浅谈低净空条件下桩基托换施工控制要点

点

摘要: 桩基托换技术具有技术难度大、费用较高、工期较长、风险性较强等特点，随

着城市建设的逐步推进，立体交叉施工环境越来越复杂，低净空条件下桩基托换施工也越来越多，本文依托石家庄地铁2号线建和桥桩基托换时，需要在净空受限的情况下施工超长桩基，然后进行了成功托换，为以后类似工程提供经验借鉴。

关键词:桩基托换 低净空 施工 控制要点 1 概述

建和桥设计于1994年，建成通车于1996年，设计建设时期桥梁名称为“棉一立交桥环桥工程”。二层环桥上部结构为预应力混凝土多点支承异形板。线路在区间中部穿越建和桥及和平路跨线桥立交桥区，其中盾构隧道与建和桥北块45#、46#的4根桩基发生冲突，与南块40#、42#桥墩的6根桩基发生冲突，因此需对45#~46#、40#~42#桥墩基础进行桩基托换。桥下净空只有2.6m，新桩基深度达到52m，为了减少对桥梁的影响只能采用反循环成孔工艺，这对于下部10m不密实的卵石层是一个严峻的挑战，因为工序繁多，并且要做到工序衔接连续，时间把控精准，中间不能停顿，并且涉及到多种不同工种之间的协同工作，比较复杂。地下超深桩基作业，水下混凝土灌注难度大。使钢筋笼有效居中，防治其在混凝土灌注时上浮。避免出现施工缺陷，一次成功。

图1 需要托换桩基的桥梁示意图 2桩基托换施工安全控制要点 2.1对既有梁体预支顶控制要点

图2 桩基托换监控系统示意图

（1）本桥要求相临墩沉降差控制值最小为1.6mm，要求测量精度至少为0.1mm，要求顶升采用的液压系统的同步性能小于1mm，并具有精度达到0.1mm的监测功能和自动调整功能，才能减小沉降超限调整不及时产生的开裂风险。

（2）顶升系统关系建和桥运行安全，因此系统自动化程度和稳定性要求高；需运行1年以上，系统长期运行可靠性要求高；以减少人为因素的影响。

（3）顶升面对的可能工况极为复杂，在托换施工过程中可能1个墩、2个墩或多个墩出现沉降超限，这就要求顶升系统能够对任一可能出现沉降超限进行调整，能单个调整，也能任意分组调整，能单个支动作，也能分组或整体同步动作。

（4）液压系统设计主要考虑了安全性和同步性，在泵站系统中合理设计了保压阀、蓄能器、安全阀，选择了额定流量1.2L/min液压泵等。通过两种安全阀能控制千斤的的油压，防止千斤顶超载使用；额定流量的设计主要是控制千斤顶的顶升速度，截流阀为故障检修提供便利，所有泵站内的液压元件为同一规格型号，同一吨位的千斤顶为同一批规格，保持一致性。

2.2低净空条件下桩基成孔控制要点

通过地勘报告并结合首件工程得知，新桩基在25m以内为粉细砂层；25-35m为中粗砂含卵石层，本层含有厚度约0.5m的铁板沙层；35m至桩底为卵石层，且卵石粒径大。成孔施工机械采用特制反循环钻机配备高耐磨合金钻头，高度4.5m，长度6m，宽度1.2m，钻杆长度1m/节，钢筋笼吊架采用特制低净空10T链条式电葫芦式起重设备，高度5.8m，长度2.6m，宽度1.2m。a卵石层中部分卵石粒径较大，钻机钻进困难，进尺非常缓慢。根据已成孔S10、S12、S7、S1、S3记录中可知在基坑底以下45m存在大量粒径较大卵石（最大可大35cm）。

图3 已钻出部分较大粒径卵石示意图

（1）钻进过程中中粗砂含卵石及卵石层钻进时必须严控扭矩及钻进速度，根据现场试验及理论计算，平均钻进速度为0.6m/h最为合适。

（2）钻进过程中卵石层的卵石粒径及空隙非常大，且钻孔时间过长及卵石层震动较大等原因，导致钻至该位置后孔内泥浆快速大量流失，使得塌孔风险急剧增加，要求此段需停钻进行补充浆液并添加黏土、锯末，防止塌孔。

（3）粉细砂层防塌孔措施：控制泥浆的水头高度及钻进速度和泥浆比重，钻进速度控制＜1m/h，泥浆比重控制在1.06~1.10，粘度控制在18~28Pa.s。

（4）中粗砂含卵石层防塌孔措施：控制泥浆的水头高度及钻进速度和泥浆比重，钻进速度控制＜0.8m/h，泥浆比重控制在1.10~1.15，粘度控制在20~35Pa.s。本层中铁板沙层通过对钻头进行加焊合金耐磨块和勤换钻头进行处理等措施保证快速成孔，防止塌孔。

（5）当卵石层厚度超过6m时，钻进时间长，施工过程中塌孔、钻杆损坏、掉钻头风险进一步增大，需要要进一步制定防范措施。

2.3低净空条件下钢筋笼安装控制要点

（1）钢筋笼的单节长度确定及加工因桥下空间只有2.8m，基坑首次开挖深度至旧承台底，基坑底至桥底空间仅有5.5m，去除吊架和电葫芦高度0.8m，采用直螺纹套筒连接施工空间0.5m，钢筋笼按装空间仅有4.2m，综合考虑钢筋笼得长度确定钢筋笼最宜长度为4m/节。

（2）因钢筋笼的加工场地有限，只能采用简易钢筋笼加工设备，同时加工3节钢筋笼，从桩顶向桩底的顺序按编号和加工，加工设备上的3节钢筋笼加工完成后去掉序号小的2节，保留大号节，然后继续加工后续钢筋笼，保证连接时的顺畅。

