溶洞群地區(qū)橋梁樁基設(shè)計與施工中的若干問題

劉冠營 韋景宇

溶洞群地區(qū)橋梁樁基設(shè)計與施工中的若干問題

劉冠營 韋景宇

通過牛郎關(guān)互通立交樁基礎(chǔ)施工實踐對溶洞群地區(qū)樁基設(shè)計和施工中的若干問題進(jìn)行了討論,著重闡述了施工勘探及相關(guān)參數(shù)的確定,并對施工要點作了說明,為以后類似工程設(shè)計與施工提供參考與指導(dǎo)。

橋梁,樁基礎(chǔ),溶洞群,施工方法

1 工程概況

貴陽環(huán)城高速公路南環(huán)線牛郎關(guān)互通立交橋梁,設(shè)計樁基礎(chǔ)436根,樁徑為 1.8m的端承式嵌巖灌注樁,樁基總長 7 146.5m。實際施工中,由于橋位區(qū)巖溶極為發(fā)育,分布廣,走向復(fù)雜,溶腔多樣,形成了溶洞群,加上地下水極為發(fā)育且埋藏淺,造成溶腔填充物復(fù)雜。充填物以黃色黏土為主,偶含角礫、砂質(zhì)、白云巖和灰?guī)r碎塊,且出現(xiàn)涌水量大現(xiàn)象。溶洞最大高度為 16 m(牛郎關(guān)1號大橋 6號墩),最小高度為 0.5m左右,綜合全區(qū)溶洞分布相對高差為 37.58m,溶洞在深度分布上無明顯規(guī)律性。

2 樁基深度設(shè)計

2.1 樁位地質(zhì)鉆探

1)鉆孔數(shù)量。根據(jù)規(guī)范[1]要求,對樁徑 2.0m可采取一樁一孔。實際施工中,發(fā)現(xiàn)溶洞發(fā)育區(qū)多數(shù)樁基中心及樁位 1m～1.5m的范圍補(bǔ)鉆 1孔 ～3孔揭示的溶洞發(fā)育程度、高程情況各不相同,體現(xiàn)巖溶地質(zhì)的復(fù)雜性。建議對復(fù)雜區(qū)域沿樁身外圍三角補(bǔ)鉆。

2)鉆孔深度。文獻(xiàn)[1]要求,巖溶地區(qū)鉆孔深度為設(shè)計樁底以下整體巖層不少于 5m,現(xiàn)場試鉆結(jié)果表明巖層溶洞發(fā)育差別很大,建議地質(zhì)鉆孔深度探入連續(xù)完整弱風(fēng)化巖層應(yīng)不小于 8m。

2.2 樁基嵌巖深度及持力層厚度的確定

關(guān)于樁基嵌入完整基巖的深度,現(xiàn)行規(guī)范有以下兩種計算模式：1)只計算基巖端阻力,嵌巖深度按構(gòu)造要求確定[2],但不小于0.5m,并要求樁底以下 3倍樁徑范圍內(nèi)無軟弱夾層、斷裂帶、洞隙分布,在樁端應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)無巖體臨空面,巖石地基承載力可根據(jù)其折減系數(shù)換算確定;2)考慮嵌巖段端阻力和側(cè)阻力,還計算樁身周圍覆蓋土層側(cè)阻力[3]。對于樁底溶洞頂板的持力層安全厚度,專家咨詢意見為不小于 5m,樁底承載力不能充分承受時,應(yīng)最大限度地利用樁側(cè)嵌固力,樁基嵌巖深度取 2.5D～3D(D為樁徑)較合理。

