梁新礼
中铁大桥局集团第六工程有限公司湖北武汉430100
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。
5结语
大直径变截面桩基目前较少使用，尤其是在水上施工，一是封底难度大，二是变截面处质量难以控制。为了确保成桩质量，首选成孔方案应是人工挖孔，但如果条件受限，不能采用人工挖孔，应根据实际情况，选择合理的施工方案。施工过程要严格按照规范进行，控制泥浆指标，防止泥皮过厚影响桩基质量。清孔和混凝土灌筑方面也要严格把关。本项目将桩基钢筋进行变更后，通过28根桩基的实际施工证实了该施工方案的可行性，为以后大直径变截面桩的施工积累了宝贵经验。
参考文献
[1]中铁大桥局集团企业标准MBEC1001-2004《钻孔桩施工》
[2]JTG/TF50-2011《公路桥涵施工技术规范》
[3].JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》