極復雜地質高鐵橋梁樁基試驗樁試驗研究

戴煥民，馮景武，劉 慶，聶海巖

（1.中鐵六局集團天津鐵路建設有限公司，天津 300143；2.皖贛鐵路（安徽）公司，安徽 合肥 230011）

橋梁工程一直是土建工程中重點和難點之一，在施工中，鉆孔灌注樁是常見的一種橋梁樁基施工方式。其原理是在樁位上對地面進行鉆孔，然后在鉆好的孔中放入鋼筋籠，將混凝土漿灌注其中，形成具有很高承載力和穩定性的一根灌注樁。鉆孔灌注樁的施工工藝有大量工程實踐和許多專家學者做了大量研究。龔曉南[1]對鉆孔灌注樁的設計與施工做了全面的介紹；朱志仁[2]對巖溶區嵌巖樁頂板安全厚度的計算做過非常全面的研究；于澤泉[3]通過理論分析與試驗研究，討論了巖溶區嵌巖樁基的豎向承載力問題；歐陽柱[4]對巖溶地區鉆孔灌注樁的施工技術做了較為深入的研究；彭文川等[5]依托深門特大橋工程實例，詳細介紹了海中斜巖條件下深水大孔徑嵌巖樁施工關鍵技術。但是，對于同時具有富含地下流動水、粗顆粒超長卵石較厚層、斜巖和蜂窩集群式溶洞等復雜地質的橋梁鉆孔灌注樁施工技術的工程實踐和研究較為少見。

一、工程概述

新建宣城至績溪高速鐵路等級為時速350km 雙線鐵路，線間距5.0m。其中XJZQ-1 標段位于宣州區、寧國市境內，線路長度共計28.438km，線路起點DK58+951.08，由宣城站引出至標段終點DK90+128.15，其中橋梁8 座，長度19.225km，占標段全長的67.6%。

XJZQ-1 標段有五座特大橋位于復雜地質區域（圖1），長度共計16.18km。根據地勘資料統計，位于復雜地質區域鉆孔樁共計4185 根。

橋址區地表水主要為河流水、水塘水、稻田水和大氣降水。地下水主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。五座特大橋沿水陽江行進或跨越，孔隙水水量豐富，略有承壓性，含水層為粉土、粉砂、細砂、中砂、細砂卵礫石土層等，受大氣降水和地表徑流補給，富水性好；基巖裂隙水主要賦存于三疊系灰巖中，富水性好；巖溶發育，補給儲存條件好，巖溶水十分豐富。五座特大橋的工程地質和施工難點見表1，針對鉆孔成孔效果差或難以成孔的問題，開展試驗樁試驗研究，尋找合適的鉆孔施工工藝。

表1 五座特大橋的工程地質和施工難點

二、試驗樁試驗研究

針對富含地下流動水、粗顆粒超長卵石層、斜巖和蜂窩集群式溶洞等復雜地質鉆孔困難、容易塌孔的問題，通過不同鉆孔施工方法和施工工藝，主要采用“旋挖鉆+泥漿護壁”、“旋挖鉆+裝配式護筒跟進”、“沖擊鉆+泥漿護壁”、“旋挖鉆+普通長護筒”、“素混凝土回填”和“注漿固化”等多種鉆孔樁施工工藝。通過對施工難易程度、成孔效果、鉆孔效率和成樁質量等的比選，尋求適合本工點的鉆孔機械、鉆孔工藝和鉆孔經驗。

1.旋挖鉆+泥漿護壁

在XJZQ-1 標邵村特大橋31#墩附近進行“旋挖鉆+泥漿護壁”鉆孔樁工藝性試樁研究，試驗樁處的地質分布情況見表2。

表2 試樁位置實際地質分布情況

試驗中采用徐工XR360 旋挖鉆機加泥漿護壁成孔工藝，使用12m 鋼護筒，泥漿比重1.2，含砂率3%，pH 值＞6.7。鉆進施工中，多次出現小范圍塌孔，鉆進至43.8m 時，塌孔嚴重，孔口下沉，護筒傾斜，出現卡鉆情況。然后在32#墩附近進行第二次試驗，依然采用12m 鋼護筒，徐工XR360 旋挖鉆機加泥漿護壁成孔工藝，鉆進過程中不斷增大泥漿比重至1.37，穿過砂卵石或圓礫土層，但入巖后進尺困難，振動較大，嵌巖聲音嘈雜，鉆進至39m 時，護筒一側整體塌陷，護筒傾斜。“旋挖鉆+泥漿護壁”工藝試驗樁完成情況見表3。

