巖溶地質(zhì)情況下橋梁樁基礎(chǔ)施工技術(shù)研究

張政玖

（撫州市公路事業(yè)發(fā)展中心，江西 撫州 344000）

0 引言

巖溶即喀斯特地貌，主要為白云巖、石灰?guī)r、鹽巖、石膏等可溶性巖層遭遇地下水溶蝕后而形成的特殊地質(zhì)。巖溶地區(qū)一直以來被視為橋梁工程建設(shè)的“禁區(qū)”，巖溶地區(qū)施工建設(shè)的橋梁基礎(chǔ)必須調(diào)整跨徑、墩臺(tái)改位、改用輕型淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，甚至移動(dòng)橋位，以避開溶洞區(qū)域后進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)常規(guī)施工。鉆孔灌注樁成樁技術(shù)對(duì)于各類地質(zhì)條件均較為適用，承載力高且噪聲、振動(dòng)小，不存在擠土效應(yīng)，可保證樁基施工質(zhì)量。鉆孔灌注樁橋梁樁基施工技術(shù)應(yīng)用于巖溶地區(qū)，能有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件，在一定程度上降低建橋難度，保證工程施工進(jìn)度，使橋梁工程社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益得以充分發(fā)揮。

1 工程概況

某大橋?yàn)樘菪晤A(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支梁橋，長860m，其主橋墩鉆孔樁基礎(chǔ)共136根，直徑為?200cm，該橋梁位于巖溶發(fā)育地段，地表卵石覆蓋層厚最大達(dá)34m，大部分鉆孔樁基礎(chǔ)通過溶洞或溶槽，橋梁樁基持力層位于河床以下18～30cm。溶洞溶槽處理是否得當(dāng)是橋梁鉆孔樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

巖溶地質(zhì)條件下橋梁樁基礎(chǔ)施工方案應(yīng)根據(jù)每根樁基礎(chǔ)覆蓋層、溶洞溶槽發(fā)育、地下水等情況綜合確定。經(jīng)過對(duì)該橋梁樁基地質(zhì)條件等的分析，最終確定采用沖擊鉆成孔的施工技術(shù)，考慮到橋梁橋位溶洞溶槽情況復(fù)雜，樁基范圍內(nèi)巖層起伏多變，必須在施工期間通過沖擊錘接觸巖層后才能準(zhǔn)確判斷[1]。

2 橋梁樁基礎(chǔ)施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 沖擊成孔

巖溶發(fā)育及溶洞較多地區(qū)的橋梁樁基施工過程中，容易發(fā)生卡鉆、斜樁等問題，一些溶洞填充較滿而另一些溶洞無填充或未填滿，進(jìn)而形成低壓區(qū)，一旦溶洞內(nèi)或裂隙處鉆進(jìn)受到壓差作用影響，溶洞內(nèi)或裂隙處便會(huì)滲入泥漿，引發(fā)漏漿及埋鉆、擴(kuò)孔、塌孔等事故。所以沖擊成孔是橋梁樁基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵工序，必須在沖擊成孔過程中預(yù)測各種現(xiàn)象發(fā)生的可能性并事先準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)措施，確保正常成孔。

（1）在沖擊成孔施工過程中，該橋梁樁基礎(chǔ)采用?200cm的鉆頭鉆進(jìn)至卵石層底，且根據(jù)工程地質(zhì)條件在鉆進(jìn)期間隨時(shí)調(diào)整泥漿比重，并及時(shí)下放鋼護(hù)筒。根據(jù)設(shè)計(jì)要求在樁基周圍布設(shè)?50cm灌注孔，結(jié)合灌注施工要求調(diào)整灌注孔數(shù)量。通常情況下，若通過小沖擊鉆進(jìn)行灌注孔成孔，因上層圓礫石及卵石孔徑為60cm，為避免發(fā)生卡鉆，應(yīng)跟進(jìn)螺旋管；下層白云質(zhì)灰?guī)r則通過孔徑50cm的磨盤鉆進(jìn)成孔。在正常鉆進(jìn)施工過程中，如遇充填物溶洞及漏漿，必須反復(fù)回填沖擊，并通過片石∶黃土∶水泥為70∶25∶5的混合物間隔回填，水泥用量不得小于設(shè)計(jì)值的30%；為控制漏漿量，節(jié)省處理時(shí)間，應(yīng)提前拌和好片石和黃土，使用過程中再伺機(jī)加入水泥。為保證鉆進(jìn)質(zhì)量，必須對(duì)樁基四周地質(zhì)條件進(jìn)行補(bǔ)充勘測，全面掌握地質(zhì)情況。

