[論文]橋梁大直徑樁施工難點(diǎn)及其對策

1、橋梁大直徑樁施工難點(diǎn)及其對策李滿程楊斌莫建軍吳同鰲摘要： 介紹了國內(nèi)橋梁工程樁基礎(chǔ)發(fā)展的概況和當(dāng)前大直徑樁施工方面所取得的巨大成就，總結(jié)了大直徑樁基的特點(diǎn)、施工工藝上的難點(diǎn)及國內(nèi)成功的解決方法。關(guān)鍵詞： 大直徑樁； 發(fā)展； 特點(diǎn)20世紀(jì)80年代，橋梁工程向“長、大跨徑、輕型結(jié)構(gòu)，重載”方向發(fā)展，對基礎(chǔ)支承能力需求的大幅增長，構(gòu)成了大直徑樁發(fā)展的原動力。隨著成孔機(jī)械和成樁工藝及配套設(shè)施的改進(jìn)和提高，大直徑樁的概念也在不斷更新，當(dāng)前一般把直徑大于2.5 m(含等于)的樁定義為常規(guī)意義上的“大直徑樁”，其空心者為“大直徑空心樁”(本文所指樁即以上兩種)，小于2.5 m的樁統(tǒng)稱“常規(guī)直徑樁”或簡稱“樁

2、”。1橋梁工程樁發(fā)展概況在我國，鉆孔樁基的發(fā)展始于本世紀(jì)60年代，因其固有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢、較強(qiáng)的地層適用性及顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，在基礎(chǔ)工程中得到了迅速普及和推廣。70年代中期，在河南省鄭州黃河大橋首次利用國產(chǎn)BDM型氣舉反循環(huán)鉆機(jī)，刷新了成孔直徑達(dá)2.0 m的記錄。70年代末期，江西九江長江大橋提出了雙壁鋼圍堰內(nèi)加鉆孔灌注樁基新結(jié)構(gòu)，取代了氣壓沉箱和深水管柱基礎(chǔ)，雙壁鋼圍堰成為目前深水、深基礎(chǔ)的主要施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)。90年代前期，湖南省湘潭湘江二大橋在總結(jié)廣東省南海九江大橋無承臺、變截面大直徑樁實(shí)踐的基礎(chǔ)上，在90 m橋跨、20.5 m寬箱連續(xù)梁橋中，率先采用了500 cm/350 cm單排無承臺變截

3、面大直徑雙樁雙柱結(jié)構(gòu)1。接著，安徽銅陵長江大橋、南昌新八一大橋先后按鉆孔和沉挖形式成孔，灌注成400 cm大直徑樁。我國已建成的大直徑樁橋梁參見表1。表1大直徑樁橋梁一覽表樁直徑/cm橋名250瀘州長江大橋九江長江大橋常德沅水大橋三門峽黃河大橋宜城漢江大橋錢塘江二大橋武漢長江公路大橋廣東斗門大橋280錢塘江三大橋銅陵長江大橋株洲馬家河大橋株洲朱亭大橋300黃石長江大橋江漢四橋珠海黃琴大橋益陽資江二橋350沅陵沅水大橋湘潭湘江二橋400銅陵長江大橋南昌新八一大橋500洞口大橋600天馬大橋值得說明的是：上述樁基均為實(shí)心混凝土樁結(jié)構(gòu)，施工手段單一，施工機(jī)械配置及技術(shù)組織水平要求較強(qiáng)。為充分挖掘單位

4、立方混凝土的承載潛力，80年代末，河南省和交通部交通科研所提出了“鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁”的新型結(jié)構(gòu)；1993年湖南省交通廳在承接交通部“八五”聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目針對軟土地基的洞庭湖區(qū)橋梁新技術(shù)的開發(fā)和研究中創(chuàng)造性地引進(jìn)了“鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁結(jié)構(gòu)”，結(jié)合湖南省無承臺變截面大直徑鉆孔灌注樁的特點(diǎn)，先后建成常德石龜山澧水大橋、南華渡大橋、啞巴渡大橋等數(shù)座大橋，累計(jì)完成300 cm/250 cm和500 cm/400 cm無承臺變截面大直徑鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁2 239延米。無承臺大直徑空心樁例見表2。 表2無承臺大直徑空心樁例表橋名橋型最大跨徑/m樁徑組成/cm累計(jì)樁長/m啞巴渡大橋主橋頂推連續(xù)梁230300/25

