溶洞群地層橋梁鉆孔樁施工技術(shù)

賈 波

(中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

1 工程概況

梅花店特大橋位于乾佑河上游峽谷區(qū)，兩跨乾佑河河道及西旬公路，全長(zhǎng)530.54 m，為16孔32 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁，直線(xiàn)圓形橋墩，橋高22 m。每個(gè)墩臺(tái)均為4根Φ1.5 m的鉆孔樁基礎(chǔ)。8#～14#墩為溶洞區(qū)樁基，樁長(zhǎng)26～51 m，共計(jì)28根，總長(zhǎng)1 006.5 m。其中，8#～10#墩樁基為柱樁，11#～14#墩樁基為摩擦樁。橋梁與主流斜交約8°～14°。地表覆蓋約6～13 m厚砂黏土，其下為碎石土及角礫土，厚約5～15 m不等，其下為千枚巖；河床內(nèi)覆蓋約5～18 m卵石土夾砂層，其下為具溶蝕性的灰?guī)r。該橋尤以8#～14#墩地質(zhì)最復(fù)雜，位于巖溶發(fā)育區(qū)及大斷層破碎帶。該段地質(zhì)主要為斷層壓碎巖，局部為斷層泥及斷層角礫，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶混雜其間且極發(fā)育。溶洞高度一般為1～2 m，最大為12.45 m，位于14#墩。溶洞孔隙發(fā)育，極不規(guī)則，多數(shù)為松散角礫及砂黏土充填，局部為未充填空洞，存在連通現(xiàn)象。該地層為國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)的溶洞群不良地質(zhì)，施工難度極大。

2 施工方案比選

在施工方案研究中，提出了兩種方案。方案一是先處理、加固溶洞，再按常規(guī)鉆孔。具體做法：采用Φ80～150 mm孔徑鉆機(jī)鉆孔打穿溶洞，壓注水泥砂漿填充溶隙并加固孔內(nèi)填充物；對(duì)大于50 m3的空洞，則進(jìn)行間歇壓漿使其固結(jié)成島狀，然后按設(shè)計(jì)鉆孔。該方案需要購(gòu)買(mǎi)有關(guān)設(shè)備，壓漿工藝復(fù)雜，施工費(fèi)用大，且壓漿效果無(wú)法評(píng)估，施工風(fēng)險(xiǎn)大[1-3]。方案二是采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)以保證覆蓋層穩(wěn)定，再采用片石及黏土擠壓等處理加固溶洞段孔壁，通過(guò)溶洞。具體做法：先利用Φ1.8 m孔徑鉆機(jī)鉆至基巖面下0.5 m處，下入鋼護(hù)筒，再用Φ1.5 m孔徑鉆機(jī)鉆至規(guī)定標(biāo)高。該方案操作工藝簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少；處理溶洞時(shí)，即使發(fā)生嚴(yán)重漏漿，鋼護(hù)筒仍能起保護(hù)作用，施工安全度高[4-5]；該方案費(fèi)用低。通過(guò)認(rèn)真比選，決定采用方案二。

3 鉆孔施工

沖擊鉆孔是溶洞樁基施工的關(guān)鍵。本工程采用4臺(tái)GCF型正循環(huán)沖擊鉆機(jī)施工，覆蓋層采用直徑為Φ1.78 m的鉆頭，基巖鉆進(jìn)采用Φ1.48 m的鉆頭，鉆頭均為十字型。

3.1 施工準(zhǔn)備

(1)搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)，并安裝鉆機(jī)。準(zhǔn)備好水泥、黏土、片石等溶洞處理材料。(2)埋設(shè)孔口護(hù)筒。鋼護(hù)筒采用厚度大于10 mm的鋼板制作，如圖1所示。吊裝采用16 t吊車(chē)，貼角連接采用滿(mǎn)焊，逐節(jié)下沉跟進(jìn)。下護(hù)筒前，采用低沖程清洗孔壁探頭，同時(shí)制作護(hù)筒時(shí)外徑應(yīng)小于孔徑5 cm。如出現(xiàn)護(hù)筒下不去，可在護(hù)筒頂加蓋，用鉆頭輕擊，使其下至設(shè)計(jì)標(biāo)高。下護(hù)筒時(shí)，以孔口夾板及繃?yán)K定位，并用2臺(tái)經(jīng)緯儀相交校側(cè)，以保證鋼護(hù)筒下沉斜度不超過(guò)1%，孔中心線(xiàn)與軸線(xiàn)相差不大于50 cm。

