石灰巖巖溶發育地區橋梁樁基施工技術探討

王 超

(湖南省炎汝高速公路建設開發有限公司,湖南株洲 412000)

1 工程概況

湖南省炎陵至汝城高速公路位于湖南省東南部,行政區劃屬株洲市炎陵縣(k0+000～k56+647)、郴州市桂東縣(k56+647～k93+311)及汝城縣(k93+311～終點),地理位置處于北緯25°25′12″～26°30′36″、東經113°38′16″～113°56′52″。起點位于接炎陵縣三河鎮衡炎高速炎帝陵連接線,路線走向整體呈北向南,沿G106經龍渣以隧道至桂東,在汝城縣到達湘粵邊界湖南一側的大麻溪,接廣東仁化城口至翁源壩仔段高速公路起點,全長151.048 km,全線特大、大中橋梁總長38 561 m/151座,小橋1 780m/178座,橋梁占新建里程的28.06%,其中特大橋2 202m/2座,大橋33 252 m/108座,中橋3 107m/41座。其中炎汝高速沙田工作站管理區段(k63+600～k113+000),經地質鉆探資料顯示,溶溝溶槽、溶洞、裂隙較為發育。樁基樁徑與樁長因地質條件復雜不等,樁徑有φ150、φ180、φ200與φ220這4種形式。

2 石灰巖巖溶發育地區地質特點及影響施工因素

設計地質資料顯示,巖溶的復雜性,多變性,決定樁基施工所面臨的技術難題多。

1)巖溶的連通性。巖溶的溝槽裂隙較發育,連貫性較強,常因孔內的漿液突然流失,來不及補漿,使孔內漿液高度降低,鉆孔內外壓力差增大,孔壁失去了原漿液所起到的穩定,導致樁基坍孔。

2)洞內的填充物。對于洞內有流塑狀的填充物時,若采用人工挖孔時,會出現突水突泥的現象。

3)地下水位的高低。巖溶地區地下水位的高低,也影響著樁基施工的方法選擇,需特別注意有無承壓水,人工挖孔樁遇到承壓水,樁基會出現大量涌水,出現安全事故。

4)巖溶的分布及發育程度。如果巖溶發育程度較高,會發生卡鉆,掉錘埋錘,給施工留下隱患。

5)溶洞內分為:空溶洞、水溶洞,填充物溶洞。空溶洞在施工中最危險,鉆孔時突然打穿時,孔內泥漿一下子會全部消失,會造成孔內壁失穩,坍孔,埋鉆可能;水溶洞在施工時,沖孔沒有什么大的風險,但泥漿比重、粘度很快下降,或在成孔后灌混凝土時,存在潛在的風險,混凝土面上不來,可能會出現混凝土在正常灌注后,原來形成的護壁突然壓穿,混凝土面急速下降,造成混凝土面低于導管底,造成斷樁,出現了此情況不知道還繼續灌混凝土,造成壞樁事故;有填充物溶洞,在施工中會出現漏漿現象,經過回填并反復沖孔形成護壁墻,但在成孔時,混凝土灌注時同樣會出現混凝土壓穿孔壁的機率,造成混凝土面上不來,或斷樁可能;在人工挖孔時,以上3種溶洞都會造成承壓水突現、充填物流出、孔碴爆破突然下沉發生,從而對人員造成事故。

6)炎汝高速全線橋梁大多都在石灰巖地區,由于設計地質鉆探資料偏少,一排墩僅有一個或兩個地質鉆孔,相鄰孔之間地質條件變化大,且在樁基沖孔過程中,常出現溶洞、泥漿流失、坍孔現象,終孔標高難以確定,所有樁基施工一度停止。后業主方對全線石灰巖地區橋梁樁基采用逐樁鉆探,確保每一根樁必須要有地質資料,給樁基施工提供施工依據,確保了樁基持力層的科學性。

3 石灰巖巖溶發育地區樁基施工遇到的問題與基本控制技術

3.1 在樁基施工中碰到的問題

1)因地質條件復雜、溶溝溶槽、溶洞、裂隙特別發育,沖孔時泥漿突然下降流失,常出現反復回填反復沖孔現象,最多達17次之多,且大多數樁基都存著此現象。

2)由于溶洞,溶溝發育,卡錘、掉錘事件多。

3)混凝土澆灌超方與擴散最大。

4)由于溶洞、溶溝現象多,上下出現多處溶洞(葫蘆串洞),滿足不了樁尖下石灰巖持力層厚度,有的樁基孔深,成孔較難。

5)在施工中,以地質資料作依據,但重在以實際沖孔進尺速度與碴樣來判斷終孔持力層。

3.2 巖溶地區樁基基本控制技術

1)處理原則:在巖溶地區進行樁基施工時,必須做到因地制宜,有預見有準備地選擇巖溶處理方案,沖孔施工時,要求對設計文件提供的鉆孔資料及柱狀圖進行分析,對溶洞較發育的樁基,要一一探明情況,然后鉆孔。