橋梁樁基礎(chǔ)沖擊成孔施工過程中，溶洞溶槽以及覆蓋層與巖層相接處施工較為關(guān)鍵，因?yàn)槿芏错敋け粵_擊錘擊穿后樁孔內(nèi)水和溶洞內(nèi)水連通，使高出河面的水頭快速消失，原高水頭對(duì)孔壁所施加的壓力也隨之消失，孔壁垮塌的危險(xiǎn)增加，尤其是覆蓋層較為松散的粗顆粒礫石所形成的穩(wěn)定性不良的孔壁。樁孔內(nèi)水和溶洞內(nèi)水連通后還會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿持續(xù)流失，鉆渣難以浮起，錘頭進(jìn)尺困難，雖然部分地下溶洞封閉較好，連通后水頭不會(huì)迅速消失，但在樁孔較大的情況下，大錘頭長時(shí)間在溶洞內(nèi)活動(dòng)，必然會(huì)破壞封閉性良好的溶洞，引發(fā)同樣的塌壁危險(xiǎn)。

（2）沖擊成孔到達(dá)巖面后，因巖面起伏不平，造成巖層與護(hù)筒覆蓋層交界處置平難度較大，并容易引發(fā)護(hù)筒偏位；當(dāng)護(hù)筒同時(shí)位于淺層和松散覆蓋層結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生卡鉆的可能性很大，此時(shí)必須在忽略成孔進(jìn)度的情況下反復(fù)加黃泥、片石沖擊，控制沖擊錘提起高度，確保成孔順利，并保證鋼護(hù)筒平穩(wěn)嵌入巖層結(jié)構(gòu)中。該大橋位于松散砂礫覆蓋層巖溶地區(qū)，面臨覆蓋層塌孔和溶洞串水雙重難題，在沖擊成孔過程中，鋼護(hù)筒應(yīng)隨鉆下封閉溶洞溶槽。施工開始前必須周密計(jì)劃鋼護(hù)筒層數(shù)、尺寸、筒壁厚度等參數(shù)，本大橋成孔樁基尺寸為?200cm，在砂礫層范圍內(nèi)通過?195cm的沖擊鉆頭沖擊成孔的過程中，孔徑尺寸可增大至?220cm，但為保證鋼護(hù)筒結(jié)構(gòu)能隨樁沉降，護(hù)筒外徑不得超出?220cm。但巖層打孔后外徑只能擴(kuò)大至?210cm，若不考慮覆蓋層，應(yīng)采用?210cm鋼護(hù)筒隨鉆自上而下打孔。針對(duì)厚度不同的覆蓋層，使用不同規(guī)格護(hù)筒跟進(jìn)沖擊錘，成孔效果良好。第一層?260cm大護(hù)筒比鉆頭在砂礫層內(nèi)擴(kuò)孔尺寸大，必須通過振動(dòng)錘與人工掏渣的方式擴(kuò)孔，孔底存在較大的涌水，所穿過覆蓋層的厚度僅為4m。第二層采用?220cm護(hù)筒，并待覆蓋層總厚度超出10m后再使用第三層?210cm護(hù)筒。在結(jié)束該橋梁樁基礎(chǔ)施工后通過錘擊使同一覆蓋層內(nèi)成孔尺寸可以變化，以便套不同規(guī)格護(hù)筒通過覆蓋層。通過錘擊擴(kuò)孔，該大橋在砂土、砂礫層以及巖層內(nèi)成孔樁基直徑分別增大20cm和10cm。

