石武客運專線確山特大橋巖溶發(fā)育地區(qū)深長樁成孔技術(shù)

王坤友

(中鐵十八局集團第一工程有限公司,河北涿州 072750)

1 工程概況

新建石武鐵路客運專線SWZQ-8標(biāo)確山特大橋全長3 421 m,共有104個墩臺,樁基859根,最大樁長80 m,最小14 m,其中0號～40號墩、99號～101號墩為嵌巖樁,位于復(fù)雜巖溶發(fā)育地區(qū),樁基礎(chǔ)施工經(jīng)常遇到溶洞、斷層,多次發(fā)生坍孔、斜孔,卡鉆、泥漿流失等情況,造成成孔困難。因此在樁基施工中,如何制定有效的預(yù)防措施以及處理溶洞事故的方法,是確保成樁質(zhì)量和控制工期的關(guān)鍵。

我標(biāo)段施工的確山特大橋是位于溶洞發(fā)育區(qū)最具有代表性的橋梁,橋址內(nèi)震旦系中統(tǒng)北大尖組泥質(zhì)砂巖、灰?guī)r、云母片巖、石英巖成整體接觸。下伏有東西向壓性和南北向張性斷層,受其影響,巖體較破碎、節(jié)理發(fā)育;溶洞范圍廣、深度發(fā)育不一,一般深度為2～7 m,最深溶洞達76 m,基巖面相差懸殊,溶洞或為空溶洞,或為充填溶洞,填充物多為流塑狀黏土;部分溶洞巖溶裂隙水發(fā)育,甚至形成大型的巖溶管道(洞穴)以及地下河流。

大部分溶洞為糖葫蘆串式,一個接著一個。有的溶洞內(nèi)無填充物或有少量流塑狀黏土,有的溶洞巖層斜面較大且有探頭石,溶洞發(fā)育具有不規(guī)則、無規(guī)律特性。有的又同時處于破碎帶與溶洞上,給施工帶來了很大的困難,雖有鉆探資料,也很難反映實際地質(zhì)情況。

2 巖溶發(fā)育地區(qū)鉆孔樁成孔中的常見問題

巖溶地區(qū)鉆孔樁均采用沖擊鉆沖擊成孔。由于巖溶地區(qū)的特殊性,成孔過程要困難得多,遇到的問題也特別多,主要表現(xiàn)在以下幾方面。

漏漿塌孔:當(dāng)鉆進過程擊穿溶洞頂板時,孔內(nèi)泥漿突然下沉流失,這樣孔外壓力大于孔內(nèi)壓力,造成孔壁坍塌。也可能造成臨近地面塌陷,危及施工安全?？變?nèi)失水是溶洞區(qū)孔樁施工的最常見的問題,我們在樁基施工中均不同程度地發(fā)生過這類情況。

偏孔:由于溶洞發(fā)育的無規(guī)則性,溶洞頂板或穿過溶洞后的底板巖面常為傾斜的,或在溶洞中有巖石探入,造成空實、軟硬相間,常發(fā)生偏孔現(xiàn)象。處理偏孔的過程一般需較長時間,嚴重影響施工的總體進度。

掉鉆、卡鉆:當(dāng)溶洞為半填充或非填充,且溶洞較大時,易發(fā)生此類現(xiàn)象。

3 施工技術(shù)措施

針對巖溶發(fā)育區(qū)鉆孔樁施工中常見的諸多問題,施工主要采取了延伸護筒、護筒跟進、二次成孔、回填等技術(shù)措施。

3.1 鉆孔順序

按先長樁后短樁、先低位橋墩上的鉆孔樁后高位上的鉆孔樁,先周邊后中間的鉆孔樁,這樣有利于后續(xù)鉆孔樁的施工。同一個墩,長樁先施工,對截斷溶洞通道有利,利于后面短樁的施工;一座橋,由于水流總是由高向低,先施工低位鉆孔樁,可部分截斷溶洞通道,利于高位橋墩的施工,確山特大橋所有橋梁鉆孔樁施工中均是遵從這一原則。

3.2 鉆孔過程中特殊情況的處理

3.2.1 塌孔與漏漿

(1)泥漿制備

根據(jù)地質(zhì)情況,合理選擇泥漿指標(biāo)。在一般地層進行鉆孔樁施工,泥漿護壁的效果好壞是成孔的關(guān)鍵。泥漿一方面起到護壁,防止鉆孔垮塌的作用,另一方面,起到浮渣作用,一般應(yīng)選用塑性指數(shù) IP＞10的黏性土或膨潤土,不同的土層泥漿相對密度不同,對于巖溶地區(qū)鉆孔,泥漿相對密度應(yīng)取較大值。本橋在施工中采用泥漿比重1.3～1.5。