5、0105邊主橋頂推連續(xù)梁25300/250265南華渡大橋主橋獨(dú)塔斜拉橋253300/250210邊主橋滾移連續(xù)梁30300/250240石龜山大橋主橋懸拼連續(xù)梁55+380+55500/400(440)123邊主橋逐孔現(xiàn)澆連續(xù)梁30350/300480注漿技術(shù)大大擴(kuò)展了挖孔樁的應(yīng)用范圍，目前我國采用該技術(shù)已先后建成了湖南桃源沅水大橋、大庸觀音大橋等67座大、中橋，完成了500 cm/250 cm和800 cm/600 cm等沉挖空心樁107根，累計(jì)樁長2 156延米，參見表3。 表3挖孔大直徑樁一覽表結(jié)構(gòu)橋名結(jié)構(gòu)橋長/m橋?qū)?m跨徑/m樁徑/cm樁長/m樁數(shù)空心樁大庸觀音大橋石砌板肋拱250

6、21452500/250106桃源沅水大橋箱肋拱944161652500/2501534鋼管中承拱200232100750/400204里耶酉水大橋雙曲拱39012654600/300124洞口大橋石砌板肋拱28016545800/500106瀏陽天馬大橋連續(xù)梁1652645+75+45800/600174常德南北引橋簡支梁660184016.5250/1801515實(shí)心樁湘潭湘江二大橋連續(xù)梁54020690700/350182大庸二橋石砌板肋橋30021648300/50081810廣州鶴洞橋斜拉橋800363603003022長沙南大橋連續(xù)梁1 0002485，50，20350/280/1

7、801871南昌新八一大橋斜拉橋320262160450/400172在實(shí)測經(jīng)驗(yàn)和理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，針對大直徑樁的受力特征，湖南省提出了橋跨結(jié)構(gòu)下樁基標(biāo)準(zhǔn)的荷載與沉降曲線根據(jù)現(xiàn)場施工條件的具體修正方法，探索出了利用施工期間橋跨恒載加載，進(jìn)行施工過程跟蹤監(jiān)測的一系列檢測方法，為樁基承載能力的檢定闖出了新路。 2橋梁大直徑樁施工難點(diǎn)及處理方法長期以來，大、中跨徑橋梁深水樁基結(jié)構(gòu)大多采用有承臺、等截面、常規(guī)直徑群樁形式。常用承臺施工受地層、人力、設(shè)備和季節(jié)因素影響，工序繁多且受工期限制，無法實(shí)施工廠化(或稱裝配化)作業(yè)；清孔手段的限制，樁尖沉淀層的存在，降低了整樁的承載能力；樁身缺陷事故往往難于避免

8、，由事故帶來的巨額處理直接費(fèi)使施工單位蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失，何況即使處理成功，對承載潛質(zhì)的損害也會造成結(jié)構(gòu)性能的大打折扣。無承臺、變載面、大直徑空心樁(包括沉挖空心樁和鉆埋空心樁等)撇除了上述弊端，樁基結(jié)構(gòu)與受力狀況更合理，結(jié)構(gòu)抗彎剛度大大增加，荷載穩(wěn)定性、防撞能力將大大改善；施工工序急劇減少，為加快工程進(jìn)度創(chuàng)造了有利條件。通過結(jié)構(gòu)空心化，大大減少了結(jié)構(gòu)的圬工體積，社會經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。下面針對大直徑樁施工具體情況，并結(jié)合大直徑樁的特點(diǎn)，總結(jié)已成功運(yùn)用于大直徑樁施工過程中難點(diǎn)的解決方法。2.1大直徑樁在大直徑樁基成孔的過程中，隨著孔徑的加大孔壁環(huán)拱作用急劇減弱，必然造成孔壁不穩(wěn)定因素的增加，特別是