圖1 制作鋼護(hù)筒示意圖

3.2 覆蓋層施工

開(kāi)孔前對(duì)樁位進(jìn)行復(fù)核，孔口護(hù)筒埋設(shè)應(yīng)用土密實(shí)，以防孔口漏漿、坍孔。開(kāi)孔采用低、中沖程鉆進(jìn)，為防止提速過(guò)快出現(xiàn)內(nèi)負(fù)壓引發(fā)坍孔和鉆桿撞擊孔壁，應(yīng)均速提鉆。鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)勤抽碴、勤換漿。粉砂層鉆進(jìn)時(shí)更應(yīng)注意泥漿濃度，加強(qiáng)護(hù)壁，并向孔內(nèi)及時(shí)補(bǔ)水，保持水頭高度。

3.3 基巖及溶洞鉆進(jìn)

進(jìn)入基巖或溶洞底板時(shí)均用片石、黏土回填2～3 m，低沖程沖砸，以防出現(xiàn)斜孔。正常鉆進(jìn)時(shí)采用大沖程。根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)柱狀圖和泥漿漏失情況判斷是否接近溶洞頂板，在離溶洞頂板1.5～2.0 m時(shí)，采取小沖程鉆進(jìn)，通過(guò)溶洞時(shí)采用擠石造壁等措施。

3.4 清孔及灌注混凝土

清孔采用循環(huán)泥漿法。清孔前采用小沖程砸孔底10～15 min，以攪動(dòng)孔底沉碴；換漿清孔至沉碴厚度滿(mǎn)足要求。下鋼筋籠前檢查孔徑和沉碴厚度，下鋼筋籠時(shí)，保證孔口偏差小于5 cm，斜度小于1%。下籠后，再測(cè)孔底沉碴厚度，如不滿(mǎn)足要求則采取在灌砼導(dǎo)管的頂部加蓋，與泥漿泵連接，用泥漿循環(huán)再次清孔，合格后才能灌注砼。

3.5 溶洞處理

處理溶洞時(shí)，應(yīng)認(rèn)真研究設(shè)計(jì)地質(zhì)樁狀圖，并根據(jù)鉆孔中漏漿情況及其他現(xiàn)象，核對(duì)實(shí)際地質(zhì)，以采取針對(duì)性處理措施。

(1)溶洞內(nèi)有填充物的處理。此類(lèi)溶洞填充物多為松散角礫、砂黏土或細(xì)砂，鉆進(jìn)時(shí)泥漿漏失現(xiàn)象不明顯，漏漿量少且速度慢，由于孔壁松散，極易坍孔。處理此類(lèi)溶洞的關(guān)鍵在于加固孔壁，并輔以堵漏，如圖2所示。處理時(shí)，采用比重1.2～1.4優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，小沖程鉆孔。如溶洞高度較小，可投入黏土造漿固壁通過(guò)，不必采取其他措施，如溶洞高度較大，投入片石、黏土并用小沖程擠壓、沖砸，將其片石、黏土擠入孔壁。

圖2 填充溶洞處理示意圖

(2)溶洞內(nèi)無(wú)填充物的處理。擊穿溶洞頂板時(shí)，該類(lèi)溶洞易發(fā)生嚴(yán)重漏漿現(xiàn)象，投入片石、黏土等處理后漏漿現(xiàn)象即不太明顯。處理此類(lèi)溶洞的原理是投入處理材料，在空洞內(nèi)形成人工島，再鉆孔通過(guò)，如圖3所示。擊穿溶洞頂板后，應(yīng)保持孔內(nèi)水頭，及時(shí)補(bǔ)充泥漿。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)圖確定溶洞大小，投入處理材料，鉆孔高出溶洞頂板2～4 m時(shí)應(yīng)及時(shí)堵漏。對(duì)體積較小溶洞體，投入比例為2∶1的黏土與片石，采用小沖程鉆孔通過(guò)；如空洞體積大于50 m3，則需投入袋裝黏土、片石等，其比例為1∶1.5～1∶2，必要時(shí)投入數(shù)袋水泥，采用小沖程沖砸10～15 min，靜置2～3 h后繼續(xù)鉆孔通過(guò)。

圖3 未填充溶洞處理示意圖

(3)連通溶洞的處理。擊穿此類(lèi)溶洞頂板時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重的漏漿現(xiàn)象，并在下游河內(nèi)出現(xiàn)冒渾水現(xiàn)象。因有地下水活動(dòng)，堵漏極為困難。施工8#墩鉆孔時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)9#墩附近河床冒渾水。處理此類(lèi)溶洞的關(guān)鍵在于堵漏，同時(shí)兼顧造壁，如圖4所示。擊穿頂板后，應(yīng)及時(shí)拋投袋裝黏土及片石堵漏，并補(bǔ)充泥漿保持水頭，小沖程鉆孔。如無(wú)法止漏，可投入數(shù)袋水泥，采用小沖程沖砸10～15 min，靜置2～3 h，再小沖程鉆孔通過(guò)。

