某特大橋喀斯特地區(qū)超深人工挖孔樁施工技術(shù)控制

池卓航，吳新星，戴偉權(quán)，袁雄彪，王 豐，蔡方明

（1、中國建筑第四工程局有限公司 廣州510665；2、中建四局華南建設(shè)有限公司 廣州510663）

0 引言

某特大橋地處復(fù)雜多樣的構(gòu)造侵蝕-溶蝕低中山地貌石灰?guī)r地質(zhì)，堆積危害體覆蓋較厚，溶洞、溶槽發(fā)育，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施端承樁式基礎(chǔ)，結(jié)合以上情況，并通過專家論證，適宜采用人工挖孔樁的施工方法。而本工程所在地為貴州，是溶洞、巖溶較多且喀斯特地貌明顯的區(qū)域。不僅如此，降水多、地下水豐富也是此施工區(qū)域的顯著特征。以上都給本工程樁基礎(chǔ)的施工帶來諸多困難和不確定性。本文將著重探討在喀斯特地貌地區(qū)進(jìn)行超深人工挖孔樁施工的技術(shù)措施與控制。

1 概述

1.1 工程簡況

某工程為某大橋施工工程，橋左幅孔跨布置如下：1×40 m簡支T梁+（86+160+86）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+（4×40）m+（4×40）m+（4×40）m+（4×40）m 先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，橋梁全長1 028.267 m。

右幅孔跨布置：（3×40）m先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁+（86+160+86）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+（4-40）m+（4-40）m+（4-40）m+（4-40）m 先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，橋梁全長1 102.577 m。

大橋右幅5 號主墩采用雙肢薄壁空心墩，墩高133 m，超深樁基采用群樁基礎(chǔ)，基深為72.5 m，樁徑為2.5 m。

1.2 地形地貌及水文地質(zhì)

本工程地處貴州省北高原北部，橋位跨越山澗溝谷及縣道X314，地形起伏程度大，該地屬于溶蝕-構(gòu)造低山地貌，有堆積體、危巖體存在，場區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。

場區(qū)屬長江流域-綦江水系-羊蹬河支流。地下水類型為第四系松散土層孔隙裂隙水、基巖風(fēng)化層裂隙水及巖溶裂隙水。地下水靠大氣降水補(bǔ)給，降水大部分以坡面流形式匯入場區(qū)地勢低洼處排出場區(qū)，部分匯入火焰洞中排泄。一部分下滲形成地下水沿巖體節(jié)理裂隙及巖層層面賦存運(yùn)移［1］。地下水受季節(jié)影響大，雨季基巖裂隙水及巖溶裂隙水較豐富，水量較大；枯水期補(bǔ)給差，水量相對較小。

1.3 挖孔的特點(diǎn)、重難點(diǎn)

⑴樁基樁孔開挖深度深，達(dá)72.5 m。

⑵樁基樁孔開挖孔徑大，直徑達(dá)2 500 mm。

⑶樁基地處喀斯特地貌地區(qū)，地質(zhì)條件不佳。

⑷超深人工挖孔樁在溶洞處的施工難度較大。

2 喀斯特地區(qū)人工挖孔樁的挖孔工藝

2.1 地質(zhì)特征

根據(jù)勘察地質(zhì)報(bào)告，右幅5#主墩樁基地質(zhì)狀況如圖1所示，場區(qū)屬于不良地質(zhì)堆積體，堆積體剛好位于橋梁右幅5#主墩樁基處及其附近，塊石成分為白云質(zhì)灰?guī)r，塊徑一般1～3 m，含量約80%，其間粘土充填，厚度20～55 m，結(jié)構(gòu)松散-稍密。覆蓋層厚45～55 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚0～2 m［2］。

而本樁基地處喀斯特地貌地區(qū)，如圖1 所示?？λ固氐孛彩侵溉缡沂瓤扇苄詭r石由于長期被地下水及地表水或浸泡或沖刷等溶蝕作用下，逐漸形成的巖層狀態(tài)，且隨著時(shí)間的推進(jìn)，此種巖溶特征會(huì)越發(fā)明顯。

圖1 大型喀斯特溶洞Fig.1 Large Karst Cave

超深人工挖孔樁在喀斯特地貌地區(qū)的挖樁工藝較為復(fù)雜，對于此區(qū)域，如果不能很好地掌握工程工藝技術(shù)，將會(huì)導(dǎo)致工程質(zhì)量下降，不能達(dá)到預(yù)期的施工效果。

2.2 溶洞處挖孔施工工藝流程

施工過程中遇到溶洞或溶槽地形，需要先根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告描述與實(shí)地考察，明確溶洞大小、特征及承載力、巖溶的分布情況、溶洞的頂板厚度以及上覆軟土等相關(guān)信息。為保證人工挖孔樁施工成功，除滿足國家規(guī)范要求外，還要結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，合理組織施工，對施工過程中的困難點(diǎn)作出有效處理。

