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山区高速桥梁植入桩施工技术与质量控制难点研究
摘要：文章研究了山区高速桥梁植入桩施工技术的原理、工艺流程及其在花岗岩地质条件下的应用。通过旋挖成孔、灌注水泥砂浆、吊桩、植桩、打桩控制等步骤，实现了桥梁基础的高效、精准施工。文章特别针对植入桩施工过程中的质量控制重难点进行了深入剖析，并针对性地提出了有效的解决措施。研究表明，桥梁植入桩施工技术具有高效、环保、适应性强等优点，为山区高速桥梁工程提供了可靠的基础处理手段。
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植桩法最早起源于日本，20世纪80年代日本就开始将植桩法应用于实际工程，至今日本也是该工艺研究最多、施工机械最完善的国家。我国植桩法相关设备和工艺发展较晚[1]，目前仍处于推广阶段。现阶段国内关于植桩法所形成的复合管桩研究，主要聚焦于在水泥土桩中植入预制桩组合而形成的复合管桩。然而，对于不同地形条件及施工工艺下的复合管桩研究尚显不足，相关的理论体系也不够完善，有待进一步深入探索。
随着我国桥梁事业的迅猛发展和高速网络的日益完善，山区高速桥梁植入桩施工工艺逐渐崭露头角，有望成为桥梁基础施工的首选之一。目前，植入桩施工在房建、市政等领域的应用已较为普遍，然而在山区高速桥梁施工中尚处于推广阶段，质量和安全控制方法仍需进一步完善。在植入桩的钻孔阶段、管桩安装以及管桩振动下沉等关键工序中，存在诸多需要严格控制的技术要点。但我国山区面积广大，地形复杂多变，传统的钻孔灌注桩施工方式往往难以确保桩基的密实性和质量的稳定性。因此，植入桩在山区高速桥梁施工中的应用具有深远意义。它不仅能够有效控制桩基施工成本，保障桩基质量，而且在施工阶段安全、环保、可控，对周边环境的影响较小，这完全符合我国可持续发展的战略需求。
1、工程概况
安徽合枞高速装配式桥梁工程是该文探讨的依托工程。该项目采用双向四车道高速公路标准建设，设计时速为120 km/h，整体式路基段桥梁全宽25.5 m，桥面宽2 m×12.75 m，装配式桥梁上部采用装配式简支轻型T梁，下部结构采用预制盖梁接预制墩，现浇承台接预制管桩。
该研究聚焦于安徽合枞高速装配式桥梁工程的枫香树高架桥桩基础工程，该桥所处地质环境以花岗岩为主。采用预应力高强度混凝土管桩（简称PHC桩）[2]，并运用旋挖成孔的植入桩施工工艺。
枫香树高架桥地质情况如下：
1.1地形地貌
桥位区地貌单元为大别山中低山区，微地貌单元为中丘，地面标高在85.0～120.0 m之间。
1.2地质条件
勘探结果表明，上覆第(1)层为人工填土，第(2)层为第四系全新统冲积层（Q4al）粉土，第(3)层为第四系上更新统残坡积层（Q3el+dl）粉质黏土，下伏基岩为下元古界小溪河组（Pt1x）花岗片麻岩。
桥位区地下水类型主要为孔隙型潜水和基岩裂隙水，此次勘察期间地下水位埋深在0.40～7.10 m。
桥位区为微地貌为中丘，地形变化较大。第(1)层填土局部分布，无实际工程意义；第(2)层粉质黏土工程性质一般，承载力一般，局部分布，厚度较薄；第(2)层粉土零星分布，工程性质较差，承载力较低；下伏基岩承载力高，工程地质性质好。
1.3结构形式
枫香树高架桥采用25 m跨轻型T梁，跨径布置为24 m×25 m；上部采用25 m装配式简支轻型T梁，下部结构采用预制盖梁接预制墩柱，现浇承台，基础为预制管桩基础。
该项目桩基础包括钻孔灌注桩、PHC植入桩、打入桩、PRC植入桩。根据枫香树高架桥桩基位置，桩基施工采用旋挖成孔的植入桩施工工艺。植入桩直径有PHC-600AB(130）、PHC-1000C(130）、PRC-800AB(110）、PRC-1000C(110）四种类型。
2、施工原理
施工工艺原理是通过全液压旋挖机进行旋挖成孔，再利用钢导管使用灌注水泥砂浆到设计标高，最后通过吊车和振动锤将预应力高强度混凝土管桩（PHC桩）振动下放至设计标准，完成定位精调，等待泥浆凝固后形成复合管桩。
