軟弱松散地層中橋樁鉆孔穩(wěn)定性分析及關(guān)鍵技術(shù)研究*

李向前，吳柯嬈

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410004； 2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

近年來隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施迅速發(fā)展，一大批標(biāo)志性橋梁正在高質(zhì)量建設(shè)，作為橋梁重要組成部分，橋樁施工質(zhì)量直接影響橋梁整體結(jié)構(gòu)特性。因此，在特殊地質(zhì)條件下保證橋樁施工質(zhì)量，成為研究熱點(diǎn)[1-3]。

復(fù)雜地質(zhì)條件下，橋樁施工質(zhì)量與鉆進(jìn)過程孔壁穩(wěn)定性密切相關(guān)，故部分學(xué)者對(duì)自穩(wěn)性較差地層中的樁基施工質(zhì)量問題。陳維超等[4]利用有限元數(shù)值模擬方法，分析砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性問題，并從內(nèi)摩擦角、孔徑與泥漿密度等角度提出改進(jìn)意見。劉細(xì)軍等[5]以廣東地區(qū)某機(jī)場高速工程為例，研究深厚軟土地區(qū)高架橋樁基開挖深度、軟土彈性模量與深度、樁徑等因素在開挖過程中的影響規(guī)律。周外男等[6]基于旋挖鉆機(jī)施工成孔工藝，在堅(jiān)硬地層成孔過程中使用優(yōu)質(zhì)膨潤土化學(xué)泥漿護(hù)壁，可有效縮短平均成孔時(shí)間，且鉆桿強(qiáng)度在一定程度上影響該工藝的成孔效率與經(jīng)濟(jì)性。張震[7]針對(duì)不同溶洞高度設(shè)置相應(yīng)的護(hù)壁方案，以保證樁基順利成孔。

結(jié)合上述研究發(fā)現(xiàn)，目前橋樁鉆孔穩(wěn)定性的研究大多針對(duì)高透水砂層、高強(qiáng)度巖層及山區(qū)溶巖地帶，而關(guān)于軟弱松散地層的研究尚待完善。因此，結(jié)合楊梅西江特大橋7號(hào)墩樁基施工，在分析地質(zhì)條件和孔壁穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，研究氣舉反循環(huán)回旋鉆孔工藝在軟弱松散地層橋樁施工中的應(yīng)用。

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

楊梅西江特大橋位于廣東省西北部，大橋跨越西江，主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，建成效果如圖1所示。橋梁全長2 473.2m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、T梁、剛構(gòu)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、薄壁墩、樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)、座板臺(tái)。主橋最長樁基在7號(hào)墩，位于近丘間谷地西南側(cè)斜坡上，附近岸坡無明顯地質(zhì)問題，受外界自然環(huán)境干擾因素小。故選擇7號(hào)墩作為主要分析對(duì)象，樁基參數(shù)如表1所示，樁基平面布置如圖2所示。

圖1 楊梅西江特大橋效果

圖2 7號(hào)墩樁基平面布置

表1 7號(hào)墩樁基參數(shù)

1.2 工程地質(zhì)條件

7號(hào)墩附近土層自上而下主要為中砂和中風(fēng)化砂巖，如圖3所示，土質(zhì)軟弱松散，自穩(wěn)性極差，結(jié)合現(xiàn)場取樣結(jié)果進(jìn)行分析，該斷面成分以石英、長石為主，含少量粉細(xì)砂，砂質(zhì)較均勻，分選性一般，呈散砂狀，較難保證鉆孔穩(wěn)定性及橋樁施工質(zhì)量。

圖3 7號(hào)墩典型地質(zhì)縱斷面

2 孔壁穩(wěn)定性分析

2.1 孔壁穩(wěn)定力學(xué)條件分析

橋樁在鉆孔作業(yè)中，孔壁周圍土層受擠壓，原始相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被打破，所承受的原始應(yīng)力發(fā)生重分布，孔壁周圍土體產(chǎn)生徑向位移，迫使土體向孔內(nèi)移動(dòng)，在不采取固孔措施的情況下易引起孔壁失穩(wěn)破壞坍塌。而軟弱松散地層成孔時(shí)因內(nèi)摩擦角較大，更易發(fā)生坍塌現(xiàn)象，因此研究孔壁穩(wěn)定條件及其影響因素對(duì)軟弱松散地層中施工橋樁至關(guān)重要。

