某高速公路立交橋地質勘察塌孔原因分析與對策

施平 張亞輝 趙偉

摘 要：工程地質勘察過程中經常遇到鉆孔漏漿甚至塌孔埋鉆現象，不但影響勘察質量和工期，而且造成一定的經濟損失。多年工作實踐總結，塌孔主要原因為：地層巖土性質、鉆機速度、泥漿稠度、施工機具及工藝等，往往忽略了地下水類型和特點的影響。本工程在實施勘察鉆探過程中出現地下水位附近砂層滲漏嚴重，塌孔，采用調整泥漿稠度、控制鉆速等措施均無果。經過對場區地形地貌、地層特征、地下水特點的分析，證明本次滲漏塌孔的主要原因是由于動水壓力造成孔壁發生“流土”破壞失穩，并成功指導后期勘察鉆探工作，也為今后橋梁樁基成孔提供建議。

關鍵詞：鉆探塌孔;土拱效應;動水壓力

中圖分類號：P634 文獻標識碼：A

1 項目概況

擬建分離立交橋設計孔數及孔徑：2x79 m，上部采用轉體T型鋼構，下部擬采用柱式墩、樁基礎。

橋位區位于灤河一級階地，屬于沖洪積平原，地形平坦開闊，地面標高一般在40.7 m～41.2 m，相對高差0.5 m。場區及附近地貌條件較簡單，受地質構造影響，出現孤山包，呈“串珠”狀分布，山體高度小于100 m，孤立分布。本項目路線跨越山包南側山嘴，均采用橋梁跨越方式。（見圖1）

2 地層條件

2.1 地層結構

根據區域資料調查，場地地層主要為上覆第四系全新統（Q4al+pl）、上更新統（Q3al+pl）沖洪積粉土、黏性土、粉細砂及碎石土，下伏元古界長城群大紅峪組（Pt21chd）白云巖（中厚層狀燧石條帶或團塊質白云巖夾白云質泥灰巖，調繪層理產狀為240°～280°∠30°～40°）、薄層石英砂巖;山嘴東側下伏太古界（Ar）變質閃長巖與白云巖呈不整合接觸。

根據現場條件展開橋位區地質勘察鉆探工作，依次由B區逐步進入A區。

2.2 地下水

勘察期間，山嘴東側地下水埋藏于粉質黏土層，埋深一般在11.0 m～11.5 m。山嘴西側地下水埋藏于粉細砂層中，埋深一般14.0 m～14.5 m。（見圖2）

3 鉆孔坍塌原因分析

鉆探作業進入A區時候，采用跨墩法進行鉆探施工。首次在鉆孔24、2、9出現下部漏漿，并在不足10分鐘時間內出現坍塌埋鉆現象。經現場校核事故發生部位，發現均發生在初見水位處，即④層飽和粉細砂層中。挪移孔位后，增加泥漿稠度，在事故附近位置開始降低鉆速，待鉆進該層飽和粉細砂一定深度后，孔內液面開始降低，且速度逐步加快，仍然出現了塌孔埋鉆。

根據以上現象的分析塌孔埋鉆主要原因。

（1）地層特點。砂土層地層為主，孔隙大、中密-密實狀態為主是該地層的特點。地下水位以上損耗一定量泥漿，液面略降低，只有不斷補漿才能順利循環作業，事故發生部位主要為④層飽和粉細砂層，滲漏加劇致使塌孔。

（2）地下水位特征。經調查，并結合本次部分勘察孔量測水位分析發現，山嘴東側（B區）穩定地下水較西側（A區）水位高出3.0 m～4.0 m。距離120 m～150 m左右，存在水頭差。

（3）原因分析。鉆探成孔時，由于“卸載”作用破壞了原始地層初始應力平衡狀態，圓形斷面的徑向應力狀態會很快調整為環形分布，形成封閉的應力拱。最大主應力方向由原來的豎向轉變為水平環向。拱效應半徑幾乎在土性不變情況下，僅隨著鉆孔直徑的增大而增大[1]。

鉆探卸荷繼續，隨著泥漿和鉆具對飽和砂層孔壁共同作用，瞬時間，會產生超孔隙水壓力。由于山嘴東側與西側存在近3%左右的水力坡降，故在西側飽和砂層中會產生滲透力。砂土中的滲透水流在水頭差作用下，力的方向與滲流方向一致，有使土顆粒向前運動的趨勢，其值等于土粒對水流的阻力。

icr--臨界水力梯度，γw--地下水重度，σψ-砂土體孔隙比，Gs--比重。

由于AB區存在水頭差，在B區出現向上滲流。當水力坡降達到臨界水力坡降克服掉顆粒之間的摩擦力，就會導致顆粒趨于“懸浮”狀態。σ值減小，icr也在減小，當i>icr飽和土發生流土破壞。也即初始滲流作用將顆粒間細粒逐漸帶走，顆粒間的有效摩擦力減小，加之，超孔隙水壓力在砂土中的消散時間效應很短[2]。雙重作用下，導致孔壁顆粒發生位移持續發展，孔壁穩定性逐漸減弱。

在動水壓力形成的滲透力作用下，加速孔壁失穩破壞，水流將泥漿部分顆粒帶走，稀釋漿液，孔內泥漿液面迅速降低。當發生動水壓力大于浮容重時，“流土”或“流沙”現象發生，孔壁四周失去底部支撐發生坍塌，導致鉆具被埋。

4 對策及建議

根據本項目特點及工期要求，最終采用鋼套管護壁措施，要求套管底端穿過④層飽和粉細砂層底不少于3.0 m。杜絕了鉆探塌孔事故的發生，加快了施工進度，縮短工期。對本場地勘察具有很好的實用性和指導性。

建議樁基施工前，施工現場建設用水井在山嘴東側設置，降低上游水頭。由于A區上部地層砂土及粉土比重大，且土體干燥，施工時必須設置護筒，防止坍塌。

參考文獻：

[1]李大鵬，唐高德，李治忠.基于拱效應的鉆探塌孔機理分析及對策[J].江南大學學報（自然科學版），2012，11（02）：71-77.

[2]姜朋明，胡中雄，劉建航.地下連續墻槽壁穩定性的時空效應分析[J].巖土工程學報，1999，21（03）：338-342.