高樁碼頭多溶洞樁基處理技術(shù)

蘭千鈺　李丕安

【摘 要】 結(jié)合實(shí)際工程案例，在介紹工程地質(zhì)條件和巖溶的基礎(chǔ)上，分析溶洞地質(zhì)條件下的鉆孔施工準(zhǔn)備工作及施工技術(shù)，提出回填黃土和塊石防止漏漿、下內(nèi)護(hù)筒防止流沙塌孔及澆筑素混凝土封堵溶洞等碼頭樁基溶洞處理技術(shù)。采用這些處理方法，可以很好地避免或解決溶洞地區(qū)樁基施工的常見問題，取得理想的施工處理效果。

【關(guān)鍵詞】 巖溶；鉆孔樁；拋填

在碼頭樁基礎(chǔ)施工過程中，遇到溶洞的情況并不少見。作為隱蔽的地下自然現(xiàn)象，溶洞給施工帶來很大困難，如處理方法不當(dāng)，往往會(huì)造成掉錐、卡錐、埋錐、梅花孔、漏漿、塌孔等事故發(fā)生，甚至威脅碼頭質(zhì)量。如果準(zhǔn)備不充分，施工措施不恰當(dāng)、不及時(shí)，整個(gè)工程的安全、質(zhì)量和進(jìn)度都會(huì)因此而受到直接影響，嚴(yán)重的會(huì)造成不良的社會(huì)影響，給投資者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文通過具體工程案例的實(shí)踐分析，總結(jié)歸納出在多溶洞地質(zhì)條件下的碼頭鉆孔灌注樁溶洞處理方案和質(zhì)量控制方法。

1 工程概況

某工程碼頭平臺(tái)直線段長(zhǎng)400 m，1號(hào)與2號(hào)引橋間碼頭平臺(tái)寬30 m，2號(hào)與3號(hào)引橋間碼頭平臺(tái)寬25 m。碼頭采用高樁板梁式結(jié)構(gòu)，排架間距9 m。碼頭部分基樁采用直徑為 mm鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒內(nèi)鉆孔嵌巖部分樁芯采用直徑為 mm鋼筋混凝土形式的嵌巖樁，30 m寬平臺(tái)每榀排架布置5根樁，25 m寬平臺(tái)每榀排架布置4根樁，共計(jì)212根直樁；引橋水上部分基樁采用直徑為 mm鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒內(nèi)鉆孔嵌巖部分樁芯采用直徑為800 mm鋼筋混凝土形式的嵌巖樁，共計(jì)43根；引橋岸上及變電所平臺(tái)基樁直徑為 mm鉆孔灌注嵌巖樁，共計(jì)113根。

1.1 工程地質(zhì)條件

某工程上部地層主要由黏性土組成：①粉質(zhì)黏土，強(qiáng)度稍低，一般呈可塑狀態(tài)；②粉質(zhì)黏土及黏土，呈軟塑～流塑狀態(tài)，具中～高壓縮性；②-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈流塑狀態(tài)，屬勘區(qū)軟弱土層；③粉質(zhì)黏土及黏土，呈可塑～硬塑狀態(tài)，有一定的厚度，工程性質(zhì)較好；④粉質(zhì)黏土及黏土，呈可塑～硬塑狀態(tài)，具有中壓縮性，連續(xù)分布，厚度較大，工程性質(zhì)較好；④-1粉質(zhì)黏土及黏土，呈可塑狀態(tài)，工程性質(zhì)一般；⑥中風(fēng)化灰礫巖，強(qiáng)度高，是引橋及土建各建筑物樁基的良好持力層。

1.2 巖 溶

某工程下臥的基巖為第三系灰礫巖，礫質(zhì)成分主要為灰?guī)r，由鈣砂質(zhì)充填，在裂隙較發(fā)育時(shí)可能發(fā)育有溶洞。在全部413個(gè)鉆孔中，85個(gè)鉆孔顯示有大小不等116個(gè)溶洞，見洞率為20.6%，顯示的溶洞在平面上主要集中在2號(hào)、3號(hào)碼頭及引橋區(qū)范圍內(nèi)，在1號(hào)碼頭及引橋區(qū)內(nèi)僅3個(gè)鉆孔見4個(gè)溶洞；所揭露的溶洞多發(fā)育在地下10～25 m深度內(nèi)，部分溶洞個(gè)體發(fā)育較大，部分溶洞呈串珠發(fā)育。根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)溶洞的高度，將溶洞分成大型溶洞（洞高≥4 m）33個(gè)、中偏大型溶洞（2 m≤洞高<4 m）33個(gè)、中型溶洞（0.5 m≤洞高<2 m）38個(gè)和小型溶洞（洞高<0.5 m）12個(gè)，所占比例分別為28.45%，28.45%，32.76%，10.34%。綜上可知，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)2號(hào)、3號(hào)碼頭及引橋區(qū)巖溶發(fā)育程度比1號(hào)碼頭及引橋區(qū)強(qiáng)烈，揭露的溶洞高度較高，且多以中型以上溶洞為主，在平面及垂向立體空間分布上表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的不均一性。

