海上巖溶地質(zhì)大直徑群樁基礎(chǔ)鉆孔施工病害處理

孫艷明 蒲中花 馬振民 許國亮 張 斌 駱彥兵

(中交二公局第二工程有限公司，陜西西安 710119)

1 工程概況

大連星海灣跨海大橋主橋位于大連市著名旅游景點星海灣廣場對面開闊海域，為雙塔三跨地錨式懸索橋，跨徑布置為180 m+460 m+180 m=820 m。橋塔采用“門”式框架混凝土結(jié)構(gòu)，塔高112.31 m。橋梁上部主體加勁梁為鋼桁架結(jié)構(gòu)，鋼橋面板采用正交異性橋面板，車道雙層布置。索塔每根塔柱下設(shè)一個承臺，承臺之間不設(shè)橫系梁，單個承臺由12根φ2.5 m的鉆孔灌注樁支撐，鉆孔灌注樁3行4列矩形布置，索塔基礎(chǔ)為大直徑群樁基礎(chǔ)，承臺尺寸為 17.3 m ×23.6 m ×6.05 m。

主橋2個索塔共計48根樁基，在鉆孔過程有32根樁基發(fā)現(xiàn)巖溶洞或裂隙等巖溶地質(zhì)，最高的巖溶洞高7.3 m，最低的巖溶高度0.2 m;施工區(qū)域巖溶構(gòu)造有多種形式，有單層巖溶洞亦有多層巖溶洞;內(nèi)部填充有粘性土、灰?guī)r角礫、碎石和部分無充填物。

2 工程特點

1)工程位于黃海海域，受海洋環(huán)境影響比較大，橋址處水深10 m～12 m，沒有島嶼等遮擋物，每年4月份～10月份東南風(fēng)、南風(fēng)、西南風(fēng)比較頻繁，海上涌浪比較大。

2)施工區(qū)域巖溶發(fā)育，類型復(fù)雜，有單層巖溶洞、多層巖溶洞、斜面巖、陡坡(或半邊巖溶洞)、石柱(中間凸起)、溶溝槽、裂隙等巖溶類型。

3)索塔基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，單個承臺下有12根直徑2.5 m的大直徑鉆孔灌注樁。

4)由于巖溶類型復(fù)雜，即便是同一根樁在鉆孔過程也會遇到不同的巖溶地質(zhì)類型，因此在鉆孔過程需要根據(jù)具體情況應(yīng)對各種巖溶地質(zhì)鉆孔施工病害。

5)海上潮氣大，空氣鹽分含量高，施工設(shè)備容易損壞。

3 巖溶地質(zhì)類型分析

通過地勘報告和主橋樁基鉆進情況分析，大連星海灣跨海大橋主橋區(qū)域海底至少存在如下七種巖溶地質(zhì)類型(見圖1):

1)單層巖溶洞。

巖溶洞有一層，高度在20 cm～730 cm不等，巖溶洞內(nèi)填充水、泥土或風(fēng)化巖等，鉆孔過程主要表現(xiàn)為有卡錘現(xiàn)象，鉆進速度會突然變快，到一定深度后又開始變慢，渣樣變化明顯，有漏漿現(xiàn)象。

2)多層巖溶洞。

巖溶洞多層串聯(lián)，每次高度在20 cm～500 cm不等，中間間隔距離也不等，巖溶洞內(nèi)填充水、泥土或風(fēng)化巖等，鉆孔過程主要表現(xiàn)頻繁卡錘，鉆進速度時快時慢，渣樣有不太明顯的周期變化，有漏漿現(xiàn)象。

3)斜面巖。

由于地質(zhì)運動，巖層相互擠壓形成扭曲，在外部環(huán)境作用下，部分巖層溶解，傾斜巖面外露，這些傾斜巖面有的直接與卵石覆蓋層相連，有的則在巖溶洞下面，這種地質(zhì)在鉆孔過程主要表現(xiàn)為錘頭向一邊倒，回填片石和粘土可以處理到位，渣樣里面含一部分強風(fēng)化巖。

4)陡坡(或半邊巖溶洞)。

一邊有泥土或強風(fēng)化巖填充物，一邊是堅硬的巖石，這種地質(zhì)在鉆孔過程主要表現(xiàn)為錘頭向一邊倒，嚴重時錘頭出現(xiàn)側(cè)翻，多次回填片石和粘土也很難處理到位，渣樣里面含一部分強風(fēng)化巖。

5)石柱(中間凸起)。

周邊是泥土或強風(fēng)化巖，中間是堅硬的巖石，這種地質(zhì)在鉆孔過程主要體現(xiàn)在錘頭傾倒方向不定，多次回填片石和粘土也很難處理到位，渣樣里面含一部分強風(fēng)化巖。

