強(qiáng)透水性砂層大直徑深長(zhǎng)樁塌孔處理技術(shù)

楊 超,王曉龍,陳忠鋒,余洋林,趙俊杰,榮學(xué)文

(1.陜西建工集團(tuán)股份有限公司,陜西 西安 710016;2.西安市軌道交通集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710008;3.陜西正誠(chéng)路橋工程研究院有限公司,陜西 西安 710086)

1 引 言

樁基施工是橋梁整體施工的首要環(huán)節(jié),樁基施工現(xiàn)階段隨設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的不斷提升,樁基也呈現(xiàn)出向深長(zhǎng)、大直徑、位處復(fù)雜軟弱地質(zhì)環(huán)境的發(fā)展趨勢(shì)。所以當(dāng)樁基出現(xiàn)塌孔問(wèn)題時(shí),相應(yīng)施工處理也愈加復(fù)雜和困難。李世平[1]介紹蓮陽(yáng)河特大橋主墩24#墩樁基下放鋼筋籠后發(fā)生塌孔事故,采取在樁孔內(nèi)投入花崗巖,再使用沖擊鉆沖碎孔內(nèi)鋼筋籠的處理方法;林劍鋒[2]就福建沿海地區(qū)軟弱地基鉆孔灌注樁塌孔預(yù)防及處理技術(shù)進(jìn)行了敘述,主要有扁擔(dān)樁、回填法、地基改造、優(yōu)化施工工藝等方法;趙時(shí)舉[3]采取回填土夾石后二次成孔技術(shù)處理高填方區(qū)旋挖鉆孔灌注樁塌孔實(shí)踐,取得了良好的效果;付飛[4]根據(jù)施工所處特殊環(huán)境及要求采用了取消泥漿池—淤泥再利用、取消鋼護(hù)筒—注水壓力平衡、聚丙烯酰胺+硫酸鹽施工技術(shù)有效防止了樁基塌孔;劉保成[5]對(duì)九龍河特大橋鉆孔灌注樁塌孔原因進(jìn)行詳細(xì)分析與介紹了應(yīng)對(duì)措施:采取限制周邊振動(dòng)作業(yè)工序、增加護(hù)筒長(zhǎng)度、增加泥漿相對(duì)密度、采用緩壓慢提方式降低鉆速、縮短工序時(shí)間等,有效制止了塌孔事件的發(fā)生;樊立志[6]結(jié)合安九鐵路橋梁鉆孔樁施工,常規(guī)方法不能有效制止鉆孔樁塌孔的問(wèn)題,探索了采用低標(biāo)號(hào)素混凝土回填作為護(hù)壁的方法,取得了良好的應(yīng)用效果;薛碧松[7]主要采用防塌孔裝置解決復(fù)雜地質(zhì)條件下旋挖樁成孔后的塌孔問(wèn)題;楊燕中、許兆勇、張玉廣等[8～12]以實(shí)際工程為依托,展示了高壓旋噴樁在軟土、巖溶空洞、潮汐水流影響等軟弱地基加固中的應(yīng)用技術(shù)。結(jié)合我國(guó)西北渭河流域公軌合建渭河特大橋9#墩樁基在鋼筋籠下放完畢混凝土澆筑前出現(xiàn)樁位塌孔、2#墩樁基成孔下放鋼筋籠將要完成時(shí)塌孔等工程實(shí)例,分析事故原因,積極采取措施,針對(duì)性?xún)?yōu)選處理方案與施工技術(shù),確保施工質(zhì)量。

2 工程概況

渭河特大橋全長(zhǎng)1 412 m,九跨一聯(lián),采(124+132+132+168+300+168+132+132+124)m連續(xù)鋼桁梁,樁基數(shù)量202根,樁徑2 m,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)68～85 m,為摩擦型樁,均采用反循環(huán)鉆孔樁施工工藝。因Ⅳ級(jí)通航要求,承臺(tái)樁基埋置為深泓線(xiàn)以下。2#與9#墩塌孔樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為75 m,鉆孔深度為90 m左右,涉及地層為強(qiáng)透水性中砂層,且水位較高。樁基施工范圍相應(yīng)巖土層分布情況如表1所示。

