安九鐵路鳊魚洲長江大橋北汊航道橋巖溶下成樁施工工藝控制

高 貴

(武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430212)

1 工程概況

鳊魚洲長江大橋北汊主航道橋?yàn)?49+140+140+49)m預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔斜拉橋，墩號(hào)為N15～N19號(hào)墩。其中N15號(hào)墩為斜拉橋邊墩，布置15根樁，樁長75.7～120.2 m?？辈旖沂?，該墩位上游側(cè)標(biāo)高-80～-90 m區(qū)間內(nèi)為灰?guī)r蓋板，-90～-118 m高程范圍內(nèi)溶蝕發(fā)育，存在較大范圍的溶洞，形態(tài)復(fù)雜多變，聯(lián)通性較好，巖體完整性較差。為確?；A(chǔ)受力安全，樁基穿過巖溶區(qū)域，進(jìn)入弱風(fēng)化灰?guī)r3倍樁徑以上。

N15號(hào)墩位于北汊河道內(nèi)，該段覆蓋層厚度51.5～81.5 m：上部為①～②松散～稍密狀粉細(xì)砂、少量軟塑狀粉質(zhì)黏土等，力學(xué)強(qiáng)度低，工程性能差；中部為③～④大層中密～密實(shí)狀細(xì)砂、稍密～中密狀圓礫層，力學(xué)強(qiáng)度一般，工程性能相對(duì)較好；下部為⑤大層硬塑～堅(jiān)硬黏土，力學(xué)強(qiáng)度一般，工程性能相對(duì)較好。下伏基巖為⑦大層泥質(zhì)粉砂巖、⑧大層灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r等，頂板標(biāo)高-53.29～-81.27 m，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好。N15號(hào)墩樁基下地質(zhì)鉆探揭示有連續(xù)串珠狀大溶洞，最大高度達(dá)25 m。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)情況、樁基孔徑、孔深參數(shù)及溶洞情況，N15號(hào)墩最大孔深達(dá)150 m，KTY3000、KTY4000型鉆機(jī)最大鉆孔深度130 m，最大扭矩為分別為200 kN·m、300 kN·m，鉆機(jī)及鉆具荷載分別為162.5 t、185.0 t，故只能選用最大鉆孔深度大于150 m、最大扭矩值為450 kN·m的KTY5000型鉆機(jī)。

鉆孔施工前，對(duì)巖溶發(fā)育處采取注漿預(yù)處理措施；施工過程中，出現(xiàn)漏漿的情況，采用拋填法和水下混凝土充填法處理；鉆孔完成后進(jìn)行成孔檢測(cè)、清孔、鋼筋籠安裝、水下混凝土灌注等工序，優(yōu)質(zhì)地完成了N15號(hào)墩鉆孔任務(wù)。

2.1 鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、鋼護(hù)筒插打

鉆孔平臺(tái)采用鋼管樁+貝雷梁+平臺(tái)面板結(jié)構(gòu)形式。平臺(tái)尺寸為57.0 m×48.115 m，平臺(tái)頂面標(biāo)高+24.05 m。

鋼管樁頂面縱梁采用型鋼分配梁，再在其上設(shè)置貝雷梁，安裝樁間聯(lián)結(jié)系和貝雷梁及鋼橋面板形成平臺(tái)，平臺(tái)面板采用鋼板，面板與分配梁間采用焊縫連接。為確保KTY5000型鉆機(jī)鉆孔施工安全，在主平臺(tái)區(qū)域設(shè)置雙層聯(lián)結(jié)系以增加平臺(tái)的整體穩(wěn)定性。平臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖1。

由于覆蓋層厚度較大，局部沖刷嚴(yán)重，樁基底部下伏大型溶洞，存在塌孔風(fēng)險(xiǎn)。故考慮鋼護(hù)筒底口插打進(jìn)入不透水層6.0 m，保證護(hù)筒內(nèi)外水頭差；同時(shí)避免在鉆孔過程中溶洞層發(fā)生塌孔或孔內(nèi)水頭發(fā)生急劇變化時(shí)，護(hù)筒底口及周邊不透水層發(fā)生坍塌。鋼護(hù)筒采用APE400液壓振動(dòng)錘并聯(lián)振動(dòng)插打下沉，鋼護(hù)筒插打?qū)虿捎每烧{(diào)式導(dǎo)向輪，上層設(shè)在鉆孔平臺(tái)頂面，下層設(shè)在鉆孔平臺(tái)下聯(lián)結(jié)系頂面。為保證施工安全，護(hù)筒插打完成后，在孔口處設(shè)置護(hù)筒固定措施。

