粉細(xì)砂覆蓋層巖溶地質(zhì)鉆孔樁施工

楊義文

(中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

楊泗港快速通道青菱段(八坦立交—丁字橋路)工程共劃分為5個施工段落，位于武漢市洪山區(qū)。采取主線高架橋+地面輔道的建設(shè)模式，主線高架橋等級為城市快速路，雙向六車道～八車道。全線設(shè)1座互通式立交(八坦立交)，跨過原有白沙洲大道高架橋(見圖1)，立交橋基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，總樁數(shù)352根，樁徑1 200 mm，1 600 mm，1 800 mm。根據(jù)超前鉆地質(zhì)情況變更后樁長30.4 m～52.4 m，樁基類型為摩擦樁、端承樁。立交高架橋梁處于巖溶發(fā)育地帶，逐樁進(jìn)行超前鉆勘察鉆孔柱狀圖顯示，有235根樁基孔位存在大小不一的溶洞，其中絕大部分分布在白沙洲大道西側(cè)，顯示溶洞高度從0.4 m～7.0 m不等，溶洞有單層、雙層、多層，填充狀態(tài)有半填充、全填充、無填充，大部分溶洞上方有粉細(xì)砂覆蓋層，揭露厚度范圍2.6 m～14.9 m，層面埋深7.0 m～24.6 m。

2 施工特點及難點

1)施工初期未對巖溶地質(zhì)樁位處采取地基預(yù)注漿措施。

2)粉細(xì)砂層在遇到溶洞快速漏漿時極易造成塌孔。因孔內(nèi)漿面下降，泥漿靜水壓力不再有效緩解孔邊的剪切應(yīng)力，粉細(xì)砂層土體易發(fā)生剪切破壞，造成上部松散層塌孔[1]。在砂性土及粉砂性土層較厚的地區(qū)必須采取防止地層液化、縮孔、孔壁坍塌的有效措施[2]。

3)施工區(qū)域地上架空高壓線，地下管線密布。需遷改的地下管線有電信，移動，軍纜，交管，燃?xì)?，自來水，雨污水?0 kV電纜，220 kV，110 kV電纜拖管。

4)對施工區(qū)域內(nèi)臨近已有高架橋梁基礎(chǔ)的鉆孔施工需采取一定的防護(hù)措施，確保已有橋梁安全。

3 施工過程中出現(xiàn)的問題及處理措施

3.1 沖擊鉆施工、回填復(fù)打

立交區(qū)域H匝道樁基先期施工，采用沖擊鉆成孔。巖溶地區(qū)鉆孔樁宜采用沖擊鉆機鉆孔[3]。根據(jù)施工方案配備了片石、袋裝水泥和黏土。采取正常成孔方法施工，并將超前鉆地質(zhì)柱狀圖發(fā)給每一位鉆機班組長，對鉆孔隊伍進(jìn)行安全技術(shù)交底，使其熟悉鉆孔地質(zhì)情況，在接近溶洞1 m左右時降低鉆進(jìn)速度，小沖程(0.5 m～1.0 m)慢鉆進(jìn)，緩慢將溶洞頂擊穿[3]，以期漏漿速率減緩。提高泥漿比重、粘度，密切注意護(hù)筒內(nèi)泥漿液面的變化，泥漿液面下降應(yīng)迅速補漿補水，如果仍不能使孔內(nèi)液面回升，則應(yīng)立即提起鉆頭，向孔內(nèi)回填黏土、片石，水泥，穩(wěn)定后再利用鉆頭沖擊將水泥、片石和黏土擠入溶洞和巖溶裂隙中，以增大孔壁的自穩(wěn)能力。H匝道初期進(jìn)場6臺沖擊鉆，鉆機班組人員均為鉆機機主，鉆孔是他們的專業(yè)工作，實際操作技能強，確保成孔成樁關(guān)系到他們的切身利益。測量放樣進(jìn)行護(hù)筒埋設(shè)、鉆機就位，泥漿循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置，造漿、試鉆、鉆進(jìn)、造漿、鉆進(jìn)至成孔。隨鉆進(jìn)深度的增加泥漿比重由1.3升至接近溶洞附近的1.4。實際施工過程中在鉆孔深度達(dá)到溶洞范圍時每個孔位均出現(xiàn)多次漏漿，漏漿速度有慢有快，以快速漏漿為主，10 min內(nèi)孔內(nèi)泥漿液面下降高度達(dá)6 m～12 m。發(fā)現(xiàn)漏漿第一時間向孔內(nèi)補水補泥漿，提鉆頭，鉆頭提起來后用挖機向孔內(nèi)投入片石、黏土和水泥，回填至原泥漿面高度后再重新沖擊。平均每孔成孔前漏漿回填再沖孔次數(shù)達(dá)6次～8次之多，每孔都有情況不一的漏斗形塌孔現(xiàn)象，最嚴(yán)重為有粉細(xì)砂覆蓋層的H6-1樁孔在接近成孔時一次性快速漏漿約12 m(見圖2)。補水、補泥漿，提鉆頭過程中伴隨塌孔，塌孔發(fā)展迅速，鉆頭剛提出地面，塌孔也發(fā)展到地面，在地面形成一個直徑達(dá)8 m的塌陷區(qū)，鋼護(hù)筒、水泵掉入孔內(nèi)，鉆機用挖機摞開得以保住(見圖3)。此種不對地基進(jìn)行預(yù)注漿加固處理，光靠回填復(fù)打的施工方式有三個明顯弊端：1)成孔周期長，效率低下，即使是熟練的工人也是如此,H匝道樁徑1.2 m，1.6 m，樁長30 m～50 m，平均施工周期1臺鉆機1個月成孔1個。2)嚴(yán)重塌孔的樁位不采取有效措施將無法成孔。3)施工安全風(fēng)險大，有埋鉆頭、掉鉆機和施工人員的安全隱患。

