中铁一局集团第二工程有限公司
摘要：我国的经济发展水平逐年提升，时代更新日新月异，社会可持续发展的必然趋势就是合理开发地下空间，对地下空间进行规划。在开展地下隧道等工程施工时，经常会遇到需要对既有建筑物进行下穿的情况，本文就是作者针对某市地铁2号线盾构下穿建和桥（二层高架桥）一级风险源采用梁桩基托换人工凿除地下残桩施工应用进行的阐述。
关键词：桥桩托换；人工；截桩；水磨钻
1、工程概况
建和桥桥梁桩基托换人工凿除地下残桩施工工程是该市的重点工程，该桥于1994年开始设计，1996年正式通车，是一座双层结构的立交桥，该桥上部为异形板结构，分为东块、南块、西块、北块，南引桥和北引桥各有四孔，上部结构为单幅T梁桥，每孔9片梁；东引桥和西引桥各有4孔，桥梁上部采用双幅结构，每幅设置4片梁，桥梁下部采用桩柱式墩台结构。桥梁工程施工线路会横穿另外两个立交桥，其中盾构隧道与建和桥南异形板块40#、42#桩基和北异形板块45#、46#桩基发生冲突，正是基于此开展的桩基托换施工。托换完成后进行破除盾构隧道范围内的旧桩基，需要破除的旧桩基长12m，桩径1.8m。
桩基托换完成后，对侵入盾构隧道的原桥旧桥桩必须进行破除。旧桥桩都会在新承台下面，施工空间狭小，环境复杂，只能采用人工进行旧桩基破除工作。由于本工程的沉降控制特殊性，要求梁板沉降控制累计不大于1.6mm，为了尽最大限度降低新桩基的摩阻力所以必须在破桩时采用震动小的设备且要施工稳固的护壁。因此，根据现场实际情况，在桩基托换完成后先进行新承台外竖井的施工，然后进行破桩横通道施工，最后进行人工水磨钻破除旧桩基施工。本工程采用旧桩基先进行桩芯混凝土去除，再取掉旧桩主筋，最后回填桩芯混凝土，保证其余桩基摩阻力不受影响。
2、施工工艺原理
主要采用水磨钻法，水磨钻的构成相对简单，仅由三部分组成，分别是水磨钻机、水泵与水磨钻筒。一般情况下，一套水磨钻机需要配备最少三个，最多五个的水磨钻筒，其中，一个水磨钻筒上安装有七个刀头。标准的水磨钻筒内径在8厘米左右，外径在10厘米左右，高度60厘米，水磨钻筒的一个循环的钻入深度为50厘米左右。专用的水泵外径控制在12厘米左右。
水磨钻法的作用原理可以概括如下：通过水磨钻机设备在残桩内部沿着桩径完成钻孔工作，孔孔相连，钻孔完成后取出桩芯，多次重复上述操作，直至所有的钻孔能够形成一个闭合环后，桩芯与桩壁会发生自然分离。进而形成临空面，分块处理剩余的桩基部分，并在已经分块后的岩石上钻孔，在每个小孔内都嵌入楔子，捶击楔子使其对岩石产生挤压效果，使岩石在受到捶击的过程中同时受到拉力作用与剪切力作用，当挤压力大于上述作用力之和时，岩石会从底部开始发生破裂情况，最终分解成若干个岩石小块，再将分裂完成的岩块用卷扬机吊出孔外，最终达到成孔的效果。通过旧桩基外部遗留20cm桩基混凝土及旧桩基钢筋笼替代护壁，保证施工安全。
3、施工工艺特点
3.1 施工无噪音、无振动，钻孔过程中对新桩基的摩阻力影响较小，施工现场洁净清爽，有利于文明施工。
3.2 水磨钻取芯容易控制精度和取芯质量，保证取芯的孔径为后期剥离旧桩基钢筋减少工作量。
3.3 水磨钻施工，成孔规则、扰动小、进尺快、不爆破、施工安全，投入相对较低，满足横通道内破除旧桥桩施工的需要。
3.4 旧桩破除后剩余旧桩部分能够起到护壁作用，不需要再进行护壁施工，节省部分费用和时间。
3.5 旧桩破除过程中不对附近桩基造成摩阻力损失，不影响盾构穿越破除区域。
4、适用范围
人工水磨钻破除残桩适用于超小净空，周围限制条件过多，无法使用大型机械及破碎设备的通道内及洞内和竖井内施工。
