大橋橋墩沖孔灌注樁設計與施工注意事項

楊杰

山西路橋第六工程有限公司 山西晉中 030600

在我國公路交通體系中，公路橋梁工程是一大重要構成部分，公路橋梁工程具有很多特點，如建設成本大、施工技術要求高等。在我國公路橋梁工程中，橋墩是重要基礎，橋墩要想穩定深入到基巖中，橋墩一定要具有較高的穩定性與承載能力。在現階段中，沖孔灌注樁是一種常見的樁基礎，該樁基礎具有很強的適用性，在各種類型的地質環境中都是非常適用的，針對在沖擊作用下所形成的孔壁，具有多種優勢特點，如便于操作、堅固、成孔過程能耗低等。基于此，本文就大橋橋墩沖孔灌注樁設計與施工注意事項展開了深入探討。

1 沖孔灌注樁施工技術概述

從本質上分析，沖孔灌注樁技術是一種灌注樁技術。沖孔灌注樁指的是通過沖擊鉆機把沖錘提升至一定高度，然后借助其自由落體運動形成的沖擊力實現地基巖石的切削，逐漸地形成具有直徑、深度的孔，同時從孔內安裝鋼筋籠以及灌注混凝土，最后形成具有良好承載力的樁體。

沖孔灌注樁存在一個顯著的優勢特點，即對各種不同類型的地質環境具有極強的適應能力，不但能夠對風化巖層、砂土、礫石、粉土、鉆土進行有效適用，而且還能夠適用于很多復雜的水文情況與地質情況，如地下水極為豐富、存在構筑物或者鋼筋混凝土構件、軟弱夾層等。另外，在對土層進行沖擊過程能夠產生沖擊作用，形成比較堅固的孔壁，在漂礫石層、卵礫石層中具有比較高的施工成孔率；該施工技術便于操作，比較容易掌握相關鉆進參數，機械設備故障發生率比較小；針對鉆孔過程中產生的鉆渣，通過在孔內泥漿循環作用下能夠排出到地面，同時能夠保持孔壁的穩定性；在進行沖進過程中，在對鉆具進行提升時才會需要動力，鉆具在進行自由下落沖擊過程中，并不會對動力造成任何消耗。在現階段中運用沖孔灌注樁時，一般選用直徑在0.8m-1.5m的樁孔，最大直徑為2.5m，沖孔的深度能夠高達50m，所以在承載力與動荷載大的公路橋梁工程中可以選用沖孔灌注樁。其中，沖孔樁機示意圖，如圖1所示。

1.1 沖孔灌注樁類型

結合不同類型的沖擊鉆頭，沖孔灌注樁主要包含了鉆桿式灌注樁與鋼絲繩式灌注樁。以鉆桿式沖擊鉆為例，其成孔直徑比較小，且效率低，現如今已經很少采用；而鋼絲繩沖擊鉆能夠結合設計孔徑要求調整鉆頭尺寸，同時沖錘的重量處于3000kg至10000kg，適用性比較強，是沖孔灌注樁普遍采用的一種形式[1]。

1.2 沖孔灌注樁優劣勢及適用性

沖孔灌注樁造成的影響比較小，而且樁長與樁徑都能夠結合設計規定要求進行合理調整，樁端需要插入到結構較為穩定的基巖層內，單樁具備良好的承載力。但是沖孔灌注樁的施工流程比較復雜，針對施工操作水平有著較為嚴格的要求，同時鉆孔施工階段存在安全隱患，需要一定的技術間隔時間才可以承受荷載，尤其是冬季施工受到的條件相對偏多。

沖孔灌注樁基本適用于：黏土層、砂土層、粉土層、填土層以及裂隙較為發育地層等，可以使用的范圍比較廣，樁體直徑處于600mm至2500mm之間，其中最大的沖孔深度接近是300m[2]。

1.3 樁基礎施工技術的未來發展趨勢

第一，樁基礎在施工過程中常常會涉及到多變復雜的水文地質條件與工程地質條件、多種不同類型的樁。在最近幾年中，隨著我國橋梁工程施工技術的不斷快速發展，樁基礎施工機械設備變得越來越為復雜與專業，相應地，有效推動了我國樁機施工工藝、使用用途范圍、新品種的不斷快速發展。第二，隨著我國施工技術水平的不斷提高，我國樁基礎施工工藝變得越來越為標準與完善，同時有效提高了我國樁基礎的施工質量。第三，自從我國對施工環保標準、施工場地文明提出越來越為嚴格的要求，人們越來越重視樁基礎施工環境效應消減問題。第四，隨著我國公路橋梁工程建設規模的不斷擴大，人們對公路橋梁結構的承載力提出越來越高的要求，為實現綠色低碳施工，施工單位的綠色環保施工理念在不斷加強，再加上隨著公路橋梁施工現場水文條件、工程地質條件變得越來越復雜，施工工藝需要朝著多元化方向進行發展。

