紧邻通行道路、坚硬岩石地段桩基水磨钻成孔施工技术

刘勇 中交二公局第二工程有限公司

郑海峰 玉环市交通投资集团有限公司

关旭 张永 常龙 中交二公局第二工程有限公司

1.工程概况

漩门湾大桥引桥共设计有184根钻孔灌注桩，其中φ1.5m桩基174根，φ1.2m桩基10根，均为嵌岩桩结构。引桥左幅2#、3#、4#、11#墩，右幅6#、18#、19#墩均位于山体坡脚位置，桩基开孔即是岩层，岩层完整性好、岩石强度高（岩层为中风化凝灰岩，最高强度可达160MPa），岩层顶面横、纵桥向均有较大的坡度，处于无水环境，且桩位处紧邻现有通行道路。

2.桩基成孔工艺比选

2.1 原定成孔工艺

漩门湾大桥引桥桩基均为嵌岩桩，原定桩基成孔工艺为采用冲击钻冲击成孔，但在实际施工过程中存在如下问题：（1）岩层顶面横、纵桥向均有较大的坡度，钢护筒埋设困难，需采用“护筒跟进”方式，先利用钢护筒的自重使其穿越河床表部的流塑状淤泥层，待护筒底下沉至基岩顶面后，用冲击钻在护筒内部冲击岩面形成钻孔，将护筒跟进至钻孔内，直至护筒底穿越斜岩面坐落于平整基岩上。该方法效率低下。（2）基岩为中风化凝灰岩，完整性好、强度高，冲击成孔效率较低，每日平均进尺约20cm；且冲击钻锤头的锤牙经常破损，焊补锤头占用的时间较多。

2.2 成孔工艺调整

考虑到由于基岩顶存在斜岩面、岩层强度高，冲击钻成孔效率低下，且桩位紧邻通行道路无法采用爆破施工等因素，经过调查及多方比选，最终选定水磨钻成孔替代原定冲击钻成孔工艺。

3.水磨钻成孔施工工艺

3.1 施工流程

水磨钻成孔桩基施工内容及程序为：场地平整→放线→定桩位→浮层软土开挖、整平→安装出渣设备→安装排水、通风、照明设备→开挖、排水和防护→每开挖一个循环，对钻孔的孔径和竖直度进行复核，满足要求后继续开挖→直至开挖到满足设计要求的岩层及标高后由监理单位验收→绑扎钢筋笼→下放钢筋笼→放入导管→灌注基桩砼至设计顶标高。

3.2 桩孔人工开挖

若桩位处表层覆土较浅，则直接采用挖掘机配合人工进行清除；若桩位处表层覆土较深，则桩位精确放样后，按照自上而下的顺序由人工逐层用镐、锹进行清除；土层较坚硬的情况下，采用锤头或钢钎等辅助措施进行破碎开挖，人工开挖按照由内向外的顺序进行。

3.3 水磨钻开挖

坚硬的岩层地段采用水磨钻施工工艺。水磨钻采用钻筒切割岩体并掏取芯岩，切割过程中利用水泵供水起到冷却钻头、润滑钻具的作用，钻机则为钻筒的动力装置。由于钻筒为切割设备容易损坏，单个水磨钻机应配备多个钻筒。

桩孔开挖过程中产生的弃渣采用竖向提升系统吊运，竖向提升系统由孔口小钢管承重支架、转向滑轮和牵引卷扬机组成，卷扬机钢丝绳前端与吊桶相连，将渣土吊出孔口后转运至弃土场。

水磨钻为人工地下作业，孔内积水深度、通风状况、护壁稳定性等条件均影响到孔内作业人员的安全，按照施工顺序，人员进入桩孔前先检验孔内空气的质量，孔深超过10米时应采取强制机械通风措施；若孔内为非干燥环境，边施工边用水泵抽水；开挖岩层的稳定性较差时，采用砖砌或钢筋混凝土结构对孔壁进行防护。主要施工顺序具体如下：（1）钻取孔桩四周岩石：以桩孔设计中心点为圆心，以设计桩径为半径在待开挖的岩面上放样出周边取芯点的位置，将周边芯岩全部取出，使桩孔内部岩体与孔壁分离。（2）钻取中间岩石：桩孔中间岩石与孔壁隔离开后，再沿桩的半径或直径方向取芯，将芯岩分割成若干等份。（3）风镐打孔：芯岩初步分割的基础上，利用风镐打孔将芯岩进一步分割。（4）分裂岩石：沿桩径方向的取芯及风镐孔已将芯岩分割成若干独立的分块，然后在风镐孔内插入钢楔，用重锤锤击钢楔，在钢楔水平力的作用下将小块芯岩剪断，依次将全部芯岩破碎。（5）出渣作业：利用钢钎将芯岩破碎完成后，人工将渣土装入吊桶内，然后由竖向提升系统吊至孔外转运。（6）桩孔修正及下一循环的施工：由于水磨钻筒为圆柱形结构，绕桩身四周取芯的钻孔无法完全咬合，呈锯齿状构造，为保证桩基的有效直径，需将侵占桩基空间的锯齿状岩石破除。再次检验桩孔的偏位及垂直度，满足要求后按照步骤（1）进行下一循环钻孔的放样，然后进行下一循环的挖孔施工。

