喀斯特地區(qū)橋梁鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

劉 峰，萬 送

武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015

橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)因具有承載力高、抗震能力強(qiáng)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)用廣泛。工程人員如果不了解鉆孔灌注樁機(jī)理、設(shè)計(jì)方法、施工工藝等，可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間出現(xiàn)各種病害，嚴(yán)重影響橋梁運(yùn)營安全和使用壽命，甚至?xí)斐蓢?yán)重的社會影響及經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究橋梁鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)具有重要的工程意義。

1 項(xiàng)目概況

文章以武漢市二環(huán)線某高架橋梁為研究對象分析喀斯特地區(qū)橋梁樁基的設(shè)計(jì)方法。該高架橋工程全長約1850m，橋?qū)?8m，雙向四車道。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用流線型現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁及鋼箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁基本跨度為30m；橋墩為雙圓柱式花瓶墩，每墩基礎(chǔ)采用4根直徑為1.3m的鉆孔灌注樁。巖土勘察報(bào)告揭露場地下伏基巖為石灰?guī)r，局部分布有溶洞，溶洞能見率為53%，為場地不良地質(zhì)作用；石灰?guī)r巖體強(qiáng)度較大，樁基礎(chǔ)按端承樁設(shè)計(jì)。

2 橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)步驟

2.1 喀斯特地質(zhì)處理

根據(jù)工程詳勘報(bào)告，橋梁工程范圍內(nèi)存在溶洞且較發(fā)育?？λ固卦谖覈植际謴V泛，根據(jù)國內(nèi)喀斯特地區(qū)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，喀斯特是一種形態(tài)奇特、分布復(fù)雜的自然現(xiàn)象，宏觀上雖然有發(fā)育規(guī)律，但在具體場地上，其分布和形態(tài)則是無常的，故必須事先逐樁進(jìn)行施工勘察或由施工單位進(jìn)行超前鉆，查清喀斯特情況。

喀斯特地區(qū)樁長設(shè)計(jì)一般應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況確定，當(dāng)完整基巖厚度小于3倍樁徑或5m時，樁端應(yīng)穿過溶洞進(jìn)入下層基巖?？λ固氐貐^(qū)端承樁入巖深度宜淺不宜深，應(yīng)優(yōu)先保證基巖頂板安全厚度，基巖嵌巖最小深度可取0.5m[1]。當(dāng)溶洞地板跨度較大時（＞5d，d為樁徑），應(yīng)進(jìn)行巖土數(shù)值分析，此時不得按一般構(gòu)造處理。

喀斯特地質(zhì)一般可對溶洞進(jìn)行預(yù)處理，常用的處理方法有注漿法、回填法，兩種處治方法的加固機(jī)理、處治順序等如表1所示。

表1 橋梁樁基溶洞處治措施對比

根據(jù)該工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)，在溶洞大小、分布明確的情況下或溶洞形態(tài)較為復(fù)雜、發(fā)育豐富時，可通過鉆探孔進(jìn)行注漿預(yù)處理，在后期成孔過程中能起到較為積極的作用，不僅能降低掉鉆、卡鉆、漏漿的概率，順利成孔，還能提高樁基承載力，確保工程質(zhì)量。

2.2 樁型和持力層選擇

橋梁樁基礎(chǔ)根據(jù)受力條件不同可分為摩擦樁、端承樁等，不同的樁基受力特性和適用條件可能存在較大的差異。在選擇樁基礎(chǔ)時，首先要考慮上部結(jié)構(gòu)荷載，然后結(jié)合樁基范圍內(nèi)的工程地質(zhì)、地下水、施工條件等初步擬定樁基礎(chǔ)的樁長和樁徑等，并對樁基方案進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對比，選出經(jīng)濟(jì)合理的樁型。

