串珠狀巖溶區(qū)高速公路橋梁樁基施工技術(shù)

羅海煉 鐘興武 侯億暉 陳文鋒

(中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048)

1 概述

在巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)，地下溶洞形狀、大小不一，分布不均勻，承載能力小，溶洞之間連通性好，因此橋梁樁基在鉆進(jìn)施工過程中容易出現(xiàn)塌孔、掉鉆、埋鉆、鉆孔偏斜以及漏漿等問題[1]，從而影響施工進(jìn)度，降低施工質(zhì)量。不同巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)的巖溶形態(tài)各具特點(diǎn)，其中串珠狀巖溶由于溶洞沿深度方向數(shù)量分布較多，發(fā)育程度和規(guī)模不一，從而成為樁基成孔施工最難應(yīng)對(duì)的巖溶形態(tài)之一[2]。雖然王平[3]以廣東紫惠高速公路工程為背景論述了巖溶區(qū)現(xiàn)場(chǎng)施工主要技術(shù)和注意事項(xiàng)，范業(yè)帥[4]針對(duì)河北省柴河特大橋12號(hào)主墩橋梁樁基施工闡述了巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)樁基施工方法及特點(diǎn)，但由于串珠狀溶洞的特殊性，這種復(fù)雜巖溶地區(qū)的橋梁樁基施工技術(shù)還需進(jìn)一步總結(jié)和完善。

本文將結(jié)合廣東省佛清從高速公路北段東升互通橋梁樁基施工實(shí)踐，探討溶洞呈串珠狀分布的復(fù)雜巖溶地質(zhì)橋梁樁基主要施工技術(shù)特點(diǎn)，分析主要施工技術(shù)難點(diǎn)，為類似復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下的橋梁樁基施工提供現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，以此提高高速公路橋梁樁基的施工質(zhì)量和施工效率，避免施工過程中安全事故的發(fā)生。

2 工程概況

廣東省佛清從高速公路北段位于廣州市花都區(qū)赤坭鎮(zhèn)和石角鎮(zhèn)，全長(zhǎng)27.17 km。經(jīng)初步地質(zhì)勘測(cè)，東升互通橋梁工程段處于灰?guī)r地區(qū)，地表覆蓋厚，巖溶發(fā)育較強(qiáng)，溶洞埋深較深，洞高呈0.1 m～16.8 m不均勻分布，其中小型溶洞(洞高小于3 m)占59.43%，大型溶洞(洞高位于3 m～9 m)占34.85%，特大型溶洞(洞高大于9 m)占5.72%。溶洞內(nèi)處于全充填、半充填和無充填等狀態(tài)，充填物多為軟～流塑粉質(zhì)粘土夾灰?guī)r碎塊。在東升互通橋梁工程500根樁基中約有200根樁基的樁底或樁側(cè)分布著溶洞，部分樁基將穿越溶洞沿深度方向呈串珠狀分布的復(fù)雜巖溶區(qū)，穿越溶洞個(gè)數(shù)多達(dá)4個(gè)。

3 主要施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 樁基施工工藝

目前，橋梁樁基成孔常用方法有人工挖孔法、旋挖鉆進(jìn)成孔法、沖擊鉆進(jìn)成孔法等[5]。由于東升互通橋梁工程位于強(qiáng)發(fā)育巖溶區(qū)，在樁基鉆孔施工過程中易出現(xiàn)漏漿，甚至塌孔等安全事故，因此為了使填充物有效地?cái)D入溶洞，提高護(hù)壁堵漏的效果，增強(qiáng)孔壁穩(wěn)定性，建議采用沖擊鉆進(jìn)成孔法。東升互通橋梁段樁基施工流程如圖1所示。

在復(fù)雜巖溶區(qū)使用該成孔施工工藝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來調(diào)整沖擊鉆的沖程大小。沖程過大，易引起較大的振動(dòng)，從而引起塌孔；沖程過小，則耽誤施工進(jìn)度；

2)鉆至巖層時(shí)，若表面不平整，應(yīng)先投入小片石，再進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)，從而防止斜孔、塌孔事故；

3)要適當(dāng)放松鋼絲繩長(zhǎng)度。松繩過少，易形成“打空錐”，損壞機(jī)具；松繩過多，降低鉆進(jìn)速度，易發(fā)生鋼絲繩糾纏事故。在距離設(shè)計(jì)孔底1 m范圍內(nèi)，宜采用小沖程高頻鉆進(jìn)，以此夯實(shí)孔底，有效保證樁孔底部密實(shí)、無破損；

4)沖擊鉆進(jìn)一段時(shí)間后，應(yīng)及時(shí)撈渣。若鉆渣太多，使泥漿濃度變稠，從而吸收大量沖擊能，降低鉆進(jìn)速度?，F(xiàn)場(chǎng)每鉆進(jìn)2 m～4 m應(yīng)進(jìn)行泥漿比重測(cè)定，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)注水，降低泥漿比重；

