卵石土地区桥梁深水桩基础施工技术

 

　　在西南地区的铁路桥梁修建中，经常需要跨越大型河流，且河床地质情况复杂，表面多为大粒径卵石且强度大、数量极多、夹杂砂质黏土。由于地处西南地区的四川盆地，每年汛期早且持续时间极长，同时河道上下游均有梯级开发建设的水电站，因此造成水文条件极为复杂，每年的施工时间仅为枯水季节的短短几个月，工期压力极大，未知因素极多。在以往工程案例中多采用填筑围堰拦水坝改水上施工为陆地施工，需要反复改移河道、填筑大量砂石料、清理河床等工作。但围堰拦河法却因受时间、地形条件限制、交通不便、砂石料用量大、环境破坏严重等因素的影响而难以实施，亟需一种安全、经济、环保高效的水上技术来解决此类工程难题。

 

　　以往关于深水桩基础的研究和工程实践，取得了一定的工程经验，本文结合成昆铁路扩能改造工程新青衣江特大桥37#-40#墩位于青衣江主航道中，处于复杂地质条件下，提出在枯水季节在河道内先搭设施工栈桥及平台，在施工平台上利用冲击钻施工桩基础的方案，对河道的通航及河床影响降到极致，绿色环保地将桩基础施工完毕，取得了良好的社会、经济效益。

 

 

　　1工程概况

 

　　新青衣江特大桥为单线桥，设计起点里程ZDK138+073.93至终点ZDK140+176.69，中心里程为ZDK139+409.4，桥梁全长2102.76m。上部桥跨结构为7×32+3×34+16×32+（32+48+32）连续梁+5×32+1×24+1×32+（40+4×64+40）连续梁+18×32，其中26#-29#为一联跨堤（32+48+32）m连续梁；36#-42#墩为一联跨江（40+4×64+40）m连续梁。全桥共计285根钻孔桩，61个墩台身及两联连续梁。本桥为新建成昆铁路成都至峨眉段扩能改造工程跨越青衣江的重点控制性工程。

 

　　其中37#-40#墩位于深水区，桩基础施工是本桥的控制性工程。本段施工时受水文条件控制，最佳施工时间为枯水期，时间短、工程量较大。青衣江河道在桥位处上下游均有大型水利设施，对水位及流量将产生人为干预，可能造成不可预见的影响。

 

　　青衣江夹江段具有河岸冲刷现象，该处河水较为湍急且流量大，河床沉积物松散～稍密，河道蛇曲发育、摆动性大，河岸常常受到洪水的冲刷，致使农田及房屋被毁坏。既有成昆线上的夹江特大桥，因受到河水冲刷而造成扩大基础暴露、移动，目前已废弃重建。新建双线紧靠既有成昆线，河岸冲刷对桥梁基础影响较大。

 

　　沿线主要地层岩性为：人工填土、弃土、软黏土、松软土、粉质黏土、粉土、中砂、滑坡堆积土、粗圆砾土、卵石土、黏土、泥岩等；本桥位深水37-40#墩地质条件为表层1-3m卵石层，下部3-40m为泥岩夹砂岩。

 

　　本桥跨越青衣江，受通航控制设计，通航等级为Ⅶ级。

 

　　水文资料：Q1/100=18200m3/s；H1/100=414.35m；V1/100=3.65m/s；H最高通航水位=410.7m；Q1/300=20300m3/s；H1/300=415.03m。

 

　　桥梁所处环境类别为地面以上结构为：碳化环境T2、T3级；地面以下结构为：碳化环境T1级，化学侵蚀环境为L1级。水质：地表水、地下水对混凝土结构无侵蚀性。

 

　　2施工存在困难

 

　　根据现场实际水文、地质情况，考虑施工周期及桥梁结构特点和节点工期安排，在枯水季节采用筑岛围堰法施工既安全且经济，但此方案影响航道，给通航带来极大安全隐患，且由于该桥上游为既有成昆线青衣江大桥，距离新线仅有30m，整个河道包括浅水区在内共计600m宽，上游为千佛岩水电站、下游为茅滩水电站。综合考虑既有线安全和由于水电站引起的河流水位不确定性及后续上部结构施工的需要，故最终选用水上搭设栈桥、利用施工平台的施工方案，并采用钢管桩内钻孔锚固基岩方法加固栈桥及平台的钢管桩。

