沙漏型巖溶塌陷區(qū)鉆孔灌注樁施工技術(shù)

劉筆艷

（中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北武漢 430080）

0 引言

我國幅員遼闊，巖溶地貌分布廣泛，巖溶分布面積約占國土總面積的1/3，公路、鐵路、房屋建筑等工程建設(shè)領(lǐng)域選址時(shí)不可避免會經(jīng)過這些地區(qū)。在這些地區(qū)進(jìn)行樁基施工風(fēng)險(xiǎn)極大，主要表現(xiàn)為兩方面：一是成孔過程中易發(fā)生施工事故，如漏漿、塌孔、卡鉆等；二是成樁后可能影響樁基本身的質(zhì)量[1]，造成廢樁。

在巖溶地段進(jìn)行樁基施工如何確保質(zhì)量和安全，已有不同方面的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和研究成果。徐軍[2]以肇花高速公路北江特大橋巖溶樁基施工為例，通過下鋼護(hù)筒以及采用化學(xué)改性泥漿的方法進(jìn)行成孔，確保了樁基施工的順利完成；朱哲鋒和李云鋒[3]以廣州某廣場基礎(chǔ)施工為例，描述了全套管灌注樁施工工藝；翟曉靜和張艷娟[4]在廣樂高速公路大橋樁基施工中采取了預(yù)處理為主、沖孔過程處理兩個(gè)方式相結(jié)合的方案；畢樹峰[5]依托杭長鐵路客運(yùn)專線（江西段）進(jìn)賢特大橋樁基，提出了多種方式組合使用的方案；蔡曉男等[6]針對橋梁臨水作業(yè)如何搭設(shè)施工平臺，總結(jié)巖溶條件下樁基施工采用旋挖設(shè)備與沖擊鉆組合施工的技術(shù)要點(diǎn)；顏波和盧輝[7]針對廣州某高速公路巖溶地段橋梁樁基施工中遇到的問題，提出了根據(jù)溶洞的大小和類型采用不同處理方式的決策機(jī)制。

以上研究對巖溶地區(qū)樁基施工處理技術(shù)進(jìn)行了一定的總結(jié)與探索，但是對巖溶塌陷區(qū)樁基施工中如何確保施工安全和成樁質(zhì)量涉及較少。本文在前人研究基礎(chǔ)之上，結(jié)合工程實(shí)例，提出了在巖溶塌陷區(qū)樁基施工前的預(yù)處理措施和發(fā)生塌陷后樁基的施工方案。

巖溶塌陷是很多工程項(xiàng)目普遍存在、不可避免的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。根據(jù)可溶巖之上第四系覆蓋層土的性質(zhì)和地下水作用的不同，巖溶塌陷類型可分為沙漏型塌陷、土洞型塌陷和真空吸蝕型塌陷三種[8]。

在巖溶塌陷地區(qū)進(jìn)行樁基施工時(shí)，若不采取措施，采用一般常規(guī)的施工工藝施工，經(jīng)常會發(fā)生漏漿、垮孔，不但樁基成孔困難，施工時(shí)，一旦發(fā)生地面塌陷將會導(dǎo)致設(shè)備傾倒和人員傷亡事故，不僅存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，還會導(dǎo)致工期延誤、費(fèi)用增加，影響工程正常開展。為解決上述問題，樁基施工前對未塌陷區(qū)域必須事先采取預(yù)處理措施，對已經(jīng)發(fā)生塌陷的區(qū)域需采取特殊的施工工藝措施。

1 沙漏型巖溶塌陷機(jī)理

巖溶塌陷機(jī)理比較復(fù)雜，眾多學(xué)者提出了各種理論，徐衛(wèi)國等[9]針對采礦區(qū)巖溶塌陷特點(diǎn)提出了“真空吸蝕論”；田級生等[10]認(rèn)為是滲透侵蝕作用；代群力[11]認(rèn)為是地下水或氣壓波動與蓋層固有頻率一致時(shí)，將出現(xiàn)共振，從而引發(fā)塌陷；徐衛(wèi)國等[12]認(rèn)為巖溶塌陷產(chǎn)生的根本原因按其成因機(jī)制分析，是基巖上部覆蓋的部分土體受力平衡被打破，塌陷體受到的致塌力大于抗塌力，發(fā)生失穩(wěn)破壞。

沙漏是古代的一種計(jì)時(shí)裝置，由兩個(gè)玻璃球和一個(gè)狹小的連接管道組成，沙漏型塌陷一般發(fā)生在長江（河流）一級階地地貌單元二元結(jié)構(gòu)地層組合的沖積層中[13]，若該地層下覆基巖巖溶發(fā)育，巖溶（洞）隙無充填或半充填，且溶洞（隙）與第四系孔隙含水層有開口通道，巖溶水位處于土、巖接合面以下，或巖溶承壓水低于孔隙水位（或承壓水頭），當(dāng)向下滲流的水力坡度i大于孔隙含水層的流土臨界水力坡度icr時(shí)，受力平衡被打破，飽和砂土呈液態(tài)，發(fā)生流土，砂土向溶洞（隙）中漏失，從而導(dǎo)致地面塌陷。