表1 樁基施工場(chǎng)地巖土層綜合描述表

3 樁基塌孔事故原因分析

3.1 鋼護(hù)筒長(zhǎng)度影響

初步設(shè)計(jì)每根樁采用鋼護(hù)筒長(zhǎng)度為4 m,施工圖紙2#與9#墩護(hù)筒長(zhǎng)度分別為31.8 m、31 m,在承臺(tái)下20 m,實(shí)際施工根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況(無(wú)法打入)及試樁經(jīng)驗(yàn),護(hù)筒采用6～8 m。塌孔后經(jīng)超聲檢測(cè),塌孔范圍為10～30 m。分析鋼護(hù)筒長(zhǎng)度不足為塌孔主要原因。

3.2 地質(zhì)條件影響

涉及地層為強(qiáng)透水性飽和中砂層,2#與9#墩分別位于渭河河道南北側(cè),9#墩地下水流動(dòng)較為活躍,在鉆進(jìn)過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)有護(hù)坡石籠、磚渣等建筑垃圾,地質(zhì)條件復(fù)雜,對(duì)樁基施工影響較大。

3.3 鉆孔垂直度影響

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650—2020)中規(guī)定,鉆孔傾斜度≤1%,且小于50 mm[13]。實(shí)際鉆孔中經(jīng)檢測(cè),基本在規(guī)范允許范圍內(nèi)。但2#墩樁基鉆進(jìn)過(guò)程中局部遇到黏土層,反循環(huán)鉆機(jī)工藝控制垂直度難度增大,2#墩問(wèn)題樁偏位達(dá)400 mm,下放鋼筋籠時(shí)孔壁容易受到擠壓、碰撞,從而破壞孔壁穩(wěn)定性造成坍孔。

3.4 泥漿指標(biāo)影響

現(xiàn)場(chǎng)泥漿相對(duì)密度一般控制在1.07～1.15,《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650—2020)中規(guī)定,反循環(huán)泥漿相對(duì)密度易塌地層控制在1.06～1.1[13]。實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中,遇到不穩(wěn)定地層時(shí),在規(guī)范上限的基礎(chǔ)上還應(yīng)適當(dāng)增加泥漿相對(duì)密度與膠體率,降低含砂率。

3.5 泥漿池設(shè)置的影響

現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小,設(shè)置泥漿池較小,泥漿流入鉆孔孔口的行程過(guò)短,使泥漿內(nèi)裹挾泥砂不能充分沉淀,存在攜砂劣質(zhì)泥漿重新進(jìn)入孔內(nèi)現(xiàn)象。

3.6 成孔后下放鋼筋籠時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

施工組織不合理,鋼筋籠9 m一節(jié)分節(jié)段運(yùn)輸安裝,鋼筋籠安裝下放時(shí)間平均為12 h左右,且有時(shí)不能形成連續(xù)流水作業(yè)。導(dǎo)致孔內(nèi)靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng),孔內(nèi)泥漿沉淀,導(dǎo)致孔壁穩(wěn)定性差。

4 塌孔事故處理難點(diǎn)

(1)9#墩問(wèn)題樁測(cè)繩測(cè)量后顯示孔壁坍塌位置處于20 m深處,鋼筋籠提出過(guò)程中引起二次坍塌,導(dǎo)致無(wú)法提出。

問(wèn)題樁均要求在原設(shè)計(jì)位置成樁,不允許使用扁擔(dān)樁進(jìn)行樁基替換。

(3)鋼筋籠鋼筋直徑較大且部分采取并筋設(shè)計(jì),鋼筋密集,加勁環(huán)與三角撐設(shè)置較多,洗孔困難,機(jī)械沖擊鋼筋籠難度大。

5 塌孔樁處理技術(shù)

5.1 橋梁2#墩無(wú)鋼筋籠塌孔樁處理技術(shù)

塌孔事故發(fā)生后,對(duì)孔內(nèi)存在的鋼筋籠,立即組織多臺(tái)大噸位吊車(chē)在樁位周邊空地均勻布點(diǎn)站位,每臺(tái)吊車(chē)懸掛相同長(zhǎng)度的鋼絲繩或鋼絞線(xiàn),在鋼筋籠并筋位置焊接U型環(huán),U型環(huán)采用20 mm圓鋼制作,與主筋雙面焊接,焊縫長(zhǎng)度20 cm。各車(chē)同時(shí)起吊,將鋼筋籠從孔內(nèi)拔出。

鋼筋籠拔出后,孔位先用質(zhì)量比為1∶10的水泥黏土混合物回填,混合物拌和均勻,靜置半月以上沉淀穩(wěn)定后重新鉆進(jìn)成孔。注意塌孔孔位應(yīng)待同一承臺(tái)下其他孔位樁基施工完畢后再進(jìn)行施工。