表3 “旋挖鉆+泥漿護壁”工藝試驗樁完成情況

從表3 可以看出，采用“旋挖鉆+泥漿護壁”工藝施工的鉆孔樁共計43.8m（1 根），成樁率為0%，說明此種施工工藝在本地區巖溶鉆孔樁施工中無法成樁。

試驗樁試驗結果表明：“旋挖鉆+泥漿護壁”鉆孔工藝不適合本工程鉆孔樁施工。

2.旋挖鉆+裝配式護筒跟進

在邵村特大橋實施“旋挖鉆+裝配式護筒跟進”鉆孔試驗樁試驗。裝配式護筒通過驅動器與鉆機連接，驅動器與鉆機動力頭連接，驅動器安裝完畢后，將第一節帶有12 顆板齒的裝配式護筒固定在驅動器上，然后旋挖鉆機行走就位，將護筒中心對準樁中心，調平轉盤后，通過轉盤提供的扭矩將護筒旋轉擠壓埋入土中[6,7]。鉆進步驟為：旋轉下壓3m 裝配式護筒→鉆機鉆進至3m 位置→加長護筒至6m，旋轉下壓→鉆機鉆進至6m 位置，如此反復，直到護筒穿過粗顆粒超長卵石層，停止護筒跟進，繼續鉆進至樁底標高。裝配式護筒施工存在以下弊端：①根據現場試驗情況，裝配式護筒最長可下放18m，超過18m 時，鋼護筒發生脫落，無法拔出；混凝土灌注完畢后，鉆機旋轉上拔過程中，護筒專用的高強螺栓發生折斷脫落，導致部分護筒掉入孔內，邵村特大橋23#墩7#樁、25#墩7#樁、39#墩2#樁均出現此現象；②在裝配式護筒施工中，混凝土灌注完畢，護筒需要旋挖鉆機旋轉上拔，上拔過程中底部板齒經常將鋼筋籠破壞，同時樁頂混凝土面下沉；③裝配式護筒安裝下放和拆除耗時較長，通常為3m/節和2m/節，下放一節需15～20min，灌注完畢后，拔出一節需20～30min，工效較低。試驗樁完成情況見表4。

表4 “旋挖鉆+裝配式護筒跟進”工藝試驗樁完成情況

從表4 看出，采用“旋挖鉆+裝配式護筒跟進”工藝施工的鉆孔樁共計769.5m（21 根），成樁率為100%，工效基本在2 天/根～4 天/根，此種施工工藝局限性較大，護筒長度超過15m 工效較低，且樁基質量不可控。

試驗樁試驗結果表明：“旋挖鉆+裝配式護筒跟進”鉆孔方案不能很好適合本工程鉆孔樁施工。

3.沖擊鉆+泥漿護壁

在楊村特大橋55#、57#墩采用“沖擊鉆+泥漿護壁”工藝做試驗樁試驗，地層從上至下分別為粉質黏土、細圓礫土、弱風化灰巖、蜂窩群式溶洞、弱風化灰巖，設計樁長38～49.5m 不等，為端承樁。試驗中采用沖擊鉆，溶洞處理采用拋填片石及黏土措施[8]。具體試驗情況如下：

（1）楊村特大橋55#墩5#樁

楊村特大橋55#墩5#樁，設計樁長45m，樁徑1m，設計溶洞1 處，高度26.3m，半充填，充填物為褐黃色流塑狀粉質黏土夾粗圓礫土，實際施工溶洞1 處，于2021 年10 月20 日開始樁基施工，期間回填溶洞23 次，復沖463 延米，2021 年12 月19 日灌注完成，共計使用片石及黏土約550m3，設計混凝土方量為36.1 m3，成孔后灌注混凝土240 m3，施工周期57d。

（2）楊村特大橋57#墩2#樁

楊村特大橋57#墩2#樁，設計樁長39m，樁徑1m，設計溶洞4 處，實際施工溶洞3 處，最大高度14m，半充填狀（充填粉質黏土），于2021 年10 月20 日開始樁基施工，期間回填溶洞17 次，復沖284.5 延米，2021 年11 月27 日灌注完成，共計使用片石及黏土約340 m3，設計混凝土方量為31.4 m3，成孔后灌注混凝土76 m3，施工周期35d。

（3）楊村特大橋57#墩5#樁

楊村特大橋57#墩5#樁，設計樁長41.5m，樁徑1m，設計溶洞1 處，實際施工溶洞2 處，最大高度12.4m，半充填，充填物為粉質黏土夾少量圓礫，于2021 年11 月28 日開始樁基施工，期間回填溶洞13次，復沖225 延米，2022 年1 月16 日灌注完成，共計使用片石及黏土約270 m3，設計混凝土方量為33.4 m3，成孔后灌注混凝土70 m3，施工周期49d。

