巖溶地區(qū)橋墩樁基鋼護筒變形加固處治技術(shù)

劉運思， 牟天光， 肖洪波， 周伏良， 趙俊逸

(1.湖南科技大學巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點實驗室, 湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學土木工程學院, 湖南 湘潭 411201; 3.中國建筑第五工程局土木工程有限公司, 湖南 長沙 410075)

0 引言

巖溶地區(qū)廣泛分布于我國各地，橋墩樁基礎設計及施工中不可避免的遇到一系列巖溶工程地質(zhì)問題[1-3]。沖擊樁以其承載力高、適應性強、成本適中、施工簡便等特點廣泛地應用于工程領域，特別是在巖溶地區(qū)沖擊樁應用更為廣泛[4-7]。巖溶地區(qū)沖擊樁施工時常采用鋼護筒跟進法確保施工順利進行，特別對大溶洞和多層(串珠狀)溶洞可將護筒穿過溶洞，嵌套在巖壁上的鋼護筒能有效保證樁基成樁質(zhì)量[8-9]。

國內(nèi)外學者對巖溶地區(qū)樁基從設計、施工以及病害問題展開了大量的研究[10-12]，趙明華等[13]基于Griffith強度準則對巖溶區(qū)樁基溶洞穩(wěn)定性進行分析。鄭曉慧[14]在滿足承載力需求的情況下，調(diào)整設計樁長及勘探深度，進而制定特定地區(qū)設計原則，優(yōu)化成樁工藝、節(jié)約工程造價。尹文斌等[15]對經(jīng)常發(fā)生漏漿、塌孔、卡鉆及埋鉆等事故的處理對策進行了研究，并著重討論了多工藝復合成孔技術(shù)、護壁技術(shù)和泥漿技術(shù)。黃祥國等[16]以武漢市雄楚大街樁基施工項目為工程背景，分別分析溶洞被貫穿、樁底被包含、樁與溶洞隔離等3種不同病害下，樁基的變形與受力情況。

本文以大王山礦坑工程中橋墩樁基鋼護筒變形事故為研究背景，主要展開巖溶地區(qū)橋墩樁基礎鋼護筒變形施工處治措施研究并對其處治過程中加固措施進行力學分析研究。

1 工程概況

大王山礦坑工程中橋梁總體布置為(15+55.5+145+55.5+15) m連續(xù)剛構(gòu)梁，主梁為預應力混凝土箱梁，箱梁采用單箱雙室截面，橋面設1.5%的雙向坡。2、3號橋墩樁基采用?2200 mm的鉆孔灌注樁，1、4號橋墩樁基采用?1500 mm的鉆孔灌注樁，0、5號橋臺樁基采用?1800 mm的鉆孔灌注樁，樁基均采用C30鋼筋混凝土，樁基礎采用嵌巖樁，要求樁底進入持力層，且為完整巖層≮5 m。其中3號墩8根樁基設計樁長依次為：47、48、54、39、49、51、39、55 m，加上樁頂7 m空樁部分最大鉆孔深度達到62 m。3號墩樁頂以下24 m區(qū)段采用隔離設計,隔離區(qū)段沖孔孔徑為2600 mm，下放內(nèi)徑2400 mm隔離鋼筒。

3-5號樁沖孔至37 m深度，在沖孔過程中遇溶洞發(fā)生了偏孔和漏漿現(xiàn)象，回填片石、粘土復沖后已順利穿過溶洞區(qū)域，沖孔過程中無異常情況發(fā)生，繼續(xù)沖孔至隔離區(qū)段底部后，安放隔離鋼護筒，鋼護筒長30 m、內(nèi)徑2400 mm、壁厚10 mm，安放完成后繼續(xù)對隔離區(qū)以下樁基進行沖孔，沖孔至37 m時，孔壁溶洞內(nèi)巖石斷層坍塌，鋼護筒頂以下10～24 m段受擠壓往樁孔內(nèi)凸現(xiàn)1.2 m(見圖1)，錘頭卡在樁底位置無法提出，在抽排樁孔內(nèi)泥漿觀察孔內(nèi)情況時，仍有巖石掉落撞擊鋼護筒。在3-5號樁隔離鋼護筒安放至受擠壓變形期間，3號墩其他樁孔均未施工。

圖1鋼護筒變形示意圖

Fig.1Schematicdiagramofsteelcasingdeformation

3-5號樁鋼護筒變形處理擬采用氣切割鋼護筒法和千斤頂孔內(nèi)校正變形法。由于在溶洞內(nèi)巖石塌方量較大，任何局部性的加固措施都存在較大風險，都不能夠保證鉆孔樁的施工安全，故在切割護筒變形部分前，須對鋼護筒外側(cè)采用C30高流態(tài)混凝土填充、注漿加固辦法，切割后，進行補注漿，使鉆孔施工不漏漿、不塌孔。