3 樁基成孔施工工藝及樁孔沉渣清除

3.1 樁基成孔施工工藝

由于巖溶地質(zhì)的復(fù)雜性、不可預(yù)知性,結(jié)合該互通立交樁基施工實踐,本人認(rèn)為沖孔工藝較回旋鉆孔工藝要好;在具備人工挖孔條件下,挖孔工藝較機(jī)械鉆孔工藝強(qiáng)。該橋樁基采用了機(jī)械沖孔和人工挖孔兩種工藝。對于孔深小于 20m的樁基,巖層完整,溶洞無填充物、涌水量較小的樁基均采用人工挖孔工藝,該工藝最大優(yōu)點是可全面開挖,工期短,對施工場地及用電量要求不高,最重要是能夠清楚洞察樁底溶洞發(fā)育的真實情況,能與施工鉆探地勘資料直接對照,確保終孔樁底基巖完整,樁基安全性有絕對把握。沖孔工藝采用卷揚機(jī)加沖擊錐施工,主要是該工藝對巖溶發(fā)育和巖層不均勻性具有較好的適應(yīng)性。由于溶洞發(fā)育極不規(guī)則,溶洞、溶槽、溶溝、溶穴、溶筍等形態(tài)存在,使得巖層均勻性極差,而不均勻地質(zhì)對回旋鉆機(jī)而言是致命的弱點,采用沖擊鉆可避免回旋鉆卡鉆、斜孔、進(jìn)尺困難、溶洞處理難等缺點。當(dāng)然沖孔樁最大的缺點是孔樁經(jīng)過反復(fù)沖擊后,孔徑變大,混凝土超灌量增加,因而沖擊鉆頭外徑經(jīng)常采用比設(shè)計樁徑小 5 cm～10 cm,具體數(shù)據(jù)取決于施工經(jīng)驗或巖層強(qiáng)度,巖層強(qiáng)度大擴(kuò)孔系數(shù)變小。

3.2 樁底沉渣清除

對于嵌巖樁而言,規(guī)范允許的孔底沉渣厚度不大于 5 cm,采用沖擊成孔工藝對孔底沉渣厚度控制顯得非常關(guān)鍵。一般而言,清孔階段置換泥漿濃度應(yīng)由濃變稀,一旦清孔完畢驗孔合格后應(yīng)立即下鋼筋籠進(jìn)行混凝土灌注,避免靜置時間過長造成孔底沉渣可能超厚,初灌混凝土的沖擊力會沖起部分沉渣,并隨連續(xù)灌注過程,孔內(nèi)泥漿水位上升而將部分沉渣帶出孔外。實際施工中,灌注成樁的樁基不可能每根樁底沉渣厚度都能夠取芯檢查,經(jīng)常利用樁基混凝土內(nèi)預(yù)埋的 3根超聲波檢測器進(jìn)行質(zhì)量檢查,一旦發(fā)現(xiàn)樁底沉渣過厚,可采用鉆機(jī)取芯成孔(一般施工 3孔),再用高壓水從鉆孔口注入,另外孔口出渣的循環(huán)通路,直至將樁底沉渣清除干凈,再壓注水灰比 1∶0.5的水泥漿進(jìn)行處理。該處理方法投入小,簡單可行。另外,對于深孔樁,且樁基上半部有地下暗河穿過時,采用正常清渣的方法往往是無法成功的,可采用加大泥漿稠度,并在暗河位置稍下方處再增加一臺換漿機(jī)和樁底部換漿機(jī)同時清渣,不但功效高、效果好,而且還經(jīng)濟(jì)適用。