為保證該橋梁0#主墩承臺(tái)樁基施工質(zhì)量，必須在起吊鋼護(hù)筒前檢查各施工機(jī)械性能并復(fù)核導(dǎo)向架位置，待鋼護(hù)筒起吊后將其沿著導(dǎo)向架沉入土層，此后起吊振動(dòng)錘并保證其與鋼護(hù)筒中心重合。鋼護(hù)筒對(duì)接過程中必須參照預(yù)留十字線，對(duì)接無誤后焊接固定；鋼護(hù)筒打設(shè)期間應(yīng)實(shí)時(shí)校核垂直度等取值，并將誤差控制在允許范圍內(nèi)。

（3）當(dāng)沖擊成孔穿越至溶洞時(shí)，必須按照施工規(guī)范上限確定泥漿比重，并密切關(guān)注溶洞鉆穿前孔內(nèi)水頭變化，一旦發(fā)生水頭降速加快現(xiàn)象必須立刻以適量水泥、黏土回填，直至水頭穩(wěn)定。防止泥漿流失是沖擊鉆孔穿越溶洞的控制要點(diǎn)所在，以避免因樁孔護(hù)壁泥漿壓力消散而引發(fā)塌孔。在沖擊成孔前必須根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果測算溶洞填充材料總需求量，并按照測算結(jié)果準(zhǔn)備充足的片石、黏土等填充材料。待穿過溶洞后按照測算量回填片石、黏土及水泥，并應(yīng)通過低標(biāo)號(hào)混凝土堵住大溶洞暗流。

（4）橋梁樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量水平要求較為嚴(yán)格，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙及測量定位線施工，在鉆機(jī)放置時(shí)不能忽略樁基輔助和保護(hù)。護(hù)筒的設(shè)置必須考慮后期樁基遭遇溶洞時(shí)能通過鋼護(hù)筒跟進(jìn)，護(hù)筒埋設(shè)時(shí)必須高出地面0.3～0.5m，以確保樁基施工過程中不會(huì)灌入地表水而影響泥漿配比。

2.2 清理孔道

考慮到該橋梁樁基礎(chǔ)施工過程中地質(zhì)條件的復(fù)雜特殊性，許多穿過地下溶洞的樁孔因周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分脆弱，很容易發(fā)生崩塌和位移，影響樁孔孔位及截面積。為此，采用正循環(huán)換漿法清理孔道[2]，以減小清孔過程對(duì)孔壁造成的壓力，維持孔壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此外，孔道清理施工應(yīng)在白天光線充足的情況下進(jìn)行，結(jié)束清孔后必須檢測孔道內(nèi)泥漿各項(xiàng)性能和高度。

2.3 巖溶注漿

本橋梁樁基巖溶注漿材料主要為水玻璃與水泥的混合料，水灰比在0.8∶1～1∶1之間，為保證混合料的波美度，水玻璃摻加量應(yīng)不超出水泥質(zhì)量的10%。在進(jìn)行樁基施工前通過間歇式循環(huán)方式注漿6h以上，停注后等已注漿液達(dá)到初凝狀態(tài)再次注漿。結(jié)束注漿后應(yīng)待漿體材料實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的80%后鉆孔。注漿施工過程中應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)要求并根據(jù)實(shí)際注漿效果調(diào)整注漿施工參數(shù)，注漿施工機(jī)械采用裝配LJ-300型攪拌機(jī)的注漿泵，按照0.5～1.0MPa的壓力和20～30L/min的速度注漿，注漿時(shí)間應(yīng)控制在5～10min/0.5m，并根據(jù)巖溶屬性、深度等確定實(shí)際注漿量；待注漿壓力達(dá)到1.0MPa后還應(yīng)繼續(xù)注漿10min，并待吸漿量降低至30L/min以下時(shí)結(jié)束注漿[3]。

