水磨钻成孔技术在陡坡硬斜岩桥梁桩基施工中的运用

■游书锋

（南平市交通运输综合执法支队，南平 354200）

随着《交通强国建设纲要》的提出，“十四五”期间我国公路建设将处于加速成网的关键阶段。

公路建设避免不了“逢山开路，遇水架桥”，“架桥”的一个重要施工环节为桩基及成孔施工。

目前，桩基成孔方法有人工挖孔、冲击钻成孔、冲抓钻成孔、螺旋钻成孔等[1-6]。

然而，山区陡坡硬斜岩桥梁桩基施工因其特殊性，常规的成孔施工方法无法满足现场施工需求。

基于此，将水磨钻成孔技术运用于山区陡坡硬斜岩桥梁桩基施工， 成功解决了现场实际问题，对今后类似工程具有参考意义。

1.1 概况

国道205 曲港大桥项目为国道205 线改建工程，大桥位于南平市来舟镇，项目起点 桩号K0+000（相对G205 线K2157+185），终点 桩号K1+023（相对G205 线K2158+700），路线全长1.023 km。

曲港大桥中心桩号K0+639.55，跨越富屯溪，桥孔布设采用 （87+158+87） m 变截面现浇连续刚构箱梁+3×30 mPC 连续T 梁，共2 联，全长434.5 m，主桥箱梁按路线走向曲线布置，T 梁主梁按折线布置，内外侧 曲线通过悬臂进行调整，墩台按径向布置。桥梁下部构造1 号、2 号主桥主墩采用双支薄壁墩，墩高分别为19.315 m 及17.785 m；
3 号交接墩采用空心薄壁墩，墩高18.469 m；
引桥4 号、5 号墩为圆柱墩，墩高分别为16.722 m 及9.645 m；
两桥台按U 型台设置，基础均为灌注桩。

曲港大桥桥型图如图1 所示。

图1 曲港大桥桥型图

1.2 桥梁基础总体施工方案

大桥河中墩共3 座，即1～3 号墩，1 号和3 号墩位于河岸，在枯水期采用筑岛平台施工桩基，再采用明挖基坑施工桥墩承台；
2 号墩位于河中央，该河为沙溪口电站水库，施工时从3 号墩河岸修建钢栈桥至2 号墩墩位搭设钢平台；
1～2 号墩跨越河道约160 m 水面，河底岩层裸露，无法搭设钢栈桥，因此，1 号墩从0 号台前现有道路修筑施工便道至墩位，采用筑岛围堰做施工平台进行施工。

1 号墩所在地面坡度大、岩层斜面大，作业空间受限，且地层岩石坚硬，无法采用常规的钻机施工桩基；
其余墩台、桥台均可采用常规方法施工桩基及承台。

2.1 桥墩设计情况

大桥1 号墩设计6 根直径2.2 m 钻孔灌注桩，桩顶标高86.5 m，承台尺寸（11.1×12.7×4.5） m，1 号墩桩基地质及设计参数见表1。

表1 1 号墩桩基础参数

2.2 地形地貌情况

1 号墩地形陡峭，墩位地面坡度近40°，考虑到承台基坑开挖深度太大，经商议对承台标高进行了相应的设计变更：将承台原设计底标高82.5 m 变更为86.5 m，即提高4 m；
提高后承台顶标高91 m，桩长相应增长4 m，桩基底部标高不变，这样更便于施工，且避免受雨季洪水威胁；
承台底悬空部分采取素混凝土填充措施。

2.3 水文地质情况

根据地质勘探报告，如图2 所示，1 号墩地质表层为碎块状强风化变粒岩，裂隙稍发育，层厚约1.7 m，向下至桩底标高，层厚约22 m，均为微风化变粒岩，青灰色，变余结构，块状构造，岩芯呈较完整柱状，锤击声脆震手，单轴抗压强度平均值68.5 MPa，最高达126.1 MPa，为硬质岩，该岩层岩面倾斜角度近30°。因桥墩位于岸边陡坡上，基本无覆盖层，虽岩层表层裂隙较发育，但是呈块状，而岩心较完整，因此表层可能有较少“裂隙水”，越往下地质情况越好，呈整体岩层，渗水量极少。