2 鋼護筒變形區(qū)內(nèi)支撐設置

2.1 鋼護筒變形區(qū)段內(nèi)撐設置施工方案

鋼護筒外側(cè)承受壓力較大，為防止鋼護筒進一步變形，并確保鋼護筒切割過程的施工安全，首先將孔內(nèi)泥漿采用泥漿泵抽送至泥漿罐車拉出施工現(xiàn)場，在鋼護筒變形部位從上往下設置型鋼內(nèi)撐，型鋼內(nèi)撐采用80 mm×80 mm×2.5 mm矩形鋼管，環(huán)向布置分為3個三角形，豎向設置間距為0.5 m，如圖2和圖3所示。

圖2 鋼護筒變形處治示意圖

圖3 鋼護筒變形部位型鋼支撐示意圖

2.2 巖土物理力學特性

根據(jù)巖石試驗結(jié)果，場地內(nèi)巖石物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計見表1。

2.3 計算模型

Mohr-Coulomb模型一般適用于松散或膠結(jié)的顆粒狀材料、土體、巖石分析，根據(jù)本區(qū)間詳勘資料，選取模擬的區(qū)段地層較適應于本模型的地層條件。因此，地層的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型，鋼管和鋼板采用的則是彈性模型。模型取洞直徑的5倍范圍內(nèi)巖土體進行計算，其模型示意圖見圖4。

表1 材料物理力學特性

圖4 模型示意圖

2.4 鋼護筒變形區(qū)段內(nèi)撐力學行為

通過數(shù)值分析方法，本文研究了鋼護筒變形區(qū)段混凝土填筑溶洞內(nèi)部時鋼支撐的軸力和變形，如圖5所示。

圖5 鋼支撐變形和軸力圖

由圖5所示可知，鋼支撐最大變形為3.4 mm，軸力為143 kN，且鋼支撐越接近樁頂?shù)奈恢米冃卧酱蟆＿@主要是上部為粉質(zhì)粘土，其粘聚力和內(nèi)摩擦角較小，土體自穩(wěn)能力較差，對鋼護筒產(chǎn)生的土壓力較大，則導致鋼支撐變形較大。而粘土以下為灰?guī)r，其粘聚力和內(nèi)摩擦角相對土體較大，巖石具有一定的自穩(wěn)能力，對鋼護筒產(chǎn)生的圍巖壓力相對小，則鋼支撐變形相對小。

為了確定鋼支撐最優(yōu)間距，分別對鋼支撐豎向間距0.25、0.5、0.75、1.25、1.5 m進行了數(shù)值分析，獲得了鋼支撐和鋼護筒的內(nèi)力和變形值，見表2。

表2 不同間距下鋼支撐和鋼護筒最大內(nèi)力及變形

由表2分析可知，當鋼支撐豎向間距≯1.25 m時，鋼支撐變形<10 mm，而間距>1.25 m時，鋼支撐變形>10 mm。當鋼支撐豎向間距≯0.5 m時，鋼護筒變形<10 mm，而間距>0.5 m時，鋼護筒變形>10 mm，變形較大。為了確保鋼護筒安全穩(wěn)定，建議變形≯10 mm，鋼支撐豎向間距0.25和0.5 m均滿足需求，但從經(jīng)濟效益出發(fā)，鋼支撐豎向間距選取0.5 m最佳。

3 樁周溶洞填充及小導管注漿

3.1 樁周溶洞填充及小導管注漿施工方案

為防止樁周溶洞內(nèi)巖石斷層進一步坍塌，對樁基成孔和成樁后樁身的穩(wěn)定造成影響，樁周溶洞采用C30高流態(tài)混凝土進行填充，混凝土采用導管進行灌注。灌注前，在樁周預埋8根注漿小導管，見圖6所示。小導管插入至鋼護筒底部，小導管頂部高出鋼護筒口50 cm，作為注漿口。在鋼護筒變形位置頂部切割預埋導管口，將注漿小導管向上傾斜插入溶洞內(nèi)，共設置4根，以便壓漿時漿液能將溶洞頂部破碎巖石固結(jié)。注漿小導管采用?50 mm×2.5 mm鋼管，鋼管底部10 m區(qū)段設置5 mm注漿孔，注漿孔間隔5 cm梅花型布置。小導管注漿孔外周采用土工布包裹，便于混凝土填充后水泥漿液能夠從注漿孔流出。

圖6 注漿小導管布設圖

混凝土灌注完成后，對鋼護筒外側(cè)夾隙進行高壓注漿(水泥漿)。

水泥漿密度的控制：制漿采用機械拌制，水與水泥質(zhì)量比為1∶1。壓漿過程中根據(jù)吃漿量的變化，調(diào)節(jié)水泥漿密度，控制在1.50～1.60 g/cm3,吃漿量大時濃些，反之稀些。

漿液通過注漿小導管壓入鋼護筒外側(cè)破碎巖體及空洞內(nèi)，注漿由下至上進行，根據(jù)注漿壓力及持續(xù)時間來確定注漿的飽和度。注漿由鋼護筒外側(cè)的1號注漿管開始至8號依次進行，確保鋼護筒四周全部填充密實。

注漿壓力是保證壓漿質(zhì)量的關(guān)鍵，過低會降低灌漿效果，達不到預期目的，在施工時，注漿壓力為0.15～0.6 MPa。達到0.6 MPa時持壓3 min后壓力≮0.3 MPa即認為注漿飽和。單次壓漿密實度如不能滿足要求，則需要多次壓漿。