2.4 混凝土回填

該橋梁主墩承臺(tái)樁基溶腔內(nèi)主要回填絮凝混凝土材料，該材料因摻加了一定比例的絮凝劑，故抗分散性能和堆積速率提高，施工進(jìn)度加快，工藝簡化，并具備較好的自流平、自密實(shí)性能，可有效防止骨料、水泥等材料分散。在混凝土回填施工前，應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模測算首次灌注混凝土方量，由于該橋梁樁基礎(chǔ)工程地質(zhì)條件特殊、擴(kuò)孔情況復(fù)雜，故應(yīng)根據(jù)測算結(jié)果適當(dāng)放寬回填量，使首次回填灌注高度達(dá)到1.0m以上，防止因材料不足而引發(fā)斷樁。

結(jié)合《水下不分散混凝土施工技術(shù)規(guī)范》（Q/CNPC 92—2003），絮凝混凝土材料坍落度至少為23cm，7d及28d水陸強(qiáng)度比分別為70%～85%和80%～90%；水下靜置1h和2h后坍落度損失分別為0和10%。為避免發(fā)生塌孔，應(yīng)在每根樁基周圍鉆孔內(nèi)均灌注絮凝混凝土材料，主要通過直徑50cm小孔進(jìn)行間歇式灌注回填，考慮到該橋梁工程所用絮凝混凝土材料凝固時(shí)間為10h，因此相鄰兩次灌注時(shí)間間隔應(yīng)不超出15h。

3 施工中突發(fā)問題的處理

3.1 鋼護(hù)筒卡組

在樁基礎(chǔ)施工過程中，鋼護(hù)筒進(jìn)入巖層后卡阻現(xiàn)象較少發(fā)生，通過分析發(fā)現(xiàn)，主要原因是過溶洞時(shí)因回填片石反復(fù)沖擊使成孔較為規(guī)則。只有1次鋼護(hù)筒在巖層內(nèi)跟進(jìn)時(shí)發(fā)生嚴(yán)重卡阻，原因均為鋼護(hù)筒不規(guī)則，即0#墩1#樁護(hù)筒在距離樁底5m處遭遇卡阻，沖擊錘在距離樁底1m處遇到溶槽，填充物大量涌入樁孔，嚴(yán)重影響沖擊錘進(jìn)尺。經(jīng)設(shè)計(jì)單位及監(jiān)理工程師同意后將最后1m成孔改成?150cm，先將長2m的?200cm鋼護(hù)筒沉入孔底，再通過空壓機(jī)清孔，待該節(jié)鋼護(hù)筒到達(dá)距離設(shè)計(jì)標(biāo)高1m時(shí)便會(huì)堵死溶槽。

3.2 卡鉆

當(dāng)鋼護(hù)筒遭遇巖石受力不均發(fā)生外壁垮塌、結(jié)構(gòu)變形時(shí)，容易引發(fā)卡鉆，必須明確鋼護(hù)筒垮塌及結(jié)構(gòu)變形具體部位，拋填超出變形部位的片石后持續(xù)沖擊以校正變形結(jié)構(gòu)，校正后全面檢查鋼護(hù)筒位置，若仍不正確，須整個(gè)提出重新安裝。另一種情況是鋼護(hù)筒未及時(shí)跟上，即鋼護(hù)筒位于覆蓋層內(nèi)時(shí)護(hù)筒下孔壁垮塌，此種情形下必須壓平堆積物，并將護(hù)筒向下扎打，保證鋼護(hù)筒及時(shí)跟上。如果鉆頭尺寸與內(nèi)護(hù)筒直徑較為接近且跟得過緊也容易引發(fā)卡鉆，鋼護(hù)筒底部必須高出鉆頭頂部50cm。