图2 1 号墩所处地质纵断面图

2.4 钻孔灌注桩的适应性分析

1 号墩地层岩石强度大于100 MPa 的厚度达15 m 左右，且岩层为陡坡硬斜岩；
钻孔灌注桩无论采用何种钻机，都较难钻进。

该岩层岩面倾斜角度近30°，采用冲击钻和旋转钻施工无法操作，钻孔垂直度难以保证。

2.5 水磨钻的技术优势分析

水磨钻具有以下技术优势：（1）常规成孔方法在倾斜的硬质岩层中钻进困难且极易造成偏孔，而水磨钻成孔采取钻孔取芯形式， 能有效解决硬岩钻进困难和偏孔问题。（2）在硬质岩层采用常规钻机24 h，一般钻进50～60 cm，100 MPa 以上钻进仅为20～30 cm；
而采用水磨钻循环12～14 h 可钻进50～60 cm。

（3）1 号墩处于陡坡河岸边，作业空间受限，大型钻机设备无法运输到墩位，而水磨钻施工所需整套设备体型小，易搬运。（4）水磨钻施工，没有泥浆，噪声小，环境污染小。

（5）震动小，对既有建（构）筑物影响小。

旧曲港桥为危桥，本工程临近旧桥约200 m， 传统人工挖孔桩爆破震动对旧桥影响大，爆破方案不可行；
水磨钻施工无需爆破，能有效解决该问题。

（6）成孔质量便于控制。

对围岩扰动小，最大限度保留了围岩完整性，成孔规则，超欠挖控制好，可以有效减小混凝土超耗量。

2.6 水磨钻的缺点及应对措施

（1）水磨钻施工安全风险较高。

水磨钻施工属于人工挖孔工艺范畴，施工过程中需要人工下井作业，存在高处坠落、物体打击、触电、窒息等安全风险。

施工过程中应严格按照施工方案和技术规程，加强人员安全培训教育和安全交底， 强化安全防护、施工用电、通风等安全措施，保障施工安全。

（2）水磨钻造价相对较高。

以本工程为例，桩径2.2 m，硬岩地质，经成本测试，采用水磨钻成孔工艺造价约每延米5000 元， 采用冲击钻成孔工艺造价约每延米约1800 元。

但针对本工程案例，相对于造价成本，解决现场问题、保障工程进度更为重要。

（3）水磨钻人工作业程度高、工序复杂。

水磨钻施工需要人工进行钻孔，每循环包括钻孔、劈裂岩芯、解散岩芯、出渣等多个工序，某个工序出现问题都可能影响整体质量和施工进度。

施工过程中要加强施工管理，做好技术交底，保障施工质量及进度。

2.7 施工方法选定

综合上述情况及分析，水磨钻成孔方案在本工程更为适用，最终施工采用水磨钻成孔的方案。

3.1 基本原理

水磨钻机、水磨钻筒和专用水泵是水磨钻的3个主要组成部分。

一般一个水磨钻机配备3～5 个水磨钻筒，一个水磨钻筒上有7 个刀头。

水磨钻法主要是通过水磨钻机沿桩径内沿钻若干个孔， 孔孔相连，形成一个环。

该环成为桩芯的临空面，使得桩芯和桩壁分离。

再对岩芯部分进行分块，即在岩芯部分钻上一排小孔，并在小孔内锥入钢楔子，捶击钢楔挤压岩石，使岩石沿铅锤面被拉裂并从底部发生剪切破裂，分解成若干小块。

借助提升系统可将分解的岩块吊出孔外。

依次按照分层取芯、破裂、取岩块的循环工序，最终达到成孔目的。

随后进行钢筋笼安装和混凝土灌筑等后续工艺流程。

水磨钻施工工艺如图3 所示。

图3 水磨钻施工工艺图

3.2 工序流程

水磨钻施工每循环流程主要包括水磨钻钻孔、劈裂岩芯、解散岩芯、出渣、检孔、施工护壁（进入中风化岩层时）、等强度、拆模，随后进入下一循环，施工工序流程图如图4 所示。

图4 水磨钻桩基施工工序流程图

4.1 筑岛

本工程施工选择在枯水期，水位在87.0 m 高程进行， 承台靠岸侧边坡按1∶0.75 开挖线进行放坡，坡面进行喷射混凝土防护。

由于承台部分位于坚石内，部分悬空，对悬空部分采取素混凝土填充处理措施。筑岛临水面边坡按1∶1 坡率设置，水中坡脚采用抛石笼护脚稳定。

筑岛平台填筑至90.0 m 高程，按要求进行压实，筑岛范围每边比承台尺寸（11.1×12.7） m 大3 m，即（17.1×18.7） m，在满足桩基和承台施工工作面的前提下，尽量远离航迹线。