9、淤泥質(zhì)沙粘土、粉砂土等覆蓋層處易產(chǎn)生孔壁滑坍現(xiàn)象。分段成孔、分級擴(kuò)孔的施工方法，雖有效地解決了成孔機(jī)械扭矩不足的矛盾，但同時(shí)也增大了護(hù)壁工作的難度；孔徑的加大，也使排渣的矛盾顯得尤為突出。目前，高聚凝、低固相、不分散聚丙烯酰胺高效油田泥漿的采用，已經(jīng)很好地解決了上述問題。一位前西德泥漿專家曾不無自豪地宣稱：只要有高效泥漿和靜水壓力的共同作用，絕不會坍孔(此話有些絕對，但也有一定的道理)。隨著樁徑的加大，成孔阻力成級數(shù)增加，導(dǎo)致成孔機(jī)械額定扭矩加大，使鉆具工作狀況更加惡化，主要體現(xiàn)為鉆桿不穩(wěn)定、鉆壓不足、滾刀鎖緊裝置受力狀況惡化及邊刀磨損加劇等。當(dāng)前，隨著國內(nèi)外建筑技術(shù)的交融和新材料的引入，這些

10、問題已經(jīng)得到了有效地解決。以全斷面、氣舉反循環(huán)大直徑樁鉆機(jī)為例：國內(nèi)目前已有采用德國生產(chǎn)的威爾特系列、日本利根系列及美國SB系列等大型鉆機(jī)成樁的示例。國內(nèi)廠家不甘示弱，盡管起步較晚，也相繼推出了BMD-4、QJ-250、KP-300、QZY-300、KPY等系列大直徑樁鉆機(jī)。這些鉆機(jī)成孔特點(diǎn)是：扭矩較大，一次性成孔直徑2.54.0 m；全部或部分采用了“機(jī)、電、液”一體化的控制機(jī)制，引入方型鉆桿和回轉(zhuǎn)動力頭結(jié)構(gòu)，從而更多地避免了人為因素和轉(zhuǎn)盤傳力的缺陷，使成孔機(jī)械的工作性能更加穩(wěn)定、可靠。部分國產(chǎn)鉆機(jī)性能與進(jìn)口鉆機(jī)相當(dāng)，其價(jià)格更有競爭性。在繼承發(fā)展上述鉆機(jī)的優(yōu)良特性，發(fā)揮現(xiàn)有常規(guī)鉆機(jī)的潛力，更

11、好地解決軟土地基大直徑空心樁的成孔問題方面，湖南成功地研制了行星軌跡式成孔鉆機(jī)，已成功地實(shí)施于湖南石龜山大橋39號墩400 cm樁基的成孔。鉆頭材料的開發(fā)和應(yīng)用、高強(qiáng)硬質(zhì)合金的采用也取得了不俗的成績，TM合金焊齒滾刀系列鉆頭的應(yīng)用，推動了大直徑樁鉆機(jī)鉆頭國產(chǎn)化的進(jìn)程。因樁徑的加大，單樁混凝土供量、導(dǎo)管灌注施工時(shí)要求配套的生產(chǎn)能力亦加大，對混凝土灌注設(shè)備與灌注技術(shù)能力的配合提出了更高的要求。通過鉆埋方式形成大直徑預(yù)應(yīng)力空心樁，或預(yù)埋石料壓漿法形成大直徑壓漿混凝土樁，為上述問題的解決提供了切實(shí)可行的方法。同時(shí)采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力空心樁，還能更好地解決大直徑樁單位體積混凝土承載能力低下的缺陷，是實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)

12、構(gòu)拼裝化(或工廠化)生產(chǎn)的一個(gè)有效突破。接樁鋼筋工作量的加大，是大直徑樁灌注法施工的又一難點(diǎn)。單靠增加焊機(jī)臺數(shù)，又存在工作臺面過小的矛盾。目前，螺紋鋼筋冷軋連接接頭的出現(xiàn)已部分地緩和了上述矛盾，并在國內(nèi)多座特大橋上有成功的先例。當(dāng)然，根本的解決方法應(yīng)該走空心樁拼裝化道路。綜上所述，無論是施工工藝水平還是施工機(jī)械設(shè)備能力，大直徑樁基已經(jīng)完成了它走向成功的發(fā)展歷程。表明：歷經(jīng)我國橋梁工程界長期奮發(fā)研究、不懈實(shí)踐的大直徑樁基施工技術(shù)，已完成了它走向空心化、裝配化的首創(chuàng)過程。2.2變截面、無承臺樁樁的變截面結(jié)構(gòu)是深水基礎(chǔ)樁的一種必然形式，它是適應(yīng)結(jié)構(gòu)受力要求而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形式，使施工誤差的修正有了更大盈