2 溶洞施工

2.1 溶洞地質(zhì)條件下的鉆孔施工準(zhǔn)備

在鉆孔樁尤其是溶洞區(qū)域的鉆孔灌注樁開鉆前，相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員必須向施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，認(rèn)真分析每根樁的地質(zhì)資料，確定溶洞的大概位置及形狀規(guī)模。

應(yīng)選擇合適的鉆孔設(shè)備機(jī)型。在多溶洞地質(zhì)條件下鉆孔施工容易發(fā)生漏漿、偏孔、塌孔、流沙等現(xiàn)象，選擇合理的設(shè)備尤為重要。通常選擇的鉆頭為圓筒錐形的實(shí)心半自動(dòng)沖擊鉆，具有沖程小、頻率高、擴(kuò)孔系數(shù)相對(duì)較小等特點(diǎn)，較適宜于溶洞地質(zhì)條件下作業(yè)。

針對(duì)溶洞處理措施必須快而及時(shí)的特點(diǎn)，材料必須考慮周全且準(zhǔn)備充足。根據(jù)分析掌握的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備好足夠的泥土及回填的片石，以便能在出現(xiàn)溶洞時(shí)及時(shí)回填處理；在各孔周圍準(zhǔn)備足夠的小粒徑片石（粒徑不大于15 cm）和優(yōu)質(zhì)黏土，黏土最好做成泥球狀（15～20 cm）或餅狀后用薄膜包裹，防止干裂；同時(shí)在施工過程中，準(zhǔn)備裝載機(jī)和挖掘機(jī)各1臺(tái)隨時(shí)待命，以便在遇到溶洞漏漿時(shí)能迅速鏟起片石和黏土進(jìn)行填孔；備用鋼護(hù)筒若干節(jié)，當(dāng)遇到溶洞漏漿時(shí)，可作為防止塌孔護(hù)壁使用；水上平臺(tái)鉆孔樁施工還應(yīng)準(zhǔn)備鐵皮焊制的料斗，用于調(diào)運(yùn)黃土和塊石使用。

2.2 溶洞樁鉆孔施工技術(shù)

在開孔前，應(yīng)先根據(jù)超前鉆資料將巖面標(biāo)高和溶洞標(biāo)高換算成孔深，在鉆頭鋼絲繩上做好標(biāo)記，當(dāng)鉆至溶洞頂蓋附近時(shí)，適當(dāng)減小沖程，緩慢將溶洞頂板擊穿，防止卡鉆。當(dāng)鉆頭進(jìn)入溶洞底部后，應(yīng)仔細(xì)觀察井口鋼絲繩是否對(duì)中，如果鋼絲繩發(fā)生偏位，說明發(fā)生偏孔現(xiàn)象（見圖1），此時(shí)需向孔內(nèi)拋一些片石，拋填高度應(yīng)高于偏孔處以上1～2 m，使用小沖程沖擊片石，使鉆頭受力均勻，起到糾偏作用；當(dāng)錘頭鋼絲繩恢復(fù)中心位置時(shí)繼續(xù)鉆進(jìn)，從而確?？椎拇怪倍?。

2.3 溶洞樁成孔施工技術(shù)處理

2.3.1 回填黃土和塊石防止漏漿

某項(xiàng)目引橋陸上鉆孔樁C3-8在鉆孔時(shí)遇到溶洞，樁底標(biāo)高 16.1 m，樁長(zhǎng)36.1 m，超前鉆資料（見圖2）顯示溶洞位于 8.08～ 12.18 m處，溶洞高度4.1 m。鉆機(jī)鉆至孔深33 m處時(shí)，出現(xiàn)漏漿塌孔并有埋鉆現(xiàn)象，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，與超前鉆所描述的“有漏水，掉鉆現(xiàn)象”情況相符。由于該溶洞高度較深，且溶洞填充物并不飽滿，故先將孔口鋼護(hù)筒（1.2 m €？1.5 m €？0.01 m）加長(zhǎng)至3節(jié)，防止因漏漿而造成地表塌陷，然后按1∶1的比例回填塊石和黃土至孔深25 m；再用鉆頭沖孔擠壓至孔深28 m，繼續(xù)按1∶1的比例回填塊石和黃土至孔深25 m，再次沖孔擠壓；如此反復(fù)直至回填料壓實(shí)并充滿溶洞區(qū)域，無漏漿現(xiàn)象發(fā)生，最終順利成孔。