施工图如图5 所示。

图5 筑岛施工图

4.2 水磨钻成孔施工

4.2.1 桩位放样

在测量控制网布设施工基础上，按照设计图纸测定桩位， 以木桩或铁钎打入地下标定桩孔中心，桩孔中心偏差不得大于50 mm。

4.2.2 锁口施工

在钻孔前应浇筑井圈锁口，并在锁口外侧浇注一个绞盘（孔内出碴使用）的支承平台。

井圈锁口采用C20 混凝土浇筑，壁厚不少于30 cm，顶面高出施工基面30 cm， 井圈中心线与设计轴线偏差不得大于20 mm。

4.2.3 护壁施工

开挖至中风化岩层之前， 应进行护壁施工，结构形式为内齿护壁，护壁厚度150 mm，具体为：每钻进1 m 应立即安装钢筋（Φ8）、立模浇筑混凝土，浇筑采用C25 现浇混凝土， 混凝土坍落度控制在8～10 cm 范围内，采用吊桶运输，人工撮料入仓，钢钎捣实， 混凝土浇筑完毕24 h 后或强度达到2.5 MPa 时方可拆模。

4.2.4 水磨钻开挖

测量放样后固定钻机位置使套筒向孔桩侧壁外倾一定角度，有利于下一循环钻孔时套筒起钻点能置于设计孔桩边线面，不致造成缩孔，使得桩孔呈节段倒合体，从而保证成孔截面尺寸。

其余按照3.2 节内容。

施工现场图如图6 所示。

图6 水磨钻开挖现场图

4.2.5 卷扬机配合料筒出渣

由卷扬机配合料筒组成提升系统。

钻取的岩芯经分块后装入料筒， 用电动卷扬机提升至地面，倒入手推车运至临时存料场。

为了保证起重作业的安全，确保钢丝绳在使用过程中不断裂及卷扬机在使用过程中不发生倾覆， 根据现场使用钢丝绳直径、料筒装满最大载重量、卷扬机配重等参数，计算得出钢丝绳破断拉力及卷扬机的抗倾覆能力满足安全系数要求。

出渣提升过程中，通过下述措施，进一步保证提升安全：（1）装料不得超出料桶平面；
（2）提升要缓慢、稳定，避免绳索摇摆；
（3）起吊设备设置限位器、防脱保险装置；
(4)用土包配重的方法保持卷扬机两端平衡，且起重架安装要平稳牢固。

4.2.6 成孔检验

根据JTG F80-2017《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》，成孔质量检验标准为：孔底平整、无沉渣；
孔径、孔深≥设计值；
孔位中心偏差≤50 mm，倾斜度＜0.5%。

经检验，工程现场水磨钻成孔效果良好，达到了上述检验标准，成孔效果如图7 所示。

图7 成孔效果图

在陡坡硬斜岩地质条件，采用冲击钻孔等施工方法，存在钻进难度大、偏孔、施工场地受限等问题。

结合工程实际情况，采用水磨钻成孔施工方法，成孔效果良好，成功解决了现场实际问题，得出以下经验，可为今后类似工程案例提供借鉴：（1）水磨钻施工技术优势有：作业面小、施工灵活程度高、噪声小、震动干扰小等特点，除适用于陡坡硬斜岩地质外，也适用于对噪声、震动干扰敏感的结构物桩基成孔施工。

如：市政、铁路既有线桩基施工，不能爆破区域桩基施工等。

（2）严格控制每循环钻孔质量， 避免出现成孔倾斜、 底部出现锯齿状等现象。（3）进入中风化岩前，应序时跟进护壁施工。

（4）钻孔过程中，应实时进行孔位纠偏，保证成孔垂直度。（5）应充分考虑孔内排水、井口防护、通风照明等问题，制定相应 的应急预案，并提前采取预防措施，保证施工安全。

（6）随着钻孔越深，配套的安全措施应相应跟进，具体施工安全措施可参照人工挖孔桩施工相关技术规范要求。