大直径变截面桩基设计与施工工艺研究

大直径变截面桩基设计与施工工艺研究作者：梁新礼来源：《科学与技术》2014年第10期摘要：南岳高速公路大源渡湘江特大桥主桥为（56+6×90+56+40）m预应力混凝土连续箱梁桥，左右幅分离设计，采用独桩独柱式基础，单幅每个墩位两根桩基，桩顶通过系梁连接，系梁顶面标高+50.00m。

边墩采用直径φ2.5m桩基，主墩采用变截面桩基（上部桩径φ3.8m，下部桩径φ3.0m）。

桥址处水面标高常年处于+50.00m左右，主桥有7个桥墩位于湘江中，系梁顶面距河床面9～14m。

为了保质保量完成全部桩基，考虑实际地质情况，采用在人行栈桥加施工平台形成陆上施工的方案：冲机钻成孔，水上吊机下放钢筋笼，混凝土输送泵灌筑混凝土。

本工程28根大直径变截面桩的实际施工，证实了此施工方案的可行性，为以后大直径变截面桩的施工积累了保贵经验。

关键词：水中;大直径变截面;钻孔桩;施工一、工程概况1、桥梁设计简介湖南省衡阳至南岳高速公路项目中的特大桥——大源渡湘江特大桥全长1220.08m，该桥跨越京广铁路和湘江，共设28个墩台（墩台编号从京珠高速向南岳方向依次为1#～28#）。

全桥左右幅分离设计，全桥桥跨布置：2×40m先简支后连续T梁+（6+7）×20m预应力混凝土连续箱梁+4×50m先简支后连续T梁+（56+6×90+56+40）m预应力混凝土连续箱梁，其中（56+6×90+56+40）m预应力混凝土连续箱梁主桥的桥墩编号为19#～27#，19#～25#墩位于湘江之中，26#、27#墩位于岸上。

19#、27#墩采用直径φ2.5m桩基，20#～26#墩采用变截面桩基（上部桩径φ3.8m，下部桩径φ3.0m）。

每个墩位4根桩，即左、右幅各2根，每幅2根桩通过桩顶系梁连成整体，其系梁顶面标高+50.0m。

19#、27#墩系梁截面尺寸2.0m×2.5m（宽×高）;20#～26#墩系梁截面尺寸3.0m×3.0m（宽×高）。

2、水文大源渡湘江特大桥位于湘江流域，雨季多集中在4～7月的汛期，河水受降水影响明显，陡涨陡落，一般10月至翌年3月为枯水期。

受桥址线下游大源渡航运枢纽电站大坝影响，水位标高一般在+50.0m左右，变化较小。

只有在洪峰来临时才开闸放水，水位最低为+47.5m，最高为+51.0m，而且高、低水位变化一般在24h之内完成，高水位持续时间不超过5d。

桥址处湘江江面宽672m，16#～25#墩位于湘江之中，水深一般在9～14m。

3、地质大源渡湘江特大桥桥位区基岩时代古老，构造复杂，断裂发育。

板溪群地层在勘察区域内属单斜构造，岩层倾向290°～310°，倾角55°～65°。

岩层经受多次构造运动影响，节理裂隙发育，大源渡断层（F。

）顺河于桥位LK1+170附近穿过，为逆断层。

充填物主要为角砾岩、糜棱岩，铁质胶结，胶结程度良好。

F1断层于桥位LK0+485附近穿过，北东走向，为逆断层，破碎带宽约20m，充填物为绿泥石化角砾岩，泥质胶结，胶结程度一般～较好。

其各墩位地质情况如下：20～25#：位于河中，覆盖层厚0.10～3.00m，基岩为砂质板岩及硅化板岩，砂质板岩风化强烈，其全风化层厚0.60～5.50m，强度低，强风化上带厚11.30～25.00m，强度一般，强风化下带厚1.40～4.40m，强度略高，下部为硅化板岩，呈弱风化状，其上带厚1.00～14.10m，强度较高，但节理裂隙发育，岩石较破碎，下带厚>7.30m，岩芯较完整，强度高。