持力層是樁基礎(chǔ)能否發(fā)揮其承載力的關(guān)鍵，在選擇時應(yīng)堅(jiān)持以下原則[2]：第一，沉降變形滿足規(guī)范要求；第二，盡量選擇在堅(jiān)硬的土層上，以減小樁基沉降，提高樁基承載力；第三，如果無堅(jiān)硬土層，則要盡可能地選擇壓縮性低的土層。

2.3 樁基極限承載力計(jì)算

在計(jì)算橋梁鉆孔灌注樁的樁基礎(chǔ)承載力時，一般只計(jì)算樁底反力，而對嵌巖段的側(cè)摩擦阻力不予考慮，僅將其作為安全系數(shù)儲備。同時，樁基安全系數(shù)的確定應(yīng)綜合考慮巖體均勻性、裂隙發(fā)育情況等因素，通常取2.5～3.0，其中堅(jiān)硬、裂隙少的巖體安全系數(shù)取小值，中風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化、裂隙發(fā)育程度高的巖體安全系數(shù)取大值。

2.4 樁基數(shù)量確定

樁基數(shù)量n可根據(jù)其承載力計(jì)算結(jié)果來初步估算，計(jì)算式為

式中：F為樁基豎向力，kN；G為承臺及承臺以上土的重力，kN；R為單樁承載力，kN。

如果樁基礎(chǔ)處于偏心受壓狀態(tài)，且群樁截面形心和荷載合力作用點(diǎn)基本重合，可按式（1）初步擬定樁基根數(shù)，然后進(jìn)行樁基受力驗(yàn)算。如果群樁截面形心和荷載合力作用點(diǎn)距離相差較大，可將上述樁基數(shù)量提高10%～20%。

2.5 樁位布置

在布置橋梁鉆孔灌注樁時應(yīng)盡可能地確保各樁頂受力均勻，通常布置為單排樁或多排樁。單排樁適用于地質(zhì)條件好、橋梁高度和跨度較小的橋梁結(jié)構(gòu)；多排樁一般采用行列式、梅花式或環(huán)狀排列布置，適用于地質(zhì)條件一般或水平推力較大的橋梁基礎(chǔ)。樁基平面布置形式確定之后，還要選擇合適的樁間距。當(dāng)樁間距較小，擠土效應(yīng)和群樁效應(yīng)會對樁基承載力產(chǎn)生一定程度的弱化。樁間距確定應(yīng)綜合考慮土質(zhì)、成樁方法等因素，摩擦樁中心間距≥2.5d，端承樁和嵌巖樁中心間距≥2.0d。同時鉆孔灌注樁間距也不宜過大，一般最大中心距不得大于6d。

2.6 鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配筋率：鉆孔灌注樁正截面配筋率應(yīng)控制在0.25%～0.95%（小樁徑取大值，大樁徑小值），并保證縱向主筋在樁身周邊是均勻分布的，盡可能地減少鋼筋接頭數(shù)量。同時，通常使用螺旋式箍筋，如果樁基承受的水平荷載較大，箍筋應(yīng)該加密處理。

保護(hù)層：結(jié)合混凝土耐久性設(shè)計(jì)要求，鉆孔灌注樁的混凝土標(biāo)號不低于C35，保護(hù)層厚度≥70mm。

3 橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工技術(shù)

橋梁樁基施工是確保項(xiàng)目整體進(jìn)度和建設(shè)水平的關(guān)鍵。在類似喀斯特地區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)情況下，樁基成孔難度較大，樁基承載力也不易保證，必須嚴(yán)格控制樁基施工過程。

3.1 鉆孔灌注樁施工流程

橋梁樁基施工主要采用的是反循環(huán)鉆孔灌注樁，其施工流程主要是設(shè)置護(hù)筒→制備泥漿→鉆孔→孔底清渣→放入鋼筋籠→灌注混凝土→成樁檢測[3]。