3.2 地基預(yù)注漿處理

在施工安全和施工周期控制上必須對地基進(jìn)行預(yù)注漿處理，或者鋼護(hù)筒跟進(jìn)。通過比較選擇了對地基進(jìn)行預(yù)注漿處理，處理后使用旋挖鉆、沖擊鉆施工。對超前鉆發(fā)現(xiàn)有溶洞的235根樁基孔位全部(已成樁除外)進(jìn)行注漿處理，根據(jù)注漿方案每樁緣樁邊均勻布設(shè)3個注漿孔，注漿引孔深度為設(shè)計變更樁長樁基底部。注漿順序從外向內(nèi)進(jìn)行，加壓注漿前對注漿孔用水泥砂漿進(jìn)行封孔，封孔深度3 m,多層溶洞從下層向上層進(jìn)行注漿。注漿過程出現(xiàn)以下情況，還應(yīng)采用間歇反復(fù)注漿：1)注漿孔自流注漿2 m3后孔底沒有明顯抬升；2)漿液漏失嚴(yán)重，一次性連續(xù)注漿2 m3后注漿速率不減或壓力不升高；3)注漿壓力突然降低或速率突然升高；4)當(dāng)流量較大時液面可以上升至孔口，但停止注漿液面又迅速下降且下降速率較大，反復(fù)注漿幾次漿面沒有抬升；5)注漿環(huán)境發(fā)現(xiàn)異常情況。現(xiàn)場注漿采用漿液為純水泥漿，不加水玻璃一類的速凝劑，純水泥漿凝結(jié)時間長有利于填充溶洞、地層空隙及固結(jié)砂層。為盡快形成強度和地基固結(jié)采用P.O42.5水泥，水泥漿配合比：水∶水泥=1.0∶1.0,現(xiàn)場注漿機電腦顯示注漿速度5 L/min～72 L/min，注漿壓力0.1 MPa～0.7 MPa。注漿作業(yè)完成14 d 待注漿體達(dá)到設(shè)計強度的80%后上旋挖鉆、沖擊鉆開孔鉆進(jìn)。

3.3 旋挖鉆施工

部分不受架空高壓線影響、地質(zhì)情況較好摩擦樁樁位采用SR360R-C10型旋挖鉆施工，采用6 m長鋼護(hù)筒，對樁位地基位置換填0.5 m厚毛渣，履帶范圍內(nèi)滿鋪3 cm 厚鋼板，確保旋挖鉆機站位安全。埋設(shè)好護(hù)筒，鉆機就位，做好泥漿循環(huán)系統(tǒng)后開始鉆進(jìn)，泥漿比重控制：在一般地層采用1.1～1.25；在松散易塌的軟土地層采用1.3～1.4。旋挖鉆施工速度有明顯優(yōu)勢，平均一臺鉆機12 h成孔一個。成孔后清孔和下鋼筋籠到灌注混凝土需盡快完成，以免成孔垮塌，經(jīng)旋挖鉆施工的150根樁基僅有1根樁(H7-1)在下鋼筋籠的過程中塌孔，其余均順利成樁。