3.4 挖孔桩终孔检查

桩孔开挖至设计底标高后，对桩底标高、桩孔直径、孔深垂直度等进行自检，自检合格后再通知监理工程师进行复检。若桩底标高位置岩层性质与设计不符，联合监理、地勘、设计等单位到现场共同确认后进行变更。

3.5 孔壁防护

（1）护壁厚度设计

护壁厚度计算时，按照护壁承受不良地层的最大深度土压力和水压力计算，具体要求见式（1）：

式（1）中，k—安全系数；p—最大土压力和最大水压力之和，MPa；d—桩径，mm；Ra—护壁混凝土轴心抗压设计强度，MPa。

（2）护壁施工

为了对井口周围土体进行加固、阻隔地表水、防止井口周围杂物等掉进孔内，桩孔在开挖前应在孔口浇筑混凝土结构护圈，护圈一般高出原地面约30公分。护壁采用内齿式混凝土护壁，每开挖一个水磨钻筒进尺时立模浇筑护壁混凝土，护壁内径不小于桩身直径。

护壁混凝土采用专业模具进行浇筑，模具安装就位后复核其平面位置、垂直度等参数，保证护壁的厚度、桩孔中心位置满足要求。根据开挖情况，当挖孔进入岩层以后，根据具体岩层破碎程度决定是否需要护壁，如不需要则缩小开挖半径，不进行护壁。

3.6 排水防护

桩基水磨钻施工排水分为孔口地表排水和孔内排水两部分。孔口利用高出原地面的护圈阻隔地表水流入桩孔内，同时在孔口位置设置临时排水沟用以引流地表水，孔口周边设置临边防护措施及警示反光标志等。孔内施工时利用利用取芯后的钻孔作为集水坑，用水泵将孔内水抽排出孔外。

为保证作业人员进出孔内安全，孔内应设置专用吊笼、应急爬梯等专用逃生措施，孔口设置专人看管，孔内施工人员随时检查护壁变形、渗水等情况，并与孔口人员保持联系，发现异常立即撤出。

3.7 孔内通风

水磨钻人工挖孔桩孔深超过10m时必须采取强制机械通风措施，利用鼓风机向孔内压入新鲜空气形成孔内外对流，循环、净化孔内空气。

3.8 孔内照明

考虑孔内操作空间，每个水磨钻孔中作业人员不得超过2人。孔内应使用电压低于12V的安全灯具或安全矿灯，灯泡应设置防水罩，电缆应具备防水、绝缘功能，并设置漏电保护装置。

4.水磨钻成孔效益分析

根据地质勘察报告及补勘报告，漩门湾大桥引桥左幅2#、3#、4#、11#墩，右幅6#、18#、19#墩墩位处基岩为中风化角砾凝灰岩、中风化含晶屑玻屑凝灰岩，岩层平均饱和抗压强度均在100MPa以上，最大饱和抗压强度为160MPa，岩石完整性好、强度极高。采用重约10t的冲击钻头锤击成孔作业时，日平均进尺约20cm，且钻头经常破损导致停机修复钻头时间较长，施工效率低下。

桩基采用水磨钻钻进成孔工艺时，钻筒长度约82cm，一个循环可钻80cm，直径1.5m的桩基周边取孔、中心取孔、芯岩破碎、清理石渣等作业一个循环需1.5～2.0d时间，则日平均进尺在40cm以上，较冲击钻成孔效率提高了一倍。水磨钻成孔每米单价比冲击钻略高，但施工工效提高很多，总体施工成本比冲击钻节省。

5.结束语

通过水磨钻成孔工艺在玉环市漩门湾大桥及接线工程引桥桩基应用实例，在基岩强度高、桩位临近通行道路无法爆破作业的情况下，采用水磨钻代替冲击钻成孔，不仅成孔效率提高，而且投入的人员数量少、机械设备简单，且无需设置泥浆池等措施，取得了较好的经济效益和环境效益。