2 沙漏型巖溶塌陷成因

沙漏自身具備兩個(gè)特性[8]，一是有兩個(gè)球型的容器容納足夠的沙子，二是兩個(gè)容器之間有連通通道。沙漏型巖溶塌陷具有內(nèi)外兩個(gè)誘因，沙漏型巖溶塌陷的內(nèi)在因素包括巖溶（洞）隙無充填或半充填，溶洞（隙）與第四系孔隙含水層有開口通道。沙漏型巖溶塌陷的外在因素為工程施工、抽排地下水等人類活動[14]導(dǎo)致連通通道被打通。

3 樁基施工前的預(yù)處理措施

3.1 巖溶的預(yù)處理

樁基施工前，需采取施工勘察手段查明巖溶發(fā)育程度、充填情況、地下水位埋深、變化規(guī)律等。目前常用的巖溶施工勘察手段主要為鉆探，為準(zhǔn)確查明了解巖溶發(fā)育形態(tài)、分布以及連通情況，鉆探需確保一樁一孔，對局部較復(fù)雜地段或樁徑較大的樁需一樁多孔，必要時(shí)可以輔以物探手段。

查明巖溶情況后，采用預(yù)注漿法堵塞溶洞，截?cái)鄮r溶水流動的方式對該部位進(jìn)行處理。

注漿施工方法為：利用施工勘察孔進(jìn)行注漿，開孔直徑不得小于91～108 mm；注漿材料采用P.S.A32.5及以上水泥，水灰質(zhì)量比為0.5∶1～1∶1；注漿管采用直徑25 mm的鋼管，底部采用花管，花管長度根據(jù)洞高確定，孔眼直徑5 mm，間距10 cm；注漿時(shí)注漿壓力不宜太大，控制在0.3～1.5 MPa范圍，具體壓力值由現(xiàn)場試驗(yàn)確定。速度為10～35 L/min；注漿順序應(yīng)先外圍注，逐漸向里注漿，并間隔跳躍注漿；注漿處理以孔口返漿為原則，長時(shí)間不返漿，可采用間歇式注漿方式。

3.2 砂層的預(yù)處理

采用高壓旋噴樁低壓噴漿對上部砂層進(jìn)行固化，砂層固化后，在重力作用下，砂顆粒不會向下移動。

施工方法為：采用高壓旋噴樁設(shè)備將噴漿管下沉到達(dá)設(shè)計(jì)深度，下沉過程中為防止泥沙堵塞噴嘴，可采用0.5 MPa左右的壓力邊下管邊噴水；到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，按設(shè)計(jì)確定的提升速度，從下而上旋轉(zhuǎn)噴漿。加固范圍從砂層頂部到巖石表面，高壓旋噴樁樁徑、水泥用量、樁的布置等參數(shù)需根據(jù)地層情況確定。

4 塌陷發(fā)生后樁基施工工藝的選擇

4.1 旋挖+長鋼護(hù)筒工藝

旋挖+長鋼護(hù)筒工藝采用振動錘將護(hù)筒打入土中，然后采用旋挖機(jī)取土成孔。鋼護(hù)筒能夠起到護(hù)壁的作用，防止砂層向下滲漏，避免塌陷發(fā)生。但是受振動錘的限制，鋼護(hù)筒打入土中的深度有限，且受地質(zhì)情況和孔深影響，鋼護(hù)筒需要根據(jù)孔深在孔口進(jìn)行焊接后再打入土中，焊接用時(shí)較長。當(dāng)側(cè)壁摩阻力較大時(shí)，鋼護(hù)筒有無法拔出的風(fēng)險(xiǎn)，增加成本。

施工方法為：采用振動打拔錘將護(hù)筒打入土中一定深度，然后采用旋挖鉆機(jī)取土，旋挖取土深度不能超過護(hù)筒底面，需預(yù)留一定深度的土層，防止塌孔。護(hù)筒長度根據(jù)孔深焊接。

4.2 全套管全回轉(zhuǎn)工藝

全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)通過動力設(shè)備夾緊套管進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，在壓入力和扭矩的共同作用下將套管壓入土層深部，首節(jié)套管帶合金刀頭，用于在套管鉆進(jìn)時(shí)施工。套管鉆入一定深度后，采用旋挖鉆機(jī)或?qū)Ｓ脹_抓斗將套管中的巖土掏出，當(dāng)遇到大的漂石或孤石時(shí)可先用十字沖錘將其砸碎后再取出。該工藝套管入土深度不受限制，后期成樁后套管可以拔出。

主要施工程序有測量放線、全回轉(zhuǎn)主機(jī)就位、吊裝安放鋼套管、套管鉆進(jìn)取土、鋼筋籠制作安裝、混凝土澆筑、拔套管、澆筑成樁。施工工藝流程見圖1。