（4）楊村特大橋55#墩7#樁

楊村特大橋55#墩7#樁，設計樁長45m，樁徑1m，設計溶洞1 處，實際施工溶洞2 處，最大高度13m，半充填，充填物為細圓礫土，于2021 年12 月25 日開始樁基施工，期間回填溶洞27 次，復沖496 延米，2022 年4 月2 日灌注完成，共計使用片石及黏土約723 m3，設計混凝土方量為35.33 m3，成孔后灌注混凝土50 m3，施工周期99d。廟上水陽江特大橋做了類似的試驗樁。鉆孔完成情況見表5。

表5 “沖擊鉆+泥漿護壁”工藝試驗樁完成情況

從表5 可以看出，采用“沖擊鉆+泥漿護壁”工藝施工的鉆孔樁共計1012 m（32 根），成樁率為100%，工效基本在8 天/根～52 天/根，采用沖擊鉆加泥漿護壁施工工藝時，因粗顆粒超長卵石或圓礫土層較厚，自穩性差，地下水豐富，極易塌孔。鉆進過程中遇溶洞后漏漿頻繁，漏漿速度快。盡管采取回填大量粘土、片石，也難以成孔，即使成孔了，泥漿比重嚴重超標，二次清孔時極其容易塌孔，效率極低。

試驗樁試驗結果表明：“沖擊鉆+泥漿護壁”鉆孔成孔難，且效率極低，不適用本工點。

4.旋挖鉆+普通長護筒

在如下幾個橋墩位進行了“旋挖鉆+普通長護筒”工藝試驗樁試驗研究[9]：

（1）楊村特大橋35#墩3#樁

楊村特大橋35#墩3#樁，設計樁長10m，樁徑1m，設計無溶洞，實際施工無溶洞，于2021 年12 月24 日開始樁基施工，鉆機鉆進至5.5m 深處時開始下入護筒，護筒穿透細圓礫土層，至灰巖層停止，后持續鉆進至成孔，2021 年12 月25 日澆筑完成，設計方量8.78 m3，實際澆筑16 m3，施工周期1 天，混凝土灌注完畢初凝前將護筒拔出。3#樁縱斷面見圖2(a)。

圖2 楊村特大橋35#墩3#樁、35#墩1#樁縱斷面

（2）楊村特大橋35#墩1#樁

楊村特大橋35#墩1#樁，設計樁長22.5m，樁徑1m，設計無溶洞，實際施工無溶洞，于2021 年12月11 日開始樁基施工，鉆機鉆進至4.6m 深處時開始下入護筒，護筒穿透細圓礫土層，至灰巖層停止，后持續鉆進至成孔，2021 年12 月12 日澆筑完成，設計方量18.81 m3，實際澆筑26 m3，施工周期1 天，護筒不拔出。1#樁縱斷面見圖2(b)。

（3）廟上水陽江特大橋58#墩3#樁

廟上水陽江特大橋58#墩3#樁，設計樁長19.5m，樁徑1m（廟上水陽江特大橋10#、11#、12#墩鉆孔樁樁徑2.0m，9#、13#墩鉆孔樁樁徑1.25m，其余墩的樁徑都是1.0m），設計無溶洞，實際施工無溶洞，于2021 年4 月14 日開始樁基施工，鉆機鉆進至5m 深處時開始下入護筒，護筒穿透細圓礫土層，至灰巖層停止，后持續鉆進至成孔，2021 年4 月19 日澆筑完成，設計方量15.3 m3，實際澆筑22 m3，施工周期5 天，混凝土灌注完畢初凝前將護筒拔出。3#樁縱斷面見圖3。“旋挖鉆+普通長護筒”工藝鉆孔施工完成情況見表6。

表6 “旋挖鉆+普通長護筒”工藝鉆孔施工完成情況

圖3 廟上水陽江特大橋58#墩3#樁縱斷面

從表6 看出，現場采用“旋挖鉆+普通長護筒”工藝施工的鉆孔樁共計17869 m（646 根），成樁率為100%，工效基本在1.5 天/根～2.5 天/根，鉆進速度相對較快，能夠成孔的工藝是旋挖鉆加普通護筒，護筒逐節焊接連接后，跟進至溶槽底部繼續鉆進至樁底標高。該工藝在施工中，有如下弊端：①如遇斜巖和較大溶洞，成孔依然困難；②現場多次試驗，采用2 臺打拔機可將15m 護筒拔出，超過15m 時，拔出困難，且護筒拔出后，混凝土面下降嚴重，影響成樁質量。