圖4 連通溶洞處理示意圖

3.6 鉆孔事故處理

14#墩1#樁首次鉆孔時(shí)，鉆至標(biāo)高612.318 m時(shí)，因鉆頭磨損嚴(yán)重，提出補(bǔ)焊，焊好后繼續(xù)鉆孔時(shí)發(fā)生卡鉆。為取出鉆頭，采取了如下措施：一是在孔底放入炸藥炸松巖層；二是用短鋼軌另外加工半圓鉆，在發(fā)生卡鉆位置的四周擴(kuò)孔；三是采用高壓風(fēng)吹松孔底沉碴，并用泥漿泵抽碴；四是采用2臺(tái)鉆機(jī)及1臺(tái)吊車(chē)同時(shí)向上提拉。處理20 d未見(jiàn)效果，孔內(nèi)繼而發(fā)生坍孔埋鉆，鉆頭無(wú)法取出，原樁報(bào)廢。經(jīng)與設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位會(huì)商，采取補(bǔ)樁，按變更設(shè)計(jì)處理。

該墩地質(zhì)最為復(fù)雜，溶隙極端發(fā)育且錯(cuò)落無(wú)序，鉆孔難度最大，卡鉆處正位于溶洞底部。據(jù)分析，卡鉆原因可能有以下情況：鉆頭弧面磨損嚴(yán)重，造成上部孔徑不圓順或溶洞頂板出現(xiàn)探頭石，鉆頭易下不易上；鉆頭補(bǔ)焊過(guò)多，未緩慢下放及小沖程處理上部孔壁，導(dǎo)致卡鉆；溶洞底部溶槽未處理好，鉆頭下放時(shí)被卡在溶槽中；鉆頭下放速度過(guò)快，至底部時(shí)發(fā)生傾斜被卡住。由于溶洞段鉆孔泥漿濃度較稠，含砂率高，處理卡鉆時(shí)產(chǎn)生沉碴沉淀，增大了卡鉆的處理難度；由于處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，孔內(nèi)換漿不及時(shí)，泥皮老化造成坍孔、埋鉆。

針對(duì)以上原因，在后續(xù)鉆孔施工中采取了預(yù)防措施：一是加強(qiáng)對(duì)鉆頭磨損的檢查，保證磨耗不超過(guò)1.5 cm，磨損后及時(shí)用耐磨焊條補(bǔ)焊；二是加強(qiáng)對(duì)溶洞頂板擴(kuò)孔，避免探頭石及孔徑不圓順現(xiàn)象；三是投入足夠的袋裝片石、黏土，用小沖程擠入填平溶隙；四是輕提輕放鉆頭，避免鉆頭傾斜卡鉆。同時(shí)，還加強(qiáng)檢查鋼絲繩，發(fā)現(xiàn)斷絲立即更換，鋼絲繩接頭等處上足繩卡并擰緊，以防掉鉆。此后，未再發(fā)生類(lèi)似事故。