适合于紧邻既有线路、严禁振动的施工条件下水磨钻破除旧混凝土桩基或者岩石工程角度斜桩成孔作业，特别适合于城区接近既有建筑地区的施工。
5、施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺流程
人工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、技术措施和必要的操作规程、注意事项及安全、质量、工期要求等对施工人员进行交底并讨论清楚。
5.2 操作要点
5.2.1 施工准备
正式施工前，首先平整横通道内场地。首先要接通电源与水源，并准备好所有施工需要的材料与设备，将其运输到指定位置，由专业的技术人员进行技术交底，通过学习掌握施工方案，充分了解施工地点的地质情况与桩径等参数，进而确保能够达到正式开工的前提条件。
（1）、测量放线
使用全站仪进行测量定位，放出桩芯位置，并根据交底，放出桩孔的圆周线，经监理单位复核后可以开始施工。
（2）、孔口防排水、安装提升设备
①、在施工现场四周设置排水沟，以便及时排除地表水；
②、安装提升设备，经鉴定性能良好后方可投入使用，布置好出渣路线，孔口周围不得堆载渣土、料具等，以免增加孔壁压力。
（3）、锁口浇筑
开始钻孔前，首先沿桩孔四周开挖并浇筑钢筋混凝土锁口，锁口高出原地面30cm，作为桩孔的防护结构，防止钻孔过程中杂物或明水进入桩孔。
5.2.2 水磨钻施工
（1）开孔取芯
在固定水磨钻机的位置时，首先需要保证钻机的套筒与孔桩之间存在一定的倾斜角度，这样做的目的是保证在下循环的过程中实现防止缩孔的效果，同时，桩孔的成孔截面尺寸能够得到保证。
在计算扩底的倾斜角度时，以下方算法为例：如果水磨钻机的高度为1500毫米，钻机钻筒的外径为160毫米，电机超过钻芯80毫米，那么此时扩底的倾斜角度为（电机超过钻芯距离+钻筒外径/2）/钻机高度，也就是（80+160/2）/1500=0.11，当倾斜角度大于等于tan（0.11）时才能确保不会出现缩孔现象。在向外扩底操作时，钻机的倾斜角度应控制在10度以内，超过这个值就不利于对钻机位置进行固定，已知tan10°=0.176，向外扩底的宽度约为104毫米，因此我们可以确定，没588毫米即可向外扩底100毫米。
当完成所有的准备工作后，才能够开始利用水磨钻机进行钻孔取芯操作。沿着桩孔四周用水磨钻机进行钻孔，直径16厘米，钻孔深度为50厘米。在开展钻孔操作时，应当向孔外进行倾斜，在孔内预留尺寸用于放置钻具，在循环施工时控制桩径不发生变化。取芯点的设置应沿着桩基进行，对外周的岩芯进行钻取，岩芯尺寸约高为500毫米，当所有的外周岩芯全部取出后，岩体外围便会形成一个闭合的环形临空面。
（2）孔芯外运
孔芯外运操作是与水磨钻机施工一同进行的，通常采取吊斗与卷扬机设备进行外运操作。
（3）桩芯打孔破碎
桩芯打孔破碎工程开展于所有钻孔操作完成之后。
①手电钻打孔
用手电钻在桩芯岩体上钻眼，将桩芯岩石分成六等份或八等份。
②插入钢楔、击打钢楔分裂岩石
在钻孔内沿着桩基径打入钢材质的楔子，并用大锤对楔子进行用力捶击，使岩体能够获得水平的冲击作用力，并在这个作用力下岩石能够被拉裂，进而导致岩体底部出现水平剪切破裂问题，对岩体进行依次分裂，直到岩体的桩芯被全部破裂为止。
（4）石块外运
用电锤对破碎的岩石块进行二次破碎，使石块的直径控制在20厘米以下，随后使用吊斗或卷扬机进行石块外运。