①每根樁必須有地質鉆探資料,詳細記錄地質狀況,溶洞深度,高度,畫圖列表,為施工方案提供詳實依據。

②對填充物進行土工試驗,分析其物理力學特征,檢測容重,含水量,孔隙率等,為注漿參數計算提供依據。

③根據地質資料及填充物的情況對每根樁設計出相應的溶洞處理方案、成孔方法與施工措施。

④遇到大溶洞時,會同設計代表查明,明確處理方案后實施。

2)石灰巖地區樁基施工沖孔施工控制技術與措施。

①開鉆前詳細了解地質資料,準確掌握沖進情況,了解溶洞的位置。

②開鉆做好以下工作:

a)準備足夠的粘土、片石與袋裝水泥;

b)每樁泥漿池要制備不少于10 m3的泥漿以備用;

c)只要鉆進,留守人員密切注意孔內情況,遇到溶洞孔內的水位下降,立即補足水位,防止坍孔埋鉆事故發生,并投放片石與粘土,用沖錘小沖程慢慢沖擊形成人造孔壁。

③漏漿、坍孔:

a)對個別難于處理的孔位可采用埋置深護筒的辦法處理,防止復坍孔(流砂,軟泥層,砂礫層等);

b)因裂隙或泥漿置換少量漏漿的,采用拋填袋裝水泥,粘土石頭用沖錘小沖程反復沖搗的辦法,一般很快堵住。對于滲漏較嚴重的溶洞,及時回填粘土,片石等,充滿孔內,并補充水與泥漿,重新沖孔,可能會出現反復回填反復沖孔的方法對付溶溝溶洞。

④卡錘。打撈方法可采用“偏心鉤、鋼繩套及潛水員打撈等常規方法,可采用振動爆破法處理。

⑤在出現撈錘無法實現的情況下,或出現坍孔埋錘的情況下,由于本地區地質條件復雜,巖質以上孔位沉積巖質土層含大小不等的石頭較多,鋼護筒跟進法處理撈錘較難;在高速公路采用雙孔扁擔梁代替原樁方法是不允許的,只有采用先埋孔再采用擴大孔徑人工挖孔,鋼筋混凝土護壁法來實現撈錘與樁基施工。

⑥由于沖孔中溶溝、溶洞存大,在施工中反復回填與反復沖孔,使溶洞口形成一道護壁墻,堵住了洞口,才使樁基越過溶洞,但在混凝土灌注中,混凝土壓力大于泥漿,可能會出現混凝土沖穿護壁墻,混凝土面下降或下降到導管底口以下,造成意外斷樁或缺陷。為了預防此情況發生,在混凝土灌注中,必須確保導管埋深有一定深度,以能確保灌注為宜,同時多測量導管埋深,多觀察,有異常及時補救處理。

⑦樁基處在石灰巖巖溶發育區,上下多層溶洞形成葫蘆串溶洞溶溝,樁長勢必增長,由于孔壁摩擦力小,只能按端承樁設計考慮。超長端承樁在巖溶地區較難施工控制,故超長樁成孔與混凝土灌注也是本項目質量與技術控制重點。

4 巖溶地區樁基質量控制方法

4.1 成孔工藝

巖溶地區樁基成孔,只有全套管鉆機或沖擊鉆機適用,普通旋轉鉆機不能處理溶洞,且對洞底堅硬灰巖層鉆進困難,極易損壞鉆頭,經綜合考慮,確定為沖擊鉆沖擊成孔,利用沖擊錘盡力沖擊,在砂層或溶洞處沖砸、擠壓泥石,填塞孔洞形成泥石護壁。

對于巖溶區樁基樁長小于30m且地下水不豐富的可采用了人工挖孔樁施工方案。

4.2 沖擊錘成孔

1)在巖溶層鉆進時,應熟悉地質資料,作好準備,將鉆至溶洞時,改用小沖程緩慢鉆進,防止突然打穿溶洞頂板,造成卡鉆,備足粘土、片石、袋裝水泥等材料,漏漿時,馬上回填,以小沖程反復沖砸,形成泥壁,堵塞洞內的通道,防止孔壁坍塌和泥漿流失。必要時提前對溶洞進行注漿處理。

