廣西地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁樁基施工的影響問(wèn)題研究

馮以謹(jǐn)

【摘 要】文章針對(duì)巖溶地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文特點(diǎn)，論述了在這類(lèi)環(huán)境條件下橋梁樁基施工的常見(jiàn)問(wèn)題，如漏漿、塌孔、卡鉆、斷樁等。以廣西境內(nèi)某橋梁工程的樁基施工為例，借助以往的工程經(jīng)驗(yàn)，分析了在實(shí)際施工中處理上述問(wèn)題的有效方法，為國(guó)內(nèi)同類(lèi)工程的施工積累了技術(shù)資料，對(duì)保障橋梁工程的質(zhì)量和安全具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】橋梁施工;樁基;巖溶

【中圖分類(lèi)號(hào)】U445.551 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）04-0176-03

0 引言

廣西多為喀斯特巖溶地貌，該地質(zhì)構(gòu)造中可溶性巖體在地下水的侵蝕和溶蝕作用下，逐漸遷移、沉積，并且該區(qū)域土質(zhì)以紅黏土為主，加之水系發(fā)育等情況，為橋梁工程施工帶來(lái)了極大的困難。對(duì)于橋梁的樁基施工而言，巖體間發(fā)育水系為施工難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)當(dāng)前對(duì)該地質(zhì)構(gòu)造的橋梁樁基施工一般采用挖孔樁，但由于存在縫隙水，經(jīng)常導(dǎo)致塌孔、埋孔等不利情況發(fā)生。對(duì)于水系較小的環(huán)境，通常在樁基附近加設(shè)降水井，可達(dá)到降低水位的效果;對(duì)于水系發(fā)育的環(huán)境而言，應(yīng)通過(guò)鋼護(hù)筒或加厚的護(hù)壁以封堵水源，如出現(xiàn)施工難度更大的情況時(shí)，可使用承臺(tái)裝置將樁基承載力轉(zhuǎn)移到附近樁基上。但不論巖體構(gòu)造還是水系發(fā)育情況，這些都是在施工周?chē)h(huán)境中客觀存在的不利因素，只有在工程前期對(duì)施工區(qū)域環(huán)境進(jìn)行充分的地質(zhì)勘測(cè)、調(diào)研評(píng)估，并制定穩(wěn)妥可行的施工安全措施和事故預(yù)案，才能保障橋梁樁基施工的質(zhì)量和安全[1]。

1 工程概況

廣西桂林市某橋全長(zhǎng)1 286.5 m，設(shè)置有38個(gè)墩（臺(tái)），358根樁，樁徑為100 cm，由工程設(shè)計(jì)部門(mén)出具的資料可知，其中溶洞樁為152根（柱樁），地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告顯示，該橋梁施工區(qū)域附近巖溶極為發(fā)育且地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，溶洞種類(lèi)有一般溶洞、串型溶洞和特大型溶洞等，多以充填溶洞為主，水體為中等侵蝕性水體，土質(zhì)為弱酸腐蝕性土質(zhì)?？紤]到該施工區(qū)域地質(zhì)巖溶較為發(fā)育，加之各施工位置的實(shí)際情況不盡相同，因而溶洞的填充物通常呈軟塑狀或松散狀，在進(jìn)行鉆孔施工的過(guò)程中，容易發(fā)生漏漿、塌孔、卡鉆等事故，給施工帶來(lái)諸多不利影響。

為使該項(xiàng)目工程中的橋梁樁基施工部分順利、安全進(jìn)行，應(yīng)先進(jìn)行施工前的預(yù)防準(zhǔn)備工作，使用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆探，通過(guò)鉆探能夠掌握該施工區(qū)域的詳細(xì)地質(zhì)狀況，特別是溶洞的具體分布情況，如深度和填充物類(lèi)型等，為后續(xù)的施工提供充分的理論依據(jù)。通過(guò)分析土工試驗(yàn)的數(shù)據(jù)能夠得到該地質(zhì)環(huán)境中土體的物理特性，如容重、孔隙率、含水量等指標(biāo)，為后續(xù)注漿參數(shù)的設(shè)定提供數(shù)據(jù)支持[2]。

