強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基勘察與施工研究

白 寧

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司,成都 610500)

巖溶受水文環(huán)境影響較大,根據(jù)其發(fā)育強(qiáng)度的不同通常表現(xiàn)為4 種形式[1],巖溶發(fā)育強(qiáng)度及表現(xiàn)形式如表1 所示。巖溶形式各異且發(fā)育無規(guī)則[2],該類地區(qū)橋梁工程的勘察和設(shè)計(jì)存在諸多不確定因素,這會(huì)對(duì)后續(xù)施工管理及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等過程產(chǎn)生重大影響[3-5]。

表1 巖溶發(fā)育強(qiáng)度及表現(xiàn)形式

李學(xué)文等[6]提出樁位巖溶探測(cè)新技術(shù)——管波探測(cè)法;林杰豹[7]將管波探測(cè)法與彈性波CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)相結(jié)合,并在南寧永和大橋樁位巖溶勘察中應(yīng)用;石振明等[8]總結(jié)了巖溶地區(qū)樁基施工溶洞處理常見技術(shù);肖載興[9]針對(duì)富水串珠狀溶洞公路隧道,提出2 種不同溶洞處治方案;侯守江[10]提出基于G1-GRA 模型的巖溶隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。目前研究主要集中于不同大小的溶洞處理[11-12],對(duì)強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基施工方法的研究較少。

在橋梁外加荷載長(zhǎng)期作用下,巖溶時(shí)常發(fā)生不同程度坍塌且難以對(duì)其發(fā)生時(shí)間和空間位置做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè),從而對(duì)橋梁基礎(chǔ)的安全性能產(chǎn)生較大威脅,本研究運(yùn)用強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)一體化綜合勘察方法,采用拋填筑壁法與鋼護(hù)筒跟進(jìn)法相結(jié)合的施工方案以解決相關(guān)問題,為類似工程提供可靠經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

廣州至清遠(yuǎn)城際軌道交通北延線清遠(yuǎn)站(不含)至省職教城站(含)段,站前工程GQBY-1 標(biāo)段含特大橋8 座,累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)18 107.82 m,占全線總長(zhǎng)度的75%以上。橋梁基礎(chǔ)主要采用樁基礎(chǔ),柱樁基礎(chǔ)入巖不小于1.5 m。該標(biāo)段分布范圍存在中等～強(qiáng)烈發(fā)育覆蓋型巖溶,以獅嶺特大橋基礎(chǔ)巖溶最為典型,獅嶺特大橋基礎(chǔ)巖溶相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

表2 獅嶺特大橋基礎(chǔ)巖溶相關(guān)參數(shù)

選取獅嶺特大橋70#墩作為研究典型,進(jìn)行巖溶樁基施工工藝研究。該特大橋全長(zhǎng)為3 575.38 m,共計(jì)108 座墩臺(tái)。橋址區(qū)主要不良地質(zhì)為巖溶,該樁基地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基巖面起伏較大,巖溶強(qiáng)發(fā)育,形態(tài)以溶溝、溶槽及較大規(guī)模溶洞等為主。溶洞規(guī)模繁雜,縱深差別較大,部分發(fā)育呈串珠狀,均為無填充型溶洞。70#墩樁基礎(chǔ)是8 根直徑為1.25 m 的樁,3#樁最長(zhǎng),其長(zhǎng)度為31.5 m;5#樁、6#樁、7#樁及8#樁較短,均為23 m。8 根樁均有溶洞,且為串通型無填充溶洞,溶洞逐樁統(tǒng)計(jì)如表3 所示。

表3 溶洞逐樁統(tǒng)計(jì)

2 鉆孔樁施工難點(diǎn)及溶洞處理方法

2.1 施工難點(diǎn)

1 標(biāo)段獅嶺特大橋工程位于強(qiáng)發(fā)育巖溶地帶,與一般地質(zhì)環(huán)境下的普通橋梁工程相比,該地區(qū)橋梁工程受地下巖溶勘探精度影響極大,鉆孔樁基難以精準(zhǔn)橫跨地下巖溶段,時(shí)常出現(xiàn)塌孔、偏孔以及斷樁等情況,危害項(xiàng)目安全,具體情況如下。

2.1.1 塌孔

當(dāng)鉆孔樁基洞穿地下巖溶洞穴后,可能會(huì)造成孔壁周圍土層的垮塌,即塌孔現(xiàn)象。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),其原因主要有:①護(hù)壁泥漿大幅度流散。漏漿現(xiàn)象使鉆孔泥漿面急劇下降,孔壁內(nèi)外壓力無法達(dá)到平衡,最終發(fā)生塌孔現(xiàn)象。②地下巖溶洞穴規(guī)模大且周邊地層不穩(wěn)定,具有承載力弱、抗剪性能差等性質(zhì)。該類環(huán)境不僅易發(fā)生塌孔現(xiàn)象,甚至?xí)T發(fā)地表沉降及陷落,危害極大。③在工程中施工人員操作不當(dāng),發(fā)生卡鉆和掉鉆的情況。