護(hù)筒埋設(shè)：護(hù)筒直徑一般要大于樁基直徑，其端部應(yīng)盡可能地埋入透水性較差的黏土層，以避免地下水滲入鉆孔內(nèi)，影響孔內(nèi)外的靜水壓力平衡，造成塌孔。如果黏土層距離樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高較遠(yuǎn)，也可將護(hù)筒底埋入沙礫層中，此時應(yīng)當(dāng)在護(hù)筒外側(cè)分層回填透水性差的黏土或用粉土夯壓密實(shí)，并確?？妆谒畨耗芊€(wěn)定在0.02MPa以上。采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)法施工時，應(yīng)分段駁接振入，節(jié)段間焊接應(yīng)密實(shí)、不漏水。

制備泥漿：制備護(hù)壁泥漿時膠體率不得超過95%，含砂率應(yīng)小于4%，同時應(yīng)當(dāng)根據(jù)土層特點(diǎn)選擇合理的泥漿比重。如果泥漿比重過大，則樁孔鉆挖效率較低；如果泥漿比重過小，則泥漿難以充分發(fā)揮其鉆孔護(hù)壁功能。在黏土中鉆挖時，土層透水性小，泥漿比重在1.02～1.04即可。在沙礫土層鉆挖，由于其透水性強(qiáng)，容易塌孔，需要適當(dāng)提高泥漿比重，可取1.05～1.08。

鉆進(jìn)速度：橋梁樁基在成孔時要根據(jù)各地層巖、土特性，項(xiàng)目工期和進(jìn)度要求等選擇合適的鉆孔機(jī)械，以保障工程進(jìn)度。施工中應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場管理，嚴(yán)格按規(guī)范工序施工，尤其是粉質(zhì)土層，要保證護(hù)壁泥漿的質(zhì)量，不宜過快，以免造成塌孔。

3.2 穿越溶洞成孔施工

穿越溶洞是橋梁樁基的施工難點(diǎn)之一，如果施工方法選擇不當(dāng)，容易造成施工困難或成樁質(zhì)量不合格，引發(fā)橋梁整體塌陷等事故。鉆孔穿越溶洞之前，需要對樁基范圍內(nèi)的喀斯特發(fā)育情況進(jìn)行充分調(diào)查，并準(zhǔn)備足量的片石、泥漿等，以便漏漿時可以及時處治。如果溶洞規(guī)模大，為了提升封堵效果，可選擇C20混凝土（添加速凝劑）封堵，混凝土初凝結(jié)束再鉆挖。如果樁基成孔過程中發(fā)生掉鉆，應(yīng)立即查明原因，制訂相應(yīng)解決方案。

當(dāng)前，喀斯特地區(qū)成孔大多采用沖擊鉆成孔，當(dāng)鉆頭到達(dá)溶洞頂板以上約1m時，應(yīng)減小沖程、加快沖擊頻率將洞頂擊穿。對于表層的土洞，當(dāng)頂板擊穿后，應(yīng)迅速提鉆，避免卡鉆和掉鉆，同時密切注意泥漿的變化，一旦發(fā)現(xiàn)漏漿應(yīng)迅速補(bǔ)水，并投入片石和黏土，進(jìn)行堵漏處理。

4 結(jié)論

文章依托武漢市二環(huán)線某高架橋項(xiàng)目分析了鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)方法和施工要點(diǎn)，主要得出以下結(jié)論：（1）橋梁樁基范圍內(nèi)存在不良地質(zhì)時必須事先處理，以提高持力層的強(qiáng)度、承載力，降低施工風(fēng)險；（2）鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括樁型和持力層選擇、樁基極限承載力計(jì)算、樁基數(shù)量確定、樁位布置等，設(shè)計(jì)時可留一定的安全儲備；（3）喀斯特地區(qū)鉆孔灌注樁的成孔難度較大，樁基承載力難以保證，必須從設(shè)置護(hù)筒、制備泥漿、鉆孔、鉆挖速度等方面控制施工質(zhì)量及進(jìn)度。