 

　　①河道内表层全部为大粒径卵石，栈桥的钢管桩施工时打入深度不能满足施工需要，要求对钢管桩基础作加固处理。

 

　　②钻孔桩施工时钢护筒无法穿过卵石层，无法达到泥浆循环的效果，反循环回旋钻机在此种地质不适用，采用冲击钻，施工速度快，但需要解决卵石层漏浆的问题。

 

　　③由于上游为既有成昆线的青衣江特大桥，施工时增加了邻近既有线施工的诸多不利因素影响，增加了大量安全风险源。

 

　　④由于栈桥受地质条件限制及后续施工上部结构的需要，要考虑栈桥在汛期使用的问题，加大了施工难度和需要增加超常规的加固措施。

 

　　3桩基础方案

 

　　根据现场实际地质及水文情况，决定采用先期下部搭设钢管桩作为基础、上部采用贝雷梁作为纵梁的施工栈桥后搭设施工平台施工钻孔桩的方案施工。

 

　　3.1总体思路

 

　　①搭设施工栈桥。

 

　　②搭设钻孔平台。

 

　　③平台搭设完成后利用振动锤插打钢护筒，之后利用一台直径1.8米冲击钻冲孔，待钻进深度超过卵石层厚度后改为利用12cm后钢板将钢护筒压穿卵石层，打入泥岩中并加高护筒，之后采用直径1.5m钻头正常施工直至深度后灌注混凝土完成桩基础施工。

 

　　3.2施工步骤

 

　　①搭设施工栈桥。栈桥设置于青衣江下游，即线路左侧，与桥轴线平行，中心距线路中线10.5m，栈桥总长549m，桥面宽4.5m，在39#墩与40#墩之间预留通航孔。

 

　　栈桥上部结构采用贝雷梁加型钢结构，主纵梁选用“321”型贝雷架，墩顶横梁采用2I45b工字钢，桥面为I16工字钢上铺δ=10mm钢板。桥墩采用桩基排架，每榀排架下设4根Φ630×10mm钢管桩。栈桥施工按照每联12米布置，共计46联，每5联处栈桥设制动墩一个，制动墩设双排钢管桩，钢管桩直径630mm。栈桥两侧设置桥台，桥台采用C20混凝土浇筑，栈桥上设照明设施。

 

　　②搭设施工平台。作业平台采用？准630×10mm钢管桩，横向分配梁采用I45工字钢，纵梁采用“321”型贝雷架。在水上钻孔平台两侧（大小里程侧）各设一吊装平台，以满足钻孔桩、钢围堰、承台及墩身施工吊装、材料及机具堆放需要。

 

　　③搭设施工工艺。栈桥及平台钢管桩基础施工采用50t履带吊吊配合振动打桩锤插打，汽车吊或履带吊吊装纵横梁。

 

　　钢管桩对接时竖向焊缝相互错开，不得少于90°，对接接头加竖向拼接板，拼接板为□100×200×8，每个接头不得少于8块拼接板。施工时采用汽车吊机，站位于待施工位附近，先将栈桥第一个墩桩打完，将第一个墩桩顶结构安装好，用汽车吊机架设分配梁和纵梁，安装横向联结系，安装第一孔桥面板，履带吊机上栈桥，以后采用履带吊机打桩，汽车吊配合安装连接系及桥面板。打桩时先打2～3分钟，然后检查钢管桩的倾斜度，调整完毕，接着增加打桩时间，然后校正桩的倾斜度，当钢管桩入土深度达到3m后，方可连续沉桩。停锤时，以桩尖标高为控制依据。若钢管桩达到设计标高，但贯入度异常时，则须连续沉桩。为防止“假极限”或“吸入”现象，沉桩时，应休息一天时间再复打。现场应确保钢管桩的入土深度，并视设计桩尖处的贯入度适当调整钢管桩桩底标高。钢管桩的平均中心偏差允许值为：最大中心位置偏差在5cm以内；倾斜度在1%以内。

 

　　3.3钢管桩基础加固（打入深度不足的钢管桩）

 