在施工过程中，井孔内施工人员的安全问题必须得到重视，因此在石块外运的操作过程中，必须要操作面上方设置防砸棚，面积设置为桩孔面积的二分之一为佳，需要在保证操作施工人员安全的同时顺利完成石块外运操作。
如果在钻孔过程中出现了渗水问题，应当使用水泵进行排水，进而保证井下的正常作业，在夜间停止施工时，需要将操作工具吊起，使其控制在水面以上，防止工具泡水无法使用。
（5）施工通风
40#、45#、46#旧桩基采用鼓风机从井口压入，从竖井底向外抽风的方式进行施工通风、42#旧桩基采用施工通风孔道的方式进行通风见下图。
通风管道采用ø100硬质PVC管配合弯头及转接头进行通风管路连接，确保通风的质量。
5.2.3盾构隧道范围内旧桩基钢筋破除
旧桩基通过水磨钻人工凿除完成后进行盾构隧道范围内的旧桩基钢筋破除工作。破除采用风镐逐根分段剥离旧桩基钢筋，每段长度为60cm。
5.2.4旧桩基破除后采用C15混凝土回填
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。
.png)
建设效果及施工图片
6、主要机具设备
施工过程中，施工负责人应会同有关人员对应施工机械装备进行全面检查，完全符合施工、安全要求后方可开工。
7、安全质量控制
7.1 易出现的质量问题
7.1.1 取芯角度偏差，导致缩孔现场；
7.2 保证措施
7.2.1 防止缩孔措施：
1 严格控制取芯机取芯角度，尤其是第一环要逐根由技术员进行复核；
2 排列好孔位，提前放样，控制好间距；
3 控制好钻进速度，防止卡钻等现象；
7.3 主要安全风险分析
7.1.1 机械设备使用过程中安全措施。
7.1.2 竖井口物料吊运安全技术措施。
7.1.3 有限空间作业安全技术要求。
7.4 保证措施
7.4.1 机械设备使用过程中安全措施。
1设备的安全使用至关重要，为了保证机械设备能够时刻保持正常状态，要安排专人负责管理、维修与保养，并要求其定期检查机械设备的关键位置，进而防止出现机械伤害事故。
2根据机械设备的不同工作性质与性能，设置不同的装置，包括防尘、防雨、防噪音等等，并在机械设备周围放置标志牌。
3在施工现场中应当对机械设备进行集中停放，在进行设备检修时必须保证机械设备处于停机状态。
4完成起重作业操作时要严格执行《建筑机械使用安全技术规程》和《建筑安装工人安全技术操作规程》等相关标准与规定，定期检查起重机械设备，确认设备良好后才可正式投入作业。
5必须保证起重机械设备的安全保护装置是齐全的，同时不得对安全保护装置进行随意的调整，安排专人检查管理，确保安全保护装置能够起到预期的效果。
6利用机械设备进行管材的吊装时，需要保证吊具完好，并牢固的绑定，防止出现管套滑落的现象。
7安排专人定期检查维修各种机械设备与操作车辆，及时处理检查出来的安全隐患，制定风险防控措施，从根本上避免发生各类伤害事故。
7.4.2 竖井口物料吊运安全技术措施：
1在利用吊机对物料进行提升时必须安排专人进行管理与指挥。
2经常性检查提升斗，对提升设备进行检查，至少每周检查一次。安排不同工种对设备进行多次检查，作业组检查频次为每周一次，项目组检查频次为每月一次，当发现问题后应要求相关责任人进行限期整改。
3提升时，提升斗下作业人员必须站在安全范围内。
4用钢丝绳进行提升，在吊盘悬挂开始，每六个月对其进行一次试验，并对悬挂用钢丝绳每年度进行一次试验。
5严格控制超载提升物料。
7.4.3有限的地下空间施工作业技术要求
1在正式开展作业实施之前，应遵循先检测后作业的基本原则，对施工过程中可能存在的风险危害因素进行检测。具体的检测指标如下：作业空间的氧气浓度、易燃易爆物质浓度、有害气体浓度等等，严禁工作人员进入未经检测的地下作业空间。