2.1.2 斜巖層鉆孔發(fā)生偏孔

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),偏孔原因主要有:①孔底土質(zhì)不均,巖土層強(qiáng)度相差較大;②巖層面呈傾斜狀分布;③土層中夾雜大孤石或其他硬物,易造成偏孔;④所用樁錘偏心大或掉齒。

2.1.3 斷樁

即使采取有效措施治理塌孔現(xiàn)象,強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基施工中仍有斷樁危害的風(fēng)險(xiǎn):對(duì)高于地下水位的巖溶洞穴,鉆孔泥漿面只能與水位線平齊,而反復(fù)補(bǔ)漿、漏漿使?jié){液無法得到有效循環(huán),鉆孔殘?jiān)y以及時(shí)清除,鉆進(jìn)工作難以繼續(xù);對(duì)水下混凝土的澆筑,極易出現(xiàn)抹灰面急速下降或長(zhǎng)時(shí)間無法上升的現(xiàn)象,前者會(huì)使導(dǎo)管底部暴露,后者則自身逐漸凝固。兩種現(xiàn)象均會(huì)誘發(fā)斷樁風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 不同溶洞處理方法

不同溶洞處理方法如表4 所示。

表4 不同溶洞處理方法

3 強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基施工方案比選

3.1 勘察方案比選及優(yōu)化

對(duì)于強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū),采用一體化綜合勘察方法可以吸取傳統(tǒng)單一勘察方案的優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)其不足之處,達(dá)到更高水平的勘察效果,全面且精準(zhǔn)地查明巖溶情況。常用溶洞勘察方法優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍如表5 所示。

表5 常用溶洞勘察方法優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍

一般工程多采用“三一二”一體化綜合勘察實(shí)施方案,其中“三”為高密電阻率法、地震勘探法、地質(zhì)雷達(dá)法三選一,對(duì)應(yīng)工程可行性研究和初設(shè)階段;“一”為鉆探,對(duì)應(yīng)施工圖設(shè)計(jì)階段;“二”為管波探測(cè)法、地震波層析成像二選一,多用于施工圖設(shè)計(jì)階段中對(duì)鉆探技術(shù)的補(bǔ)充。

考慮強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基特點(diǎn),采用“高密電阻率法+鉆探+地震波層析成像”一體化綜合勘察方案:①應(yīng)用高密電阻率法從宏觀層面進(jìn)行初步勘察,探明場(chǎng)地內(nèi)巖溶地層發(fā)育強(qiáng)度、表現(xiàn)形式以及分布狀況等;②進(jìn)行場(chǎng)地劃分并對(duì)異常地質(zhì)信息結(jié)果開展進(jìn)一步鉆探研究;③鉆探結(jié)束后采用地震波層析成像技術(shù)從微觀層面詳細(xì)探明場(chǎng)地內(nèi)巖溶情況,揭示其表現(xiàn)形式與分布狀況,做到“一孔多用”。

3.2 施工方案比選及優(yōu)化

3.2.1 特大橋樁基施工方案

根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料和周邊地質(zhì)情況,確定3 種強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基施工方案。

1) 方案一

先處理溶洞,待溶洞處理完成后按照一般地區(qū)鉆孔樁施工該墩樁基。

具體實(shí)施過程:鋼護(hù)筒跟進(jìn)溶洞頂板(防止原地面塌陷),擊穿溶洞覆蓋層后回填C15 混凝土。

優(yōu)點(diǎn):溶洞處理徹底,樁基施工過程中質(zhì)量、安全與進(jìn)度均有保證,臨近既有線施工風(fēng)險(xiǎn)較小。

缺點(diǎn):回填混凝土量較大。

2) 方案二

逐樁采用雙層鋼護(hù)筒跟進(jìn)。

具體實(shí)施過程:先采用內(nèi)徑為1.65 m 鋼護(hù)筒跟進(jìn),直至到達(dá)頂層溶洞頂板,待擊穿巖層后跟進(jìn)內(nèi)徑為1.45 m 鋼護(hù)筒至底層溶洞底。

優(yōu)點(diǎn):樁基施工過程中質(zhì)量、安全與進(jìn)度均有保證,臨近既有線施工風(fēng)險(xiǎn)較小,灌注過程中混凝土量能有效控制。

缺點(diǎn):耗費(fèi)鋼護(hù)筒較多、機(jī)械使用周期較長(zhǎng)、工序復(fù)雜且現(xiàn)場(chǎng)操作較煩瑣。

3) 方案三

鋼護(hù)筒跟進(jìn)至溶洞頂板,在確保不發(fā)生塌孔危害的前提下回填片石、黏土以及袋裝水泥混合物,并反復(fù)沖孔、回填,直至成孔。

優(yōu)點(diǎn):溶洞處理成本低。

缺點(diǎn):無法控制成孔及護(hù)壁效果,對(duì)溶洞的填充不充分,即使勉強(qiáng)成孔后也無法保證混凝土不超方;在灌注混凝土過程中,可能會(huì)因壓力太大造成成孔護(hù)壁被沖破,混凝土面突然下降導(dǎo)致斷樁;臨近既有線施工過程中不可控因素多,安全隱患大。