5.2 橋梁9#墩有鋼筋籠塌孔樁處理技術(shù)

有別于2#墩塌孔樁處理,9#墩塌孔位置較深,鋼筋籠無(wú)法拔出。處理步驟如下。

(1)采用質(zhì)量比為1∶10的水泥黏土混合物回填塌孔孔位,同時(shí)排除周?chē)e水,整平地面。回填后靜置半個(gè)月以上,待沉淀穩(wěn)定后,拔出已偏位的鋼護(hù)筒,施工放樣后重新打設(shè)長(zhǎng)12 m的鋼護(hù)筒,護(hù)筒周邊用黏土回填密實(shí)。

(2)選用反循環(huán)邯工350鉆機(jī)配置小口徑鉆頭在鋼筋籠內(nèi)進(jìn)行重新鉆進(jìn),同時(shí)在鉆頭上部桿件上焊接直徑32 mm的鋼絲繩,鋼絲繩端部設(shè)置收緊與錨固裝置,鋼絲繩沿鉆桿方向1 m長(zhǎng)度內(nèi)交錯(cuò)布置,間距為200 mm,形成直徑1.88 m的“鋼絲刷”鉆頭。由于“鋼絲刷”的鋼絲繩具有彈性和韌性,可以穿過(guò)鋼筋籠內(nèi)部的三角撐鋼筋,增加洗孔效果。

(3)泥漿采用膨潤(rùn)土、火堿以及纖維素混合而制。初次造漿時(shí)間2.5 h以上,回流至孔口的泥漿要求相對(duì)密度≥1.25,黏度25～30 Pa·s,含砂率<2%,膠體率≥95%,并且要保證孔內(nèi)泥漿水頭高度及其穩(wěn)定性。

(4)一次洗孔:一次洗孔的目的主要是清除孔內(nèi)中心砂土,開(kāi)孔時(shí)輕壓慢轉(zhuǎn),鉆進(jìn)速度控制在2 m/h。鉆進(jìn)中保持鉆機(jī)穩(wěn)定,位置準(zhǔn)確,泥漿黏度提升至30 Pa·s。洗孔至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高后,再向下鉆進(jìn)1.5 m,以使鋼筋籠底部脫空,同時(shí)避免孔內(nèi)沉渣過(guò)厚埋住鋼筋籠。如圖1所示。

圖1 一次洗孔

(5)二次洗孔:二次洗孔的目的主要是清除樁周泥沙,保證樁基混凝土保護(hù)層厚度。采用大功率水泵進(jìn)行正循環(huán)工藝清孔。一次洗孔完成后緩慢提卸鉆桿,在鉆桿底部焊接鋼制導(dǎo)流槽,隨著鉆桿逐步下放,從鉆桿泵入優(yōu)質(zhì)泥漿,逐步加大泵入壓力,通過(guò)導(dǎo)流鋼板槽沖洗樁周保護(hù)層位置的鉆渣與泥砂。每下一節(jié)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)清洗一次,每次持續(xù)時(shí)間15 min,以回流至沉淀池的泥漿含砂率大小作為洗孔完畢的依據(jù)。如圖2所示。

圖2 二次洗孔

(6)灌注混凝土或拔出鋼筋籠:二次洗孔后,用超聲波成孔探測(cè)儀配合測(cè)繩進(jìn)行成孔質(zhì)量檢測(cè),若孔徑、孔型、孔深、沉渣厚度等均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,則按照正常樁基施工工藝灌注水下混凝土。若清孔效果不理想,則對(duì)特定部位進(jìn)行多次沖洗,仍不能滿(mǎn)足要求的,按上述描述拔出鋼筋籠、樁基施工與加固作業(yè)。

(7)按照上述措施作業(yè)后,9#墩塌孔樁洗孔后達(dá)不到正常灌注條件,且鋼筋籠不能拔出,采用C20混凝土灌注塌孔樁,3 d后用沖擊鉆+泥漿護(hù)壁方式?jīng)_擊成孔,重新鉆孔成樁。沖擊鉆使用8.62 t重的沖錘,直徑2 200 mm,沖錘提起高度為2 m,頻次2次/min,每次沖擊完成2 m進(jìn)行垂直度校檢工作,垂直度校檢以勤糾微糾為原則。沖擊鉆可以直接沖碎鋼筋籠,隨著鋼筋碎塊增多,沖擊鉆無(wú)法繼續(xù)進(jìn)尺時(shí),在樁孔內(nèi)吊放電磁鐵吸出鋼筋碎塊,電磁鐵直徑1 800 mm,工作電壓220 V。如此操作循環(huán),直至達(dá)到孔底標(biāo)高,成孔質(zhì)量經(jīng)過(guò)檢測(cè)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后,正常進(jìn)行后續(xù)的樁基施工作業(yè)。

