桥梁大直径桩施工难点及其对策.doc

桥梁大直径桩施工难点及其对策李满程杨斌莫建军吴同鳌摘要： 介绍了国内桥梁工程桩基础发展的概况和当前大直径桩施工方面所取得的巨大成就，总结了大直径桩基的特点、施工工艺上的难点及国内成功的解决方法。关键词： 大直径桩； 发展； 特点20世纪80年代，桥梁工程向“长、大跨径、轻型结构，重载”方向发展，对基础支承能力需求的大幅增长，构成了大直径桩发展的原动力。随着成孔机械和成桩工艺及配套设施的改进和提高，大直径桩的概念也在不断更新，当前一般把直径大于2.5 m(含等于)的桩定义为常规意义上的“大直径桩”，其空心者为“大直径空心桩”(本文所指桩即以上两种)，小于2.5 m的桩统称“常规直径桩”或简称“桩”。1桥梁工程桩发展概况在我国，钻孔桩基的发展始于本世纪60年代，因其固有的结构优势、较强的地层适用性及显著的社会经济效益，在基础工程中得到了迅速普及和推广。70年代中期，在河南省郑州黄河大桥首次利用国产BDM型气举反循环钻机，刷新了成孔直径达2.0 m的记录。70年代末期，江西九江长江大桥提出了双壁钢围堰内加钻孔灌注桩基新结构，取代了气压沉箱和深水管柱基础，双壁钢围堰成为目前深水、深基础的主要施工临时结构。90年代前期，湖南省湘潭湘江二大桥在总结广东省南海九江大桥无承台、变截面大直径桩实践的基础上，在90 m桥跨、20.5 m宽箱连续梁桥中，率先采用了500 cm/350 cm单排无承台变截面大直径双桩双柱结构1。接着，安徽铜陵长江大桥、南昌新八一大桥先后按钻孔和沉挖形式成孔，灌注成400 cm大直径桩。我国已建成的大直径桩桥梁参见表1。表1大直径桩桥梁一览表桩直径/cm桥名250泸州长江大桥九江长江大桥常德沅水大桥三门峡黄河大桥宜城汉江大桥钱塘江二大桥武汉长江公路大桥广东斗门大桥280钱塘江三大桥铜陵长江大桥株洲马家河大桥株洲朱亭大桥300黄石长江大桥江汉四桥珠海黄琴大桥益阳资江二桥350沅陵沅水大桥湘潭湘江二桥400铜陵长江大桥南昌新八一大桥500洞口大桥600天马大桥值得说明的是：上述桩基均为实心混凝土桩结构，施工手段单一，施工机械配置及技术组织水平要求较强。为充分挖掘单位立方混凝土的承载潜力，80年代末，河南省和交通部交通科研所提出了“钻埋预应力空心桩”的新型结构；1993年湖南省交通厅在承接交通部“八五”联合攻关项目针对软土地基的洞庭湖区桥梁新技术的开发和研究中创造性地引进了“钻埋预应力空心桩结构”，结合湖南省无承台变截面大直径钻孔灌注桩的特点，先后建成常德石龟山澧水大桥、南华渡大桥、哑巴渡大桥等数座大桥，累计完成300 cm/250 cm和500 cm/400 cm无承台变截面大直径钻埋预应力空心桩2 239延米。无承台大直径空心桩例见表2。 表2无承台大直径空心桩例表桥名桥型最大跨径/m桩径组成/cm累计桩长/m哑巴渡大桥主桥顶推连续梁230300/250105边主桥顶推连续梁25300/250265南华渡大桥主桥独塔斜拉桥253300/250210边主桥滚移连续梁30300/250240石龟山大桥主桥悬拼连续梁55+380+55500/400(440)123边主桥逐孔现浇连续梁30350/300480注浆技术大大扩展了挖孔桩的应用范围，目前我国采用该技术已先后建成了湖南桃源沅水大桥、大庸观音大桥等67座大、中桥，完成了500 cm/250 cm和800 cm/600 cm等沉挖空心桩107根，累计桩长2 156延米，参见表3。 