2)因巖溶層地質復雜,洞內巖面高低不平,或一面有巖,一面懸空,容易造成卡鉆和斜孔,此時必須拋填粘土、片石,用低沖程沖砸,反復循環,多次休整樁孔,保證沖孔質量。

3)卡鉆、掉鉆的預防和處理。

在遇到探頭石、落石、梅帶孔、巖溶層的溶溝、溶槽或擊穿溶洞頂板時,極易發生卡鉆,此時應拋填片石,高頻低程沖砸。如已發生卡鉆,應仔細分析原因,不可妄動,以免造成越卡越緊或掉鉆事故,用小沖錘(以圓鋼或鋼軌焊接)在樁孔一側沖擊,并配合高壓空氣或高壓水沖射,使卡點松動后提出鉆頭。必要時可試用水下爆破法,震松卡錘,吊車配合提出鉆頭。

因溶洞原因形成探頭石,錘頭被卡住,用鋼軌焊制重約1 t的小沖錘,查處卡點位置后,在樁孔一側反復沖擊,同時將膠管伸入孔內以高壓水沖射,使卡點松動后提出錘頭。

掉鉆的原因主要是大錘的老化破斷,或大繩與錘頭連接不好,鉆孔中應時常檢查機具設備防止掉鉆,如掉鉆后立即打撈,根據不同情況,采用能夠適宜的打撈工具。條件允許時,可采用潛水員潛入樁孔打撈。如有孔徑縮孔現象,卡鉆與掉鉆經以上技術措施無法提出時,采用多吊點液壓千斤頂頂起法處置(頂起力1 000～2 000 kN)。

4)出現漏漿泥漿突然流失,易造成坍孔埋鉆。或掉鉆后采用其它方法都無法施效后,最終采用埋孔,擴大樁徑,人工挖孔法,鋼筋混凝土護壁逐層開挖到卡錘掉錘位置,再將錘鉤吊提起與成孔。

5)巖溶地區超長樁基混凝土灌注質量控制:

①鋼筋籠安裝,提吊點必須焊接牢固,因鋼筋籠太長太重,因之提吊鋼籠吊下孔內也有案例;鋼筋籠加強箍內的三角撐在安裝下放時,要一一切除之,否則會影響導管提起與插入。

②超長樁,安放鋼筋籠長,接頭多,焊接時間較長,加上導管安裝,泥漿沉淀較厚給二次清孔帶來困難與不便,故在提錘與安裝鋼筋籠時,采用下放高壓泵到孔底沖底法使泥漿循環,減少沉淀。

③安裝導管每節連接口必須檢查絲口的擰緊程度及密封圈的質量,因為導管過長,受力較大,容易出現松動與滲透可能,導致混凝土灌注失敗。同時,導管下放與混凝土灌注時,導管盡可能居中,孔長稍有偏孔與斜孔可能使導管底掛靠鋼籠,上不了下不去現象。

④混凝土灌注:溶洞地區成孔后,混凝土灌注與正常孔基本一樣,但導管的埋深一定要掌握,標準埋深2～6m,在溶溝溶洞發育地區不得低于4m,防止混凝土壓穿造成混凝土面下降,低于導管造成斷樁現象。混凝土面不上升或上升特別慢時,保證混凝土入灌速度時,勤測量埋深,防止提升導管出現斷樁。總之,不可見因素較多,每個施工環節加強防范。

4.3 人工挖孔樁質量控制技術

巖溶地區樁長在30m內,地下水少的地方,采用人工挖孔樁較為實用,逐層下挖,逐層混凝土護壁、在溶溝溶洞的地方,短進尺,多觀察,地下情況看得見,摸得著,處理方法隨機應變。

根據現場溶溝溶洞存在的位置、形狀、大小不同,洞內的填充物不同,有不同的處理方法。

1)鋼筋混凝土護壁穿越法,孔內側面存在溶溝溶槽,外露口較小,先清理溝口邊上的填充物,里側用板或小棍子等物支擋,護壁混凝土內加設鋼筋網片,外側安裝護壁鋼模,澆注護壁混凝土。

2)回填側墻法;側面溶溝較大,形成洞室的,采用回填土與洞口砌護壁墻法,再澆注護壁混凝土越過溶洞。

3)孔底存在溶溝溶洞時,一般先回填再開挖,再混凝土護壁施工。

施工中水溶洞基本上沒有碰到過,在此不作說明。

5 結語

總之,炎汝高速公路巖溶發育地區樁基施工,在施工中遇到了漏漿、泥漿流失、卡鉆掉錘,坍孔等危害,通過對所管標段出現的問題,在施工中總結出巖溶地區樁基施工控制技術與質量控制措施,能為其它高速公路項目類似施工地質條件提供參考。