4 施工過程中溶洞處理

1)利用地質(zhì)勘探孔提前給空溶洞補(bǔ)水,以達(dá)到防止鉆孔過程中溶洞頂板被擊穿時孔內(nèi)泥漿水頭突然下降而造成塌孔情況發(fā)生。2)遇到溶洞后回填片石黏土進(jìn)行反復(fù)沖填,是處理溶洞、斜孔、卡鉆等問題最簡單適用可行的方法。本互通樁基沖孔施工過程中對溶洞處理基本采用該方法成孔。3)遇到溶洞裂隙發(fā)育,孔內(nèi)漏水、漏漿嚴(yán)重,采用投片石和黏土往往不能解決問題,可采取投入袋裝水泥和黏土,然后反復(fù)沖擊使得水泥黏土拌和均勻,靜置 5 d～7 d讓膠體凝固后再沖擊施工,該方法是處理裂隙漏漿最簡單適用的有效方法。其原理是水泥與黏土經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬笮纬梢环N具有強(qiáng)度的復(fù)合體,后經(jīng)反復(fù)沖擊而被擠入裂縫中起到封閉作用。4)孔口地表塌陷處理。造成孔口地表塌陷原因主要有以下兩點：a.孔口覆蓋層中角礫層、砂質(zhì)土等被洗空而形成“空肚皮”,在鉆機(jī)振動荷載作用下產(chǎn)生坍塌;b.因溶洞頂板比較破碎,原溶洞內(nèi)充填物起臨時支撐作用,因沖孔施工泥漿循環(huán)作用把充填物清除出孔外,造成充填物支撐作用逐步消失而引起溶洞頂板坍塌。地表突然下陷是非常危險的安全隱患,唯一的預(yù)防措施是根據(jù)地質(zhì)鉆探報告資料認(rèn)真分析溶洞頂板厚度和巖層強(qiáng)度,施工時要放慢鉆進(jìn)速度,或采用較小沖擊錐先破穿溶洞頂板,同時多投入片石、黏土反復(fù)沖填擠密溶洞?？卓诘乇砜刹捎没靥钇炷领o置數(shù)天后再沖孔便可處理,必要時還可在孔口段適當(dāng)加長鋼護(hù)筒措施。5)挖孔樁施工中,經(jīng)常出現(xiàn)孔壁突然崩塌漏漿,或孔底剛發(fā)現(xiàn)甚至未發(fā)現(xiàn)溶洞先突然涌起泥漿、流沙,極大危及孔下施工人員的安全。遇到該情況時,不可盲目處理,應(yīng)立即撤出人員、工具,待其涌漿或涌水穩(wěn)定后,再安排施工經(jīng)驗豐富人員下孔清理,若清理順利,不再有泥漿涌起出現(xiàn),可先對溶洞進(jìn)行處理后再繼續(xù)往下挖孔,否則,最好選擇重新回填片石、黏土至孔口后采取沖孔。6)樁基混凝土灌注過程中,為防止混凝土超壓力過大擠垮由黏土和片石沖填圍護(hù)溶洞孔壁,造成混凝土超灌或出現(xiàn)斷樁事故。故要求在灌注混凝土施工前,應(yīng)先結(jié)合地勘報告資料和投入的片石黏土數(shù)量加以判斷溶洞孔壁牢固強(qiáng)度,為防止意外斷樁,建議灌注混凝土導(dǎo)管埋深最好選在 4m～6m,灌注速度要緩慢適當(dāng)。

5 結(jié)語

通過工程實際應(yīng)用,總結(jié)了熔巖地質(zhì)環(huán)境樁基設(shè)計方法,針對該種特殊地質(zhì)環(huán)境得出以下幾點結(jié)論：

1)關(guān)于樁基嵌入完整基巖的深度,應(yīng)最大限度地利用樁側(cè)嵌固力,樁基嵌巖深度取2.5D～3D(D為樁徑)較合理。2)工程實踐表明,樁基成孔施工方法選擇沖孔工藝較回旋鉆孔工藝要好;在具備人工挖孔條件下,挖孔工藝較機(jī)械鉆孔工藝更為安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。3)遇到溶洞、暗河地質(zhì)環(huán)境時,在暗河位置稍下方處再增加一臺換漿機(jī)和樁底部換漿機(jī)同時清渣,功效高、效果好、經(jīng)濟(jì)適用。4)通過實際應(yīng)用,提出了幾種樁基施工溶洞處理方法,可供類似工程作為參考,具有一定的工程實用價值。

[1] JTJ 064-98,公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S].

[2] GBJ 7-89,建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范[S].

[3] JGJ 94-94,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 楊文亞,李潮江.廣梧高速公路新屋高架橋 3號墩樁基溶洞處理[J].山西建筑,2010,36(1)：349-350.

Several issues on bridge pile foundation design and construction in water-eroded caves area

LIU Guan-ying WEI Jing-yu

Through Niulangguan interchange pile foundation construction practice,it discusses several issues on pile foundation design and construction in water-eroded caves area,mainly expounds construction survey and the determination of relevantparameters,and demonstrates construction points,which has p rovided guidance for future similar engineering design and construction.

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U 443.15

B

1009-6825(2011)09-0177-02

2010-11-29

劉冠營(1965-),男,工程師,中國中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司,陜西咸陽 712000

韋景宇(1976-),男,工程師,中國中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司,陜西咸陽 712000