2在实施地下空间的检测时，应当确保检测人员处于安全环境条件下，做好相应的检测记录，清晰详细的记录时间、地点与各项检测结果。
3危害评估应依据GB8958《缺氧危险作业安全规程》、GBZ2.1《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》等标准进行。
4在作业前期与作业过程中，为了最大程度的保证作业安全，可以采用强制性的通风措施，保持空间内的空气流通，降低有害物质浓度，但是应切忌采用纯氧。
5要求通风、检测、通讯、照明、应急设备必须符合国家相关标准，同时也要符合相应的防爆要求。施工作业人员要按需求使用合适的防爆工具，包括配备专业的报警仪等等。除经常性使用的设备之外，要妥善保管各个防护设施设备，按照规定要求进行检验与保养，保证相关设施设备能够随时投入正常使用。
6呼吸防护用品的选择应符合GB/T18664《呼吸防护用品的选择、使用与维护》要求。缺氧条件下，应符合GB8958《缺氧危险作业安全规程》要求。
7所有作业人员都需配备专业的空气呼吸器与呼吸保护器，并能够掌握应急通讯设备及报警器材的使用方法，有能力对现场的施工设备进行快速检测，安装大功率的通风设备、安全设备等等，最大程度的保证施工人员安全。
8所有进入空间内部进行作业施工的人员，未经过相关责任人审批，未持手续任何人不得进入作业空间。
9在有限地下空间的入口处安放醒目的警示标志，明确告知相关作业者进入空间后可能存在的安全隐患，并告知具体的防控措施，防止其他无关人员错误进入。每个作业现场都应当明确公示作业负责人与作业人员及监护人员，作业需要在有监护人的前提下开展。
10对相关作业人员开展岗前培训与安全教育培训，培训内容覆盖范围广且全面，包括有限空间可能出现的安全风险与具体的安全作业要求、进入作业空间的流程、相关检测仪器等机械设备的使用方法以及突发事故处理应急预案等等。所有培训应留痕有记录，在培训结束后还需要记录培训的内容、参与者。
11制定应急救援预案，对救援人员的工作职责进行明确，落实配套的救援器材与设备，清晰掌握事故应急处理程序。在作业风险事故发生时，作业监护人员应及时拉响警报，所有救援人员需要在保证自身安全的同时开展救援，防止因盲目施救导致扩大事故危险。
8、效益分析
8.1 技术效益分析
桩基托换工程完成后破除侵入盾构隧道内的残桩为工程的重点和难点。根据现场施工条件及旧桩基钢筋笼和横通道的尺寸综合考虑采取水磨钻先去掉旧桩钢筋内皮3cm外的桩芯混凝土，再从桩底反向破除旧桩钢筋笼钢筋的工法成空克服了现场施工空间狭小，破除风险高，有限空间作业等不利因素和不利条件，为以后施工类似地下小净空建（构）筑物提供了有指导意义的宝贵经验。
8.2 社会效益分析
在如此苛刻的施工条件下，在安全和质量双优的前提下，快速、安全破除旧桩基，为盾构顺利穿越奠定了基础，受到轨道公司和投资集团以及监理单位的一致好评。
9、总结
采用水磨钻机和风镐进行旧桩基凿除施工过程中没有泥浆、无噪音、无振动、不削弱其余桩基得摩阻力。作业面非常干净，旧桩破除效果好，受到了建设单位及附近居民的高度称赞，为盾构机顺利下穿风险源创造了条件。
参考文献：
[1] 王小岐.临近既有线桥梁桩基础水磨钻施工技术【J】.山西建筑.2013（09）
[2]陈雨，王龙旺.桥梁桩基施工技术的研究【J】.黑龙江交通科技.2017（12）
[3]叶年进.水磨钻在铁路桥梁桩基施工的应用【J】.中外企业家，2014（02）：192