濱海地區(qū)軟弱地層水中超長樁基塌孔處理技術*

李世平，寇 鵬，闕正義，劉 潤

(中建四局第一建筑工程有限公司基礎設施分公司，廣東 江門 529000)

0 引言

為加大橋梁的承載能力，樁基在設計階段呈大直徑樁、超長樁趨勢。軟弱地層水中超長樁在施工中受地形限制，當遇到樁基塌孔、縮徑等問題時，處理相對困難。蓮陽河特大橋主墩24號墩在樁基成孔后，按照規(guī)范要求對樁孔進行二次清孔，在鋼筋籠下放完畢、混凝土澆筑前，出現(xiàn)樁孔塌孔事故，導致樁基鋼筋籠被埋入土中。項目部立刻組織人員分析樁基塌孔事故原因，并采取處理措施。

1 工程概況

蓮陽河特大橋全長1 459.6m，其中12～26號墩柱位于蓮陽河水中，水下樁基共126根，樁基受力形式為摩擦樁。發(fā)生塌孔事故的24號墩樁基直徑為2.0m、樁長135m、有效樁長為115m，為全橋最長樁基。

表1 樁基施工場地巖土層分布情況

2 樁基塌孔事故原因分析

本工程24號墩樁基使用泵吸式反循環(huán)鉆機進行成孔施工，下放鋼筋籠后，樁孔坍塌。通過分析地質(zhì)勘察報告，坍塌主要原因是地質(zhì)問題。24號墩樁基施工穿越地層主要為粉質(zhì)黏土和砂土，土體穩(wěn)定性差，按照JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規(guī)范》，二次清孔后泥漿相對密度為1.1，由于樁孔周圍土體穩(wěn)定性差，經(jīng)二次清孔后，孔內(nèi)泥漿無法支撐樁孔導致塌孔。

3 塌孔樁基處理施工技術

3.1 塌孔事故處理難點

本事故處理難點如下：①主墩24號墩樁基塌孔后鋼筋籠埋入土層中，無法直接取出鋼筋籠；②水中施工前已根據(jù)設計樁位搭設施工平臺，必須在原樁位重新進行成孔施工；③在作業(yè)平臺上使用其他機械直接沖擊鋼筋籠，導致鋼筋彎曲破壞樁孔，且鋼筋籠經(jīng)過沖擊壓縮后發(fā)生彈簧現(xiàn)象，鉆機重新成孔施工時，鋼筋籠反彈鉆頭導致無法鉆進施工。

3.2 塌孔處理措施

3.2.1軟弱地層塌孔處理技術原理

為同步清理鋼筋籠與重新成孔，縮短處理時間，在樁孔中投入花崗巖，通過沖擊鉆沖擊埋入樁孔內(nèi)的鋼筋籠，同時完成原樁位成孔。不同于常規(guī)沖擊鉆施工，樁孔中已有鋼筋籠，為防止鋼筋籠變形影響樁孔質(zhì)量和鉆孔施工，在鉆孔施工前投入花崗巖，以固定鋼筋籠，保證沖擊鉆直接沖碎鋼筋籠，不影響樁孔成孔質(zhì)量，使用電磁鐵吸出鋼筋籠碎塊。樁孔清孔時，由空壓機風管送風，將破碎的花崗巖隨泥漿一同排出樁孔，清除孔底沉渣。塌孔處理填筑如圖1所示。

圖1 塌孔處理填筑示意

沖孔施工前投入硬質(zhì)花崗巖，壓縮強度應達到200MPa，粒徑≤60cm，以保證破碎后可從導管中隨泥漿一起排出樁孔，保證清孔質(zhì)量。施工所用設備如下：①沖擊鉆 用于重新成孔+擊碎鋼筋籠，鉆頭重9t，直徑為2.15m；②電磁鐵 用于清理鋼筋碎塊，額定電壓220V，調(diào)運能力為7 000～55 000kg；③空壓機 用于清孔施工，公稱容積流量為21.39m3/min，公稱排氣壓力為1.2MPa。

3.2.2鉆孔施工工藝

原樁位沖擊成孔施工工藝流程如圖2所示。沖孔前在樁孔內(nèi)填入花崗巖，樁孔內(nèi)土層頂部為黏土層時，填筑深度通常為7～10m；樁孔內(nèi)土層頂部為砂層時，填筑深度通常為10～12m。使用沖擊鉆擊碎鋼筋籠，隨鋼筋碎塊和花崗巖碎石增多，沖擊鉆無法繼續(xù)進尺，此時在樁孔內(nèi)吊放電磁鐵吸出鋼筋碎塊。當不再吸出鋼筋碎塊時，表示全部清理完成。