6)溶溝槽。

周邊是堅硬巖石，中間是泥土或強風(fēng)化巖等，入巖后鉆孔過程錘頭正常，但鉆渣里面含有一部分強風(fēng)化巖，有漏漿現(xiàn)象。

7)裂隙。

這種裂隙分布廣泛，以上各種巖溶洞中都可能連接著裂隙，這種地質(zhì)鉆孔困難很大，經(jīng)常出現(xiàn)無征兆的漏漿。

圖1 巖溶洞類型示意圖

4 巖溶地質(zhì)鉆孔施工病害處理措施

主橋樁基采用沖擊鉆機進行鉆孔，在鉆孔過程采用了拋填片石和粘土工藝、鋼護筒跟進工藝、專用巖溶洞鉆孔錘頭工藝等施工工藝，在鉆孔過程因巖溶地質(zhì)條件復(fù)雜，遇到了意想不到的困難。

4.1 漏漿塌孔

4.1.1 原因分析

1)由于許多大小裂隙，一串串巖溶洞通過發(fā)育的裂隙連通在一起，形成巖溶洞帶。同時這些巖溶洞有些被填充物填充，有些沒有填充物或填充不滿，形成低壓區(qū)。

2)由于巖溶洞內(nèi)無填充物或填不滿，在鉆孔打開其頂板時也會導(dǎo)致突然大量失漿而塌孔。

3)在處理卡錘或掉錘問題時，由于處理時間過長，造成孔壁被泥漿浸泡松軟，原本結(jié)實的泥漿護壁開始脫落，進而發(fā)展為塌孔。

4.1.2 處理措施

1)海中巖溶地質(zhì)鉆孔，鋼護筒要有一定強度，避免大量漏漿流失將鋼護筒擠癟，大連星海灣跨海大橋主橋索塔樁基鋼護筒壁厚采用12 mm和14 mm壁厚組合，在適當(dāng)位置設(shè)置環(huán)形鋼板箍以增加鋼護筒強度，實踐證明能夠抵抗10 m水頭差。

2)鉆孔時，應(yīng)密切注意鋼護筒內(nèi)泥漿面的變化，一旦泥漿面下降漏漿，應(yīng)立即提出鉆頭，向孔內(nèi)補充泥漿或注水，保持樁孔內(nèi)水頭壓力。

3)保持樁孔內(nèi)水壓力后，向樁孔內(nèi)拋填粘土和片石混合物，經(jīng)小沖程反復(fù)沖砸后，形成新的護壁。

4)當(dāng)鋼護筒底部漏漿后，可繼續(xù)下沉鋼護筒，并用粘土封閉鋼護筒周圍縫隙，防止海水繼續(xù)滲入，然后向孔內(nèi)填擲粘土塊和片石(填筑高度以高出鋼護筒底1 m為宜)，再用小沖程反復(fù)沖砸，達到加固鋼護筒底部孔壁與堵漏的目的。

5)若不能保持水壓力，表明空巖溶洞較大或其他巖溶洞連通，此時應(yīng)先停止鉆孔，然后采用加大拋填量或灌注混凝土等措施進行封堵。

6)漏漿補水后要用超聲波孔壁檢測儀對孔壁情況進行檢測，如沒有出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象則可繼續(xù)回填粘土造漿鉆進，如出現(xiàn)塌孔，則需全部回填。

4.2 掉錘、卡錘、埋錘處理

4.2.1 原因分析

1)鋼繩在與錘頭連接處磨損嚴重或繩卡擰的不緊，超出了自身承載能力，在沖擊過程極易造成掉錘。

2)錘銷質(zhì)量不合格，采用劣質(zhì)錘銷;錘銷與錘頭接觸部位缺少減震彈簧;另外這種錘銷一般為特種鋼，工人用電焊焊接錘銷和防脫螺母，造成錘銷脆斷。

3)在巖溶地帶，由于地下水非常豐富，基巖起伏相當(dāng)大，溶蝕現(xiàn)象嚴重且極不規(guī)則，地質(zhì)鉆探資料反映只代表該鉆探點處的地質(zhì)情況，離開鉆探孔位，則有很大的變化，在鉆孔中，鉆孔灌注樁徑范圍內(nèi)因為基巖半邊露頭，容易導(dǎo)致斜樁和卡錘。

