵌巖樁，嵌巖深度長（25 m左右），基本為中風化變質砂巖巖層強度較高（70 MPa以上），施工較大難度；（3）工期緊。西江水情復雜，洪水期與枯水期水位落差大、汛期時間長，對施工工序組織有較大影響，如果不能在汛期到來之前完成基礎工程施工，可能會造成因洪水而停工，對成孔效率的工藝選擇要求高。針對以上重難點，從樁基施工平臺設計、鋼護筒的制作下放和成孔工藝的選擇三個方面研究，通過現場半年的施工實踐，從2017年8月份鋼便橋平臺施工到2018年2月完成樁基施工，較以往相似工程規模極大的提高了施工效率，節省了工期，總結出一套淺覆蓋層深嵌巖樁施工研究技術。

2 施工工藝技術研究

2.1 樁基施工平臺設計

淺覆蓋層會造成平臺搭設困難、樁基護筒穿孔漏漿或涌沙，針對平臺搭設時鋼管樁不易生根，為保證便橋平臺的穩定，支墩鋼管樁以平聯連成整體。便橋平臺以導向架輔助插打后連成整體，形成板框架系[2]。另外，為保證便橋能夠在水流及水面垃圾的沖擊下保持穩定，施打前，掃描河床摸清水下地形，根據地形將鋼護筒連接成板凳形式，從覆蓋層相對較厚的區域整體下放，并且在上下游各搭設一根D100 cm鋼管樁，將其作為護筒利用沖機施工，成孔深度不少于6 m，以進入中風化層3 m進行控制，水下灌注砼樁作為錨樁，與其他鋼管樁連接成整體固定。主墩樁基采用旋挖鉆機成孔，考慮2臺自重200噸旋挖鉆機施工，平臺主要分為鉆孔區平臺、輔助平臺。鉆孔平臺采用Ф820×80 mm鋼護筒+2×I36承重梁+貝雷梁的形式布設，貝雷片采用四榀一組，貝雷梁上間隔75 cm鋪I36工字鋼作為分布梁，其上鋪設I12.6+8 mm厚花紋板作為面板；輔助平臺采用“Ф820×80 mm鋼管樁+2×I56承重梁+貝雷梁”的形式布設，貝雷片采用三榀一組，貝雷梁上鋪I25分布梁和I12.6+8 mm厚花紋板。在主墩棧橋平臺設計方面，采用打樁船施打鋼管樁，貝雷梁、橋面采用預制梁板，既降低了施工成本，又保證了施工的安全與質量，加快了施工進度。板凳及樁基鋼護筒設計見圖2。

圖2 板凳錨樁和樁基鋼護筒設計

2.2 樁基鋼護筒的下放

由于覆蓋層較淺，直接振設樁基鋼護筒無法固定，采用在3.1 m樁基護筒外套接一條直徑3.4 m鋼護筒用于定位旋挖鉆掏槽施工，下放鋼護筒導向架作為鋼護筒下放的導向定位，并在導向架四周加焊限位進行精準定位。初次安裝時，利用90 t履帶吊配合DZJ250型打樁錘振動下沉。振設完畢后，采用型鋼或螺旋焊管焊接固定于平臺鋼管樁上，以確保旋挖鉆進行掏槽施工時能準確鉆孔。

（1）旋挖鉆掏槽施工：在完成外套3.4 m鋼護筒施工后，利用旋挖鉆安裝特制鉆頭進行掏槽施工，槽半徑為3.16 m，基坑進入中風化層2 m后，利用外套護筒作為下放導向架繼續下放3.1 m鋼護筒，當護筒下放至預先掏槽的基坑后下放完畢，臨時固定于外套鋼護筒上。

（2）樁基鋼護筒施工：完成掏槽施工后，在外套3.4 m鋼護筒頂部焊接固定“口”字形固定架，用于定位樁基護筒平面位置，安裝完畢后下放樁基護筒，樁基護筒下放開始采用設計導向架下放，至3.4 m護筒口后繼續下放利用外套護筒作為下放導向架，護筒的制作及下放都需嚴格控制精度，當護筒下放至預先掏槽的基坑后下放完畢，臨時固定于外套鋼護筒上。完成后拆除外套鋼護筒并周轉循環至下一個樁基使用，護筒下放完畢后平臺鋼管樁與樁基鋼護筒采用Φ325螺旋焊管固定。護筒安裝以承臺四個角點優先安裝為原則，完成2個護筒安裝及加固后立即組織另外兩臺旋挖鉆機進場，開始樁基施工。

2.3 成孔工藝研究

根據西江特大橋地質分析，其所體現為覆蓋層極薄，樁身基本為中風化變質砂巖，青灰色，巖石呈中等風化，巖石新鮮，裂隙較發育，巖芯多呈塊狀、短柱狀為主，少量碎塊狀，抗壓強度（70～129.5 MP）。