2 樁基設(shè)計(jì)、爆破與支護(hù)

2.1 樁基設(shè)計(jì)

在樁基設(shè)計(jì)部分，應(yīng)先考慮樁型，由具體的施工地質(zhì)條件分析荷載情況，并考慮施工能力、環(huán)境噪音和振動(dòng)等相關(guān)因素，在巖溶區(qū)域的橋梁工程，首選鉆孔灌注樁或人工挖孔樁，如果施工區(qū)域附近水位較低、導(dǎo)水能力較強(qiáng)且對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小時(shí)，可考慮使用人工挖孔樁和鋼筋混凝土護(hù)壁，這是因?yàn)樵谇灞芏磿r(shí)磚護(hù)壁容易垮壁。

樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮樁端部位置的持力層會(huì)有一定的浮動(dòng)，此外巖溶地區(qū)的橋梁樁基應(yīng)嵌入巖層一定的深度，這類(lèi)巖層通常為微風(fēng)化巖或中風(fēng)化巖，樁截面的尺寸可由所選用的樁型及其他施工要求確定，同時(shí)可計(jì)算得出承臺(tái)的底面標(biāo)高。

在反復(fù)計(jì)算、分析各樁的受力情況后，合理地確定樁數(shù)量。在計(jì)算橫向荷載時(shí)為加快施工效率，可將各樁橫向荷載力疊加后作為整個(gè)樁基的橫向荷載，然后確定最終的樁數(shù)量。樁中心距在確定上應(yīng)特別注意，既不能過(guò)大又不能過(guò)小，過(guò)大會(huì)增加額外的承臺(tái)體積，變相地增加工程總體造價(jià)，過(guò)小則無(wú)法發(fā)揮樁體本身的承載力，對(duì)正常施工也有一定的影響。因此，巖溶地區(qū)的橋梁樁基在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不擴(kuò)底鉆的中心距可確定為2.5 d，而擴(kuò)底鉆的中心距應(yīng)取1.5 D（d代表樁體的設(shè)計(jì)直徑，D代表擴(kuò)大端的設(shè)計(jì)直徑），樁位一般布置成三角形或方形，在個(gè)別的工程中也可布置呈梅花形，在布置過(guò)程中應(yīng)盡可能地使上部荷載中心位置接近樁群截面的中心位置，這樣的布置方式能夠使各樁受力均勻[3]。

2.2 挖孔樁爆破

在80 cm的孔內(nèi)半徑的周邊等間距地布置10個(gè)深度為1.0 m的孔眼，在30 cm的孔內(nèi)半徑附近布置6個(gè)深度為1.2 m的掏槽眼，上述孔眼應(yīng)等間距。裝藥量可由公式q=kW3確定，其中q代表每孔裝藥量，單位為kg;k代表炸藥單耗，單位為kg/m3;W代表單孔爆破的巖石體積。由于施工水平面通常有水，因此首選乳化炸藥，其藥卷的直徑為32 mm，各卷重200 g左右，根據(jù)施工區(qū)域的巖層特性和試爆經(jīng)驗(yàn)，所填充的炸藥量一般為4.5～6.0 kg。周邊眼和掏槽眼均使用反向裝藥結(jié)構(gòu)，用舊報(bào)紙和泥土混合成團(tuán)后進(jìn)行堵塞。