3.3 掉鉆

卡鉆發(fā)生后必將引起掉鉆。一般情況下卡鉆發(fā)生后鋼絲繩受力將增大，扭折次數(shù)增多，更容易發(fā)生斷裂。巖溶地區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，鋼絲繩通常處于不利的受力情況，在卡鉆處理過程中必須檢查鋼絲繩損壞程度，并決定是否更換。一旦發(fā)生掉鉆現(xiàn)象，要設(shè)法使鋼護(hù)筒套住鉆頭后打撈，其間必須注重鋼絲繩承受力、卷揚(yáng)機(jī)起重噸位的分析以及平臺(tái)牢固程度的檢查。提鉆過程中可能帶動(dòng)鋼護(hù)筒，為此，要有足夠的提升力保證設(shè)施設(shè)備安全。該橋梁樁基礎(chǔ)工程采用大噸位千斤頂提鉆。

在樁基礎(chǔ)施工過程中，打撈鉆頭過程較為復(fù)雜，鋼絲繩斷裂部位一般為與鉆頭或卷揚(yáng)機(jī)相接處，為此將打撈圈安裝在鉆頭頂部，將保險(xiǎn)索安裝在起重鋼絲繩上。打撈圈具體安裝方式詳見圖2，即將兩塊帶孔的鋼板對(duì)稱焊接在沖擊鉆導(dǎo)向圈內(nèi)側(cè)支撐架上，再將鋼絲繩穿過兩個(gè)孔后繞圈處理并卡緊，然后在其余兩個(gè)支撐架上通過10#鉛絲將鋼絲繩捆住，使其投影范圍不超出導(dǎo)向圈范圍。打撈過程中，在上面用鉤子鉤住打撈圈，提升期間10#鉛絲被拉斷，打撈圈吊點(diǎn)隨之對(duì)準(zhǔn)錘中心，達(dá)到理想的受力狀態(tài)。保險(xiǎn)索則安裝在沖擊鉆起重繩上，并卡住另一根端頭拴在工作平臺(tái)的鋼絲繩，如果沖擊鉆起重鋼絲繩從卷揚(yáng)機(jī)滾筒處斷裂，則只需提起保險(xiǎn)索，不用實(shí)施打撈。

3.4 護(hù)筒相卡

在該橋梁樁基礎(chǔ)施工時(shí)，對(duì)較厚的覆蓋層通常采用三層護(hù)筒，且第二、三層護(hù)筒直徑十分接近，這就容易造成護(hù)筒相卡。為此，必須保證鋼護(hù)筒尺寸準(zhǔn)確，尤其是護(hù)筒對(duì)接加長處理時(shí)各節(jié)段表面應(yīng)位于同一垂直線上，表面突出的焊疤要徹底清除；覆蓋層上部沖擊成孔過程中需增大成孔深度后再跟進(jìn)護(hù)筒，盡量縮短大護(hù)筒跟進(jìn)時(shí)間，有效控制其變形。

4 結(jié)語

通過對(duì)巖溶地質(zhì)橋梁樁基礎(chǔ)施工過程的分析可以看出，巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，工程進(jìn)度也無法保證?；诖耍O(shè)計(jì)人員必須在詳細(xì)地勘資料的基礎(chǔ)上確定橋梁孔徑，且各樁孔內(nèi)必須設(shè)置至少兩個(gè)鉆孔，以真實(shí)反映地質(zhì)條件。巖溶地質(zhì)條件下橋梁樁基礎(chǔ)施工還應(yīng)合理進(jìn)行孔徑選擇，在地質(zhì)條件并不復(fù)雜且持力層不深的區(qū)域，采用大孔徑樁基礎(chǔ)，而對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜且持力層較深的區(qū)域改用小孔徑樁基礎(chǔ)，從而使其達(dá)到最佳的施工效果。