4)卡錘或掉錘不能及時處理，沉渣過多或塌孔造成埋錘。

4.2.2 處理措施

1)要經(jīng)常檢查鋼繩及繩卡情況，要使用質(zhì)量合格的錘銷，并且要增加減震彈簧，避免焊接錘銷。

2)在巖溶發(fā)育段施工時要采用小沖程沖擊鉆進以減少或消除“探頭石”影響。

3)沖擊巖溶洞底板或基巖面時采用小沖程慢速沖擊鉆進，并向孔內(nèi)拋入片石等材料以減少錘頭歪斜量，防止鉆孔傾斜。

4)保證泥漿質(zhì)量，保證孔壁穩(wěn)定，防止孔壁石塊掉入孔內(nèi)。5)采用專門研制的筒狀錘頭處理“探頭石”。

6)必要時采用水下爆破或下潛水員撈錘，如下潛水員撈錘，要確?？妆谕暾酀{比重符合重潛要求。

4.3 偏錘處理

4.3.1 原因分析

在鉆孔過程遇到斜面巖、陡坡巖、石柱、溶溝槽、裂隙等類型巖溶地質(zhì)，錐形錘頭在重力下降過程沒有導(dǎo)向作用，遇到障礙發(fā)生傾倒。

在鉆孔過程遇到軟硬巖地質(zhì)或者半邊巖溶洞地質(zhì)，錘頭在下降過程受力不均勻造成偏錘。

4.3.2 處理措施

出現(xiàn)偏錘現(xiàn)象時，采取回填片石或回填混凝土方案進行處理，片石或混凝土強度略大于巖石強度，鉆孔過程要緩慢鉆進，避免在鉆進過程出現(xiàn)斜孔現(xiàn)象。

采用專用巖溶洞鉆孔筒狀錘頭處理巖溶地質(zhì)，這種錘頭側(cè)壁有導(dǎo)向作用，可避免偏錘現(xiàn)象發(fā)生。

4.4 泥漿沉淀

4.4.1 原因分析

1)造漿材料配比不合理，泥漿質(zhì)量差。

2)遇到巖溶洞后泥漿流失或清孔過程泥漿流失，補充大量的水，新補充進去的水將原泥漿稀釋，造成泥漿沉淀。

3)在巖溶地帶，穿巖溶洞或裂隙時，巖溶洞水或裂隙水常帶有的弱酸性的碳酸根離子與樁內(nèi)泥漿膠體發(fā)生反應(yīng)使其沉淀分層，使得泥漿無法正常循環(huán)，或?qū)е鲁猎^大。

4.4.2 處理措施

1)選用好的粘土或膨潤土，通過試配，選擇合理的配比，造漿過程不宜過急，要充分造漿。2)盡量減少泥漿流失，如出現(xiàn)大量漏漿，應(yīng)及時補充泥漿或補充粘土造漿。

4.5 鋼護筒沉降處理

4.5.1 原因分析

在鉆孔過程會出現(xiàn)鋼護筒沉降問題，主要原因是在鉆孔過程，鋼護筒底口或覆蓋層下有巖溶洞，當(dāng)鉆到巖溶洞位置后，鋼護筒底口的巖溶洞頂蓋或覆蓋層坍塌，造成鋼護筒沉降。

4.5.2 處理措施

1)遇到鋼護筒沉降要盡快提出鉆頭，避免出現(xiàn)埋鉆，并且根據(jù)情況將已經(jīng)鉆好的樁位用片石加粘土回填，待回填土體穩(wěn)定后重新接長鋼護筒，繼續(xù)下沉鋼護筒至打不動為止。鋼護筒下沉到位后，重新定位鉆機開鉆。2)為避免鋼護筒再次沉降，最好將這根沉降的鋼護筒和相鄰鋼護筒進行連接，同時相鄰的樁位停止鉆進，避免發(fā)生震動。3)海上巖溶洞鉆孔要注意，不能用鋼護筒承載做鉆孔平臺，鉆孔平臺基礎(chǔ)要用單獨的鋼管樁基礎(chǔ)，否則一旦發(fā)生鋼護筒下沉現(xiàn)象，會造成很嚴重的后果。

4.6 與海水貫通處理

4.6.1 原因分析

卵石覆蓋層下有溶溝槽巖溶地質(zhì)或裂隙巖溶地質(zhì)，在鉆孔過程由于護壁質(zhì)量不好或因其他原因造成護壁破壞，海水通過溶溝槽或裂隙進入孔內(nèi)。

4.6.2 處理措施

1)若鋼護筒內(nèi)水頭降速較慢，則用大功率水泵補充泥漿(或水)，保持鋼護筒內(nèi)水頭，同時回填粘土和片石處理。

2)若鋼護筒內(nèi)水頭無法保持，該孔很可能會出現(xiàn)塌孔，需取回填片石和粘土工藝處理，或者在樁周邊鉆孔壓水泥漿處理。

4.7 鉆孔過程相鄰串孔處理

4.7.1 原因分析

1)同時開鉆的兩個樁位太近，在遇到巖溶洞地質(zhì)時，兩個樁之間的孔壁因巖溶洞發(fā)生坍塌，造成串孔現(xiàn)象。2)在鉆孔過程，同時開鉆的樁位因遇到貫通裂隙巖溶地質(zhì)，造成兩個樁位的泥漿串通。

