某高速公路立交橋地質(zhì)勘察塌孔原因分析與對(duì)策

施平 張亞輝 趙偉

摘 要：工程地質(zhì)勘察過(guò)程中經(jīng)常遇到鉆孔漏漿甚至塌孔埋鉆現(xiàn)象，不但影響勘察質(zhì)量和工期，而且造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。多年工作實(shí)踐總結(jié)，塌孔主要原因?yàn)椋旱貙訋r土性質(zhì)、鉆機(jī)速度、泥漿稠度、施工機(jī)具及工藝等，往往忽略了地下水類型和特點(diǎn)的影響。本工程在實(shí)施勘察鉆探過(guò)程中出現(xiàn)地下水位附近砂層滲漏嚴(yán)重，塌孔，采用調(diào)整泥漿稠度、控制鉆速等措施均無(wú)果。經(jīng)過(guò)對(duì)場(chǎng)區(qū)地形地貌、地層特征、地下水特點(diǎn)的分析，證明本次滲漏塌孔的主要原因是由于動(dòng)水壓力造成孔壁發(fā)生“流土”破壞失穩(wěn)，并成功指導(dǎo)后期勘察鉆探工作，也為今后橋梁樁基成孔提供建議。

關(guān)鍵詞：鉆探塌孔;土拱效應(yīng);動(dòng)水壓力

中圖分類號(hào)：P634 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 項(xiàng)目概況

擬建分離立交橋設(shè)計(jì)孔數(shù)及孔徑：2x79 m，上部采用轉(zhuǎn)體T型鋼構(gòu)，下部擬采用柱式墩、樁基礎(chǔ)。

橋位區(qū)位于灤河一級(jí)階地，屬于沖洪積平原，地形平坦開闊，地面標(biāo)高一般在40.7 m～41.2 m，相對(duì)高差0.5 m。場(chǎng)區(qū)及附近地貌條件較簡(jiǎn)單，受地質(zhì)構(gòu)造影響，出現(xiàn)孤山包，呈“串珠”狀分布，山體高度小于100 m，孤立分布。本項(xiàng)目路線跨越山包南側(cè)山嘴，均采用橋梁跨越方式。（見(jiàn)圖1）

2 地層條件

2.1 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)區(qū)域資料調(diào)查，場(chǎng)地地層主要為上覆第四系全新統(tǒng)（Q4al+pl）、上更新統(tǒng)（Q3al+pl）沖洪積粉土、黏性土、粉細(xì)砂及碎石土，下伏元古界長(zhǎng)城群大紅峪組（Pt21chd）白云巖（中厚層狀燧石條帶或團(tuán)塊質(zhì)白云巖夾白云質(zhì)泥灰?guī)r，調(diào)繪層理產(chǎn)狀為240°～280°∠30°～40°）、薄層石英砂巖;山嘴東側(cè)下伏太古界（Ar）變質(zhì)閃長(zhǎng)巖與白云巖呈不整合接觸。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件展開橋位區(qū)地質(zhì)勘察鉆探工作，依次由B區(qū)逐步進(jìn)入A區(qū)。

2.2 地下水

勘察期間，山嘴東側(cè)地下水埋藏于粉質(zhì)黏土層，埋深一般在11.0 m～11.5 m。山嘴西側(cè)地下水埋藏于粉細(xì)砂層中，埋深一般14.0 m～14.5 m。（見(jiàn)圖2）

3 鉆孔坍塌原因分析

鉆探作業(yè)進(jìn)入A區(qū)時(shí)候，采用跨墩法進(jìn)行鉆探施工。首次在鉆孔24、2、9出現(xiàn)下部漏漿，并在不足10分鐘時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)坍塌埋鉆現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)校核事故發(fā)生部位，發(fā)現(xiàn)均發(fā)生在初見(jiàn)水位處，即④層飽和粉細(xì)砂層中。挪移孔位后，增加泥漿稠度，在事故附近位置開始降低鉆速，待鉆進(jìn)該層飽和粉細(xì)砂一定深度后，孔內(nèi)液面開始降低，且速度逐步加快，仍然出現(xiàn)了塌孔埋鉆。