13、余2。變截面段的采用也為取消承臺提供了有力條件。隨著承臺的取消，下部構(gòu)造受力將更加明確，水下施工難度減少，從而有力地爭取了施工工期，為橋梁基礎(chǔ)走向裝配化鋪平了道路。值得說明的是：無承臺、變截面樁基礎(chǔ)形式是大直徑樁的必然推出，也是大直徑樁基經(jīng)濟(jì)性的具體體現(xiàn)。單用大直徑樁而同時(shí)加以承臺或等截面的作法，如非結(jié)構(gòu)需要只能是一種誤用。任何分割兩者依存關(guān)系的作法都是不科學(xué)的3。3大直徑樁基本形式和分類無承臺、變截面、大直徑樁基礎(chǔ)的產(chǎn)生和發(fā)展，為橋梁樁基工程領(lǐng)域灌注了新的活力，產(chǎn)生了一系列具有繼承和發(fā)展意義的樁基工藝和結(jié)構(gòu)。1) 單樁(雙樁)雙柱結(jié)構(gòu)。大直徑樁的產(chǎn)生，使單樁承載能力有了成倍的提高，從而為橋墩

14、斷面樁數(shù)的減少創(chuàng)造了條件；同時(shí)，無承臺、變截面結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)受力更加合理，外形簡潔，施工便利。目前，單樁(或雙樁)雙柱結(jié)構(gòu)幾乎成為大多數(shù)長、大跨徑橋梁下部構(gòu)造的首選型式。如湖南湘潭二大橋(590 m)、石龜山(380 m)、桃源沅水大橋(254 m和2100 m)、南華渡大橋(主跨84 m)等。在近5年的時(shí)間內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用跨徑近乎成倍增長的事實(shí)足以顯示其應(yīng)用前景。2) 鉆埋空心樁。它是裝配式組合基礎(chǔ)的一種形式，樁殼厚度較薄，一般在1420 cm左右。樁殼縱向用普通螺紋鋼筋，通過專用工具加工成錐形端螺紋，用專業(yè)開發(fā)HZLM錨具將縱向預(yù)制的樁殼節(jié)段拼接，這一施工工藝為橋梁樁基礎(chǔ)裝配化創(chuàng)造了有利條件。

15、受吊裝能力制約時(shí)，應(yīng)用拋填石壓漿也可形成混凝土樁基結(jié)構(gòu)。鉆埋空心樁施工技術(shù)畢竟是多項(xiàng)工藝手段的綜合運(yùn)用，施工技術(shù)和基本設(shè)備相對要求較強(qiáng)。3) 沉挖空心樁。這種樁用于可壓注性淺層覆蓋地層(如砂(礫)、卵、漂石層中)或淺水地基，系采用特制沉井，地層經(jīng)柔性防滲技術(shù)阻水處理后，進(jìn)行人工開挖作業(yè)，形成大直徑樁(包括壓漿混凝土樁和鋼內(nèi)?，F(xiàn)澆空心樁)。該方法緩和了成孔直徑大與成樁設(shè)備能力弱的矛盾。由于對地層情況及成孔、成樁過程易于直觀控制，結(jié)構(gòu)可靠性強(qiáng)，且耗用機(jī)械設(shè)備少，特別適合技術(shù)力量不強(qiáng)的施工單位采用。4) 壓漿混凝土樁。深水、深基大直徑樁的施工，當(dāng)受工序、時(shí)間、機(jī)械設(shè)備、技術(shù)管理、施工組織水平限制時(shí)，可以采用拋填石壓注水泥漿，形成水下壓漿混凝土空心樁(或?qū)嵭臉?。樁周填石壓漿混凝土結(jié)構(gòu)，有力地改善了樁周受力狀況，使樁基受力條件更趨完善；樁底預(yù)留孔道壓漿，消除了樁底沉淀層對樁基支承能力的影響，從而整體地提高了樁身承載能力。對于著床于砂、卵石層上的樁基，可以有效地縮短樁長