26#：位于河流冲积一级阶地，覆盖层厚11.00m，基岩为砾岩及硅化板岩，砾岩分布在浅部，风化较强烈，其全风化层厚7.60m，强度低，弱风化层厚1.90m，厚度不大，强度较高，下部为硅化板岩，呈弱风化状，其上带厚7.90m，强度较高，但节理裂隙发育，岩石较破碎，下带厚>5.10m，岩芯较完整，强度高。

二、变截面桩配筋设计根据设计院计算，桩基上部受弯较大，为了达到设计经济合理，并考虑水中防撞，主桥墩采用变截面设计，上部直径φ3.8m，深入河岸1.8～5.4m不等，下部直径φ3.0m，长度19～33.3m不等，均为端承桩。

原设计桩基配筋上部为双层钢筋笼，如图1原设计桩配筋示意图。

我部认为在上部采用双层钢筋笼不便于施工，主要原因是混凝土水下浇筑时，在双层钢筋笼之间易出现夹泥现象，从而影响桩基质量。

为了确保桩基质量，经设计院确认，将内层钢筋笼大幅度缩短，只预留1.0m的锚固长度，如图3修改后桩配筋示意图。

图1原设计桩配筋示意图 ; ;图2修改后桩配筋示意图（仅示两根主筋，其余未示意）（仅示两根主筋，其余未示意）三、桩基施工方案选择3.1钻孔方案选择根据本桥设计特点，结合现场实际情况，其水上施工总体按人行栈桥加设施工平台，即将水上施工变为陆上施工的方法进行。

桩基钢护筒、钢筋等大型结构材料可通过水上运输至现场，利用混凝土输送泵经岸边栈桥上布置的管道将混凝土输送到位，为了加快混凝土的灌筑速度以及防止堵管造成灌筑中断，采用双管道形式输送混凝土。

本桥采用单排桩，部分墩位处河床覆盖层不足0.5m，若采用旋挖钻施工，一是由于其桩径大，钻孔扭矩大，对钻孔平台要求高;二是对钻机要求高;同时水中起重设备吨位大。

综合考虑，选用常规的冲击钻施工，即安全经济，也较为合理。

3.2护筒定位方案选择直径φ3.8m的桩，其护筒内径一般不应小于φ4.0m，直接插打需要设备较大，而且该桥位处部分桩基覆盖层不足0.5m，护筒插打难度大。

因此先施工钻孔平台，然后通过钻孔平台再精确定位钢护筒，利用护筒跟进方式下放护筒。

由于水深较深，护筒在河床以上不少于18m，若按常规方法直接采用钢板卷制，护筒板需δ20mm厚。

经验算，护筒可采用δ6mm钢板做为面板，[8槽钢竖向加劲，[14a槽钢每隔2m左右横向加劲，如此全桥可节约钢材500t左右。

因此护筒底部2～4m范围内根据地质条件的不同采用δ20mm厚钢板直接卷制，其余均采用钢板加槽钢的形式制作。

3.3桩基施工难点——变截面处施工方案确定变截面桩上部加大部分主要考虑受弯承载力，为了确保桩基质量，防止浇筑混凝土时，受护壁影响，在变截面处45度方向出现夹层，施工时采取以下两种措施：第一：变截面桩较原设计加长不少于80cm;第二：钢筋笼下放前清孔时要确保变截面台阶处无沉碴。

四、钻孔施工工艺流程：钻孔平台施工→护筒定位架安装→护筒下放→安装钻机、钻孔、护筒跟进→钻孔（上部完成后换锤）→成孔查检→一次清孔→钢筋笼安装→二次清孔→混凝土浇筑→桩头凿除→检桩验收→拆除护筒定位架→拆除护筒→进行下道工序施工。

4.1钻孔平台施工钻孔平台采用双排φ820x8mm的钢管桩，桩顶分配梁采用双I45a工字钢，主梁采用贝雷梁，小分配梁采用I14工字钢，走道板采用5cm厚木板。

在桩基对应位置预留的洞口应与护筒定位支架尺寸匹配。

为了确保平台稳定，钢管桩在纵、横两个方向均采用桩间联接系固定。

为了确保护筒垂直度，钻孔平台顶面标高应高于水面5.0m。

详见图3钻孔平台示意图。

钢管桩采用水上吊机加液压振动锤施工，其平面位置允许偏差：±10cm;垂直度允许偏差：1/150。

（a）1/2平台平面布置示意图（b）钻孔平台断面示意图图3钻孔平台示意图4.2护筒定位架安装护筒定位架的作用是保证护筒在安装下放过程中的垂直度。

根据设计，主桥墩护筒长度均在17～20m之间，为了保证护筒的垂直度，护筒定位架高度按4.5m设计，上、下框架梁采用双[20b槽钢，坚杆采用双[16b槽钢，滑道采用[10槽钢。