根據(jù)以上現(xiàn)象的分析塌孔埋鉆主要原因。

（1）地層特點(diǎn)。砂土層地層為主，孔隙大、中密-密實(shí)狀態(tài)為主是該地層的特點(diǎn)。地下水位以上損耗一定量泥漿，液面略降低，只有不斷補(bǔ)漿才能順利循環(huán)作業(yè)，事故發(fā)生部位主要為④層飽和粉細(xì)砂層，滲漏加劇致使塌孔。

（2）地下水位特征。經(jīng)調(diào)查，并結(jié)合本次部分勘察孔量測(cè)水位分析發(fā)現(xiàn)，山嘴東側(cè)（B區(qū)）穩(wěn)定地下水較西側(cè)（A區(qū)）水位高出3.0 m～4.0 m。距離120 m～150 m左右，存在水頭差。

（3）原因分析。鉆探成孔時(shí)，由于“卸載”作用破壞了原始地層初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，圓形斷面的徑向應(yīng)力狀態(tài)會(huì)很快調(diào)整為環(huán)形分布，形成封閉的應(yīng)力拱。最大主應(yīng)力方向由原來(lái)的豎向轉(zhuǎn)變?yōu)樗江h(huán)向。拱效應(yīng)半徑幾乎在土性不變情況下，僅隨著鉆孔直徑的增大而增大[1]。

鉆探卸荷繼續(xù)，隨著泥漿和鉆具對(duì)飽和砂層孔壁共同作用，瞬時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力。由于山嘴東側(cè)與西側(cè)存在近3%左右的水力坡降，故在西側(cè)飽和砂層中會(huì)產(chǎn)生滲透力。砂土中的滲透水流在水頭差作用下，力的方向與滲流方向一致，有使土顆粒向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，其值等于土粒對(duì)水流的阻力。

icr--臨界水力梯度，γw--地下水重度，σψ-砂土體孔隙比，Gs--比重。

由于AB區(qū)存在水頭差，在B區(qū)出現(xiàn)向上滲流。當(dāng)水力坡降達(dá)到臨界水力坡降克服掉顆粒之間的摩擦力，就會(huì)導(dǎo)致顆粒趨于“懸浮”狀態(tài)。σ值減小，icr也在減小，當(dāng)i>icr飽和土發(fā)生流土破壞。也即初始滲流作用將顆粒間細(xì)粒逐漸帶走，顆粒間的有效摩擦力減小，加之，超孔隙水壓力在砂土中的消散時(shí)間效應(yīng)很短[2]。雙重作用下，導(dǎo)致孔壁顆粒發(fā)生位移持續(xù)發(fā)展，孔壁穩(wěn)定性逐漸減弱。

在動(dòng)水壓力形成的滲透力作用下，加速孔壁失穩(wěn)破壞，水流將泥漿部分顆粒帶走，稀釋漿液，孔內(nèi)泥漿液面迅速降低。當(dāng)發(fā)生動(dòng)水壓力大于浮容重時(shí)，“流土”或“流沙”現(xiàn)象發(fā)生，孔壁四周失去底部支撐發(fā)生坍塌，導(dǎo)致鉆具被埋。

4 對(duì)策及建議

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)及工期要求，最終采用鋼套管護(hù)壁措施，要求套管底端穿過(guò)④層飽和粉細(xì)砂層底不少于3.0 m。杜絕了鉆探塌孔事故的發(fā)生，加快了施工進(jìn)度，縮短工期。對(duì)本場(chǎng)地勘察具有很好的實(shí)用性和指導(dǎo)性。

建議樁基施工前，施工現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)用水井在山嘴東側(cè)設(shè)置，降低上游水頭。由于A區(qū)上部地層砂土及粉土比重大，且土體干燥，施工時(shí)必須設(shè)置護(hù)筒，防止坍塌。

參考文獻(xiàn)：

[1]李大鵬，唐高德，李治忠.基于拱效應(yīng)的鉆探塌孔機(jī)理分析及對(duì)策[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，11（02）：71-77.

[2]姜朋明，胡中雄，劉建航.地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的時(shí)空效應(yīng)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21（03）：338-342.