3.2 注漿效果分析

為了研究注漿效果對巖土加固效果的影響，通過數(shù)值分析方法，獲得了鋼護筒變形區(qū)段注漿加固和未注漿加固處理的變形圖如圖7所示。

由圖7可知，未注漿加固鋼護筒最大變形為18.6 mm，注漿加固鋼護筒最大變形為6.7 mm，漿液有效的提高了巖土體自身強度，土體有一定的自穩(wěn)能力，作用于鋼護筒上的圍巖壓力變小，鋼護筒變形變小。

圖7 鋼護筒變形圖

4 鋼護筒變形段切割、封閉成環(huán)

4.1 鋼護筒切割、封閉成環(huán)施工方案

鋼護筒變形部分切割采用氣切割法逐層切割，每層切割高度50 cm，環(huán)向劃分為3塊進行切割，見圖8。護筒切割前，在型鋼支撐上焊接10 cm×10 cm的?25 mm鋼筋網(wǎng)為操作平臺，平臺上鋪設15 mm厚竹膠板，孔內(nèi)切割的鋼板和鑿除巖石掉落在平臺上，及時采用卷揚機吊運出孔口。鋼護筒切割后鑿除巖石，巖石鑿除面形成一環(huán)圓順孔壁；在鋼護筒切割部位，采用20 mm厚鋼板彎制成兩個半圓，焊接封閉成環(huán)，加強鋼板焊接前，采用千斤頂對鋼護筒進行校正，校正過程中采用測量儀器進行測量，確定鋼護筒中心位置，并保證鋼護筒的垂直度。護筒變形部位按50 cm一節(jié)循環(huán)處理，直至完成整個變形部位的處理。每環(huán)加強鋼板接縫采用單面焊接，焊縫要求滿焊，采用水平尺嚴格控制好各節(jié)鋼板連接的垂直度，以便于順利提出樁底錘頭。

錘頭提出后重新制備泥漿，繼續(xù)沖孔至設計樁底標高。由于鋼護筒外周已采用高流態(tài)混凝土填充，鋼護筒與孔壁間的隔離間隙已失效，為滿足設計要求，成孔后在樁頂隔離區(qū)段安放內(nèi)層隔離鋼護筒，長31 m、內(nèi)徑2200 mm、壁厚10 mm，內(nèi)外兩層鋼護筒之間即可形成間隙100 mm的環(huán)形斷面，樁身混凝土灌注后采用爐渣將隔離間隙進行填充。

圖8 鋼護筒切割示意圖

4.2 鋼板厚度驗算

對鋼護筒變形處采用內(nèi)支撐加固，在鋼護筒變形處使用混凝土填充溶洞，填充完畢后逐層切割變形的鋼護筒和填充的混凝土，并采用厚鋼板彎制成兩個半圓，加強處理。加強處受填充后的混凝土側(cè)向壓力，加強處理后是否滿足工程安全需進行驗算。根據(jù)地勘資料得到的材料物理力學特性(參見表1)，距樁頂24 m處所受的側(cè)向壓力可近似根據(jù)下式獲得：

p=γHtan2(45-φ/2)

(1)

式中：p——側(cè)土壓力；γ——土體容重；H——埋深；φ——內(nèi)摩擦角。

護筒厚度根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計原理》可按下述公式計算：

t≥KDp/2fc

(2)

式中：K——安全系數(shù)，取1.65；D——鋼筒外直徑，本工程取2600 mm；p——土壓力；fc——鋼材的軸心抗壓強度設計值，取215 MPa。

根據(jù)研究可得鋼護筒厚度取大于2 mm為宜，本工程采用20 mm鋼板作為加強處理過于保守。

5 結(jié)論

本文針對巖溶地區(qū)樁基礎鋼護筒變形問題展開了處治方法和安全計算研究，其主要研究結(jié)論如下：

(1)3-5號樁鋼護筒變形處理采用氣切割鋼護筒法和千斤頂孔內(nèi)校正變形法。在切割護筒變形部分前，采用C30高流態(tài)混凝土填充、注漿加固辦法，切割后，進行補注漿，使鉆孔施工不漏漿、不塌孔。

(2)型鋼內(nèi)撐采用80 mm×80 mm×2.5 mm矩形鋼管，環(huán)向布置分為3個三角形，豎向設置間距為0.5 m為最優(yōu)。

(3)樁周溶洞采用C30高流態(tài)混凝土進行填充，樁周預埋8根注漿小導管以及4根小導管向上傾斜插入溶洞內(nèi)注漿。通過數(shù)值分析可知，注漿加固比不注漿加固巖土體穩(wěn)定性明顯提高，對鋼護筒擠壓變形小。

(4)鋼護筒變形部分切割采用氣切割法逐層切割，每層切割高度50 cm，環(huán)向劃分為3塊進行切割。切割后采用2 cm厚鋼板彎制成2個半圓，焊接封閉成環(huán)，并用千斤頂對鋼護筒進行校正。