5.3 樁間土加固處理技術(shù)

同一承臺(tái)下最后一根樁基齡期達(dá)到28 d且經(jīng)過(guò)檢測(cè)合格后,用高壓旋噴樁對(duì)塌孔范圍內(nèi)的樁間土進(jìn)行加固,旋噴樁直徑600 mm,間距900 mm,水泥漿液水灰比為1∶1,注漿壓力≥25 MPa。不同養(yǎng)護(hù)條件下,高壓旋噴固結(jié)體28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥2.5 MPa[8]。整體流程如圖3所示。

圖3 塌孔樁處理流程圖

6 施工保障措施

(1)拔鋼筋籠時(shí),井口承受荷載較大,吊車(chē)站位地基應(yīng)平整堅(jiān)實(shí),起吊時(shí)由司索工統(tǒng)一指揮,同步起吊,勻速加力,以緩慢均勻拔出為宜。

(2)護(hù)筒埋入深度盡量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求:“延伸至承臺(tái)下20 m”。若鋼護(hù)筒確實(shí)插打困難,采用邊鉆進(jìn)邊下放鋼護(hù)筒的方法進(jìn)行跟進(jìn)。

(3)在鉆進(jìn)過(guò)程中,孔內(nèi)水位高于地下水位1.5～2.0 m,停止鉆進(jìn)后,應(yīng)及時(shí)向鉆孔內(nèi)補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)泥漿,保證護(hù)筒內(nèi)泥漿水頭高度,形成較高的靜水壓力以維持孔壁穩(wěn)定性。在易坍孔或上下交界面地層時(shí)低壓慢速鉆進(jìn),同時(shí)提高孔內(nèi)水頭,加大泥漿相對(duì)密度。

(4)持續(xù)調(diào)整優(yōu)化泥漿配置,增大泥漿相對(duì)密度、黏度,含砂率、膠體率應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及工藝要求。泥漿池與沉淀池分開(kāi)設(shè)置,增大泥漿回流路徑,使得鉆渣得以充分沉淀并及時(shí)清理沉淀池內(nèi)鉆渣。泥漿配置和管理設(shè)專(zhuān)人負(fù)責(zé),做好泥漿各項(xiàng)指標(biāo)控制,保持泥漿性能穩(wěn)定。

(5)盡量縮短鋼筋籠連接及下放安裝作業(yè)時(shí)間,連續(xù)灌注混凝土成樁,確保良好的成孔條件。

7 結(jié) 語(yǔ)

(1)泥漿性能與孔內(nèi)水頭壓力對(duì)強(qiáng)透水性砂層地質(zhì)鉆孔樁施工時(shí)的孔壁穩(wěn)定性尤為重要。在本次塌孔樁處理過(guò)程中,泥漿性能要普遍高于規(guī)范要求上限:泥漿相對(duì)密度≥1.25,黏度25～30 Pa·s,含砂率<2%,膠體率≥95%。

(2)對(duì)于塌孔內(nèi)無(wú)鋼筋籠的樁位采用質(zhì)量比為1∶10的水泥黏土混合物回填以穩(wěn)定孔內(nèi)環(huán)境、阻止孔壁持續(xù)坍塌,并為后續(xù)沉淀穩(wěn)定后重新開(kāi)鉆施工創(chuàng)造良好條件。

(3)對(duì)于塌孔內(nèi)仍有鋼筋籠的樁位采用小口徑鉆頭鉆進(jìn)并進(jìn)行洗孔,拔籠后再成樁。鋼筋籠確難拔出的,往鉆孔內(nèi)灌注C20混凝土后,采用沖擊鉆+泥漿護(hù)壁重新成孔。

(4)塌孔樁處理完成后,用高壓旋噴樁施工方法對(duì)塌孔范圍內(nèi)的樁間土進(jìn)行加固,水泥漿液水灰比為1∶1,以提高地基承載性能。

(5)該施工技術(shù)有助于塌孔問(wèn)題防治,縮短處理工期,有效保證樁基施工質(zhì)量。