結(jié)合土力學(xué)圓孔穩(wěn)定原理可知，鉆孔過程中，孔壁徑向受力有主動(dòng)土壓力Pa、圓拱支撐力Pz，孔內(nèi)漿液壓力Pn、孔外地層水壓力Pw、孔外地下水向孔內(nèi)滲流時(shí)產(chǎn)生的滲透力Fw、孔內(nèi)漿液向孔壁滲流時(shí)產(chǎn)生的滲透力Fn、孔口地面荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力Pq，基本受力原理如圖4所示。

圖4 孔壁穩(wěn)定基本受力原理

為使孔壁穩(wěn)定，必須滿足如下條件：

Pz+Pn≥Pa+Pw+Pq

(1)

Fn≥Fw

(2)

P0=Pa-Pz

(3)

Pn-Pw≥P0+Pq

(4)

式中：P0為阻止孔壁坍塌所需的支護(hù)力。由上述分析可知，Pn與Pw的差值緊密影響孔壁穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)大于支護(hù)力和地面荷載側(cè)壓力之和時(shí)，孔壁處于穩(wěn)定狀態(tài)。在施工擾動(dòng)下，孔壁產(chǎn)生一些附加作用力，從而影響孔壁穩(wěn)定性，但此類作用力可通過工藝改進(jìn)與相應(yīng)技術(shù)措施進(jìn)行消除或減小。

2.2 孔壁穩(wěn)定性影響因素

結(jié)合孔壁穩(wěn)定力學(xué)條件分析及文獻(xiàn)[8]，可知影響軟弱松散地層孔壁穩(wěn)定的因素如下。

1)土層性質(zhì)參數(shù) 不同地質(zhì)條件的土層參數(shù)影響圓拱支撐力Pz大小。軟弱松散地層土體內(nèi)摩擦角大，隨著挖孔深度增加，土體抗剪強(qiáng)度變化速率加快，使孔壁土體因受力狀態(tài)改變形成一定塑性區(qū)后發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致坍孔現(xiàn)象。

2)鉆孔直徑 鉆孔周圍的土拱效應(yīng)隨樁徑增大越來越弱，使孔周圍土發(fā)生破壞。

3)鉆孔深度 鉆孔深度越大，造成孔周圍土水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力差越大，進(jìn)而造成土體產(chǎn)生剪切破壞。

4)地下水位 地下水位越高，孔外地層水壓力Pw越大。另外，軟弱松散地層透水性較好，水壓力傳遞也較好，Pw隨之增大。

5)泥漿相對(duì)密度 泥漿相對(duì)密度影響孔壁側(cè)向壓力，降低側(cè)向卸荷量，當(dāng)泥漿側(cè)壓力小于靜止側(cè)壓力時(shí)，孔壁出現(xiàn)較明顯塑性區(qū)，存在較大坍孔隱患。當(dāng)泥漿側(cè)壓力不低于靜止側(cè)壓力時(shí)，孔壁幾乎無塑性區(qū)，穩(wěn)定性較高。

綜上分析可知，橋樁鉆孔穩(wěn)定性受土層性質(zhì)參數(shù)、鉆孔直徑、鉆孔深度、泥漿相對(duì)密度等綜合因素影響較大，尤其是軟弱松散地層更易發(fā)生坍孔問題，但可通過改變泥漿相對(duì)密度保證泥漿側(cè)壓力大于靜止側(cè)壓力，以維持孔壁穩(wěn)定性。

3 軟弱松散地層鉆孔工藝分析及方案設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔工藝分析

鉆孔工藝的方案選擇與孔壁穩(wěn)定性有直接聯(lián)系，選取不當(dāng)易造成土體發(fā)生較大擾動(dòng)，乃至發(fā)生坍孔、卡鉆及擠毀套管等事故[9-10]。目前，在特殊地質(zhì)條件下施工橋樁所采用的鉆孔工藝主要有旋挖鉆和沖擊鉆工藝[11-12]，但鑒于沖擊鉆成孔時(shí)鉆頭下落會(huì)對(duì)孔底及周圍產(chǎn)生較大振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)極大加劇軟弱松散地層孔壁發(fā)生坍孔的風(fēng)險(xiǎn)，故結(jié)合該橋7號(hào)墩實(shí)際地質(zhì)情況，擬采用旋挖鉆進(jìn)行橋樁施工，同時(shí)因該工程上跨西江，環(huán)保要求高，為提升排渣效率，綜合考慮后選用氣舉反循環(huán)回旋鉆孔工藝進(jìn)行鉆孔施工。