3.2.2 比選意見及方案確定

考慮巖溶洞穴類型、大小、施工風(fēng)險(xiǎn)以及周邊復(fù)雜工況等諸多因素,制訂如下施工方案。

先處理溶洞,待溶洞處理完成后按照一般地區(qū)鉆孔樁施工該墩樁基。鋼護(hù)筒跟進(jìn)溶洞頂板(防止原地面塌陷),擊穿溶洞覆蓋層后回填C15 混凝土(方案一),可最大程度保證質(zhì)量、安全和進(jìn)度的要求。

獅嶺特大橋70#墩樁基按上述方案施工后,經(jīng)質(zhì)量檢測(cè)均為Ⅰ類樁,均滿足工程要求,證明該施工方案能有效保證強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基的施工質(zhì)量和安全,對(duì)臨近既有線施工影響風(fēng)險(xiǎn)較小。獅嶺特大橋70#墩巖溶處理預(yù)估量如表6 所示。

表6 獅嶺特大橋70#墩巖溶處理預(yù)估量

4 強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基成孔工藝

強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基施工工藝流程如圖1 所示。

獅嶺特大橋所用樁基成孔工藝主要有旋挖鉆配合沖擊鉆成孔工藝、沖擊鉆成孔工藝以及回旋鉆成孔工藝3 類,主要對(duì)回旋鉆成孔工藝進(jìn)行探討。

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔灌注樁成孔工藝,即回旋鉆成孔工藝采用鋼套管進(jìn)行護(hù)壁,通過回旋裝置不斷回轉(zhuǎn)壓入,極大程度降低了護(hù)臂結(jié)構(gòu)與土層間的阻力。該工藝具有質(zhì)量好、成樁快以及污染小等優(yōu)點(diǎn),能有效解決巖溶樁基尤其是超長(zhǎng)巖溶樁基成孔周期長(zhǎng)、難度大且溶洞內(nèi)易卡鉆、卡錘的問題。控制要點(diǎn)如下。

(1) 每臺(tái)鉆機(jī)要求在鉆頭以上第一根鉆桿處安裝10 t 配重。鉆進(jìn)施工時(shí)待鉆頭到達(dá)土層后轉(zhuǎn)速由低速轉(zhuǎn)向正常速度。仔細(xì)觀察鉆機(jī)運(yùn)行狀況,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理,防止鉆頭刮到護(hù)筒。刮到護(hù)筒時(shí)應(yīng)立即調(diào)整鉆頭位置,使鉆頭中心與護(hù)筒中心位置重合,方可繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中須觀察泥漿面和河流水位變化情況,防止護(hù)筒內(nèi)外壓差過大導(dǎo)致護(hù)筒腳漏漿,若發(fā)現(xiàn)漏漿須立即停止鉆進(jìn),在孔內(nèi)添加膨潤(rùn)土再慢速開動(dòng)鉆機(jī),使拋入的膨潤(rùn)土在孔內(nèi)向孔壁四周擴(kuò)散,塞住漏漿處。待處理完畢,確認(rèn)鉆孔安全后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

(2) 采用比重為1.10～ 1.15、黏度為23～28 Pa·s 的泥漿進(jìn)行護(hù)壁,含砂率<4%,采用三泵雙馬達(dá)低速按鈕擋位進(jìn)行鉆進(jìn),注意觀察鉆桿跳動(dòng)情況,不可采用高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn),防止卡鉆頭、斷鉆頭現(xiàn)象產(chǎn)生。

(3) 為避免鉆頭壓力過大造成偏孔或垂直度不符合要求的情況,鉆進(jìn)過程始終采用減壓鉆進(jìn),鉆壓為鉆頭壓力,采用自動(dòng)給進(jìn)。鉆頭剛開始接觸巖面到完全入巖時(shí)須嚴(yán)格控制孔底承受的鉆壓,進(jìn)尺速度控制在5 m/h,確保鉆孔過程中不產(chǎn)生斜孔。完全入巖約1 m 時(shí),方可全速鉆進(jìn)。

(4) 鉆進(jìn)過程中應(yīng)尤其注意泥漿面變化,如有泥漿面突然下降的情況產(chǎn)生,須立即補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)泥、拋黏性土防止漏漿、塌孔(預(yù)先用泥漿船備好優(yōu)質(zhì)泥漿)。

5 結(jié)語

以廣州至清遠(yuǎn)城際軌道交通1 標(biāo)段獅嶺特大橋工程為研究對(duì)象,通過理論分析與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,開展強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基勘察與施工工藝研究?？紤]強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基特點(diǎn),確定鉆孔樁施工難點(diǎn)及溶洞處理方法,提出“高密電阻率法+鉆探+地震波層析成像”一體化綜合勘察方案。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料和周邊地質(zhì)情況,提出并比選了3 種樁基施工方案,最終制訂鋼護(hù)筒跟進(jìn)溶洞頂板、擊穿溶洞覆蓋層后回填C15 混凝土的施工方案。梳理總結(jié)回旋鉆成孔工藝的施工控制要點(diǎn),為強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)類似特大橋樁基的勘察與施工提供理論基礎(chǔ)并指導(dǎo)實(shí)踐。