巖溶地質條件下大直徑超長鉆孔灌注樁施工技術研究

徐 學 鵬

(中鐵二十五局集團第三工程有限公司,湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著經濟的發展，城市高架橋逐漸增多，大直徑超長鉆孔灌注樁也得到廣泛的應用。橋梁施工常常穿越復雜的巖溶地層，由于巖溶地區的溶溝、漏斗、落水洞、溶蝕等特點[1]，樁基在巖溶區域的變形及受力機理尚未研究清楚[2]，大直徑超長鉆孔灌注樁在巖溶地區施工容易出現孔斜、地面坍塌、斷樁等風險。此外，巖溶形態不規則及真空范圍難以探明的影響，使得混凝土澆筑無法估計，易造成較大的資源浪費和經濟損失。而針對復雜巖溶地區的大直徑超長鉆孔灌注樁施工經驗積累較少，指導性案例和關鍵技術總結鮮有提出。

因此，本文以長株潭城際鐵路白石港特大橋項目5號墩成樁施工為例，詳細闡述在連通及多層溶洞區域內大直徑超長鉆孔灌注樁的施工關鍵環節，并針對典型問題提出相應的解決方案，對類似工程提供了解決方案。

1 工程概況

新建長株潭城際鐵路白石港特大橋，全長1 333.125 m，孔跨布置為1-24 m，共32個橋墩，2個橋臺。該橋的2號～23號墩位于巖溶區域，其中需進行巖溶處理的橋墩12個，分別為2號～5號墩、8號～12號墩、15號墩、16號墩、23號墩，巖溶樁基總樁長合計6 460 m。其中2號～11號墩，均采用嵌巖樁基礎；其余非巖溶地區樁基礎均采用摩擦樁。

1.1 地質條件

地層分布情況由上而下為：種植土、人工填土、粉質粘土、泥質砂巖、砂礫巖、灰巖。橋樁基礎持力層為灰巖弱風化層，基本承載力800 kPa。本橋巖溶具有如下特點：溶洞存在連通及多層溶洞現象；溶腔高度較大；大部分為全填充溶洞，少部分為半填充(半填充溶洞均為小溶洞)。

3號～6號連續梁主墩5號墩，巖溶發育很嚴重，樁基樁長最長，溶腔高度最大，溶洞地質比較典型，是工期壓力重難點部位。設計采用11根樁徑2.0 m、樁長71 m～101 m的群樁基礎，如圖1所示。灰巖上方覆蓋層為粉質粘土、泥質砂巖、砂礫巖，均為全風化，地層破碎易塌孔。地基大部分存在溶洞連通及多層溶洞現象，溶腔高度很大，溶洞最大凈高達42 m，溶洞呈全填充狀態，填充物為軟可塑狀粉質粘土，如圖1所示。

1.2 總體方案概述

1)工藝方法確定。

成孔工藝選擇及運用是保證成孔質量的重要因素，樁基成孔的方法決定了巖溶地質條件下鉆孔灌注樁施工的成敗，是施工工藝的基礎及核心。

沖擊鉆成孔的特點有：受地質條件限制小、沖擊力大、成孔速度慢。對于土層而言，旋挖鉆成孔相較于沖擊鉆成孔，具有成孔速度快、護壁效果好、相對更經濟的特點，但卻受限制因素及存在問題很多，在強巖溶地區施工十分困難，沒有任何優勢。

根據白石港特大橋5號墩樁基地質資料結合現場調查，我部決定樁基全部采用沖擊鉆成孔施工。

2)樁基鉆孔順序確定。

本墩樁基施工前需對鉆孔順序仔細研究確定。基本原則為采用跳樁法施工。對于樁基基礎下有溶洞的樁基，結合施工經驗先施工溶洞底板較低的樁，先施工這類基樁有利于在處置回填過程中更有效的填充溶洞，對于施工附近底板相對于較高的基樁來說，因前期先施工底板較低的基樁，充填加固了附近地基，有利于成樁。

2 關鍵環節施工技術

白石港特大橋巖溶地區大直徑超長樁施工過程中主要的關鍵技術環節包括：溶洞處理、斜巖處理、沉渣厚度控制、成樁控制。

2.1 溶洞處理

5號墩溶洞底板埋深大，且溶洞范圍較大，地下水較豐富，前期采用巖溶導管預注漿預處理或采用鋼護筒護壁灌樁，施工成本較巨大，綜合分析不是有效解決方案。最終決定采用邊回填造壁結合鋼護筒跟進(L≤20 m)配合施工，最終達到預期效果。

1)回填造壁法施工。

沖擊鉆底部標高距離溶洞頂板1 m左右時，為防止卡鉆，需調小沖孔進程，同時加大泥漿配合比，加大排渣力度，多次測量鉆孔深度，緩慢將底板擊穿，最終達到預期成孔效果。

擊穿溶洞頂板后，增加泥漿供應，并及時拋填片石粘土混合料，片石比例占70%，片石粘土混合料應回填至超過溶洞頂板，繼續鉆進，繼而回填片石粘土混合料，反復填沖，對溶洞位置進行封堵。具體步驟見表1。

2)鋼護筒跟進施工。

擊穿溶洞頂板后出現漏漿時，除采用拋填片石粘土混合料的方式或澆筑素混凝土外，同時進行鋼護筒跟進。鋼護筒比樁徑大20 cm，壁厚1.2 cm，每4 m一節，兩兩焊接接長。護筒口加邊包圈保證護筒的剛度以防止變形過大，鋼護筒跟進至溶洞底板繼續鉆孔。當溶洞整體高度大于5 m，無論溶洞是否為填充狀或是否回填，均設置雙層鋼護筒。