表3挖孔大直径桩一览表结构桥名结构桥长/m桥宽/m跨径/m桩径/cm桩长/m桩数空心桩大庸观音大桥石砌板肋拱25021452500/250106桃源沅水大桥箱肋拱944161652500/2501534钢管中承拱200232100750/400204里耶酉水大桥双曲拱39012654600/300124洞口大桥石砌板肋拱28016545800/500106浏阳天马大桥连续梁1652645+75+45800/600174常德南北引桥简支梁660184016.5250/1801515实心桩湘潭湘江二大桥连续梁54020690700/350182大庸二桥石砌板肋桥30021648300/50081810广州鹤洞桥斜拉桥800363603003022长沙南大桥连续梁1 0002485，50，20350/280/1801871南昌新八一大桥斜拉桥320262160450/400172在实测经验和理论推导的基础上，针对大直径桩的受力特征，湖南省提出了桥跨结构下桩基标准的荷载与沉降曲线根据现场施工条件的具体修正方法，探索出了利用施工期间桥跨恒载加载，进行施工过程跟踪监测的一系列检测方法，为桩基承载能力的检定闯出了新路。 2桥梁大直径桩施工难点及处理方法长期以来，大、中跨径桥梁深水桩基结构大多采用有承台、等截面、常规直径群桩形式。常用承台施工受地层、人力、设备和季节因素影响，工序繁多且受工期限制，无法实施工厂化(或称装配化)作业；清孔手段的限制，桩尖沉淀层的存在，降低了整桩的承载能力；桩身缺陷事故往往难于避免，由事故带来的巨额处理直接费使施工单位蒙受巨大经济损失，何况即使处理成功，对承载潜质的损害也会造成结构性能的大打折扣。无承台、变载面、大直径空心桩(包括沉挖空心桩和钻埋空心桩等)撇除了上述弊端，桩基结构与受力状况更合理，结构抗弯刚度大大增加，荷载稳定性、防撞能力将大大改善；施工工序急剧减少，为加快工程进度创造了有利条件。通过结构空心化，大大减少了结构的圬工体积，社会经济效益十分明显。下面针对大直径桩施工具体情况，并结合大直径桩的特点，总结已成功运用于大直径桩施工过程中难点的解决方法。2.1大直径桩在大直径桩基成孔的过程中，随着孔径的加大孔壁环拱作用急剧减弱，必然造成孔壁不稳定因素的增加，特别是淤泥质沙粘土、粉砂土等覆盖层处易产生孔壁滑坍现象。分段成孔、分级扩孔的施工方法，虽有效地解决了成孔机械扭矩不足的矛盾，但同时也增大了护壁工作的难度；孔径的加大，也使排渣的矛盾显得尤为突出。目前，高聚凝、低固相、不分散聚丙烯酰胺高效油田泥浆的采用，已经很好地解决了上述问题。一位前西德泥浆专家曾不无自豪地宣称：只要有高效泥浆和静水压力的共同作用，绝不会坍孔(此话有些绝对，但也有一定的道理)。随着桩径的加大，成孔阻力成级数增加，导致成孔机械额定扭矩加大，使钻具工作状况更加恶化，主要体现为钻杆不稳定、钻压不足、滚刀锁紧装置受力状况恶化及边刀磨损加剧等。当前，随着国内外建筑技术的交融和新材料的引入，这些问题已经得到了有效地解决。以全断面、气举反循环大直径桩钻机为例：国内目前已有采用德国生产的威尔特系列、日本利根系列及美国SB系列等大型钻机成桩的示例。国内厂家不甘示弱，尽管起步较晚，也相继推出了BMD-4、QJ-250、KP-300、QZY-300、KPY等系列大直径桩钻机。这些钻机成孔特点是：扭矩较大，一次性成孔直径2.54.0 m；全部或部分采用了“机、电、液”一体化的控制机制，引入方型钻杆和回转动力头结构，从而更多地避免了人为因素和转盘传力的缺陷，使成孔机械的工作性能更加稳定、可靠。部分国产钻机性能与进口钻机相当，其价格更有竞争性。在继承发展上述钻机的优良特性，发挥现有常规钻机的潜力，更好地解决软土地基大直径空心桩的成孔问题方面，湖南成功地研制了行星轨迹式成孔钻机，已成功地实施于湖南石龟山大桥39号墩400 cm桩基的成孔。