2.3 支護(hù)措施

孔壁應(yīng)使用合理的支護(hù)方式，橋梁施工過(guò)程中以鋼套管、磚砌和混凝土支護(hù)較為常見(jiàn)，鋼套管和磚砌支護(hù)常用于復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的施工中，對(duì)防滲和防塌具有較好的效果?；炷磷o(hù)壁主要包括內(nèi)齒和外齒兩種形式，當(dāng)土質(zhì)環(huán)境較好時(shí)，護(hù)壁的節(jié)段為1.0～1.5 m;當(dāng)土質(zhì)環(huán)境較差時(shí)，施工節(jié)段一般為0.4～0.8 m。開(kāi)挖后，為使外齒式護(hù)壁具有一定的抗塌孔性能，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)且厚度應(yīng)在10 cm以上，強(qiáng)度應(yīng)高于混凝土標(biāo)號(hào)，使用鋼筋拉結(jié)護(hù)壁，節(jié)段的縫隙處填充砂漿進(jìn)行密封，禁止人員經(jīng)過(guò)時(shí)踩踏凸邊。此外，有木框條、竹籬等臨時(shí)支護(hù)方式，可根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境架設(shè)[4]。

3 巖溶地質(zhì)對(duì)橋梁樁基施工的影響

3.1 溶洞與漏漿

廣西境內(nèi)巖溶地區(qū)分布較廣，該地區(qū)的基巖多以石灰?guī)r為主，由于其強(qiáng)度較高，因此適合作為樁基的持力層。但與此同時(shí)，巖溶地區(qū)會(huì)遇到溶洞和漏漿等問(wèn)題，屬于該地質(zhì)結(jié)構(gòu)的橋梁施工中比較典型的問(wèn)題，例如在注漿過(guò)程中如果遇到溶洞就很容易發(fā)生倒灌。巖層節(jié)理和裂縫等問(wèn)題又會(huì)引發(fā)漏漿且多數(shù)原生節(jié)理是難以避免的，例如施工過(guò)程中巖層的擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生次生節(jié)理。輕微的漏漿情況應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)漿措施，而出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漏漿情況時(shí)應(yīng)考慮補(bǔ)充片石和黏土摻水泥，直至漏漿情況消除為止，嚴(yán)重的漏漿問(wèn)題多數(shù)是巖縫溶槽或護(hù)壁墻體崩塌所致。

3.2 偏孔與斜孔

鉆機(jī)在鉆孔時(shí)應(yīng)選擇合適的位置且鉆孔的方式應(yīng)合規(guī)，否則會(huì)發(fā)生偏孔或斜孔，巖石強(qiáng)度的不均勻也會(huì)造成偏孔或斜孔，當(dāng)鉆進(jìn)遇到阻礙時(shí)，這種情況又將帶來(lái)若干問(wèn)題，如樁體的垂直度不達(dá)標(biāo)、鋼筋籠無(wú)法下放、插打護(hù)筒位置偏離等質(zhì)量問(wèn)題。偏孔與斜孔問(wèn)題多數(shù)是施工方法不當(dāng)或習(xí)慣性違規(guī)施工造成的，在施工過(guò)程中應(yīng)糾正錯(cuò)誤的施工方法，避免違規(guī)施工引起的偏孔或斜孔問(wèn)題。

3.3 卡鉆、埋鉆與掉鉆

施工過(guò)程中如果對(duì)溶洞的具體分布情況不夠明確，在鉆到溶洞頂板附近時(shí)使用高程沖擊，鉆頭將沖穿頂板巖體而發(fā)生傾斜，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)卡在頂板巖體中。埋鉆通常有沉渣埋鉆和塌孔埋鉆兩種情況。當(dāng)卡鉆和埋鉆發(fā)生后，如果用力提拉鉆頭可能引起掉鉆情況發(fā)生，最終導(dǎo)致鋼絲繩斷裂等安全事故，掉鉆情況多數(shù)是缺乏施工經(jīng)驗(yàn)所引起的。