圖2 沖擊成孔施工工藝流程

沖擊鉆擊碎花崗巖的沉渣處理是塌孔處理技術的核心。超長樁清孔時泵吸力損失大，鉆至設計標高進行二次清孔時超過3h。本項目孔底砂粒、石粒沉渣極多，若通過沉淀池自然沉淀，則增加泥漿循環(huán)所需時間。

針對項目特點改進鉆進過程中泥漿置換和成孔后二次清孔施工工藝。泥漿泵吸出孔內(nèi)泥漿后，通過泥砂分離器帶出泥漿進行沉淀分離，經(jīng)過沉淀池過濾后進入泥漿池，縮短自然沉淀時間。泥漿置換原理如圖3所示。

分別進行單門檻、雙門檻和三門檻效應檢驗，綜合考慮后最終采用雙門檻模型進行估計，高技術產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新效益的門檻值有兩個，分為三個部分，新產(chǎn)品銷售收入處于低門檻區(qū)域的數(shù)據(jù)有6個，處于高門檻區(qū)域的數(shù)據(jù)有11個，大多數(shù)數(shù)據(jù)處于中等門檻區(qū)域，數(shù)據(jù)數(shù)量基本上服從正態(tài)分布。當創(chuàng)新效益較低時，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新速度的彈性系數(shù)也較低，為0.168;當創(chuàng)新效益中等時，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新速度的彈性系數(shù)有所提高，為0.450;當創(chuàng)新效益水平較高時，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新速度的彈性系數(shù)更高，為0.866。這表明隨著創(chuàng)新效益總量的提升，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新速度彈性系數(shù)處于遞增狀態(tài)。

圖3 泥漿置換原理

二次清孔時使用空壓機快速清理花崗巖沉渣，步驟如下：①將空壓機風管和導管插入孔底；②空壓機風管將1.2MPa的壓縮空氣送入孔底，吹起花崗巖沉渣；③在風壓和水壓共同作用下，泥漿順導管攜帶花崗巖沉渣進入沉淀池；④經(jīng)沉淀后的泥漿進入泥漿池，通過泥漿泵送入樁孔。使用空壓機改進傳統(tǒng)清孔方式，實現(xiàn)超長樁快速清孔，單次清孔時間為1～2h。清孔時孔內(nèi)泥漿相對密度維持在1.4，孔底沉渣厚度≤15cm。泥漿循環(huán)清孔原理如圖4所示。

圖4 泥漿循環(huán)清孔原理

鉆孔施工使用的泥漿由水、膨潤土、火堿等材料配制，膨潤土具有良好的懸浮性，增強泥漿對沉渣的懸浮和攜帶能力，火堿增加泥漿黏度。泥漿循環(huán)時開啟泥漿制備機，及時調(diào)整泥漿池中的泥漿。

清孔開始后，隨孔內(nèi)泥漿攜帶孔底花崗巖沉渣排出，降低孔內(nèi)泥漿相對密度。在泥漿池中加入膨潤土和火堿，通過泥漿泵將泥漿池中的泥漿泵入樁孔中，以維持孔內(nèi)泥漿相對密度，防止塌孔。

3.3 樁基成樁施工

樁基成孔后使用空壓機和泥砂分離器進行二次清孔，沉淀池中的沉淀隨清孔排出，當不再有沉渣排出時，完成清孔。

清孔完成后下放鋼筋籠，使用導向架對鋼筋籠進行準確定位。鋼筋籠下放后立即下放經(jīng)過氣密性檢測的導管，導管安裝完成后澆筑混凝土。加強檢測混凝土材料坍落度，關注首車混凝土灌注情況，由于樁孔內(nèi)泥漿相對密度大、樁孔深，需保證水下混凝土坍落度在190～200mm，以免混凝土無法翻漿。混凝土澆筑過程中使用吊錘觀察混凝土上升高度，避免導管拔出過長以致斷樁。

樁基施工過程中進行混凝土取樣，分別制作標準養(yǎng)護試塊和同條件養(yǎng)護試塊，當混凝土強度達到要求時檢測樁基，經(jīng)超聲波檢測樁基樁身完整性，混凝土質(zhì)量合格，達到I類樁標準。

4 結語

1)軟弱地層中施工超長樁，進行二次清孔時，需將泥漿相對密度提高到1.4，泥漿相對密度過低會加大樁基塌孔風險，同時由于泥漿相對密度增加，混凝土需超灌1～2m以保證樁頭質(zhì)量。

2)水中樁基施工處理受地形限制，在其他位置重新施工樁基時，需調(diào)整水上作業(yè)平臺，增加成本，嚴重影響工期，最佳處理方式是在原樁位重新進行成孔施工。

3)將花崗巖投入樁孔中，配合沖擊鉆的沖擊作用擊碎鋼筋籠，使用電磁鐵吸出鋼筋籠碎塊，清理埋入土中的鋼筋籠，可解決軟弱地層超長樁鋼筋籠清理困難的問題。