(2)回填

回填是處理溶洞塌孔的基本和較為有效的方法。根據(jù)溶洞大小備足水、黏土、片石等必備材料,確保在孔內(nèi)泥漿突然流失時,及時補充孔內(nèi)水頭,不致發(fā)生塌孔,施工中應(yīng)注意以下幾點。

①當(dāng)鉆至溶洞頂部附近時,采用小沖程,逐漸將洞頂擊穿。應(yīng)準(zhǔn)備足夠的片石和黏土,黏土做成泥球,然后根據(jù)溶洞的大小按1∶1的比例回填黏土和片石。此時仍采用小沖程進行輕砸堵漏,讓黏土和片石充分擠入溶洞內(nèi)壁。若有漏漿時,應(yīng)補充足量的水進行造漿,待黏土和片石充分擠入溶洞內(nèi)形成穩(wěn)定護壁后,并且泥漿漏失現(xiàn)象全部消失后正常鉆進,如此反復(fù)使鉆孔順利穿越溶洞。

②當(dāng)漏漿嚴重,回填黏土和片石沒有作用時,可采用直接灌注水下混凝土的措施。方法如下:按照灌注水下混凝土的施工方法下導(dǎo)管至已鉆孔0.3～0.5 m,灌注水下混凝土,至溶洞填充完畢,判斷標(biāo)準(zhǔn)以灌注混凝土面超過溶洞洞頂1 m左右且混凝土不再下降為準(zhǔn),待混凝土強度達到30%～50%后,重新鉆進。29號墩3號樁即是采用此方法順利成孔。

③鉆頭穿越溶洞時要密切注意大繩的情況,以便判斷是否歪鉆。若歪鉆應(yīng)按1∶1的比例回填黏土和片石至溶洞頂板2 m以上,重新沖砸。

(3)護筒跟進

鋼護筒根據(jù)樁徑大小、地層條件分別采用6～10 mm厚鋼板卷制焊接成圓形,直徑較樁徑大50 mm,護筒長依據(jù)地質(zhì)、水文情況選定,由單節(jié)或多節(jié)短護筒焊接而成。鋼護筒在加工時焊接縫必須符合設(shè)計要求,不得漏水。護筒埋設(shè)第1節(jié)由人工埋設(shè),使筒頂高出地面30cm,焊接第2節(jié)后,在護筒頂放置搭板(50 mm厚鋼板制作),利用鉆機提起鉆頭,將鋼護筒沖擊入土,然后沖孔,孔深達到護筒底后,再焊接第3節(jié)護筒,如此循環(huán),直至達到需要深度。深度根據(jù)土層和溶洞發(fā)育情況確定。

采用護筒跟進很大程度上可降低塌孔和漏漿風(fēng)險,提高成孔效率,100號墩3號樁即是采用護筒跟進技術(shù),有效避免了孔口坍塌;101號墩4號孔,鉆孔至18.6m深,護筒跟進至16 m,避免發(fā)生孔內(nèi)泥漿流失造成塌孔。

3.2.2 偏孔

在孔內(nèi)回填片石和黏土塊2 m深左右,同時調(diào)整鉆機沖程于0.5 m,然后繼續(xù)沖孔,混合填料經(jīng)反復(fù)沖砸在孔內(nèi)形成高出頂板處有一個較堅硬的混合柱體,具有足夠的沖擊能力,達到破碎斜面的目的。同時形成堅實、圓順的過渡孔口,為以下的鉆孔作業(yè)起到良好的導(dǎo)向作用。當(dāng)斜面傾斜嚴重或樁位置于溶洞邊緣時,在鉆進中鉆頭偏向軟土一側(cè),用該法無法解決偏孔或彎孔的問題時,可采用灌注水下混凝土,待2～3 d后重新鉆孔。這樣反復(fù)幾次回填大片石或混凝土后,一般可以解決。

3.2.3 卡鉆、掉鉆

在施鉆過程中由于施工不當(dāng),在穿越頂板時經(jīng)常發(fā)生卡鉆現(xiàn)象,或由于嚴重失漿,孔內(nèi)失去壓力平衡,引起塌孔埋鉆頭等現(xiàn)象。為了避免或者減少這種事故的發(fā)生,利用緩沖的方法。即當(dāng)鉆進接近穿越頂板進入溶洞前,在頂板已成孔段內(nèi)回填混合材料2 m左右。同時變?yōu)樾_程,先放小鉆頭沖擊,然后再用標(biāo)準(zhǔn)鉆頭擴孔成樁。這個辦法效果明顯,能起到緩沖作用,大大減少了因一錘擊穿頂板后,造成卡鉆和因失漿過急造成埋鉆的現(xiàn)象發(fā)生,有利于施鉆的順利進行。但是一旦發(fā)生掉鉆、卡鉆可按以下方式處理。