其次，根據(jù)溶洞的相關(guān)信息，在距溶洞或溶槽頂3 m范圍內(nèi)適宜小開孔的方法，一般選用掏槽破頂法。

接著采用爆破方法擴(kuò)大溶洞洞口，因爆破區(qū)為山坡斜面上，且樁位較密集，為確保施工安全，采用控制預(yù)裂爆破，以控制爆破飛石及爆破震動(dòng)。

爆破施工時(shí)，需通過以下防護(hù)技術(shù)措施：

⑴掏槽眼宜選用圓錐形布置；

⑵適合的裝藥長度；

⑶采用延期爆破的網(wǎng)路；

⑷炮眼布設(shè)采取淺孔密眼；

⑸藥包位置用小棍進(jìn)行固定；

⑹每次進(jìn)尺控制在1 m范圍內(nèi)。

同時(shí)，要注意在密集炮孔、分散裝藥、規(guī)?？刂?、微差多分段和覆蓋防護(hù)的基礎(chǔ)上，采用淺眼松動(dòng)爆破方案?？讟睹看伪频纳疃炔灰顺^1 m，以防止爆破震壞上節(jié)護(hù)壁，避免出現(xiàn)塌孔等現(xiàn)象。

最后經(jīng)過計(jì)算后，在滿足溶洞四周、底部能承受工作人員荷載條件時(shí)，進(jìn)入對溶洞樁身進(jìn)行處理。

3 溶洞樁身處理方法比選

通常針對無填充物的干溶洞樁身，采用以下幾種方法進(jìn)行處理：

3.1 片石混凝土回填

片石混凝土回填，即當(dāng)采用人工挖孔進(jìn)行施工過程中，出現(xiàn)了溶洞且漏漿的情況時(shí)，利用片石混凝土進(jìn)行回填，以增大孔壁的自穩(wěn)能力［3］。

此施工方法適用范圍：適用于高度、寬度均不大于3 m的偏小溶洞。

優(yōu)點(diǎn)：施工方法較為簡單，原材料價(jià)格低，工藝造價(jià)低。缺點(diǎn)：保護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性弱，承載能力較低，不適合于大型溶洞的處理。

在本工程中，針對較小的溶洞，可采用此方法進(jìn)行樁身處理。

3.2 素混凝土回填

素混凝土回填，即在人工挖孔過程中，當(dāng)遇到溶洞漏漿或傾斜巖面時(shí)，可選擇填充灌注低標(biāo)號的素混凝土，待達(dá)到強(qiáng)度且穩(wěn)定后使用沖擊鉆進(jìn)行挖孔成孔。

此施工方法適用范圍：適用于中型或者小型溶洞。無論有無填充物均可采用此施工方法。

優(yōu)點(diǎn)：施工工藝簡單，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，工藝造價(jià)較適宜。缺點(diǎn)：填充范圍較小，需要等待時(shí)間，大型溶洞不適合用此方法。

3.3 現(xiàn)澆鋼筋混凝土護(hù)壁

現(xiàn)澆鋼筋混凝土護(hù)壁，即采用人工挖孔進(jìn)行洞身開挖過程中遇到大型溶洞時(shí)，可采用植入鋼筋并與周圍巖石固定，同時(shí)搭設(shè)混凝土澆筑模板，進(jìn)而澆筑混凝土的護(hù)臂保護(hù)措施［4］，如圖2所示。

圖2 搭設(shè)混凝土澆筑模板Fig.2 Setting up Concrete Pouring Formwork

插入鋼筋前需計(jì)算配筋，待結(jié)果符合強(qiáng)度要求后，方可進(jìn)行鋼筋搭設(shè)。為防止初凝，需要連續(xù)進(jìn)行混凝土的澆筑，且保證護(hù)壁的修筑在當(dāng)日連續(xù)施工完畢，24 h 后進(jìn)行模板拆除，如圖3 所示。拆模后，如遇蜂窩、漏水、漏泥、露筋等情況，及時(shí)用早強(qiáng)性混凝土修補(bǔ)，防止孔外水通過護(hù)壁流入樁孔內(nèi)，同時(shí)為保證灌注混凝土穩(wěn)固成型，避免漿液外漏造成缺陷樁提供先決條件。

圖3 混凝土連續(xù)施工Fig.3 Continuous Concrete Construction

此施工方法適用范圍：適用于大型及中型溶洞。

優(yōu)點(diǎn)：護(hù)壁強(qiáng)度高、穩(wěn)定性能好，造價(jià)相對較低，適用范圍廣，可針對不同類型溶洞調(diào)整配筋及混凝土強(qiáng)度。成孔形狀好，形式靈活多變，可采用加大、加厚的護(hù)壁模式。

缺點(diǎn)：施工工序較多，方法較為復(fù)雜。

在本工程中，針對大型、中型溶洞，可采用此方法進(jìn)行樁身處理，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)澆鋼筋混凝土護(hù)壁Fig.4 Cast-in-situ Reinforced Concrete Construction