3.4 斷樁問(wèn)題

斷樁是指混凝土在灌注過(guò)程中混入了泥漿、砂礫，將混凝土分成了上下兩段，導(dǎo)致混凝土變質(zhì)及截面積受損，使樁體荷載能力減弱，最終發(fā)生斷樁。巖溶地區(qū)的溶洞一般呈現(xiàn)互聯(lián)互通的特點(diǎn)，在灌注時(shí)如果無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量混凝土體積，可引起孔壁坍塌的情況發(fā)生，這通常是混凝土壓力過(guò)大造成的，這種情況發(fā)生后不僅會(huì)浪費(fèi)很多混凝土材料，還會(huì)導(dǎo)致樁體斷裂，因此斷樁事故的影響非常嚴(yán)重。由于施工設(shè)備比較簡(jiǎn)單且操作容易，所以鉆孔灌注樁被廣泛應(yīng)用到當(dāng)前國(guó)內(nèi)各類(lèi)型的橋梁施工中，雖然在巖溶地區(qū)的橋梁施工中已形成較為完善和成熟的施工技術(shù)，但是因?yàn)殂@孔灌注樁在實(shí)際施工中受影響的因素較多，一旦處置不力便會(huì)引起斷樁。引起斷樁的因素可大致分為以下幾個(gè)方面：①混凝土的坍落度過(guò)小、石料的粒徑過(guò)大或者導(dǎo)管的直徑較小，這些因素的存在都會(huì)導(dǎo)致灌注過(guò)程中的導(dǎo)管堵塞，在混凝土初凝前如果沒(méi)有進(jìn)行有效疏通，提起導(dǎo)管清理時(shí)會(huì)形成斷樁。②混凝土如果運(yùn)輸和等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)發(fā)生離析，此時(shí)如果未進(jìn)行二次攪拌，在灌注時(shí)會(huì)有大量的骨料卡在導(dǎo)管中，提起導(dǎo)管清理時(shí)會(huì)形成斷樁。③水泥結(jié)塊或其他原因?qū)е录辖Y(jié)塊，如果攪拌時(shí)仍未將結(jié)塊打開(kāi)，便會(huì)卡在導(dǎo)管內(nèi)，混凝土初凝前如果疏通不暢也會(huì)引起斷樁。④混凝土在灌注過(guò)程中如果發(fā)生坍孔，清理不及時(shí)或吸泥機(jī)清理不徹底都會(huì)使灌注過(guò)程中斷，從而引發(fā)斷樁。⑤盲目或過(guò)量提拔導(dǎo)管，導(dǎo)管的底口會(huì)被拔出混凝土面，使導(dǎo)管口位于泥漿層，從而形成斷樁。⑥在提拔導(dǎo)管時(shí)如果鋼筋籠卡住導(dǎo)管，會(huì)使混凝土灌注過(guò)程中斷，從而引發(fā)斷樁。⑦導(dǎo)管口發(fā)生滲漏，泥漿進(jìn)入導(dǎo)管后形成夾層，導(dǎo)致斷樁。⑧導(dǎo)管埋置過(guò)深導(dǎo)致無(wú)法提拔導(dǎo)管，用力過(guò)大將導(dǎo)管拔斷引發(fā)斷樁。⑨其他意外因素如停電、設(shè)備故障或材料不足等引起的混凝土灌注過(guò)程中斷，并且中斷時(shí)間超出了混凝土的初凝時(shí)間，最終使導(dǎo)管無(wú)法拔起而發(fā)生斷樁。

4 巖溶地質(zhì)條件下橋梁樁基施工對(duì)策

4.1 漏漿和溶洞問(wèn)題處理

巖溶地質(zhì)條件下通常裂隙發(fā)育且溶槽、溶洞等復(fù)雜交錯(cuò)，當(dāng)發(fā)生漏漿時(shí)孔內(nèi)水位將在短時(shí)內(nèi)顯著下降，孔內(nèi)水位的下降會(huì)引起鉆孔周?chē)孛娴拈_(kāi)裂，隨時(shí)會(huì)引起更大范圍的塌孔。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，此時(shí)應(yīng)馬上組織人員向孔內(nèi)灌注水泥，以達(dá)到短時(shí)間控制水位下降的目的。當(dāng)水位下降情況得到明顯控制后逐漸加大泥漿的濃度，并合理控制鉆進(jìn)速度，確保勻速、緩慢鉆進(jìn)。較大的溶洞應(yīng)配備體量相適應(yīng)的裝載機(jī)，在孔口附近堆放足夠的片石和黏土，當(dāng)發(fā)生漏漿時(shí)能夠在最短時(shí)間內(nèi)將片石和黏土填孔，并灌注大量的水。