2.3.2 下內(nèi)護(hù)筒防止流沙塌孔

引橋陸上鉆孔樁B2-13樁徑1 m，地面標(biāo)高12.5 m，樁底標(biāo)高 13.5 m，超前鉆資料（見圖3）顯示溶洞位于 3.49～ 8.59 m和 10.39～處，內(nèi)填充軟塑狀的褐紅色黏性土。鉆機(jī)鉆至孔深17 m時(shí)發(fā)生漏漿現(xiàn)象，溶洞填充物不斷塌入進(jìn)入孔內(nèi)，經(jīng)回填塊石和黃土后，繼續(xù)鉆至孔深時(shí)，再次出現(xiàn)溶洞填充物坍塌現(xiàn)象，鉆頭提起后溶洞填充物迅速流入孔內(nèi)，出現(xiàn)流沙塌孔。由于該溶洞出現(xiàn)流沙現(xiàn)象，經(jīng)設(shè)計(jì)探討采用下內(nèi)護(hù)筒方案，護(hù)筒高度至少達(dá)到第一層溶洞至第二層溶洞底部高度?，F(xiàn)場(chǎng)采用7節(jié)（1.2 m €？1.5 m €？0.01 m）鋼護(hù)筒，分4節(jié)一段、3節(jié)一段焊接完成，更換直徑為1.15 m的鉆頭重新擴(kuò)孔，地表埋設(shè)2節(jié)（1.3 m €？1.5 m €？0.01 m）鋼護(hù)筒防止漏漿塌方。當(dāng)鉆機(jī)鉆至孔深15.6 m時(shí)，開始沉放鋼護(hù)筒，采用汽車吊逐步跟進(jìn)的方式，在護(hù)筒底口落至孔深25.6 m時(shí)將護(hù)筒焊接在地表護(hù)筒上；更換原鉆頭為直徑1 m的鉆機(jī)繼續(xù)鉆孔，直到鉆至所需標(biāo)高。

2.3.3 澆筑素混凝土封堵溶洞

碼頭平臺(tái)樁DD-38樁樁頂標(biāo)高17.64 m，樁底標(biāo)高 26.7 m，樁長(zhǎng)44.34 m，護(hù)筒直徑1.5 m，嵌巖芯柱直徑1.3 m，超前鉆資料（見圖4）顯示溶洞位于 6.3～ 9.2m， 9.6～ 14.6 m和 15.5～ 18.8 m處。在鉆孔過程中發(fā)生漏漿現(xiàn)象，經(jīng)回填黃土和塊石（按1∶1比例）后鉆至設(shè)計(jì)孔深時(shí)發(fā)生塌孔，并與相鄰樁有竄孔現(xiàn)象；再次回填黃土和塊石（按1∶1比例）復(fù)鉆，溶洞內(nèi)填充物一直不斷涌入孔內(nèi)，且漏漿嚴(yán)重；當(dāng)鉆機(jī)鉆至34 m（即第三層溶洞頂部）時(shí)，孔內(nèi)填充物迅速回淤至孔深26 m（即第一層溶洞底部），無法再次成孔。

由于該溶洞為多層溶洞且填充物流動(dòng)性極強(qiáng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)討論，采用濃泥漿沖孔逐層施工并澆筑素混凝土工藝：鉆孔內(nèi)大量回填黃土，造濃泥漿（泥漿相對(duì)密度約為1.4）循環(huán)沖孔；當(dāng)鉆孔鉆到處時(shí)，無法進(jìn)入，由于濃泥漿不斷循環(huán)護(hù)壁，回淤速度變緩，此刻迅速澆筑低標(biāo)號(hào)混凝土進(jìn)行封堵，混凝土澆筑至超過溶洞頂部2～4 m，且在混凝土面不再下降時(shí)停止，待24 h后復(fù)鉆；鉆機(jī)鉆至孔深38.4 m時(shí)，再次澆筑低標(biāo)號(hào)素混凝土進(jìn)行封堵（見圖5），待放置24 h后復(fù)鉆至最終成孔。

2.3.4 其他方法

溶洞處理通常還有壓注雙液漿法，灌砂、壓漿法，但這些方法由于工期較長(zhǎng)且施工成本較高，故某工程未予采用。

2.4 溶洞樁澆筑混凝土

在溶巖地區(qū)澆筑鉆孔樁混凝土?xí)r，樁內(nèi)混凝土有時(shí)會(huì)突然下降，從溶洞流失，或從周圍已成孔中冒出，若混凝土不能及時(shí)跟進(jìn)，就會(huì)出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。在多溶洞地質(zhì)情況下進(jìn)行溶洞樁基澆筑時(shí)，應(yīng)當(dāng)配備足夠的混凝土罐車，計(jì)算好罐車運(yùn)輸時(shí)間，保證澆筑過程混凝土不間斷供給；但這種方法也存在一定弊端，倘若溶洞過大，混凝土面長(zhǎng)時(shí)間不上升，底部混凝土?xí)l(fā)生初凝，導(dǎo)致導(dǎo)管無法拔出，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