3.7 坍孔事故處理

施工初期，8#墩1#樁及9#墩1#、2#樁均在628 m高程附近發(fā)生泥漿嚴(yán)重漏失，造成孔內(nèi)坍孔，這說(shuō)明兩墩溶洞存在溶隙相連，為開(kāi)放型連通溶洞。對(duì)坍孔原因進(jìn)行分析，認(rèn)為主要有以下5個(gè)方面的原因：(1)該溶洞為開(kāi)放連通型，溶洞內(nèi)泥漿漏失快，水頭下降突然，無(wú)法及時(shí)處理；(2)實(shí)際地質(zhì)與設(shè)計(jì)有出入，處理措施未跟上；(3)覆蓋層孔壁存在探頭石，護(hù)筒未下到位；(4)泥漿濃度不夠，護(hù)壁效果差；(5)操作不當(dāng)，發(fā)現(xiàn)漏漿時(shí)上提鉆頭過(guò)快，在孔底引起負(fù)壓，或采用沖程過(guò)大，引起溶洞周?chē)L(fēng)化巖層松動(dòng)。鑒于上述3根樁坍孔不嚴(yán)重，護(hù)筒位移均小于5 cm，對(duì)下部施工影響小，施工中采取了以下措施處理：采用片石及黏土回填坍孔及四周，比例1∶1；重新補(bǔ)充泥漿保持水頭，比重1.6～1.8，小沖程沖砸鉆孔；效果差，則再次投入片石、黏土，并加入數(shù)袋水泥，小沖程沖砸10～15 min，靜置2～3 h后繼續(xù)小沖程鉆進(jìn)。一旦發(fā)現(xiàn)坍孔跡象，應(yīng)及時(shí)提出鉆頭，避免發(fā)生卡鉆、掉鉆、埋鉆事故，同時(shí)應(yīng)派人觀察，如有引起鉆機(jī)四周坍方跡象時(shí)，應(yīng)及時(shí)拆出鉆機(jī)，避免鉆機(jī)埋入溶洞中。如坍孔引起護(hù)筒位移過(guò)大，影響下部鉆孔，可采用壓重法等進(jìn)行糾偏；如無(wú)法糾偏，可用片石及黏土填平孔樁，其比例為3:1，重新鉆孔。為預(yù)防坍孔，鉆孔前應(yīng)備足片石、黏土及足夠的泥漿；施工中應(yīng)根據(jù)鉆頭撞擊孔底聲音、鋼絲繩松緊、泥漿漏失情況判斷核對(duì)實(shí)際地質(zhì)；確保鋼護(hù)筒下至設(shè)計(jì)標(biāo)高；出現(xiàn)漏漿及時(shí)處理，并采用小沖程鉆進(jìn)。

3.8 其他事故處理

由于溶洞段及粉砂層透水性強(qiáng)，或有地下水活動(dòng)，鉆孔時(shí)均易發(fā)生漏漿現(xiàn)象。處理措施是：加稠泥漿或投入黏土造漿；回填黏土及片石、卵石等反復(fù)沖砸加固孔壁，必要時(shí)投入數(shù)袋水泥，沖砸后靜置數(shù)小時(shí)，固結(jié)孔壁堵漏[6-7]。本工程各樁均存在不同程度的漏漿現(xiàn)象，采用此法堵漏效果頗佳。由于溶洞鉆孔采用泥漿比重及黏度較大，泥漿中含砂率較高，若停止循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，鉆碴易沉淀，造成鉆頭糊鉆，或清孔困難。本工程施工未發(fā)生過(guò)糊鉆現(xiàn)象，但部分樁基長(zhǎng)時(shí)間清孔，沉碴厚度仍不能滿(mǎn)足要求。后來(lái)在施工中加強(qiáng)了泥漿循環(huán)，同時(shí)采取了縮短停泵時(shí)間，補(bǔ)水保持泥漿比重及黏度適中，清孔時(shí)加強(qiáng)換漿，縮短下鋼筋籠時(shí)間等多種措施，并加強(qiáng)沉碴厚度測(cè)量，確保了沉碴厚度符合要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)該橋溶洞區(qū)鉆孔樁施工較順利。除8#、9#號(hào)墩3次坍孔及14#號(hào)墩卡鉆、坍孔埋鉆外，未發(fā)生其他鉆孔事故。經(jīng)隨機(jī)抽芯檢測(cè)，樁身混凝土強(qiáng)度及沉碴厚度均滿(mǎn)足驗(yàn)標(biāo)要求，質(zhì)量?jī)?yōu)良；由于溶洞區(qū)鉆孔順利，竣工提前工期6個(gè)月。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本工程溶洞樁基施工期間，每臺(tái)鉆機(jī)平均日進(jìn)尺1.58 m。溶洞區(qū)實(shí)際鉆孔工期為6個(gè)月，表明采用的施工技術(shù)是可行的。

(2)溶洞樁基鉆孔時(shí)，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)地質(zhì)柱狀圖，并根據(jù)鉆頭撞擊孔底聲音、鋼絲繩松緊、泥漿漏失等情況判斷核對(duì)實(shí)際地質(zhì)，并加強(qiáng)孔深、泥漿比重、孔底沉碴厚度等的測(cè)量，確保鉆孔安全及質(zhì)量。

(3)采用GCF型正循環(huán)鉆機(jī)施工溶洞鉆孔樁，所需設(shè)備少，工藝簡(jiǎn)單。此法可適用于覆蓋層為中等厚度的各種土層、基巖破碎且溶隙發(fā)育地層的鉆孔樁施工。

(4)溶洞處理的關(guān)鍵在于堵漏、造壁。處理時(shí)必須先弄清溶洞情況，處理方法必須有針對(duì)性，應(yīng)堅(jiān)持分類(lèi)處理；堅(jiān)持鋼護(hù)筒跟進(jìn)、擠石造壁等措施，采用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，小沖程鉆進(jìn)。