當(dāng)鉆進(jìn)溶洞頂板附近時(shí)，通過(guò)小沖程的方式將溶洞頂板擊穿，等比例將黏土和片石進(jìn)行回填，小沖程輕砸，確保黏土和片石將溶洞的內(nèi)壁充分填充，當(dāng)溶洞內(nèi)部逐漸形成穩(wěn)定的護(hù)壁后，觀察漏漿現(xiàn)象是否還存在，然后進(jìn)行正常的鉆進(jìn)。當(dāng)發(fā)生較為嚴(yán)重的漏漿情況時(shí)，回填片石和黏土的方法將不再適用，可使用水下混凝土直接灌注的方法，具體方法如下：首先將導(dǎo)管下放到孔底0.5 m處，然后灌注水下混凝土直至溶洞填充完畢，灌注的混凝土面應(yīng)高于溶洞頂板1 m且混凝土面不再下沉為止，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到40%～50%后方可重新鉆進(jìn)。為保證鉆進(jìn)過(guò)程順利進(jìn)行，可使用鋼護(hù)筒穿過(guò)溶洞，或者使用帷幕防滲透技術(shù)等。上述方法在一定程度上可以防止或減少漏漿和塌孔情況的發(fā)生。此外，混凝土干料宜使用425R型硅酸鹽水泥進(jìn)行拌制，當(dāng)溶洞的空間較大、導(dǎo)水能力較強(qiáng)時(shí)，可在混凝土干料中混入一定劑量的水玻璃。

4.2 偏孔和斜孔問(wèn)題處理

偏孔和斜孔問(wèn)題在橋梁樁基的施工中比較常見(jiàn)，該類(lèi)問(wèn)題多數(shù)是施工方法不當(dāng)引起的，為防止發(fā)生偏孔和斜孔的情況，可使用素混凝土進(jìn)行灌注。在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)核對(duì)施工附近區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)鉆機(jī)和孔位及時(shí)檢查，對(duì)一些關(guān)鍵施工位置如入巖位置和溶洞處理位置等，還應(yīng)密切關(guān)注鋼繩的搖動(dòng)情況，確保鋼繩與樁孔中心位置沒(méi)有偏差，如鉆頭可以自由活動(dòng)，可上下提放鉆頭，在轉(zhuǎn)動(dòng)角度之后可反復(fù)進(jìn)行嘗試，并配合吊機(jī)提出，糾正偏斜的鉆頭后可再次鉆孔，當(dāng)此種方法無(wú)效時(shí)，可通過(guò)水下爆破的方法振動(dòng)，當(dāng)鉆頭被振松后可提出。偏孔和斜孔問(wèn)題會(huì)引發(fā)卡鉆等一系列事故，可能損壞機(jī)械設(shè)備，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成人身傷害，因此鉆進(jìn)施工前應(yīng)仔細(xì)檢查施工設(shè)備，并做好相應(yīng)的預(yù)防措施和事故預(yù)案，最大限度地保障設(shè)備的使用安全和施工人員的人身安全，如果一旦發(fā)生此類(lèi)事故，應(yīng)第一時(shí)間采取有效的補(bǔ)救措施，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