　　①钻孔锚固。

 

　　先将630管桩打入卵石层中，打入深度以振动锤持续振动钢管桩入土深度不变为准。取消原设计图中的桩帽，纵向分配梁N4采用两根I45工字钢直接拼装焊接，取消两片工字钢之间的加强钢板，确保N4安装之后两侧均有不小于15cm的空隙。之后铺设贝雷梁，利用铺设完的贝雷梁作为地质钻机的操作平台。

 

　　钻机就位并下套管、钻锚杆孔：根据锚杆孔位定位后，下放Φ130套管并嵌入岩体后改用Φ100钻头钻进，并进入岩层3m后终孔。

 

　　下锚杆钢筋及注浆管：锚杆钢筋采用Φ32（每根钢管桩内锚杆不少于9根），长度为从孔底起并伸入钢管桩3m为准。注浆管与采和DN10焊接管或4分塑料管，与钢筋捆绑后伸入孔底并引至操作平台面以上1m。每个锚杆孔放一根注浆管。

 

　　锚杆注浆：对每根锚杆进行注浆，使其固结。

 

　　拔除套管：利用钻机拔除套管，注意不能把钢筋及注浆管带出。

 

　　回填混凝土：往钢管桩内侧下导管灌注C30混凝土2m，锚固锚杆。

 

　　注浆：往注浆管中注入纯水泥浆，水灰比0.5，掺入1%三乙醇胺早强剂。理论注入量约为0.5t/根钢管。

 

　　施工平台完成之后，将栈桥钢管柱与平台钢管柱连接牢固。（图3）

 

　　②石笼护脚。

 

　　在钢管桩之间投放钢筋石笼作为压重护脚，防止水流冲刷。钢筋石笼采用直径格宾笼，网眼尺寸为100mm×120mm，钢丝直径4mm，石笼尺寸为3m×1m×0.5m内装填卵石。栈桥每排钢管桩桩位处投放2层石笼，总高度1m，增加平台外侧抛石防止侧向冲刷。施工方法为在岸边利用挖掘机直接装料，平板车运输至下放处，采用履带吊或汽车吊下放。

 

　　3.4插打钢护筒

 

　　钢护筒采用δ=12mm的钢板卷制，其内径大于设计桩径0.4m（1.9m），护筒底口焊接一道300mm高，8-16mm厚钢板加固环，以增加底口刚度和强度，减少护筒周身摩擦力。护筒顶口与施工平台标高一致为4.5m。护筒埋设深度要埋入河床面以下不小于1m且要穿过卵石层，并按要求在护筒四周设置井字形导向架，导向架由4根25b工字钢打入河床作为定位桩，四周设双层连接系结合施工平台加固，以保证护筒的垂直度偏差小于1%，平面位置偏差小于5cm。

 

　　钢护筒的设置要穿越卵石层，并不小于护筒埋深计算值。施工时采用DZ90型振动锤插打。由于本桥地质特殊，河床表面多大粒径漂石，钢护筒第一次仅可入土0.5-1m，无法满足施工需要。

 

　　3.5钢护筒跟进

 

　　根据施工地周围的设备资源及地质条件决定施工机械为冲击钻，并采用正循环法施工，由于钢护筒无法穿过卵石层，无法保证泥浆的正常循环。根据现场地质和实际施工经验，采取大直径钻头钻进后钢护筒跟进的工艺施工。

 

　　施工工艺：钢护筒一次插打后在平台上安装护筒冲击钻钻进，钻头直径为1.8m，护筒直径为1.9m，持续钻进直至穿过卵石层。利用履带吊吊起厚度为12cm的钢板将钢护筒锤击至穿过卵石层后加高钢护筒，并在护筒内灌注1m高C20混凝土作为封堵材料。至此护筒跟进完成，到达了稳定与堵漏的双重目的，将钢管桩与钢护筒连接保证了平台结构的安全。

 

　　3.6桩基础钻进

 

　　护筒跟进完成后，即可开始桩基的正常钻进，根据实际工期需要，共计安排9台钻机施工32根直径1.5m钻孔桩其中3台为专用的护筒跟进钻机，其余6台为钻头直径1.5m的冲击钻机。