假如采用沖擊鉆成孔，對于高強度中風化變質砂巖進尺及其緩慢，錘頭機身、鋼絲繩等構件極其容易損壞，不可控因素過多。

通過研究對比國內外最新樁基礎施工工藝和機械裝備，采用旋挖鉆成孔，其施工工藝主要為逐級擴孔取芯施工，對于高強度巖層成孔施工通過岸上試樁進行驗證可行，單樁成孔4 d左右，中風化進尺單次50 cm/h，約為沖機鉆機4倍工效。

單個主墩樁基分別采用2臺徐工XR550旋挖鉆機成孔，最大輸出扭矩520 kN·m，最大加壓力440 kN，鉆機工作重量198 kN。2.8 m樁徑采用1.5 m、2.0 m、2.5 m、2.8 m四種直徑鉆頭逐一擴鉆而成。

當鉆機就位準確即開始鉆進，鉆進時每次進尺控制在50 cm左右，剛開始要放慢旋挖速度，并注意放斗要穩,提斗要慢，特別是在孔口5～8 m段旋挖過程中要注意通過控制盤來監控垂直度,如有偏差及時進行糾正[3]。

在鉆孔過程中，根據全標段的地質情況，采用筒鉆鉆頭鉆孔。筒鉆性能簡介：整體結構與挖土鉆頭基本一樣，只是底部沒有封口。主要用于施工孔內的兩層膠結巖層，該巖層整體性好，強度大，利用筒鉆的剪壓作用，破壞巖層的整體性，從而達到進尺的目的。根據主橋地質情況，鉆進上方覆蓋層時使用直徑2.8 m截齒撈砂鉆斗一次鉆進，鉆入中風化砂巖層后，為提高鉆孔效率，則采用分級鉆進工藝，具體分級工藝采用逐級擴孔工藝，根據本工程的地質特性，分四級進行擴孔施工。逐級擴孔工藝采用1.5 m牙輪筒鉆取芯，之后采用2.0 m及2.5 m牙輪筒鉆進行擴孔，最后以2.8 m牙輪筒鉆實現最終擴孔。

（1）覆蓋層采用Φ2.8雙底雙開截齒撈砂斗鉆進清渣至中風化層。

（2）軟硬層交界面采用導正器+Φ1.5牙輪鉆頭，鉆進 1.2～1.5 m。

（3）中風化層第一級鉆進先采用Φ1.5牙輪齒筒鉆鉆進，待鉆內巖滿時更換Φ1.5截齒取芯鉆頭將巖芯掰斷。主要原理是利用鉆頭內設置螺旋漲塞對巖芯產生的水平力和漲塞將巖芯抓緊通過鉆機鉆桿傳遞的扭矩共同作用。巖芯掰斷后利用鉆頭與巖芯摩阻力將巖柱取出，循環往復，直至將巖石鉆成直徑Φ1.5 m的小孔。

（4）擴孔：第一步：更換上Φ2.0 m牙輪齒，下1.5 m導正鉆鉆進到孔底，換用Φ1.5 m雙底雙開截齒撈砂斗掃孔清渣。擴孔情況見圖3。

第二步：截齒取芯鉆頭掰斷巖芯，將巖芯取出，截齒筒鉆環切鉆頭內部漲塞取出巖柱，取巖芯見圖4。

第三步：更換上Φ2.5 m牙輪齒，下2.0 m導正鉆鉆進到孔底，再用Φ2.0 m牙輪齒筒鉆鉆進到底后換用Φ2.0 m雙底雙開截齒撈砂斗掃孔清渣。

第四步：更換上Φ2.8 m牙輪齒，下2.5 m導正鉆鉆進到孔底，再用Φ2.5 m牙輪齒筒鉆鉆進到底后換用Φ2.5 m雙底雙開截齒撈砂斗掃孔清渣。

第五步：更換Φ2.8 m牙輪齒筒鉆鉆進到孔底，換用Φ2.8 m雙底雙開截齒撈砂斗掃孔清渣，成孔。

旋挖鉆機在鉆進過程中，應嚴格控制鉆斗的升降速度；根據《公路橋涵施工技術規范》要求，鉆斗的升降速度宜控制在0.75～0.80 m/s；同時，做好整個過程中的鉆進記錄，隨時根據不同地質情況調整泥漿指標和旋挖速度。

2.4 安全、質量、功效分析

安全、質量、功效分析見表1。

圖3 擴孔

3 結語

對于懷陽高速西江特大橋主墩旋挖鉆機盡管一次投入費用較大，但成孔費用消耗、工期進度等經濟技術指標比其他方法成孔費用低，是一種理想的施工工藝，同其它工藝相比綜合考慮是降低了成本，特別是工期成本。從目前看，對于嵌巖長度深、巖石強度高，有著相當可觀的經濟效益和社會效益，可以在同類工程項目中進行推廣應用[5]。

圖4 取巖芯

表1 安全、質量、功效分析比較