4.3 卡鉆、掉鉆與埋鉆問(wèn)題處理

在橋梁樁基施工的過(guò)程中，卡鉆事故經(jīng)常發(fā)生，當(dāng)發(fā)生卡鉆時(shí)，施工人員應(yīng)保持冷靜，禁止進(jìn)行強(qiáng)行提拉或類(lèi)似的野蠻施工等行為，防止進(jìn)一步的塌孔和埋鉆情況發(fā)生，發(fā)生卡鉆后應(yīng)及時(shí)根據(jù)鉆頭位置采取措施，若鉆頭卡在巖體頂板的中部，可勻速活動(dòng)鉆頭，當(dāng)鉆頭松動(dòng)后再緩慢提出;若斜卡在巖體頂板中，可使用自制的正繩器拉正鉆頭并緩慢提起;若卡在巖體頂板的下部，則可使用尺寸更大的鉆頭上下頂撞，同時(shí)輕敲打鉆位置的巖體，當(dāng)巖體頂板被破掉后便可提出鉆頭。

掉鉆事故在橋梁樁基施工中較為常見(jiàn)，可事先安裝保險(xiǎn)繩，并確保安全繩牢固可靠。當(dāng)發(fā)生掉鉆時(shí)，禁止強(qiáng)行提拉，只有在反復(fù)確定現(xiàn)場(chǎng)的具體施工情況后才可進(jìn)行提鉆。掉鉆位置的泥漿如果太濃或者泥渣太厚將引起鉆頭被覆蓋，應(yīng)先進(jìn)行吸泥清空，直至打撈工具可接觸到鉆頭為止。使用側(cè)錘探測(cè)鉆頭位于孔底的大概位置，將打撈鉤置于孔底部，當(dāng)打撈鉤將鉆頭保險(xiǎn)繩鉤住后再向上提起，如鉆頭發(fā)生傾倒時(shí)，潛水員可攜帶鋼絲繩后潛入孔底，將鋼絲繩拴到鉆頭頂部后提起，遇到鉆頭頂部朝下的情況時(shí)，可將鋼絲繩拴在鉆頭的爪山上再提起。由于掉鉆情況較為復(fù)雜且一般情況下恢復(fù)正常施工需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此掉鉆事故多以預(yù)防為主，例如通過(guò)經(jīng)常檢查、定期檢修等消除安全隱患。

4.4 斷樁問(wèn)題處理

混凝土在進(jìn)行首次灌注時(shí)應(yīng)保證用量充足，施工過(guò)程中應(yīng)分工明確，并做好記錄，保證混凝土灌注的連續(xù)性，施工時(shí)還應(yīng)隨時(shí)關(guān)注混凝土面的上升情況，確保埋管的深度符合工藝要求，避免對(duì)下部的混凝土帶來(lái)擾動(dòng)。混凝土穿越溶洞區(qū)施工時(shí)，應(yīng)結(jié)合施工區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)情況，嚴(yán)格控制灌注速度和導(dǎo)管埋深程度，如果灌注速度過(guò)快可能會(huì)沖擊孔壁而引起穿孔。

5 結(jié)語(yǔ)

巖溶地區(qū)的橋梁施工技術(shù)難度較大，對(duì)工程質(zhì)量和安全要求較高，樁基部分的施工屬巖溶地區(qū)橋梁工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，地下溶洞錯(cuò)綜復(fù)雜為橋梁樁基的施工又帶來(lái)了更多不確定的因素，因此深入研究巖溶地區(qū)橋梁樁基的技術(shù)特性對(duì)橋梁工程的施工安全具有重要意義。本文主要側(cè)重于巖溶地質(zhì)條件下橋梁樁基施工的技術(shù)層面，如漏漿、偏孔、卡鉆和斷樁等事故的分析和處理對(duì)策，值得注意的是，在同類(lèi)工程的施工過(guò)程中，還有很多事故和施工風(fēng)險(xiǎn)因素是管理層面的問(wèn)題導(dǎo)致的，這些內(nèi)容將在后續(xù)的工程研究中進(jìn)行深入探討。

參 考 文 獻(xiàn)

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