3.4 鋼護(hù)筒跟進(jìn)加固

鋼護(hù)筒跟進(jìn)加固法，即鋼護(hù)筒跳進(jìn)法：在進(jìn)行人工挖孔洞身開挖的同時(shí)，于已成孔的孔壁內(nèi)側(cè)搭接鋼護(hù)筒，通常采用下壓或震動(dòng)的方法將其固定在需要加固的位置。

此施工方法適用范圍：適用于高度、寬度大于3 m的特大型溶洞［5］。

優(yōu)點(diǎn)：施工工序較少，操作不復(fù)雜，成孔形狀好，護(hù)壁強(qiáng)度高、穩(wěn)定性能好。

缺點(diǎn)：施工難度較大、造價(jià)高，對材料及樁基條件要求高，鋼護(hù)筒孔徑要準(zhǔn)確，并要求樁孔豎直，無歪斜、縮頸等。

經(jīng)實(shí)際操作對比，喀斯特地區(qū)的人工挖孔樁樁身處理，在中型溶洞、大型溶洞適宜選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土進(jìn)行護(hù)壁，對于小型溶洞適宜采用片石混凝土回填護(hù)壁。

4 施工安全措施

4.1 有害及可燃?xì)怏w檢測

為防止施工人員在井下施工作業(yè)時(shí)發(fā)生安全事故，挖井至地下4 m 以下時(shí)，需要使用可燃?xì)怏w測定儀，檢查孔內(nèi)作業(yè)面是否有沼氣等可燃?xì)怏w，若有，需處理好后方可進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。如在開挖深度超過10 m的孔樁進(jìn)行有害及可燃?xì)怏w的檢測工作：在每次作業(yè)前，用2 臺(tái)有毒有害氣體探測儀進(jìn)行探測并做好相關(guān)記錄，使用儀器型號為QB2000T型。

有毒有害氣體探測方法：在作業(yè)人員下孔施工前，先用吊裝儀器將氣體探測儀放至孔底，觀察有無報(bào)警反應(yīng)。探測儀的使用時(shí)間必須滿足設(shè)備說明、相關(guān)施工規(guī)范要求（響應(yīng)時(shí)間不宜少于60 s）。檢測需符合《作業(yè)場所環(huán)境氣體檢測報(bào)警儀通用技術(shù)要求》中的規(guī)定，檢測誤差以及報(bào)警誤差標(biāo)準(zhǔn)［6］如表1、表2所示。

表1 檢測誤差[7]Tab.1 Detection Error

表2 報(bào)警誤差[8]Tab.2 Alarm Error

如探測結(jié)果不符合以上標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)規(guī)范規(guī)定時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)防護(hù)措施進(jìn)行通風(fēng)排氣等消毒方式，待符合要求后再進(jìn)行孔內(nèi)作業(yè)。

4.2 檢測實(shí)驗(yàn)

將活鴿子裝入籠中用吊裝設(shè)備放入孔底做有毒、有害氣體檢測試驗(yàn)，放置時(shí)間約為十分鐘，再向上提設(shè)備取出鴿子，進(jìn)行觀察，無異常則可進(jìn)行孔內(nèi)作業(yè)。用以確保作業(yè)人員的身體健康。

4.3 通風(fēng)措施

下井作業(yè)開工前，須先檢測洞口井下是否存在有毒有害氣體。當(dāng)井下深度超過6 m 時(shí)，需安排送風(fēng)機(jī)向井下送風(fēng)，送風(fēng)管直徑須≥10 cm，風(fēng)量也要≥25 L/s，操作人員需在出風(fēng)管口2 m范圍內(nèi)實(shí)施工作。同時(shí)于作業(yè)期間須滿足每2 h 檢測1 次有害氣體與洞內(nèi)含氧量的條件，現(xiàn)場要求配備5 套滿足施救需要的隔絕式縮氧自救器［9］?？咨钌疃瘸^15 m 時(shí)，工作人員隨身配備對講機(jī)1 部，并且作業(yè)人員在孔內(nèi)連續(xù)作業(yè)時(shí)間不得超過2 h。當(dāng)孔深深度超過30 m 時(shí)需給作業(yè)人員配備升降設(shè)備，如圖5所示為安裝的通風(fēng)管道、電纜及安全繩。

圖5 孔內(nèi)施工裝置Fig.5 In-hole Construction Device

5 結(jié)語

通過貴州某特大橋右幅5#墩超深基礎(chǔ)的成功修筑，對在喀斯特地區(qū)人工挖孔樁挖孔過程的施工流程、施工技術(shù)與安全控制等有了進(jìn)一步的認(rèn)識與提高。針對挖孔過程中遇到不同類型溶洞應(yīng)采取的處理方法做了比對，并選擇出最適合此次工程的施工方法，其技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)可供類似工程借鑒。