5)鉆孔過程中需加強(qiáng)測(cè)量復(fù)核，鉆機(jī)進(jìn)尺2 m～4 m后使用護(hù)樁對(duì)孔位平面位置進(jìn)行復(fù)核，若發(fā)生偏孔應(yīng)停止鉆進(jìn)，及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)位置，護(hù)樁位置予以保護(hù)。若護(hù)樁發(fā)生偏移，需重新復(fù)核樁位及護(hù)樁平面位置。

3.2 施工前準(zhǔn)備工作

鉆孔前，需根據(jù)基準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)，按施工技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求布設(shè)施工測(cè)量控制網(wǎng)，控制樁位中心、鉆孔垂直度、樁頂、樁底高程等。由于東升互通橋梁采用雙柱墩結(jié)構(gòu)形式，所以樁基的定位精度要求比普通結(jié)構(gòu)的定位精度高，定位復(fù)核需加強(qiáng)精度控制。樁位精確放樣后，使用線繩在樁基四周布設(shè)護(hù)樁，護(hù)樁距樁基中心點(diǎn)距離根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般在2.5 m～3.0 m之間。

施工前，需對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)進(jìn)行整平加固，若樁機(jī)倉(cāng)促定位會(huì)導(dǎo)致后期施工中出現(xiàn)樁基孔垂直度不合格。若樁基四周地質(zhì)條件不好，要對(duì)鉆機(jī)擺放位置進(jìn)行重點(diǎn)清表，清理到硬土位置為止，然后回填級(jí)配碎石，每回填20 cm后壓實(shí)，再回填下一層并壓實(shí)，最后進(jìn)行整平，鋪設(shè)鋼板，使得鉆機(jī)平穩(wěn)固定在施工平臺(tái)上，保證鉆進(jìn)過程不會(huì)出現(xiàn)鉆機(jī)下沉不均勻或者移動(dòng)偏位情況；若樁基四周地質(zhì)條件好，可對(duì)表面進(jìn)行清理，然后整平，鋪設(shè)鋼板，保證鉆機(jī)位不出現(xiàn)偏移。

根據(jù)測(cè)量放線埋設(shè)鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒的厚度為8 mm，高度為2.0 m～4.0 m，內(nèi)徑比相應(yīng)樁徑大20 cm，護(hù)筒上開有一個(gè)溢漿孔。護(hù)筒埋設(shè)采用人工開挖的方式，將坑底整平，然后放入護(hù)筒，四周即用黏土回填，分層夯實(shí)，并隨時(shí)觀察護(hù)筒，防止填土?xí)r護(hù)筒位置偏移，嚴(yán)格控制護(hù)筒位置和垂直度，鋼護(hù)筒頂部需高出施工場(chǎng)地地面30 cm，防止雜物等進(jìn)入施工孔內(nèi)。

3.3 造漿及清運(yùn)

泥漿在施工過程中在孔壁會(huì)形成一層泥皮，不僅可以起到保證施工孔免于坍塌的作用，還可以起到浮懸土渣的作用。在樁基孔鉆進(jìn)過程中應(yīng)不斷測(cè)試泥漿的性能指標(biāo)，并根據(jù)泥漿性能和地層情況及時(shí)調(diào)整，必要時(shí)可添加外加劑，改善泥漿性能。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要由泥漿池、出漿槽、泥漿泵、沉淀池等部分組成，布置于兩橋墩之間。泥漿池及沉淀池四周應(yīng)布設(shè)防護(hù)網(wǎng)和警示標(biāo)識(shí)，底部周邊碼放砂袋，防止漏漿污染。為了加快施工進(jìn)度及保護(hù)環(huán)境，需在施工場(chǎng)地建設(shè)泥漿沉渣晾曬區(qū)，并由泥漿清運(yùn)車及時(shí)清運(yùn)。

3.4 溶洞處理方案

復(fù)雜巖溶區(qū)的橋梁建設(shè)常會(huì)因溶洞的存在降低施工效率和工程質(zhì)量，若在樁基施工過程中未能有效處理溶洞，則會(huì)在后期運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)橋梁樁基的不均勻下沉，從而影響行車舒適度，甚至出現(xiàn)工程事故和行車安全事故[6]。因此樁基施工中常會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖溶發(fā)育狀況和地質(zhì)情況制定針對(duì)性的溶洞處理方案[7]。東升互通橋梁右幅1-1樁位和3-3樁位分布著串珠狀溶洞，因此在鉆孔施工過程中，出現(xiàn)了嚴(yán)重的漏漿和塌孔施工事故，故現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合了拋填黃土片石法和鋼護(hù)筒跟進(jìn)法來處理溶洞。