圖1 全回轉(zhuǎn)施工工藝流程圖

5 工程實(shí)例

5.1 工程概況

武漢白沙洲地區(qū)某項(xiàng)目，擬建8棟高層和超高層住宅，其中3#?8#樓位于砂巖地帶，1#樓和2#樓局部位于灰?guī)r地帶，2#樓處于砂巖與灰?guī)r交界處。設(shè)計(jì)采用直徑800 mm的鉆孔樁基礎(chǔ)，平均樁長約45 m。根據(jù)施工勘察情況，為預(yù)防塌陷發(fā)生，需對2#樓區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理。

5.2 工程地質(zhì)情況

場地地貌屬長江右岸Ⅰ級階地后緣地貌，上部為黏性土、淤泥質(zhì)土，中部為砂和砂礫石交互層，是典型的二元結(jié)構(gòu)組合地層（見表1），下部為灰?guī)r或砂巖、砂礫巖。

表1 主要地層情況表

5.3 預(yù)處理措施

（1）溶洞預(yù)處理

2#樓位于灰?guī)r與砂巖交界地帶，樁基前采用鉆探手段進(jìn)行了施工勘察，一樁一孔，對鉆探時(shí)僅對發(fā)現(xiàn)有巖溶空洞、溶洞半充填或鉆探時(shí)發(fā)生循環(huán)液漏失的樁進(jìn)行注漿預(yù)處理，其他情況下的樁未進(jìn)行注漿處理，注漿完成后采用旋挖工藝施工。旋挖施工時(shí)，先后有兩根樁已經(jīng)成孔，施工過程無異常，孔深達(dá)到終孔條件，在驗(yàn)收過程中發(fā)生垮塌，后及時(shí)回填，暫停樁基施工。后采用高壓旋噴低壓注漿進(jìn)行處理。

（2）砂層預(yù)處理

采用高壓旋噴低壓注漿對上部的砂層進(jìn)行固化預(yù)處理。高壓旋噴采用三重管工藝，壓力2 MPa，處理深度從砂層頂?shù)綆r石表面為止，水泥用量每孔8 t，每米約260 kg，孔按2 m×2 m網(wǎng)格狀布置。在高壓旋噴樁施工期間又先后發(fā)生兩次塌陷，兩次塌陷均發(fā)生在旋噴樁上拔鉆桿噴漿期間。

以上預(yù)處理措施未能達(dá)到預(yù)期效果，分析原因?yàn)椋孩偈┕た辈炀炔粔?，未能探明巖溶區(qū)域，且溶洞內(nèi)的注漿不夠徹底，僅對發(fā)現(xiàn)有巖溶空洞、溶洞半充填或鉆探時(shí)發(fā)生循環(huán)液漏失的樁進(jìn)行了注漿；②高壓旋噴工藝噴漿壓力過大，導(dǎo)致巖溶與砂層間的連通通道被打通。

5.4 塌陷區(qū)樁基施工方案的確定

本場地砂層平均厚度約10 m，采用旋挖或沖孔工藝施工，會對巖溶上部的砂層造成擾動，同時(shí)還會打通巖溶與砂層之間的通道，最終發(fā)生沙漏型塌陷。全套管全回轉(zhuǎn)工藝成孔過程中采用鋼套管護(hù)壁，且套管入土深度較深，能夠有效防止砂層向下部巖溶區(qū)滲漏，從而預(yù)防塌陷的發(fā)生，確保樁基施工的安全和成樁質(zhì)量，因此，決定采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工。

為確保重型設(shè)備在塌陷區(qū)施工時(shí)的安全，擬在塌陷區(qū)域設(shè)置型鋼平臺，型鋼采用工字鋼，高、寬、腹板厚度、翼緣厚度分別為800 mm、300 mm、14 mm、20 mm，間距2 m×2 m。鋼平臺平面布置見圖2。

5.5 實(shí)施效果

采用全套管全回轉(zhuǎn)施工工藝施工塌陷區(qū)的樁基，套管深度下至巖面，旋挖配合取土，順利完成樁基施工任務(wù)，未再次發(fā)生塌陷，樁基檢查結(jié)果合格。

6 結(jié)論

（1）樁基施工前，必須采取有效的勘察手段，詳細(xì)查明場地地層情況、巖溶發(fā)育程度及分布情況，并分析存在塌陷的可能；鉆探需確保一樁一孔，對局部較復(fù)雜地段或樁徑較大的樁需一樁多孔，必要時(shí)可以輔以物探手段。

（2）施工勘察孔均應(yīng)采用壓注水泥漿充填封閉巖溶，注漿量以孔口返漿為原則，可間歇進(jìn)行，確保實(shí)現(xiàn)巖溶全充填；注漿順序宜由外向內(nèi)進(jìn)行。

（3）采用高壓旋噴樁對上部砂層進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，需控制注漿壓力，不得大于2 MPa，防止壓力過大，破壞土層結(jié)構(gòu)，打通沙漏通道，發(fā)生塌陷。

（4）樁基施工時(shí)，對已經(jīng)發(fā)生塌陷的部位，當(dāng)巖面在20 m內(nèi)時(shí)，可采用旋挖+長鋼護(hù)筒的工藝進(jìn)行施工；當(dāng)巖面較深時(shí)，采用全套管全回轉(zhuǎn)工藝能夠確保樁基施工的安全。