定位架在现场钢结构场加工，通过水上运输至安装平台附近，利用水上浮吊直接吊装安装。

安装到位后，调整护筒定位架，控制其倾斜度不大于4.0‰，然后将上框架与施工平台主梁联接，下框架与施工平台钢管桩联接，使其固定。

4.3护筒下放全桥所用钢护筒均在现场钢结构厂分段加工，每节长度不大于6m，护筒加工完成后必须在两端设置十字支撑架，防止护筒变形。

然后通过船只运至现场，在施工平台上接长，接好之后取下护筒内部的十字支撑架，然后直接利用水上浮吊下放，直到护筒落至靠自重不能再下沉为止。

4.4钻机安装、钻孔、护筒跟进当护筒第一次下放到位后，安装冲击钻开始钻孔。

由于护筒是靠自重下沉到位，部分河岸处覆盖层薄，护筒下口无法封死，不能造浆，只能先用清水冲孔，同时跟进护筒。

根据实际情况，护筒跟进至50cm～100cm左右时可以开始造浆。

施工过程中，如果护筒无法跟进，可以向护筒内加水以检查是否漏浆，若不漏浆，可以开始造浆并进入正常钻孔施工;若仍漏浆，可以采用锤击继续跟进，直到不漏浆为止。

在锤击护筒时要注意控制护筒的变形及垂直度。

4.5钻孔在护筒跟进到位后，根据实际情况再接高或切除多余护筒，使护筒口高于施工平台面50cm。

然后开始正常施工，直到上部变截面桩施工达到设计标高以下80cm，再换直径φ3.0m 的锤进行下部桩基施工。

施工过程中要严格控制泥浆指标，最好采用优质泥浆，防止泥皮过厚，影响桩基质量。

4.6成孔、一次清孔在桩基施工到位后，先在桩锤上焊接φ25的钢筋圈清理护壁，再使用直径φ3.0m长12m 的笼式井径器进行孔径检查。

确认无误后开始清孔，首先清理上部变截面台阶处，再清理孔底。

由于桩径大，清孔时要有专人负责转动管道，保证清孔到位。

4.7钢筋笼下放、二次清孔在一次清孔达到相应标准后开始下放钢筋笼。

最终钢筋笼顶距护筒口3m左右，钢筋笼必须通过吊筋固定在护筒上，为了防止钢筋笼在混凝土灌筑时摆动，一是在钢筋笼底部焊接撑脚，使钢筋笼下放到位后靠撑脚支撑在孔底，避免钢筋笼悬挂在空中。

撑脚长度应根据实际终孔深度与钢筋笼制作长度进行推算。

二是将钢筋笼顶部与护筒联接成整体。

在钢筋笼固定后之后，进行二次清孔。

4.8混凝土灌浇在二次清孔达到规范要求后，方可开始灌筑混凝土。

首盘混凝土应按φ3.0m桩径计算，埋深按1.0m考虑，需准备7方料斗。

由于桩径大，选用内径φ320mm的导管。

混凝土灌筑采用两台输送泵将混凝土直接泵送入混凝土料斗中。

由于桩基顶高于河床14m左右，施工时将护筒、护筒定位支架与钻孔平台联接为一个整体，为了防止钻孔平台晃动从而影响已成桩质量，在混凝土灌筑完毕后24小时之内平台上不能有较大的震动，待24小时后将护筒与护筒定位支架之间断开，即护筒与钻孔平台无任何联接后，方可在施工平台上进行其他施工作业。

4.9护筒定位架及护筒拆除桩检合格后，先拆除护筒定位架，然后由潜水员下水切割护筒，水上吊机配合拆除。

护筒切割时先沿距河床1.0m左右切一圈，然后再竖向分四块依次切割拆除，护筒拆除的整个过程要有专人负责安全防护。