3、施工工艺
植入桩施工工艺流程见图1所示。
图1植入桩施工工艺流程图
4、植入法施工
4.1场地平整、测量放样
先对桥梁桩位附近场地进行平整，填筑便道以便于机械设备运输至桥位处，桩位测量应按照从整体到局部的原则进行定位放样，在旋挖机开孔前采用全站仪复核已标记的桩位，确保误差控制在10 mm内。钻机安置应考虑钻孔施工中方便孔口的出土清运，规划行车路线时，应使便道与钻孔位置保持一定距离，以免影响孔壁稳定[3]。
4.2管桩验收、堆放
(1）管桩的进场验收。管桩进场后，按照《先张法预应力混凝土管桩》（GB 13476—2009）的国家标准或各地区的地方标准对管桩的外观质量、几何尺寸、物理性能及材料标识等关键指标进行验收，并审查产品合格证明文件，确保所有进场材料均符合标准。同时，严格把好材料进场验收关，对于不符合设计及施工规范要求的管桩，坚决予以清退出场，以确保工程质量和安全。
(2）管桩的堆放。现场管桩堆放场地应平整，采用软垫（木垫）按二点法做相应支撑，且支撑点大致在同一水平面上[4]。当管桩在场地内堆放时，应不超过4层[5]；当在桩位附近准备施工时，进行单层放置，且必须设支垫。为确保管桩在调运施工过程中不被混淆或错误使用，需按照不同型号和规格对其进行分类堆放。当管桩在现场完成堆放并需进行二次转运时，应借助吊机与平板车的协同操作实现高效搬运。在场地条件受限，不得不采用拖拽方式进行搬运的情况下，应使用滚木减少摩擦，或对桩头端头板采取必要的保护措施，以确保搬运过程的安全和顺利。
(3）埋设定位钢护筒。每个桩位定出十字控制桩后，可进行护筒埋设工作。钢护筒通常采用厚度不小于6 mm的钢板卷制，内径大于桩直径200 mm以上；护筒采用钢护筒一体化旋挖设备进行埋设，埋设深度在2 m以上，并根据地质情况调节钢护筒埋设深度。待测量精确定位后，对孔隙部分用黏性土回填密实。护筒埋设应确保精确且稳固，其中心应与桩位中心相吻合，筒壁则须与桩中心线保持平行。护筒安置妥当后，应利用十字控制桩（护桩）校验桩位，确保无误。倾斜度不大于1%，护筒宜高出地面30 cm。
(4）旋挖钻机就位调试。钻机作业前应对桅杆及钻杆测量调试，钻头中心采用钻机自带的定位器对准桩位[6]，并对定位数据及钻孔过程中的数据进行上传，钻孔过程中如发生偏差可达到及时预警的作用。
护筒埋设完成后应对旋挖机钻孔停机平台进行整平，要求平台平整坚硬，不会发生大沉降，避免影响钻孔的垂直度。
(5）钻进成孔。在钻进成孔的过程中，操作人员应时刻留意钻杆的垂直度（自动控制系统监测），同时借助深度计数器精准掌控钻孔的深度。钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度以提高钻进效率，现场技术员对钻孔深度、地质情况（每钻进1 m需取样，现场设置渣样盒）、钻孔时间等进行记录。钻孔至硬质岩层的设计高程，成孔后检查孔深孔径、孔壁垂直度、沉淀厚度等，应满足以下要求：(1)孔深、孔径≥设计值。(2)钻孔倾斜度≤0.5%。(3)沉淀厚度≤50 mm。
(6）下导管灌注水泥砂浆。在灌注专用砂浆前应进行导管水密性试验，试验合格后方可投入使用。桩孔内有水时应使用导管法灌注，导管底端到孔底的距离应为0.5～0.8 m，首灌后导管的底端应埋入专用砂浆中0.8 m以上。总灌浆量理论方量为外芯桩长×0.54 m3，施工现场根据成孔情况酌情调整。灌注过程中现场技术员应对灌注时间、导管埋深、导管长度、灌注情况（灌注方量、灌注高度）进行计算和记录。
(7）吊桩、植桩、打桩控制。植桩之前应在桩底焊接比桩径大10 cm、厚10 mm的钢板进行封堵，复核桩位准确无误后开始吊桩。在起吊过程中，务必确保桩体稳定，防止其晃动或与其他物体发生碰撞，对准桩位将桩落下，调整桩身垂直度轻轻放下桩锤。管桩施打过程中，桩锤、桩帽和桩身的中心线应重合[7]，将桩打入2～3 m。为确保第1节桩的垂直度精准控制在0.5%以内，应采用长条水准尺或其他高精度测量仪器进行校正。若检测发现垂直度未达标，则应根据具体情况拔出桩体，并重新精确插入，直至达到所需的垂直度精度要求。砂浆灌注1 h内必须开始植桩，沉桩应连续进行且植桩速度不宜高于0.1 m/s。