試驗樁試驗結果表明：“旋挖鉆+普通長護筒”鉆孔遇斜巖和較大溶洞，成孔依然困難，護筒超過15m時拔出困難，且護筒拔出后混凝土面下降嚴重，影響成樁質量。從試驗樁試驗研究可知，對“旋挖鉆+普通長護筒”工藝進行改進和提高，可望進一步提升鉆孔速度和成樁質量。

5.素混凝土回填

采用素混凝土回填時，一是受地下溶洞較大，混凝土方量無法控制；二是地下流動水豐富，造成混凝土稀釋流失，無法進行鉆孔樁護壁效果差；三是混凝土凝固后，旋挖鉆二次鉆進，導致混凝土突然下沉，成孔困難[10]；素混凝土回填弊端：①橋址所處地段巖溶地質復雜，施工難度大，成樁質量不可控，成樁周期長，施工功效低；②巖溶地質復雜、地下溶洞呈蜂窩狀且存在豐富的地下流動水，造成混凝土大量稀釋流失，無法判定混凝土填充用量，成本不可控，并且難以保證成樁質量。

試驗樁試驗結果表明：“素混凝土回填”工藝不適合本工點鉆孔施工。

6.注漿固化

注漿固化試驗樁鉆孔在廟上水陽江特大橋處進行，注漿固化方案如下[11]：注漿管φ50mm（t=4），注漿管出漿孔呈梅花式布置；注漿孔沿護筒周邊0.5m 左右按1.0m 間距考慮布置，深度直達護筒底部附近；漿液為水泥-水玻璃雙液漿，配合比W/C=1:0.8，控制注漿壓力0.5～1.0MPa，并持壓15min 左右，擴散半徑按0.5m 考慮，進漿量很少或不進漿或壓力達到1.0MPa 時停止注漿。實際注漿過程中壓力較小時進漿量就源源不斷，說明擴散半徑未達預期范圍，表7 列出了試驗樁鉆孔情況。

表7 “注漿固化”工藝鉆孔施工完成情況

從表6 看出，由于粗顆粒超長砂卵礫石土層厚度很大，地下水有流動性，導致注漿固化工藝無法達到預期深度，現場注漿管深度普遍在8～12m，最大值約14m 左右，即達不到長護筒的底部附近，而且注漿時擴散范圍存在不確定性，無法按預期擴散范圍進行固化，注漿后還會再次塌孔，注漿固化效果不理想，施工工效基本在1 天/根～2 天/根。

試驗樁試驗結果表明：“注漿固化”工藝也不適合本工點鉆孔施工。

三、鉆孔工藝比較

以上六種樁基鉆孔工藝的試驗匯總情況列于表7，從表中可以看出“旋挖鉆+普通長護筒”鉆孔工藝好于其它幾種工藝，對其進行工藝改進和提升，可進一步提升鉆孔速度和成樁質量。

表7 不同施工工藝試驗結果比較

通過試驗樁試驗研究，獲得如下結論：

（1）傳統的“旋挖鉆+泥漿護壁”、“旋挖鉆+裝配式護筒跟進”、“沖擊鉆+泥漿護壁”、“旋挖鉆+普通長護筒”、“素混凝土回填”和“注漿固化”等多種鉆孔工藝在總體上基本都適應不了本工點的特殊地質條件；

（2）“旋挖鉆+普通長護筒”鉆孔工藝勉強可用，但遇斜巖和較大溶洞，成孔依然困難，護筒超過15m 時拔出困難，且護筒拔出后混凝土面下降嚴重，影響成樁質量；

（3）對“旋挖鉆+普通長護筒”工藝進行改進和提高，可進一步提升鉆孔速度和成樁質量。

（4）試驗樁試驗，對改進“旋挖鉆+普通長護筒”工藝積累了經驗，后經進一步實踐，提出了“大功率旋挖鉆機+多級組合護筒”鉆孔工藝獲得成功。

（5）在后續工程中采用“大功率旋挖鉆機+多級組合護筒”鉆孔工藝，護筒能夠完全穿過砂卵礫石層，可有效解決砂卵礫石層塌孔難題，同時可將具有流動性的地下水阻斷在護筒以外，在鉆進過程中可防止地下水沖塌孔壁，混凝土灌注完畢后可防止膠凝材料流失風險；內護筒穿透溶洞頂板，到達溶腔底部，避免了因斜巖而導致的塌孔危險。