3.2 鉆孔方案設(shè)計(jì)

3.2.1鉆機(jī)平面布置

楊梅西江特大橋7號(hào)墩采用氣舉反循環(huán)回旋鉆孔工藝，鉆孔平臺(tái)和泥漿循環(huán)池平面布置如圖5所示，配備9臺(tái)反循環(huán)回旋鉆機(jī)，擬于2個(gè)循環(huán)內(nèi)完成18根樁基施工。

圖5 7號(hào)墩樁基鉆機(jī)平面布置

3.2.2鉆孔施工流程

根據(jù)7號(hào)墩樁基土層特點(diǎn)，施工過程中采用氣舉反循環(huán)回旋鉆孔工藝，工藝流程如圖6所示，主要工序如下。

繼續(xù)積極爭取監(jiān)測(cè)經(jīng)費(fèi)，進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)點(diǎn)的代表性和覆蓋率，完善浦口區(qū)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)體系，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)全區(qū)的耕地質(zhì)量狀況和變化趨勢(shì)，形成網(wǎng)絡(luò)健全、層次分明、管理規(guī)范與現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)相適應(yīng)的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系。常年性系統(tǒng)開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，全面掌握全區(qū)耕地質(zhì)量變化趨勢(shì)，建立耕地質(zhì)量長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫。繼續(xù)開展多層次的技術(shù)培訓(xùn)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)隊(duì)伍建設(shè)，提高耕地質(zhì)量監(jiān)管水平。

圖6 反循環(huán)回旋鉆孔施工流程

1)鉆機(jī)安裝及定位 先以100t履帶式起重機(jī)將鉆機(jī)吊至型鋼底座上，再利用機(jī)械千斤頂微調(diào)就位，然后在鉆機(jī)與底座間設(shè)置限位板，以保證鉆孔過程中不發(fā)生位移。

2)鉆進(jìn) 先加設(shè)超前中心鉆頭，在鉆桿上安裝穩(wěn)定器后，立即調(diào)節(jié)孔內(nèi)泥漿指標(biāo)，啟動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)行泥漿反循環(huán)系統(tǒng)后，驅(qū)動(dòng)牙輪鉆頭開始鉆進(jìn)，當(dāng)破巖壓力不足時(shí)適時(shí)增加配重，直至鉆至設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高。

3)下放鋼筋籠 采用履帶式起重機(jī)進(jìn)行四點(diǎn)吊下放，吊點(diǎn)設(shè)在兩端頭第2道加勁箍和主筋連接處，且靠近加強(qiáng)圈位置。

4)澆筑水下混凝土 采用快速螺旋絲扣卡接頭導(dǎo)管，在導(dǎo)管內(nèi)放置隔水球，澆筑時(shí)割斷隔水球吊繩進(jìn)行潤濕，然后連續(xù)澆筑，不得停頓，同時(shí)保證整樁在混凝土初凝前完成澆筑。

5)成樁無損檢測(cè) 采用超聲波埋管法檢測(cè)成樁質(zhì)量。

4 軟弱松散地層橋樁施工

4.1 泥漿反循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置

4.1.1泥漿制備

運(yùn)行泥漿反循環(huán)系統(tǒng)前，需提前制備一定量的鉆進(jìn)泥漿，并通過現(xiàn)場攪拌鈉質(zhì)膨潤土、純堿、羥甲基纖維素和聚丙烯酰胺等材料進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)相對(duì)密度、黏度、膠體率等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到如表2所示要求時(shí)，易于在孔壁表面形成化學(xué)膜，以降低失水量，經(jīng)檢測(cè)合格即可啟動(dòng)泥漿反循環(huán)系統(tǒng)。

表2 泥漿性能指標(biāo)

根據(jù)如圖7所示原理，在7號(hào)墩位兩側(cè)各布置1套泥漿系統(tǒng)，包含膨潤土倉庫、制漿站、造漿池、膨化池、回漿池和泥漿管等。當(dāng)進(jìn)行氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，泥漿先經(jīng)鉆機(jī)水龍頭進(jìn)入粗濾裝置以過濾較大顆粒，再流進(jìn)泥漿凈化器開展二次過濾，待凈化完成后泥漿流入鉆孔內(nèi)，而鉆渣則排入集渣坑內(nèi)，以形成完整的泥漿循環(huán)路線。