當(dāng)鉆至距溶洞頂板距離小于500 mm時(shí)，應(yīng)提出沖擊錘，向孔內(nèi)拋填片石、粘土，再進(jìn)行小沖程鉆孔，直至穿過溶洞后再逐漸加大沖程至正常鉆孔速度；當(dāng)鉆頭穿過溶洞頂板后需立即提出，向孔內(nèi)先后拋填片石和粘土，拋填比例按1∶1施工，再以小沖程高頻率沖擊穿過空洞，將充填物擠入孔壁，實(shí)現(xiàn)人工造壁。對(duì)于串珠狀溶洞中的空溶洞或半充填溶洞，在穿越擊溶洞前，應(yīng)密切注意孔內(nèi)泥漿面的變化，若出現(xiàn)下降，則立即補(bǔ)水，并按1∶2的比例回填粘土和片石，再進(jìn)行沖砸堵漏，當(dāng)漏漿現(xiàn)象全部消失后才正常鉆進(jìn)；對(duì)于溶洞內(nèi)填充物為軟弱粘性土或淤泥，穿越溶洞之后應(yīng)向孔內(nèi)投入比例為1∶1的粘土片石混合物，沖砸固壁，防止孔壁坍塌。當(dāng)鉆孔過程中遇到串珠狀溶洞的大型空溶洞時(shí)，漏漿嚴(yán)重易發(fā)生塌孔事故，此時(shí)應(yīng)采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)法，鋼護(hù)筒直徑要大于樁徑至少10 cm，采用震動(dòng)下沉法將鋼護(hù)筒打至溶洞位置?，F(xiàn)場(chǎng)溶洞處理施工如圖2所示。

3.5 清孔及水下混凝土灌注

樁基孔鉆至設(shè)計(jì)深度后，需對(duì)孔深、孔徑、孔位進(jìn)行檢查，然后采用換漿法對(duì)施工孔進(jìn)行清理。當(dāng)換漿至規(guī)定時(shí)長(zhǎng)后，吊入已經(jīng)制作好的鋼筋籠，進(jìn)行二次清孔，并再次檢查孔內(nèi)泥漿性能指標(biāo)和孔底沉淀厚度是否符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，當(dāng)泥漿含砂率小于2%，相對(duì)密度位于1.03～1.10之間，方可進(jìn)行水下混凝土灌注。

灌注水下混凝土是鉆孔樁施工的重要工序，需要一次完成，中間不能停留。水下混凝土坍落度應(yīng)控制在180 mm～200 mm，在灌注過程中，應(yīng)保持孔內(nèi)水頭和導(dǎo)管埋管深度在2 m～6 m范圍。當(dāng)孔內(nèi)混凝土靠近鋼筋籠時(shí)，應(yīng)使導(dǎo)管保持稍大的埋深，放慢灌注速度，減小混凝土從導(dǎo)管底口出來后產(chǎn)生較大的向上沖擊力，防止鋼筋籠被混凝土頂托上升；當(dāng)混凝土進(jìn)入鋼筋籠一定的深度后，應(yīng)適當(dāng)提高導(dǎo)管，減小導(dǎo)管埋置深度，從而增加鋼筋籠在導(dǎo)管底口下的埋深，增加混凝土對(duì)鋼筋的握裹力。為確保樁頂質(zhì)量，應(yīng)在樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高的基礎(chǔ)上多灌注50 cm～100 cm，灌注結(jié)束后立刻清除樁頂沉渣；待混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后，人工鑿除超灌的混凝土，以保證樁頭混凝土質(zhì)量的良好。

4 施工技術(shù)難點(diǎn)

1)由于巖溶發(fā)育的不連續(xù)性和復(fù)雜性，使得前期鉆孔勘察工作不能完全反映洞走向、分布以及大小，因此在樁基施工中有可能會(huì)碰到未勘探到的溶洞，這樣往往給樁基施工造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，加大了溶洞處理費(fèi)用，且在鉆孔過程中易發(fā)生塌孔、斜孔、卡錘、漏漿等風(fēng)險(xiǎn)，使得樁基成孔操作難度比較高[8]。

2)由于橋址區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)，溶洞呈串珠狀分布且連通性較好，因此在樁基施工過程中溶洞處理工作難度較大，常在同一個(gè)溶洞位置發(fā)生多次漏漿和塌孔。

3)由于部分樁基需穿越串珠狀巖溶地基，樁孔設(shè)計(jì)深度較深，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此需要大量的混凝土材料，且需要長(zhǎng)時(shí)間的灌注施工。而因?yàn)榛炷敛牧系馁|(zhì)量會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生一定的變化，故控制難度會(huì)提高，在灌注環(huán)節(jié)易出現(xiàn)流失與斷柱的問題，因此應(yīng)該加強(qiáng)灌注混凝土材料坍落度的控制[9]。

5 結(jié)語

在復(fù)雜巖溶區(qū)進(jìn)行高速公路橋梁建設(shè)，增大了施工難度，減緩了施工進(jìn)度，加大了施工風(fēng)險(xiǎn)，故本文結(jié)合廣東省佛清從高速公路北段東升互通橋梁樁基施工實(shí)例，對(duì)溶洞呈串珠狀分布的復(fù)雜巖溶區(qū)橋梁樁基施工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，建立了科學(xué)實(shí)用的施工技術(shù)方案，提出了針對(duì)串珠狀溶洞的處理技術(shù)，有效地提高了施工質(zhì)量和施工效率，保障了鉆孔施工安全，確保了橋梁運(yùn)營(yíng)期的安全性和穩(wěn)定性，可為類似復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下的高速公路橋梁樁基施工提供了經(jīng)驗(yàn)參考。