钻头材料的开发和应用、高强硬质合金的采用也取得了不俗的成绩，TM合金焊齿滚刀系列钻头的应用，推动了大直径桩钻机钻头国产化的进程。因桩径的加大，单桩混凝土供量、导管灌注施工时要求配套的生产能力亦加大，对混凝土灌注设备与灌注技术能力的配合提出了更高的要求。通过钻埋方式形成大直径预应力空心桩，或预埋石料压浆法形成大直径压浆混凝土桩，为上述问题的解决提供了切实可行的方法。同时采用预制预应力空心桩，还能更好地解决大直径桩单位体积混凝土承载能力低下的缺陷，是实现桥梁结构拼装化(或工厂化)生产的一个有效突破。接桩钢筋工作量的加大，是大直径桩灌注法施工的又一难点。单靠增加焊机台数，又存在工作台面过小的矛盾。目前，螺纹钢筋冷轧连接接头的出现已部分地缓和了上述矛盾，并在国内多座特大桥上有成功的先例。当然，根本的解决方法应该走空心桩拼装化道路。综上所述，无论是施工工艺水平还是施工机械设备能力，大直径桩基已经完成了它走向成功的发展历程。表明：历经我国桥梁工程界长期奋发研究、不懈实践的大直径桩基施工技术，已完成了它走向空心化、装配化的首创过程。2.2变截面、无承台桩桩的变截面结构是深水基础桩的一种必然形式，它是适应结构受力要求而产生的结构形式，使施工误差的修正有了更大盈余2。变截面段的采用也为取消承台提供了有力条件。随着承台的取消，下部构造受力将更加明确，水下施工难度减少，从而有力地争取了施工工期，为桥梁基础走向装配化铺平了道路。值得说明的是：无承台、变截面桩基础形式是大直径桩的必然推出，也是大直径桩基经济性的具体体现。单用大直径桩而同时加以承台或等截面的作法，如非结构需要只能是一种误用。任何分割两者依存关系的作法都是不科学的3。3大直径桩基本形式和分类无承台、变截面、大直径桩基础的产生和发展，为桥梁桩基工程领域灌注了新的活力，产生了一系列具有继承和发展意义的桩基工艺和结构。1) 单桩(双桩)双柱结构。大直径桩的产生，使单桩承载能力有了成倍的提高，从而为桥墩断面桩数的减少创造了条件；同时，无承台、变截面结构使结构受力更加合理，外形简洁，施工便利。目前，单桩(或双桩)双柱结构几乎成为大多数长、大跨径桥梁下部构造的首选型式。如湖南湘潭二大桥(590 m)、石龟山(380 m)、桃源沅水大桥(254 m和2100 m)、南华渡大桥(主跨84 m)等。在近5年的时间内，该结构的应用跨径近乎成倍增长的事实足以显示其应用前景。2) 钻埋空心桩。它是装配式组合基础的一种形式，桩壳厚度较薄，一般在1420 cm左右。桩壳纵向用普通螺纹钢筋，通过专用工具加工成锥形端螺纹，用专业开发HZLM锚具将纵向预制的桩壳节段拼接，这一施工工艺为桥梁桩基础装配化创造了有利条件。受吊装能力制约时，应用抛填石压浆也可形成混凝土桩基结构。钻埋空心桩施工技术毕竟是多项工艺手段的综合运用，施工技术和基本设备相对要求较强。3) 沉挖空心桩。这种桩用于可压注性浅层覆盖地层(如砂(砾)、卵、漂石层中)或浅水地基，系采用特制沉井，地层经柔性防渗技术阻水处理后，进行人工开挖作业，形成大直径桩(包括压浆混凝土桩和钢内模现浇空心桩)。该方法缓和了成孔直径大与成桩设备能力弱的矛盾。由于对地层情况及成孔、成桩过程易于直观控制，结构可靠性强，且耗用机械设备少，特别适合技术力量不强的施工单位采用。4) 压浆混凝土桩。深水、深基大直径桩的施工，当受工序、时间、机械设备、技术管理、施工组织水平限制时，可以采用抛填石压注水泥浆，形成水下压浆混凝土空心桩(或实心桩)。桩周填石压浆混凝土结构，有力地改善了桩周受力状况，使桩基受力条件更趋完善；桩底预留孔道压浆，消除了桩底沉淀层对桩基支承能力的影响，从而整体地提高了桩身承载能力。对于着床于砂、卵石层上的桩基，可以有效地缩短桩长，取得良好的社会效益。该工艺施