在管桩施打时，务必确保桩锤、桩帽与桩身中心线精准对齐。若桩身倾斜超过0.8%，应迅速查明原因并采取有效措施进行纠正。当桩尖深入硬土层后，严禁通过移动桩架强行回扳纠偏。在打桩过程中，应实时检查桩的上浮量及桩顶偏位值，确保施工精度与安全。
遇下列情况应暂停打桩：贯入度突变；地面明显隆起、邻桩上浮或位移过大；桩身突然倾斜、跑位；桩身回弹曲线不规则。
(8）接长送桩。接桩采用钢端板焊接法。选用合理的桩节组合，尽量减少接桩次数，任一单桩的接头数量宜≤3个。接桩采用焊接接头时，接桩钢的零部件应涂≥2 mm厚的防腐蚀耐磨涂层。焊接接桩应符合下列规定：
(1)当管桩需接长时，其入土部分桩段桩顶宜高出0.5～1.0 m。
(2)接桩时上下桩段应保持顺直，错位偏差≤1 mm，节点弯曲点高≤1%桩长[8]。
(3)焊接过程中，必须确保焊接层数至少达到三层。在进行外层焊接之前，务必彻底清除内层的焊渣，以确保焊接质量。同时，焊接过程应保证焊缝饱满且连续，不得出现断焊或虚焊现象。
(4)完成焊接的桩接头应经历自然冷却过程，方可继续沉桩作业。此自然冷却过程应至少持续8 min，以确保焊接质量与安全。在冷却期间，严禁采用水冷却方法或立即进行沉桩施工，以避免出现可能的质量隐患与施工风险。
(9）锤击至设计标高。桩长满足设计要求后，振动锤击至设计标高。锤击沉桩设备应配备沉桩监测系统，实现桩位的自动化精确定位，准确监测、存储、传输打桩标高、贯入度、桩身垂直度，辅助机手精准施工，确保成桩质量。
(10）桩位精调。成桩后，需立即复核桩顶平面的坐标与标高，发现不符合规范及设计要求的，应及时采取调整措施，确保满足规范及设计标准。
(11）自然养护、验收。预制管桩调整定位后应报监理工程师验收，采用低应变动测法对100%的工程桩进行桩身完整性检测，并对桩位水泥砂浆顶面采用薄膜覆盖养护。全部工作完成后应移开钻机至下一个桩位继续施工。
5、质量控制重难点
(1）山区高速花岗岩地质下钻进过程中存在穿越砂石地层，因为孔内地下水位较低或无地下水，易发生塌孔，该项目采用自主研发的钢护筒一体化钻孔设备解决了成孔难的问题，已取得实用新型专利。其在钻进过程中根据地质变化情况可自动调节钢护筒长度，有效保证旋挖的成孔质量。
(2）水泥砂浆灌注必须使用水下灌注法，砂浆从孔底向上灌注，避免直接倾倒导致砂浆与孔内地下水混合，造成砂浆浓度降低，形成中砂下沉至孔底，同时降低砂浆强度。
(3）预应力高强度混凝土管桩（PHC桩）植入前应采用桩基定位装置进行管桩导向，避免管桩下沉阶段发生倾斜或孔桩位偏移。
6、结论与展望
该研究通过对山区高速桥梁植入桩施工技术的深入研究，得出以下结论：
(1）植入桩施工技术在山区高速桥梁工程中具有显著优势，能够实现高效、精准的基础施工，提高了工程质量。
(2）通过采用先进的施工设备和工艺措施，能够有效解决山区复杂地质条件下的施工难题，提高了施工效率和质量。
(3）植入桩施工技术具有环保、适应性强等特点，对周边环境影响较小，符合可持续发展理念。
展望未来，随着桥梁建设技术的不断进步和工程需求的不断提高，植入桩施工技术在山区高速桥梁工程中的应用将更加广泛。未来研究可进一步关注新型高性能材料的应用、智能化施工设备的研发以及更加完善的质量监控体系建立等方面，以推动植入桩施工技术的发展和创新。
该研究成果可为山区高速桥梁工程提供可靠的理论支持和技术指导，为实际工程的安全、高效施工提供有力保障。
参考文献:
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文章来源:陈航.山区高速桥梁植入桩施工技术与质量控制难点研究[J].交通科技与管理,2024,5(13):61-63.
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