3.4 沖擊鉆施工

因場地限制不能上旋挖鉆機，樁位處溶洞較大，地質(zhì)情況較差的位置還是由沖擊鉆來完成成孔作業(yè)。經(jīng)注漿作業(yè)后，沖擊鉆成孔速度、成孔率都有明顯提升，漏漿次數(shù)明顯減少，成孔速度提升至7 d～14 d。如上述嚴(yán)重跨孔的H6-1樁基經(jīng)回填注漿作業(yè)后仍用沖擊鉆鉆孔經(jīng)12 d成孔，但仍有極少數(shù)樁位出現(xiàn)漏漿塌孔、掉護(hù)筒、掉鉆頭、埋鉆頭、鉆機傾倒的事故。如H1-1由于原樁位塌孔掉護(hù)筒、掉鉆頭無法成孔，H1號墩由原設(shè)計2根樁改4根樁；F3-1漏漿塌孔鉆機傾倒，經(jīng)回填混凝土，多次注漿后仍然不能成孔，F(xiàn)3號墩由原設(shè)計2根樁改4根樁。

3.5 管線探挖處樁基施工

施工區(qū)域地下管線部分走向與深度不能明確需采取人工探挖方式逐樁試探。此處施工尤為復(fù)雜，需由人工將整個承臺和樁基范圍的地下管線探明后才能進(jìn)行超前鉆探樁基處地質(zhì)情況。其中220 kV,110 kV高壓電力管群電纜拖管探挖深度達(dá)到8 m，需采用鋼護(hù)筒防護(hù)下挖。探出220 kV,110 kV電纜拖管與樁位沖突處直接更改設(shè)計樁位：如A4-A8,C0,G9,F8,D0,Z12。經(jīng)超前鉆顯示有溶洞的樁基部位再進(jìn)行注漿處理，注漿處理完后上沖擊鉆。由于人工探挖已經(jīng)將原地面地層結(jié)構(gòu)破壞，埋設(shè)護(hù)筒時需將周圍地面回填夯實，探挖防護(hù)的鋼護(hù)筒拔出后回填壓實，重新埋設(shè)的護(hù)筒長度僅1 m～2 m，遠(yuǎn)小于人工探挖防護(hù)的鋼護(hù)筒長度6 m～8 m，且探挖孔回填壓實不緊密，在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)漏漿地面塌陷而使鉆機失穩(wěn)傾倒，如Z12-1。

3.6 下放鋼筋籠和灌注水下混凝土

成孔后第一次清孔下放鋼筋籠，下放鋼筋籠后第二次清孔，滿足要求后灌注水下混凝土。這些工序需連貫緊湊進(jìn)行，不得耽誤。旋挖鉆成孔速度快，有部分縮頸現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼筋籠不能下放到位，需提起鋼筋籠后復(fù)鉆。灌注水下混凝土需一氣呵成，盡量減少中途停頓時間，導(dǎo)管埋深可適當(dāng)增加，以防溶洞壁被擠穿時混凝土流入溶洞還有足夠的導(dǎo)管埋深。本工程發(fā)生一例非常奇特的案例：A匝道中的A20號墩設(shè)計共4根1.2 m直徑樁基，設(shè)計樁長均為41.4 m。其中A20-4成樁順利，與其相鄰的A20-2樁在混凝土澆筑即將完成時發(fā)生塌陷，整根樁跟隨地面一起塌陷，在地面形成一個直徑約15 m，深度約4 m的大坑(見圖4)?，F(xiàn)場采取的應(yīng)急措施為立即回填混凝土和碎石，控制住形勢發(fā)展(見圖5)。分析認(rèn)為樁基塌孔主要原因是灌注的混凝土壓力引起勘察、注漿均未發(fā)現(xiàn)的溶洞破壁，混凝土和粉砂流失，導(dǎo)致地面坍塌。根據(jù)施工勘察資料，認(rèn)為持力層基巖厚度滿足要求。參照某100 m高層住宅對溶巖地質(zhì)超長地下室基礎(chǔ)進(jìn)行溶洞處理的設(shè)計要求：樁側(cè)溶洞應(yīng)進(jìn)行預(yù)灌漿處理；樁端下部3.5D～10 m范圍內(nèi)的溶洞也應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓灌漿處理；若樁端以下10 m范圍內(nèi)巖層分布連續(xù)、緊密穩(wěn)定，則超出該范圍的溶洞，可不予處理[4]。A20-2樁回填混凝土和碎石后續(xù)放置4個月經(jīng)3次擴(kuò)大范圍和深度的注漿處理，上沖擊鉆后歷經(jīng)14 d順利成孔成樁。