圖1 N15號(hào)墩鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)(單位：mm)

鋼護(hù)筒插打完成后垂直度為1/250以內(nèi)，頂面位置偏差5 cm以內(nèi)。

2.2 巖溶處理

由于本工程地質(zhì)巖溶發(fā)育，根據(jù)設(shè)計(jì)院地勘資料顯示有串珠狀溶洞，且溶腔直徑大、多有承壓水、樁基需穿過溶洞，為確保樁基施工質(zhì)量需對(duì)溶洞進(jìn)行處理。處理根據(jù)逐樁地質(zhì)情況，采取鉆孔前預(yù)注漿處理與鉆孔過程中即遇即處理相結(jié)合的方式。

2.2.1 預(yù)注漿處理

(1)設(shè)備選型：鉆孔設(shè)備為JD-200步履式跟管鉆機(jī)。采取鋼套管跟進(jìn)鉆孔，每天完成1～2個(gè)鉆孔(鉆孔深度較大)；鉆孔清渣(吹渣)采用17型螺桿式高風(fēng)壓空氣壓縮機(jī)；灌漿設(shè)備為DW-350型泥漿泵。

(2)漿液制?。簼{液采用P.O42.5水泥配制，水灰比0.8～1.0。

(3)注漿范圍：當(dāng)溶腔為空洞時(shí)，在樁周(護(hù)筒外圍)均勻布設(shè)4個(gè)注漿孔。當(dāng)溶腔為填充狀態(tài)，但填充物性狀不好或者為半填充時(shí)，在樁周(護(hù)筒外圍)均勻布設(shè)8個(gè)注漿孔?？孜徊贾靡妶D2。

(4) 根據(jù)漿液柱面壓力計(jì)算，注漿壓力P在1 MPa～2 MPa。

(5)注漿方法：采用跟管鉆孔，然后下PVC套管，用袖閥花管進(jìn)行自下而上的分層分段注漿的方法進(jìn)行處理，分段注漿一次完成。

袖閥管注漿是在漿液通過連通管進(jìn)入注漿管，聚集到袖閥管注漿管段，在內(nèi)壓力的作用下，將包裹在PVC外橡膠圈脹開和套殼料擠碎。被加壓的漿液沿著地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生充填、滲透、壓密、劈裂流動(dòng)，此時(shí)由于供漿量小于進(jìn)入量，壓力會(huì)自動(dòng)回復(fù)到平衡狀態(tài)，續(xù)后的漿液在壓力作用下，使得劈裂裂縫不斷向外延伸，漿液在溶腔土體中形成固結(jié)體，達(dá)到增加土體強(qiáng)度、降低土體滲透性的目的。袖閥花管結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 注漿孔孔位布置(單位：mm)

圖3 袖閥花管結(jié)構(gòu)

當(dāng)注漿壓力達(dá)到2 MPa時(shí)，注漿完成，上提鉆具及止水塞，進(jìn)行上一段注漿，自下往上依次注漿至基巖面。在分段注漿過程中注漿壓力不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，待分段注漿完成后，直接在套管口連接悶壓頭，進(jìn)行全孔封閉注漿，注漿壓力不小于2 MPa。

(6)施工工藝：放線定樁位→復(fù)測(cè)→引孔鉆機(jī)就位→鉆機(jī)調(diào)平→套管下放、著床→空壓機(jī)啟動(dòng)，吹出管內(nèi)積水→鉆桿安裝、下放、著床→鉆頭鉆進(jìn)、套管跟進(jìn)至設(shè)計(jì)深度終孔→拔出鉆具→安放注漿外管(袖閥花管)→灌套殼料→拔出鋼套管→下注漿鋅管(內(nèi)管)→自下而上分段注漿→拔出注漿內(nèi)管→補(bǔ)漿→封孔。