表1 回填造壁法施工步驟

a.溶洞高在3.0 m

b.溶洞高大于5.0 m(多層)，且溶洞分布較分散時，采用雙護筒法+回填造壁法配合施工。護筒長度確定需結合現場施工條件、可操作性及經濟成本考慮，采用鋼護筒跟進至泥質砂巖層頂往下1 m標高處，初步定于鋼護筒跟進16 m深，特殊情況可作適當調整但不超過20 m,如圖2所示。

2.2 斜巖處理

在溶洞群施工中，斜巖是個常見的問題，因其出現在溶洞底板以及基巖面層處，如果不及時處理會造成鉆孔垂直度不夠以及掉鉆、卡鉆，進而影響施工。對于這類問題只有通過磕打的方法，人工構筑一個較好的持力層，針對5號墩長樁的特性，采用了回填片石結合小行程磕打以及回填混凝土磕打相結合的方法。

其操作要領是及時糾正在鉆進過程中的垂直度。回填料回填后應進行小行程磕打，一般鉆頭沖程控制在50 cm～1 m范圍內，待磕打出一個有效的支撐面后再繼續進尺，如圖3所示。

2.3 沉渣控制

白石港特大橋樁基礎施工，沉渣厚度控制是質量控制的重點內容，主要是為了防止基樁沉降，造成有砟軌道道床不均勻下沉。灌注水下混凝土之前，必須嚴格控制二次清孔，對樁基沉渣厚度按照規范要求應控制在5 cm以內。

采用二次清孔保證成孔質量。成孔后，下鋼筋籠前，通過反循環清除孔內沉渣。清孔后應及時檢孔。鋼筋籠下完后，通過導管進行清孔，通過導管沖開孔底沉渣，達到清孔目的。

二次清孔檢孔手段：混凝土罐車到位后，停止清孔，采用測繩測量孔深，與第一次檢孔數據比較，即可得出孔底沉渣厚度，如沉渣厚度滿足規范要求即可進行下一道工序，如圖4所示。

2.4 成樁控制

巖溶地區成孔較困難，如果質量控制不當存在掉鉆、卡鉆等現象，結合現場經驗來說主要從鋼筋籠吊裝、水下混凝土灌注以及泥漿配合比來控制。

1)鋼筋籠吊裝控制。首先對鋼筋籠進行分節起吊安裝工作，分成兩種長度，一種為9 m，一種為12 m。使用大噸位的吊機進行起吊，安放鋼筋籠的工作過程中，應該垂直的進行骨架的起吊和下放；在進行鋼筋骨架的下放工作過程中，一定要嚴格的避免同孔壁有擦撞問題，避免對孔壁造成破壞。選擇使用多點起吊的方式來進行鋼筋籠的轉運和入孔起吊工作，充分避免鋼筋籠出現變形問題。

長樁鋼筋籠接頭較多，為縮短鋼筋籠吊裝時間，5號墩采用4臺焊機進行焊接，焊接時間控制在8 h內，11根樁均未出現下籠時塌孔的現象。

2)水下混凝土灌注時間控制。水下混凝土灌注時間的主要因素就是混凝土供應速度，應合理組織，增加混凝土罐車數量，及時保證灌樁混凝土不間斷。

3)泥漿比重控制。一般水下混凝土灌筑時泥漿比重要求不超過1.1，根據地質情況，我部確定泥漿比重控制在 1.15～ 1.25范圍內，如圖5所示。

3 施工中典型問題及解決方案

3.1 卡鉆、掉鉆

1)振動鉆頭：采用小鉆頭沖擊鉆頭，將炸藥送至鉆頭底部進行爆破，并同時振動鉆頭，使鉆頭松動或擺正時及時提出。

2)沖杠清孔：采用沖杠小行程沖擊鉆頭四周，松軟附近土層，提出鉆頭。

3)擴筒清孔：采用設計孔與外徑匹配，內徑較鉆頭直徑略大，重1 t～ 2 t的擴筒進行清孔，松動鉆頭及時配合將鉆頭提出。

4)潛水員下孔：一般用于水下灌注樁，成本較大，通過人工摸清卡鉆位置，并栓掛鉆繩提出鉆頭。

3.2 塌孔

1)當孔壁局部坍塌，孔內水頭無明顯損失時，通過加大泥漿濃度，并下內護筒及時處理。

2)遇溶洞、溶溝，小面積塌陷，護筒沒有位移，可下沉內護筒，并及時分層拋入片石、粘土塊、袋裝水泥、片石等，以填充堵塞溶洞，回填后采用中小沖程重新施工。

3)遇溶洞發育嚴重或者護筒變形、橫向位移，可將鋼護筒拔出，回填泥漿粉，并采用套內護筒穿越溶洞層，這樣是為了防止在施工中繼續漏漿造成垮孔。

3.3 混凝土流失及斷樁

隨著混凝土灌注面升高，混凝土對孔壁壓力逐漸增大擠破溶洞處人工造壁，混凝土流失造成斷樁事故。此時，應停止繼續灌注，待水下混凝土凝結形成一定強度，再充填樁孔溶洞，形成護壁后，重新沖孔。

4 結語

通過對白石港特大橋項目5號墩在巖溶地區的成樁施工經驗的分析和總結，認識到樁基下穿連通多層巖溶一直以來是施工的重難點。依托白石港特大橋穿越巖溶地區樁基施工，得到以下幾點結論：

1)溶洞底板埋深大，且溶洞范圍較大，地下水較豐富巖溶地區，采用回填造壁結合鋼護筒跟進效果明顯。

2)處理斜巖需回填片石結合小行程磕打以及回填混凝土磕打相結合，形成有效的支撐。

3)巖溶地區成樁控制，必須控制沉渣厚度及水下混凝土灌注時間、泥漿比重等關鍵因素。

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