巖溶及破碎地層對橋梁樁基成孔的影響及處置措施

張正星

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

1 工程概況

汾陽至邢臺高速公路榆社至和順段穿越太行山腹地，其中后溝大橋全長688 m，上部結(jié)構(gòu)采用40 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)橋臺采用柱式臺，肋板臺，橋墩采用實(shí)體墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m，樁長26～44 m。

2 地形、地貌及地質(zhì)概況

橋址位于山間河谷區(qū)，微地貌為黃土沖溝、谷坡，谷底覆蓋Q4沖洪積物，兩側(cè)橋臺覆蓋Q3黃土、Q2粉質(zhì)黏土。經(jīng)鉆探揭示，橋址地層主要由第四系全新統(tǒng)Q4沖洪積物、上更新統(tǒng)Q3風(fēng)積物、中更新統(tǒng)Q2洪積物及石炭系上統(tǒng)太原組C3t沉積巖構(gòu)成。Q4地層巖性為砂類土、碎石類土及粉質(zhì)黏土，分布于河谷表層。砂類土（粉砂、中砂、礫砂），褐灰、褐黃色，稍密結(jié)構(gòu)，潮濕狀態(tài)；碎石類土（角礫、卵石），稍密—中密結(jié)構(gòu)，潮濕—飽和狀態(tài)，顆粒成分以灰?guī)r、砂巖為主，混合土充填，最大粒徑8～13 cm；粉質(zhì)黏土，黃褐—淺紅色，可塑—硬塑狀態(tài)。Q3風(fēng)積黃土，褐黃色，稍密結(jié)構(gòu)，稍濕狀態(tài)，垂直節(jié)理及大孔隙發(fā)育，具Ⅱ級非自重濕陷性，濕陷厚度5.0～8.4 m，分布于東側(cè)橋臺及谷坡。Q2地層巖性為粉質(zhì)黏土、粉土與薄層砂類土及卵石。粉質(zhì)黏土，黃褐—淺紅、棕紅等色，可塑—硬塑狀態(tài)為主，含鈣質(zhì)結(jié)核及鐵錳質(zhì)薄膜；粉土，黃褐—棕紅色，中密—密實(shí)結(jié)構(gòu)，稍濕狀態(tài)，厚5.3～6.5 m；砂類土（粉砂、中砂），中密結(jié)構(gòu)，潮濕狀態(tài)，厚2.6～4.4 m；卵石，中密結(jié)構(gòu)，潮濕狀態(tài)，顆粒成分以砂巖為主，混合土充填，最大粒徑10 cm。C3t地層巖性以泥巖、砂巖及灰?guī)r構(gòu)成。泥巖，褐灰—黃褐色，全—中風(fēng)化狀態(tài)。全風(fēng)化地層呈堅硬黏性土狀，含強(qiáng)風(fēng)化碎塊；強(qiáng)風(fēng)化地層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，呈碎塊及短柱狀；中風(fēng)化地層為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀及長柱狀；砂巖呈黃褐、淺灰、褐灰等色，強(qiáng)—中風(fēng)化。強(qiáng)風(fēng)化地層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，呈碎塊及短柱狀；中風(fēng)化地層為細(xì)中粒結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀及長柱狀；灰?guī)r呈褐灰色，中風(fēng)化，結(jié)晶結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育。

物探解譯推斷，溝底范圍為構(gòu)造破碎帶，巖溶裂隙發(fā)育。

3 巖溶及破碎地層樁基成孔的影響

公路橋梁施工中，樁基成孔的方法通常采用人工挖孔和機(jī)械成孔，機(jī)械成孔又分為正循環(huán)鉆進(jìn)成孔、反循環(huán)鉆進(jìn)成孔、沖擊鉆進(jìn)成孔、沖抓鉆進(jìn)成孔、螺旋鉆進(jìn)成孔、振動沖進(jìn)成孔。

根據(jù)以上的地質(zhì)情況和樁長，采用人工挖孔，會面臨塌孔危險，甚至危及挖孔工人的生命安全。采用機(jī)械挖孔，極易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，甚至在樁基灌注過程中再次塌孔造成更大的浪費(fèi)，并給樁基工程造成質(zhì)量隱患。采用其他機(jī)械成孔，必須有循環(huán)泥漿才能完成，但在這種破碎地層及巖溶地區(qū)，泥漿隨時都有可能滲漏，一旦漏漿就很難堵漏，在本項目實(shí)施中曾發(fā)生1根樁3～4次漏漿塌孔現(xiàn)象，給工程進(jìn)度和質(zhì)量造成極大的影響和隱患。

4 注漿方案的提出及漿液配合比設(shè)計

4.1 注漿方案的提出

針對后溝大橋樁基成孔中出現(xiàn)的問題，通過對橋位處地質(zhì)情況進(jìn)行分析，提出了在所有可能塌孔漏漿的樁位先進(jìn)行鉆孔注漿，然后再進(jìn)行樁基成孔施工的處置方案。