2.2.2 鉆孔過程中處理

由于部分樁基穿過高度達(dá)25 m的溶洞，在施工過程中出現(xiàn)了鉆進(jìn)至溶洞頂部時(shí)出現(xiàn)漏漿的情況，采用了拋填法和水下混凝土充填法處理。

(1)拋填法處理：鉆孔施工接近溶洞頂部時(shí)，降低鉆機(jī)進(jìn)尺速度，同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)控孔內(nèi)水頭。部分樁基在鉆進(jìn)至溶洞上方時(shí)出現(xiàn)了漏漿現(xiàn)象，在發(fā)現(xiàn)水頭下降時(shí)，立即向孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿，同時(shí)將鉆頭提至孔口，觀測(cè)水頭持續(xù)下降。為避免造成坍孔，立即采用向孔內(nèi)投入片石、粘土塊和水泥填充，并采取沖擊鉆反復(fù)沖砸，填塞溶洞、擠密護(hù)壁，待孔內(nèi)水頭穩(wěn)定后再繼續(xù)鉆進(jìn)。在回填黏土層鉆進(jìn)時(shí)，添加了粒徑不大于15 cm的片石，片石強(qiáng)度為30～40 MPa，用0.5～1.0 m的低沖程反復(fù)沖砸，使泥膏、片石擠入孔壁形成護(hù)壁，防止糊鉆。

(2)水下砼充填法：針對(duì)穿過大型溶洞的樁基，在鉆孔至溶洞上方時(shí)，密切觀察孔內(nèi)水頭情況，發(fā)現(xiàn)水頭迅速下降時(shí)，立即向孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿，同時(shí)快速將鉆頭提至孔口，防止出現(xiàn)塌孔。對(duì)大型溶洞空溶腔、流塑性充填、破碎充填的溶洞，采用吸泥機(jī)對(duì)洞內(nèi)進(jìn)行清理。安裝導(dǎo)管，灌注水下混凝土進(jìn)行充填，待達(dá)到強(qiáng)度后，重新復(fù)鉆。

2.3 鉆孔施工

2.3.1 泥漿制備

造漿材料由優(yōu)質(zhì)膨潤土、堿(Na2CO3)、羥甲基纖維素(CMC)和聚丙烯酰胺(PHP)等原料組成，泥漿的性能與指標(biāo)如表1所示。

表1 泥漿性能指標(biāo)選擇

泥漿制備配備2臺(tái)6 m3攪拌機(jī)。泥漿配合比由試驗(yàn)室配置完成后，在制漿或鉆孔過程中對(duì)泥漿的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，泥漿指標(biāo)為1.06 g/cm3，滿足鉆孔需要。

鉆孔泥漿系統(tǒng)布置采取集中拌制、集中供應(yīng)、分機(jī)過篩凈化的方式進(jìn)行。鉆渣采用鉆渣箱，配備小型挖掘機(jī)與封閉環(huán)衛(wèi)運(yùn)渣車將鉆渣及時(shí)外運(yùn)至棄渣場集中無害化處理。

泥漿供應(yīng)：通過泥漿箱上的泥漿泵向開孔樁位及相鄰護(hù)筒(儲(chǔ)漿池)補(bǔ)漿。相鄰護(hù)筒內(nèi)與開鉆護(hù)筒之間設(shè)聯(lián)通器和泥漿泵，將泥漿泵送至需用點(diǎn)。開孔前，利用相鄰孔位的護(hù)筒作為儲(chǔ)漿池，在泥漿箱造漿。鉆進(jìn)過程中由泥漿船向儲(chǔ)漿池和孔內(nèi)直接補(bǔ)漿。

清孔：采用氣舉反循環(huán)進(jìn)行清孔,吸泥機(jī)排漿→相鄰護(hù)筒沉淀，泥漿漿渣分離→泥漿經(jīng)聯(lián)通器返回孔內(nèi)→樁孔鋼護(hù)筒內(nèi)利用泥漿船及時(shí)補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)泥漿。