4 施工經(jīng)驗總結(jié)

1)旋挖鉆在巖溶地質(zhì)施工前地基需經(jīng)預(yù)注漿處理，為確保旋挖鉆機安全，所鉆孔位全部經(jīng)2次注漿處理，所處地基需壓實緊密，滿鋪鋼板，確保鉆機安全穩(wěn)定，旋挖鉆鋼護(hù)筒長度采用6 m效果比較好。

2)沖擊鉆施工在預(yù)注漿處理后雖有漏漿但不會有沒預(yù)注漿那么嚴(yán)重，從施工實際情況來看，沒有預(yù)注漿時直接沖擊鉆施工、回填復(fù)打效果都不理想，漏漿時補水、補泥漿根本趕不上漏漿速率，提鉆頭到用挖機回填片石、黃土、水泥需要多人配合作業(yè)，需要一定的時間，與現(xiàn)場人員施工經(jīng)驗、熟練程度有很大關(guān)系,等向孔內(nèi)回填時漏漿孔內(nèi)基本已經(jīng)有塌孔現(xiàn)象發(fā)生。沖擊鉆施工埋設(shè)的鋼護(hù)筒長度不能和一般地層施工時的1 m～2 m長度一樣，需加長至4 m～6 m，鋼護(hù)筒越長，漏漿時塌孔的風(fēng)險越小。地表土質(zhì)松散且含有流變性砂層樁基采用長鋼護(hù)筒，有效預(yù)防樁基上部砂層及孔口坍塌[5]。鉆機坐落的地基需堅固牢實，鉆機的平面支撐面積需加大，最大限度的防止鉆機傾倒事故。鉆頭上端應(yīng)設(shè)打撈裝置，掉鉆后便于打撈，巖溶地質(zhì)塌孔隨時有可能發(fā)生，派潛水員打撈鉆頭幾乎不可能。

3)預(yù)注漿效果需在施工中隨時觀察總結(jié)，如注漿效果不理想，則應(yīng)增加注漿孔，增加注漿范圍和次數(shù)。尤其是有粉細(xì)砂覆蓋層的地層應(yīng)作為注漿重點，增加注漿壓力和停留時間。如D3，D4兩個墩位的4根樁經(jīng)3次整體回填放置數(shù)月，先后4次增加注漿孔，累計注漿4次，最后才成樁。

4)人工探挖區(qū)域利用人工探挖防護(hù)的鋼護(hù)筒直接作為鉆孔護(hù)筒，護(hù)筒周圍地面應(yīng)回填壓實緊密，回填低標(biāo)號素混凝土效果最好。

5)在巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行橋梁鉆孔樁施工時，首先應(yīng)該進(jìn)行全面而細(xì)致的地質(zhì)調(diào)查，對巖溶的發(fā)育情況進(jìn)行充分了解，然后結(jié)合工程實際制定出科學(xué)的施工方案，來切實做好溶洞的處理工作[6]。施工過程中如果發(fā)現(xiàn)任何異常問題，應(yīng)該結(jié)合工程經(jīng)驗及具體狀態(tài)，采用積極的措施來加以處理，從根本上保證橋梁樁基工程的施工質(zhì)量[6]。如2009年—2011年在同一地點武漢白沙洲修建的武漢白沙洲大道高架橋，就分別采用了注漿和鋼護(hù)筒全程跟進(jìn)的溶洞處理措施[7]。業(yè)主、勘察、設(shè)計和施工單位及時溝通，總結(jié)前期施工經(jīng)驗和教訓(xùn)，優(yōu)化設(shè)計和施工方案在處理此類復(fù)雜工程基礎(chǔ)問題尤顯重要，可最大程度地實現(xiàn)成本和安全可靠的雙贏局面[4]。

5 結(jié)語

巖溶地質(zhì)鉆孔樁施工有著成熟的經(jīng)驗，但正常施工出現(xiàn)異常情況的就必須采取有效措施，根據(jù)現(xiàn)場實際情況具體采用哪種處理措施參建各方統(tǒng)一意見后付諸實施。本工程采用地基預(yù)注漿處理后使用旋挖鉆和沖擊鉆配合施工是符合現(xiàn)場實際情況的，也是相對經(jīng)濟(jì)合理的施工方法。