(1)卡鉆的處理方法

①采用2臺鉆機同時提鉆,或滑輪組提鉆。

②采用炸藥振動提鉆。

③對于掉塊卡鉆,采用鋼軌等重物或特制重的空心籠鉆沖擊錘體,使鉆頭松動提鉆。

(2)掉鉆處理方法

①水下打撈鉆頭。水下打撈鉆頭,在鉆頭沒有被渣土覆蓋時,可以采用打撈鉤和打撈活套打撈。

②澆筑水下混凝土進行人工挖孔打撈鉆頭。有時護筒底擴孔,無法實施水下打撈時,可以采用在護筒內(nèi)澆低強度砂漿或混凝土封至護筒口以上,待形成一定強度后,人工挖孔,直至挖出鉆頭。此法施工時必需注意防止護筒內(nèi)外壓力差過大而發(fā)生穿孔,因此施工必須快速連續(xù)進行。如27號號墩6號孔、29號墩4號孔即是利用上述方法解決了多次卡鉆、掉鉆的問題。

4 結(jié)語

為保證復(fù)雜巖溶地區(qū)深長樁成孔質(zhì)量及成孔效率,在樁基施工過程中筆者認為應(yīng)做好以下幾點。

(1)作好施工預(yù)案,確保順利成孔。預(yù)先編制溶洞處理方案(預(yù)注漿、鋼護筒跟進或預(yù)備泥球土及片石土等),且向每一位操作工人及現(xiàn)場管理人員清楚交底。并隨著施工的進展,對地質(zhì)情況進一步了解,隨時修訂技術(shù)措施,確保發(fā)生異常時能及時處理。

(2)根據(jù)地質(zhì)情況,合理選擇泥漿指標(biāo)。在巖溶地區(qū)除在施工中加強泥漿護壁外,還存在一個通過溶洞的造壁問題。因此,在配制優(yōu)質(zhì)泥漿護壁的基礎(chǔ)上,對不同溶洞內(nèi)土的不同性質(zhì),按一定的比例分別加入水泥、木屑、草袋、片(碎)石等混合材料。這些加入的材料經(jīng)鉆頭的沖擊搗動作用,將擠入溶洞周邊和巖溶裂縫中,這樣既可以達到溶洞孔壁封閉環(huán)的形成,又能增強泥漿護壁的效果。

(3)提前作好應(yīng)急措施。如果存在較大的溶洞可按如下方法處理:在孔口附近準(zhǔn)備足夠的小片石和黏土,最好配臺ZL50型裝載機,當(dāng)遇到溶洞漏漿時,迅速鏟起片石和黏土填孔,同時大量補水,確保一旦孔內(nèi)失水能及時補充孔內(nèi)水位,不致造成大范圍的塌孔。

(4)不能忽視小溶洞的處理,20號墩8號孔樁,設(shè)計圖揭示溶洞高度只有30 cm左右,實際施工中成孔也不是特別困難,但均發(fā)生了灌注完成后鉆孔樁混凝土下沉的情況,經(jīng)設(shè)計補充鉆探資料表明,樁底沒有地質(zhì)方面的問題,混凝土從樁底上3 m位置發(fā)育的小溶洞周邊流失。

(5)做好鉆孔記錄,為控制鉆進速度和設(shè)計變更提供依據(jù)。

[1]吳躍梓,丁自林.巖溶地區(qū)樁基施工技術(shù)淺析[J].安徽建筑,2007,14(3):123-125.

[2]劉金良,謝 軍,李 巖.復(fù)雜巖溶地區(qū)超長深樁成孔技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(4):6-9.

[3]馬 俊,周 剛.巖溶發(fā)育地區(qū)橋梁樁基施工技術(shù)研究[J].公路與汽運,2005(2):91-92.

[4]JT J160—2005,客運專線鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]JT J041—2000,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[6]劉金良,謝 軍,李 巖.復(fù)雜巖溶地區(qū)超長深樁成孔技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(4).

[7]謝煜新,張鳳成.巖溶發(fā)育地區(qū)橋梁施工[J].公路與汽運,2004(2):94-96.

[8]劉金礪.設(shè)計施工與檢測[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2001.

[9]孫愛軍,趙英爽.客運專線鐵路巖溶地區(qū)鉆孔樁施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(10):46-48.

[10]張治中.巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計與施工措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(5):61-62.

[11]韓樹國,許建民.巖溶地區(qū)橋梁樁基施工技術(shù)及常見情況處理[J].科技與經(jīng)濟,2006(9):115-116.