2.3.2 鉆孔

開鉆初期，手動(dòng)給進(jìn)方式慢慢下放鉆頭，低轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)壓，慢進(jìn)尺鉆進(jìn)，以保證孔的垂直度；鉆進(jìn)至護(hù)筒以下1 m后，逐漸增加鉆壓、轉(zhuǎn)速和進(jìn)尺，進(jìn)入正常鉆進(jìn)階段后，根據(jù)地質(zhì)強(qiáng)度和鉆進(jìn)、排渣情況，逐步調(diào)整轉(zhuǎn)速和鉆壓值。

在粉細(xì)砂覆蓋層鉆進(jìn)時(shí)，減慢鉆進(jìn)速度，防止坍孔，泥漿比重為1.12～1.18；在黏土層、細(xì)圓礫土層鉆進(jìn)時(shí)，加大氣舉反循環(huán)，加大轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)速度，可投少量碎石防止鉆頭糊鉆，泥漿比重為1.18～1.23；在巖層與巖層交界面處采用較小鉆壓較低速鉆進(jìn)；巖面傾斜、巖石破碎或巖層構(gòu)造一邊軟一邊硬采用較小鉆壓、較低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)；巖面平整、巖石完整時(shí)采用大鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。泥漿比重為1.19～1.23。

在鉆孔過程中，每班次檢測(cè)泥漿的性能指標(biāo)1次，當(dāng)土層變化時(shí)，檢測(cè)次數(shù)增加至1次/h。

通過計(jì)算鉆桿、鉆具長度，達(dá)到設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高后，及時(shí)掏渣，質(zhì)檢人員對(duì)巖樣進(jìn)行核對(duì)后，采用測(cè)繩對(duì)孔深進(jìn)行確認(rèn)。

孔徑和孔形采用超聲波成孔檢測(cè)儀。N15號(hào)墩15根樁基，孔徑偏差在15～30 mm，滿足設(shè)計(jì)50 mm要求；傾斜度在0.05%～0.43%，滿足設(shè)計(jì)1%要求。

終孔后，采用氣舉反循環(huán)方式進(jìn)行清孔。清孔過程中，孔內(nèi)泥漿水頭始終保持在高出水面4 m以上，滿足要求。

吸泥機(jī)通過頂部彎頭接入吸泥管內(nèi)的風(fēng)管，向吸泥機(jī)內(nèi)部送入壓縮空氣，形成壓力差，將孔底沉渣送出孔外。吸泥機(jī)清孔時(shí)，將吸泥頭提離孔底10～20 cm，并在孔底平面內(nèi)移動(dòng)。清孔過程中，將相對(duì)密度1.03～1.10的較純泥漿補(bǔ)入孔內(nèi)，使懸浮鉆渣較多的泥漿置換出孔外。

2.4 鋼筋籠制作與安裝

鋼筋籠在車間加工制造，分節(jié)運(yùn)輸至樁位，采用吊機(jī)分節(jié)安裝。加工時(shí)以12 m鋼筋定尺長度分節(jié)，底節(jié)作為配節(jié)根據(jù)實(shí)際鉆孔深度進(jìn)行下料。鋼筋籠主筋采用滾軋直螺紋連接，絲頭采用長短絲，采用鎖母型連接套。聲測(cè)管預(yù)先安裝在已成型的鋼筋籠上，采用螺紋連接牢固。

2.5 水下混凝土灌注

在下放鋼筋籠和導(dǎo)管后，測(cè)量孔底沉渣情況，當(dāng)沉渣厚度超過5 cm時(shí)，利用導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔。要求：泥漿比重1.03～1.10 g/cm3，含砂率<2%，粘度17～20 s，沉渣厚度≤5 cm。

拔球法：單樁混凝土量為371～590 m3，水下混凝土灌注采用“拔球+隔水栓”法進(jìn)行施工。首盤混凝土方量不小于14 m3，采用4.5 m3+14.0 m3料斗拔球。

混凝土正常灌注時(shí)確保導(dǎo)管埋深控制在2～6 m。

3 結(jié)束語

針對(duì)本工程具體情況，通過采用針對(duì)性措施，快速、優(yōu)質(zhì)的完成鉆孔樁施工，達(dá)到縮短工期、保證成樁質(zhì)量的效果，同時(shí)減少大型機(jī)械設(shè)備投入、節(jié)約了項(xiàng)目成本，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。