4.2 漿液配合比設(shè)計

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，注漿材料應(yīng)滿足以下要求：漿液黏度低，滲透力強(qiáng)，流動性好，能進(jìn)入細(xì)小的裂隙和粉、細(xì)沙層，漿液可達(dá)到預(yù)想范圍，確保注漿效果；可調(diào)節(jié)和控制漿液的凝固時間，以避免漿液流失，達(dá)到定時注漿的目的；漿液穩(wěn)定性好，結(jié)合率高，強(qiáng)度大，長期存放不變質(zhì)，貨源充足，價格低廉[1]。

根據(jù)以上的要求，在設(shè)計配合比時主要考慮了以下3點(diǎn)：a）漿液的黏度，在鉆孔樁滲漏后，注漿主要起到填充的作用，所以漿液一定要能夠進(jìn)入巖體的細(xì)小裂隙，并把這些裂隙盡量填滿；b）漿液的強(qiáng)度，因?yàn)榈叵率菐r溶破碎區(qū)，所以漿液的強(qiáng)度也很重要，如果把破碎的巖石有效地黏結(jié)在一起，形成一定的強(qiáng)度，則無疑能保證橋梁的地基堅實(shí)；c）造價不能過高，一開始我們也考慮采用水泥—水玻璃雙漿液，雙漿液凝結(jié)時間可控，堵水效果明顯，但強(qiáng)度較低，造價高，綜合考慮選擇添加適量速凝劑的水泥漿方案。試驗(yàn)配合比及性能見表1、表2。

表1 注漿理論配合比每立方米材料用量

表2 注漿配合比性能比較

在反復(fù)比較的基礎(chǔ)上最終選擇固體體積率較高、黏度稍大、強(qiáng)度較高、凝結(jié)時間較短的配合比，即：水泥∶速凝劑∶水=1∶0.03∶0.80。

5 注漿技術(shù)方案及工藝

以后溝大橋右8號墩為例，該樁基設(shè)計深度為30 m，選取對角樁位右8b—0和右8a—1為鉆探注漿位置，鉆探及注漿深度為38 m（設(shè)計樁底之下8 m）。

5.1 鉆探

用130 mm鉆頭開孔，鉆至完整基巖5 m后，右8b—0號孔和右8a—1號孔均鉆探至11 m時變徑為91 mm。用91 mm鉆頭，鉆至設(shè)計深度（38 m）終孔。

5.2 孔口管制作及澆筑

注漿管采用的是φ50的PPT熱熔管（全孔下管），受注段（11～38 m）加工成花眼。

5.2.1 花管制作

用φ10的鉆頭進(jìn)行打孔，每隔約10 cm打1組孔，然后在兩孔中間轉(zhuǎn)90°方向再打1組。花眼打好后，要檢查整個管是否全部貫通，必須保證貫通以利于在不同深度的注漿流暢。

5.2.2 下管及澆筑

用熱熔器將花管與接手焊接，一根一根依次下入孔內(nèi)，變徑深度處在管的外面纏繞一定厚度的編織袋（直徑小于130 mm）并用鐵絲綁緊，變徑深度之上焊接未打孔的PPT管（12 m）直至露出地面大于30 cm，在其與孔壁之間放入20 cm厚礫石，以堵塞大的縫隙，然后放入30 cm厚黏土，防止?jié){液大量滲漏。最后灌入水泥比為1∶1.2～1∶1.5的水泥漿，澆筑長度為大于5 m。為了加速固結(jié)，在漿液中再加入2%～5%的速凝劑。

5.3 注漿

采用圖1所示的進(jìn)行孔口管澆筑及注漿。

圖1 孔口管澆筑及注漿示意圖

5.3.1 漿液配置

采用水灰比為0.8的純水泥漿灌注，在漿液中加入水泥重量2%的速凝劑，使注入的漿液盡快凝固。

5.3.2 注漿

注漿及間歇注漿前必須用清水洗孔。洗孔時流量較大且無壓力時應(yīng)立刻停止該工序。并根據(jù)實(shí)際情況，后溝大橋右8號墩進(jìn)行間歇注漿來控制注漿量，經(jīng)過灌注8 h，間歇12 h的多次間歇注漿后，最終在右8b—0號孔灌注到468.8 m3、右8a—1號孔灌注到539.4 m3時，孔口壓力均達(dá)到1.5 MPa，且穩(wěn)定10 min之上，結(jié)束該孔的注漿施工。

5.4 成樁驗(yàn)證

在注漿結(jié)束2 d后，采用沖擊鉆進(jìn)行樁基施工，再也沒有出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，說明采用的注漿方案切實(shí)可行，達(dá)到了預(yù)期效果。

6 結(jié)語

通過和榆高速公路工程實(shí)例，說明在地層破碎及巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行橋梁樁基施工時，可通過地基預(yù)注純水泥漿來加固圍巖，加快樁基施工進(jìn)度，同時回避樁基成孔風(fēng)險。