圖7 泥漿反循環(huán)系統(tǒng)原理示意

4.2 鋼護(hù)筒打設(shè)裝置設(shè)計(jì)

4.2.1導(dǎo)向架

楊梅西江特大橋7號(hào)墩樁基施工傾斜度和偏位要求高，故鋼護(hù)筒打設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)雙層型鋼定位導(dǎo)向架進(jìn)行定位，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向架角位處的螺旋頂準(zhǔn)確控制導(dǎo)向架定位精度，以滿足設(shè)計(jì)要求，如圖8所示。

圖8 導(dǎo)向架

4.2.2對(duì)接裝置設(shè)計(jì)

為保證鋼護(hù)筒對(duì)接垂直度，采用單邊V形坡口設(shè)計(jì)連接，上節(jié)坡口角度為45°～55°，以保證鋼管接長處與內(nèi)壁對(duì)齊。同時(shí)，在鋼護(hù)筒外壁焊設(shè)鋼楔及工字鋼，借助鋼楔契合工字鋼，提高對(duì)接精度及平整度，如圖9所示。

圖9 鋼護(hù)筒對(duì)接示意

4.3 鋼筋籠懸掛架設(shè)計(jì)

鋼筋籠下放過程中易存在支撐力不足及懸掛定位偏差等問題，故采用鋼筋籠懸掛架連接鋼筋籠上、下節(jié)，由活動(dòng)卡板和支撐方形鋼箱梁框架構(gòu)成，其中支撐方形鋼箱梁框架由4根三拼工字鋼焊接而成，卡板可隨時(shí)打開，如圖10所示。

圖10 鋼筋籠懸掛架

鋼筋籠下放時(shí)，先將鋼筋籠懸掛架安裝在鉆孔平臺(tái)頂面，再通過加勁箍支撐鋼筋籠，然后起吊下節(jié)鋼筋籠與之對(duì)接，待鋼筋籠對(duì)接完成，打開懸掛架上的活動(dòng)卡板，整體下放對(duì)接后的鋼筋籠即可。

4.4 成樁質(zhì)量控制措施

為確保鉆孔過程順利推進(jìn)和成樁質(zhì)量，提出以下控制措施。

1)孔內(nèi)液位與孔外水位標(biāo)高差控制 若孔內(nèi)液位與孔外水位標(biāo)高差過小，孔壁存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，過大有反向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，可采用簡易浮球標(biāo)識(shí)，將內(nèi)外水位標(biāo)高差控制在1～2m，隨時(shí)監(jiān)控、及時(shí)調(diào)整。

2)斜孔、擴(kuò)孔、坍孔控制 需嚴(yán)格控制泥漿質(zhì)量及性能指標(biāo)，同時(shí)控制鉆進(jìn)速度，保證孔壁化學(xué)膜充分形成，以維持孔壁穩(wěn)定。

3)掉鉆、卡鉆、埋鉆控制 重視質(zhì)量檢查，包括接頭連接及鉆桿質(zhì)量檢查，確保施工前有完整的檢查記錄，同時(shí)嚴(yán)禁高壓、高速鉆進(jìn)。

4)混凝土澆筑時(shí)堵管控制 通過控制水灰比、使用外加劑等措施保證混凝土使用性能，加強(qiáng)現(xiàn)場物資管理，保證混凝土不因存儲(chǔ)問題混入雜質(zhì)。

5 結(jié)語

在楊梅西江特大橋7號(hào)墩樁基工程中，對(duì)軟弱松散地層橋樁鉆孔穩(wěn)定性分析及關(guān)鍵技術(shù)開展深入研究。結(jié)合工程概況、地質(zhì)條件分析項(xiàng)目難點(diǎn)，利用孔壁穩(wěn)定性理論分析鉆孔穩(wěn)定的主要影響因素，以提供施工工藝選擇的依據(jù)。經(jīng)綜合比選后，選取氣舉反循環(huán)回旋鉆孔工藝施工樁基，并研究泥漿反循環(huán)系統(tǒng)、導(dǎo)向架裝置及鋼筋籠懸掛架設(shè)計(jì)等技術(shù)。研究結(jié)果表明，采用氣舉反循環(huán)回旋鉆孔工藝可實(shí)現(xiàn)軟弱松散地層橋樁的穩(wěn)定鉆孔。