通過現(xiàn)場(chǎng)28根溶洞樁統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在澆筑溶洞樁時(shí)，若發(fā)生混凝土面急速下降，通常會(huì)下降至一定高度后保持不變且混凝土面一定會(huì)高于漏砼處。由于溶洞壁較薄，在內(nèi)外壓強(qiáng)平衡被打破時(shí)，江水也會(huì)迅速滲入溶洞內(nèi)與之貫通，在不考慮摩阻力的情況下，可初步判斷混凝土面下落最低高度為外部水壓力與孔內(nèi)混凝土壓力恰好達(dá)到平衡時(shí)的高度，即

由公式可知，h砼=h水，由此初步計(jì)算出混凝土面大致下落的高度。由于混凝土面下降高度還受溶洞大小、溶洞內(nèi)填充物等要素的影響，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況觀察混凝土面穩(wěn)定位置。當(dāng)混凝土面長(zhǎng)時(shí)間處于某一水平位置且持續(xù)澆筑既無上升也無下降現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)停止?jié)仓⒚芮嘘P(guān)注孔內(nèi)混凝土面升降情況；30～60 min后測(cè)量混凝土面高度，若無變化，將導(dǎo)管埋深減少至混凝土面下2 m左右，以減小灌注混凝土?xí)r對(duì)漏砼處所產(chǎn)生的沖擊力。通知攪拌站適當(dāng)減小砼塌落度，使漏砼處周圍混凝土堆積后等待初凝，并在等待過程中每15 min活動(dòng)導(dǎo)管一次，防止泵管堵塞；發(fā)生初凝后嘗試澆筑，混凝土面有上升現(xiàn)象，方可繼續(xù)澆筑；如仍未上升，說明混凝土仍在外漏，重復(fù)以上操作后繼續(xù)澆筑。

此外，在灌注中導(dǎo)管提升時(shí)，應(yīng)根據(jù)溶洞情況確定導(dǎo)管埋深，避免灌注過程中擠破溶洞導(dǎo)致混凝土面突然下降，造成斷樁事故發(fā)生。樁頂灌注標(biāo)高應(yīng)比設(shè)計(jì)標(biāo)高超灌1 m以上，在灌注完成后觀察30 min左右，若混凝土面沒有變化方可拔出導(dǎo)管。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）在溶洞地質(zhì)條件下鉆孔樁施工開工前，應(yīng)先根據(jù)地質(zhì)資料進(jìn)行細(xì)致分析，制訂切實(shí)可行的施工方案，確保該分部施工的技術(shù)人員和相關(guān)的技術(shù)工人詳細(xì)了解此碼頭每個(gè)樁基的地質(zhì)情況，熟讀地質(zhì)圖紙及資料，熟悉每個(gè)樁孔的溶洞位置、大小等情況，做到鉆孔時(shí)心中有數(shù)。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)可知，回填黃土、塊石是處理溶洞最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案，其特點(diǎn)是見效快、成本低、操作簡(jiǎn)單。下內(nèi)護(hù)筒方案雖然效果明顯，但對(duì)孔的垂直度、孔徑受巖面狀況的影響而有其局限性，操作難度大，且在護(hù)筒接長(zhǎng)時(shí)一定要用加勁鋼板連接焊牢，焊縫飽滿，確保不漏水；澆筑素混凝土方案效果明顯可靠，且適用于各種類型的溶洞處理。由于溶洞具有不可預(yù)見性、復(fù)雜性、危險(xiǎn)性等特點(diǎn)，在樁基施工中應(yīng)注意各方面的因素，從經(jīng)濟(jì)、節(jié)約工期、保證質(zhì)量等方面綜合考慮。

（3）針對(duì)多溶洞地質(zhì)條件，在鉆孔樁混凝土澆筑過程中，應(yīng)提高混凝土生產(chǎn)和運(yùn)輸能力，提前做好備用措施，以免混凝土供應(yīng)不及時(shí)而出現(xiàn)斷裝現(xiàn)象；同時(shí)應(yīng)加大混凝土的初灌量和控制導(dǎo)管距樁底的距離，避免底部殘?jiān)荒鼙粵_起和導(dǎo)管埋深不夠。此外，在澆筑過程中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注混凝土面上升情況，做好記錄，根據(jù)實(shí)際情況，合理安排停滯時(shí)間和導(dǎo)管埋深。

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