2 工程實例

2.1 項目背景

此公路工程項目的全線長度是28.35km，起訖樁號是K21+538--K49+888，采用的是雙向四車道，設計的行車速度是60km/h。該項目包含了一座跨河大橋，主橋結構采用的是連續鋼構，其上部結構是預應力混凝土現澆連續箱梁（跨徑是66m+130m+66m），大橋的長度是338.5m，橋面的寬度是15.5m。通過對大橋項目現場地質情況進行勘察發現，地質主要表現是巖溶低山類洼地，其中河谷呈現為V字型，河流右岸邊上石灰巖表面存在較為嚴重的溶化現象，而且溶孔、溶溝等較為發育，地形比較陡峭；而河流左岸邊上地形平緩，河流漲水后左岸大部分都會被水淹沒。考慮到普通旋轉鉆機難以進行溶洞的有效處理，同時洞底石灰巖較為堅硬，鉆機鉆進施工尤為困難，所以綜合分析大橋項目現場地質條件及施工要求等要素，最后確定大橋橋墩施工采用沖孔灌注樁施工技術。

2.2 沖孔灌注樁設計

樁體設計。從沖孔灌注樁方面分析，其承載力基本分為巖土層側向阻力、樁體和巖層之間的嵌固力、樁體端的豎直向承載力。此項目中單個灌注樁的承載力R主要根據公式①進行計算[3]。通過調查統計大橋項目的橋體自重與車輛的載荷，大體估算確定的單樁承載力處于5500kN至6200kN之間。此大橋項目的承載結構選擇的是沖孔灌注樁（其直徑φ=1000mm）。

公式①中：q代表的是樁體底端的單位面積阻力值；A代表的是樁體底端的橫截面積；μ代表的是樁身的周邊長度；qi代表的是第i層巖土層側面的摩擦系數；li代表的是第i層的巖土厚度。

樁端下溶洞頂板厚度設計。以巖溶區樁體設計為例，通常要求樁端與溶洞頂板之間的安全厚度 d5h＞ （d代表的是樁徑）。但是考慮到大部分溶洞的發育相對偏淺，而樁體的長度為了能夠符合承載力規定要求就必須進行打穿溶洞，所以就會增加施工難度以及施工成本。此大橋項目現場地質表現為巖溶性地質，而且包含了很多小溶洞，所以在設計階段應高度重視樁底與溶洞之間的安全距離，以免樁體底部出現露空現象，從而嚴重影響其承載力。此項目在進行安全距離設計時選擇的是圖1厚度計算模型，結合“鋼混板沖切構件”公式②能夠計算得出持力層厚度h[4]。通過計算確定此大橋橋墩樁體的底端與溶洞之間的安全距離處于2.5d至3.0d。

公式②中：F代表的是樁體持力層載荷；β代表的是截面高度影響系數，此項目中的取值是0.85；f代表的是石灰巖抗拉強度，此項目中的取值是0.8MPa；d代表的是樁體直徑，此項目中的取值是1000mm；h代表的是持力層厚度。

2.3 注意事項

沖孔施工注意事項。成孔效果直接關系著沖孔灌注樁的施工質量。此項目中沖擊成孔選擇的是泥漿護壁方式，所以在沖孔施工過程中必須注意下述幾個方面：①塌孔。若是在沖孔施工階段出現了塌孔現象，則必須及時將護筒拆除同時回填處理沖孔，然后重新埋設護筒與打孔。若是孔內發生了坍塌，則需要查找塌孔具體位置，然后選擇“砂+黏土質”混合料回填到塌孔部位之上約1m，并重新進行打孔；②孔垂直度。若是沖孔垂直度未能符合設計規定要求，則需要從孔偏斜部位通過反復地提升鉆機實現掃孔處理，一直到孔的垂直度符合規定要求。若是采用掃孔處理措施仍然不能有效解決彎孔問題，則需要選擇“卵石+粘質土”混合料實施回填處理，當回填位置的密實度達標之后，重新進行鉆孔；③卡鉆與掉鉆。若是鉆孔施工階段發生了卡鉆現象，則嚴格禁止強行提升，首先需要對鉆頭的具體位置進行確定，然后晃動鋼絲繩以促進鉆頭松動，最后緩慢、勻速地提升鉆頭[5]。若是出現了掉鉆問題，同時無護筒等相關防護措施，嚴格禁止一切施工人員入孔。在確定入孔之前，必須規范佩戴各項安全防護設施，通過專業設備對孔內的危害氣體進行檢測，當孔內環境符合安全標準要求之后才可以進孔查看。若是鉆孔過程中遇到了堅硬巖石層，必須合理地減小沖擊頻率，待鉆頭達到穩定狀態之后才能夠持續鉆進。

混凝土灌注注意事項。此項目中混凝土灌注施工必須注意下述幾個方面：①超灌。孔壁坍塌是引發超灌現象的一項重要因素，所以需要合理地延長混凝土灌注施工的間隔時間，此項目中混凝土灌注時間應從40min提升至120min，并對混凝土的坍落度進行控制與調整，從180mm減小到150mm[6]。還可以減小混凝土灌注施工速度，如果塌孔現象較為嚴重，則必須選擇鋼護壁進行施工；②堵管。在混凝土灌注施工中若是發生了堵管現象，則應先檢查混凝土的坍落度，可以合理地增加坍落度。確定混凝土的初凝時間，以免出現導管被埋，也可以適當的抖動導管，但是必須嚴格控制抖動幅度，以免發生斷樁現象。

3 結語

文章結合大橋工程項目實際情況，重點研究了橋墩沖孔灌注樁設計及施工注意事項。實踐表明，采用沖孔灌注樁技術顯著提升了樁體施工質量，其承載力完全符合設計規定要求，通過檢測橋墩無下沉現象，而且取得了良好的經濟效益與社會效益，為類似橋梁項目的施工提供了借鑒。