4.7.2 處理措施

鉆孔時必須采取隔孔鉆進原則，即便這樣也可能會出現(xiàn)與相隔較遠的樁位串孔現(xiàn)象。若遇到此問題，需停止鉆孔，將其中一個孔回填或者將兩個孔都回填，但只能有一個孔繼續(xù)鉆進直至灌注完混凝土，另一個孔要等到前一個孔混凝土強度達到規(guī)范要求后再開鉆。

4.8 混凝土灌注過程漏混凝土

4.8.1 原因分析

在灌注混凝土過程如果出現(xiàn)無法封底或混凝土面不上升情況，這時要考慮是否有混凝土流失。

4.8.2 采取措施

1)在下放鋼筋籠前用超聲波孔壁檢測儀對孔壁進行檢測，提前了解孔壁情況。2)清孔過程要隨時觀察是否有大塊風(fēng)化巖被清出，如有需停止清孔，檢查孔壁情況，如塌孔需回填重新鉆孔。3)如首盤混凝土不能封底，則應(yīng)盡快將鋼筋籠提出，對孔底進行處理。4)在混凝土灌注過程出現(xiàn)混凝土面不上升，但前期超聲波孔壁檢測儀檢測又沒有擴孔跡象，這時要考慮可能巖溶洞側(cè)壁被擊穿，要根據(jù)具體情況確定是否繼續(xù)灌注混凝土，如混凝土面只是不升高則可繼續(xù)澆筑，如混凝土面下降造成導(dǎo)管脫空則需停止灌注混凝土，進行后續(xù)處理。

5 工程應(yīng)用效果

大連星海灣跨海大橋索塔基礎(chǔ)施工沒有以往海洋環(huán)境巖溶洞地質(zhì)大直徑鉆孔灌注樁施工經(jīng)驗可循，在施工過程憑借一般陸地或江河巖溶地質(zhì)鉆孔施工經(jīng)驗，不斷摸索，最終形成了一套海洋環(huán)境巖溶地質(zhì)鉆孔施工技術(shù)，形成了海上深水巖溶地層大直徑群樁基礎(chǔ)鉆孔施工病害處理應(yīng)急預(yù)案，經(jīng)過全體職工及技術(shù)專家組全體成員共同努力，樁基成孔質(zhì)量及成樁質(zhì)量都很高，未出現(xiàn)一次斷樁事故，經(jīng)檢測48根樁全部為Ⅰ類樁。

6 結(jié)語

1)海洋環(huán)境鉆孔施工，由于沒有道路和平臺相連，所有材料要通過船舶運輸，因此在項目開工前要充分了解海洋自然環(huán)境，

要對所處海域的水深、風(fēng)、浪以及大海朝向等進行綜合分析，形成海洋環(huán)境對工程影響分析報告，根據(jù)分析報告合理配備船機設(shè)備。2)對于各種巖溶地質(zhì)類型混雜在一起的地質(zhì)情況，在鉆孔施工過程要根據(jù)實際施工情況采取不同的施工工藝，即便是一個樁位，也可以采取不同的措施。3)巖溶地質(zhì)鉆孔施工前要有詳細的應(yīng)急預(yù)案，并且按應(yīng)急預(yù)案準備相應(yīng)材料和設(shè)備。在鉆孔施工過程如有異常情況發(fā)生，要能在短時間內(nèi)判斷原因，并根據(jù)分析的原因采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。應(yīng)急響應(yīng)要及時，避免因處理緩慢造成次生病害。4)海洋環(huán)境鉆孔施工，受潮濕環(huán)境和高鹽分空氣影響，施工設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，因此要配備足夠的施工設(shè)備和配件，

并且要配備足夠的有經(jīng)驗機修工和電工，避免因設(shè)備出現(xiàn)故障不能及時維修影響施工進度，嚴重時會因設(shè)備故障處理不及時造成塌孔等次生病害。5)必須有良好的心態(tài)和耐心對待復(fù)雜巖溶地質(zhì)鉆孔施工，因為這種地質(zhì)鉆孔施工會遇到各種問題，有時會遇到頻繁漏漿和頻繁卡錘問題，如果沒有良好的心態(tài)和耐心對待發(fā)生的各種問題，遇到問題操之過急或行動緩慢都會帶來很多麻煩，甚至帶來嚴重后果。

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