 

　　冲孔：冲击钻钻头采用十字型钻头，钢丝绳选用软性、优质、无死弯和断丝的钢丝绳，与钻头连接牢固。冲击钻开孔阶段主要为造浆固壁，采用低冲程冲砸。钻进深度超过钻头全高加冲程后，方可进行正常冲孔。

 

　　终孔检验：终孔检验时采用检孔器。检孔器直径同设计桩径，长度为桩径的4-6倍。各桩应保证桩底达到设计桩底标高，并请设计、监理现场签认。

 

　　清孔：钻孔至设计高程后进行清孔。清孔采用换浆法清孔，采用优质泥浆正、反循环换浆，直到达到规定的泥浆及钻孔质量标准。

 

　　3.7钢筋、声测管安装及混凝土浇筑

 

　　钢筋笼在加工场分段制作，运至现场拼装，用汽车吊分段吊装入孔，上下两段应保持顺直。钢筋笼入孔后应牢固定位。

 

　　声测管安装时对接焊口要平整，确保无弯折、保证管内径无缩小、不漏水，在全部安装完后要向管内灌注清水至管口确认无漏水后利用管帽封闭后方可下放。

 

　　灌注混凝土前进行二次清孔，保证沉渣厚度不大于5cm，泥浆比重为1.05-1.08。混凝土灌注采用导管法，灌注导管采用？准300mm的快速卡口垂直提升导管。导管使用前组装编号，并进行拉力和水密性试验。

 

　　4施工方案比较

 

　　我部对在枯水季节在河道内先搭设施工栈桥及平台，在施工平台上利用冲击钻施工桩基础的方案，进行了合理性、经济性、可靠性、安全性综合分析，其优势如表1。

 

　　对于钢管桩无法打入的地质条件，栈桥及平台钢管桩采用管内钻孔加固的方法，比常规先冲孔再埋管桩的施工方法，节约成本120万元。比较筑岛围堰法施工需要填筑大量砂石料改变河道的河床及流水，同时对水环境将产生极大的污染，对上游桥梁的安全产生极大的隐患并加剧河床冲刷且影响通航。采用在河道内先搭设施工栈桥及平台，在施工平台上利用冲击钻施工桩基础的方法，可以快速施工，不占河道，不限航，一次性施工、不改变河道、适用范围广等多方面优势，真正做到绿色、安全、环保施工。

 

　　5安全保证措施

 

　　①垫平机架，保持稳定，避免产生位移或沉陷，钻架顶端用缆风绳对称张拉，地锚牢固。控制钻速不过快或骤然变速。

 

　　②钻机、钻具和吊钻头的钢丝绳，均符合设计要求，钢丝绳安全系数不小于1.2。使用时设有专人检查维修。工作平台及钻机平台上满铺脚手板并设置栏杆、走道，并随时清除杂物。凡未施工的孔口，均加防护盖。

 

　　③当滑移钻机时，防止挤压电缆及水风管路。

 

　　④起重作业人员必须持证上岗操作，严禁多人或无人指挥，严禁在臂杆、吊物下方站立和行走。

 

　　⑤水上作业人员全部必须穿救生衣，戴安全帽上岗作业。

 

　　6工期安排

 

　　利用在枯水季节在河道内先搭设施工栈桥及平台，在施工平台上利用冲击钻施工桩基础，同时采用不同钻头直径的钻机轮换施工、跟进钢护筒的施工方法，加快了单桩的成孔速度，单桩节约3-5天，全部32根桩基础较原计划工期节约工期25日历天。

 

　　7结语

 

　　新青衣江特大桥深水区桩基施工时采用搭设钢栈桥后搭设施工平台法施工钻孔桩基础，同时采用成熟工法基岩钻孔锚固法加固钢管桩基础和采用不同直径钻头钻钻孔跟进钢护筒的方法施工。经过以上一系列的方案优化保证桩基础的顺利施工，经过摸索和实验取得了卵石土地区深水桩基础施工的宝贵经验，并实践了公司工法《基岩钻孔锚固法加固钢管桩基础》。在工程实践中取得了大量的成果，通过优化施工方法一举三得，实现了经济、工期、节能、绿色环保等重大经济、社会效益。