（3）根据现场施工条件，吊架使用针对性设计的门式吊架，吊架宽度2.6m，吊钩距地面4.5m，因钢筋笼最大重量为8T，选用10T低净空链条式电动葫芦用作起吊动力设备。在骨架内部加支撑来增加刚度，这样骨架起吊时才能够不变形，并在笼中加劲箍筋处加设十字形钢筋撑，支撑钢筋在钢筋笼安放在孔内过程中拆除，以便重复使用。起吊点应设在加强箍筋上且位于钢筋笼顶部的三分之一处，用两点起吊法缓慢起吊。

（4）因托换新桩基桩长48m，由16个钢筋笼组合成桩基钢筋骨架，接头数量较大，且操作空间狭小，连接时间较长极大增加了塌孔的风险，综合考虑采用直螺纹套筒连接。

（5）采用人工将钢筋笼按顺序运至桩孔边，通过电动葫芦将钢筋笼吊起后与已经通过横杠固定在孔口的钢筋笼进行直螺纹连接，完成后撤掉横杠，将本节钢筋笼放入孔内，如此循环直至全部安装完成。

（6）由于施工净空不足，钢筋笼每节长度不超过4m。

（7）钢筋笼的吊放要对准孔位、扶稳、缓慢，避免碰撞孔位，到位后立即固定。

（8）多节钢筋笼吊放时，应将钢筋笼逐步接长后再放入孔内，利用先插入孔内的钢筋笼上部架立筋将笼体固定在护壁锁口圈上，利用吊装机械将上节钢筋笼临时吊住进行两节钢筋笼的对接，钢筋笼对接后要请质量员和工程监理对连接质量检查验收，合格后再沉入孔内。

2.4对既有桥梁桩基破除施工要点

（1）利用水磨钻法破除既有桥梁桩基，水磨钻成孔，使孔孔相连，钻孔后取芯，待所有水磨钻钻孔连成一个环后，桩芯就和桩壁分离了，形成了桩芯的临空面，然后对剩余的桩基岩芯部分进行分块，沿圆半径取芯分块形成内部临空面。在分块的岩石上钻上一排小孔，然后在小孔内锥入钢楔子，捶击钢楔挤压岩石，使岩石同时受到铅锤面上的拉力和水平面上的剪切力作用，当挤压力大于极限抗拉力和极限抗剪切力之和时，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，利用卷扬机将的岩块吊出孔外。依次按照分层取芯、破裂、取岩块的循环工序，最终达到成孔的目的。

（2）凿除旧桩基施工前对施工人员进行技术交底，将技术标准、施工方法、工艺要求、必要的操作规程、注意事项及安全、质量、工期等要求讨论清楚。

（3）“先检测、后作业”，排除一切可能存在的危害因素。检测指标包括氧浓度值、易燃易爆物质浓度值、有毒气体浓度值等。未经检测，严禁进入。

（4）旧桩基破除到盾构区间以下50cm后停止破除，人工剥离完成旧桩基钢筋后采用C15混凝土进行回填。

（5）通风、检测、照明、通讯、应急救援等相关设备、个人防护用品应符合国家标准，并符合防爆要求，作业人员应使用防爆工具、配备可燃气体报警仪等。做到妥善保管，定期检验、维护，保证设施能够正常运行。

（6）在有限空间入口附近设置醒目警示标识，禁止未经许可人员进入作业现场。作业现场分工明确，负责人、监护人在场才允许作业。

（7）整个隧道侧穿桥桩施工中，桥桩附近地表出现沉降，地表最大沉降值13.2mm，选用优化后的施工工艺（复合锚杆桩与径向注浆加固措施），并加强对前方土体、桥墩以及地表的位移监测，确保隧道施工过程的安全，尤其在隧道穿过高架桥桩基础时，要特别做好沉降控制工作。

3 桩基托换施工质量控制要点

（1）扩底倾斜角度计算：水磨钻机高1500mm，钻筒外径为160 mm，电机或支架超出钻芯前端80 mm，正常钻孔时钻机倾斜角度即为（80+160÷2）÷1500=0.107，倾斜角度≥tan(0.107)-1=6.107才能保证不缩孔。向外扩底时，钻机倾斜角度≥10°后就不易固定钻机位置，tan10°=0.176，向外扩底宽度0.176×1500-（80+160÷2）=104mm，即每500mm可向外扩100mm宽。

（2）采用MIDAS进行建模计算，模型土体的本构模型采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)模型，围岩、桥面、桥墩、桩基础均采用实体单元，复合锚杆桩采用桩单元模拟，隧道衬砌采用壳单元模拟。考虑到结构周边尺寸效应及空间效应，模型范围为建筑边界向外100m。模型尺寸软件为450m×435m×85m。数值模型共划分了个739208个单元，140597个节点，模型边界条件为：模型四周为约束法向位移的边界条件，模型底部为三个方向固定的位移边界条件，地面及其以上采用自由边界条件。

（3）为确保施工过程中桥梁的受力稳定，基坑开挖前实施预支顶，并安装自动化监测设备，对桥梁实施自动化监测，通过数据判断桥梁上部结构受力情况，出现异常可通过调整预支顶进行控制。

（4）既有桥梁为钢筋预应力混凝土异形板梁，为验证核实桥体重量，通过预支顶千斤顶对上部结构进行称重，确定每个墩柱实际受力，用以指导顶升施工。

4 总结

通过对桩基托换施工安全、质量控制要点的梳理，总结了桥梁桩基托换施工的成熟经验，本文中的具体施工措施及相关控制参数均来自于施工现场，可为今后类似桥梁桩基托换的设计与施工提供参考、借鉴，达到有效规避桥梁桩基托换施工安全与质量风险的目的。

5 参考文献

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