橋梁樁基在復雜巖溶地質(zhì)條件鉆孔施工關鍵技術

鞏明 王富林

摘要 隨著我國基礎建設技術的迅速發(fā)展，橋梁施工技術愈發(fā)成熟，在交通基建行業(yè)中得到廣泛應用，但在喀斯特地貌環(huán)境中施工橋梁鉆孔樁時，因復雜地質(zhì)條件會造成不同程度的塌孔，特別是在遇到溶洞溶腔時加劇成孔困難，導致工期緊張。文章結合新建柳梧鐵路橋梁樁基在鉆孔過程中的施工情況，對鉆孔期間塌孔問題產(chǎn)生的原因和處理工藝進行分析，總結出相應的處理措施，以保證成孔質(zhì)量。

關鍵詞 巖溶地質(zhì)；塌孔；成孔質(zhì)量；樁基

中圖分類號 U445.551文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0087-03

0 引言

樁基施工是鐵路橋梁施工的重要環(huán)節(jié)，其施工過程流程復雜，對工藝技術水平要求高，因此常常成為整個工程的難點。為了確保樁基施工的順利進行，必須在鉆孔施工之前做好技術方案的策劃工作。該工作需要根據(jù)不同地質(zhì)情況采用相應的工藝措施，以保證樁基能夠快速成孔并滿足工程質(zhì)量要求。因此，技術方案的完善是樁基施工的重要前提，也是確保整個鐵路橋梁施工質(zhì)量和進度的關鍵因素之一。在樁基施工過程中，技術方案的策劃工作至關重要，需要綜合考慮地質(zhì)條件、鉆孔設備、鉆進速度等因素，制定出一套科學、合理、高效的方案，才能保證樁基施工達到預期效果，為鐵路橋梁施工提供可靠的保障。

1 工程概述

新建柳梧廣鐵路為雙線Ⅰ級鐵路，設計速度為160 km/h，盤龍柳江特大橋為全線重點控制性工程。橋長孔跨式樣為[30×32+（51.4+100+326+86.5+63.1）斜拉橋+66×32]m。橋梁全長為3 787.424 m，其中主橋長629 m，設計為主跨326 m鋼－混凝土混合梁斜拉橋，鉆石型索塔。橋梁全線與柳北高速公路平行，無交叉點，兩者最近相距50 m。

盤龍柳江特大橋共有樁基774根，其中主橋樁基樁徑設計2.8 m，共32根，引橋樁基樁徑設計1.25 m和1.5 m兩種規(guī)格，共742根，所有樁基均按柱樁設計。施工時除滿足設計樁長外，還應滿足樁底嵌入完整基巖弱風化巖層以下不小于1 m深度。

2 水文地質(zhì)情況

2.1 水文情況

地表水主要為柳江水，地表水水位旱季較穩(wěn)定，雨季遇突發(fā)性洪水可能暴漲。地下水主要為第四系孔隙水、裂隙水以及巖溶裂隙水與暗河水。地下水水量豐富，橋區(qū)地下水位埋深12～22 m?？紫端淮嬗诒韺羽ば酝梁吐咽林校恳话?。裂隙水主要存在于角礫狀灰?guī)r強風化層中，富水性隨季節(jié)變化較大。巖溶水富存于灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r中，橋區(qū)巖溶中等發(fā)育，巖溶管道連通性較好，巖溶水發(fā)育。地下水主要受地表水及大氣降水補給，經(jīng)人工開采等方式排泄，地下水位動態(tài)變化不大。地下水與地表水聯(lián)系緊密，豐水期地表水補給地下水，枯水期地下水補給地表水。

2.2 地質(zhì)情況

橋址區(qū)屬溶蝕、剝蝕低山丘陵地貌，地面高程50～93 m，相對高差43 m。兩端柳江河階地，地形起伏較小，地勢平坦，地表覆土厚度較大，多為種植地。

橋址區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積黏土、細角礫土、卵石土，坡洪積粉質(zhì)黏土、粉土、細角礫土，坡殘積黏土。下伏基巖為石炭系上統(tǒng)灰?guī)r，中統(tǒng)黃龍群灰?guī)r[1]?；?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r中發(fā)育第四系全新統(tǒng)洞穴堆積層黏土及孔洞。

橋區(qū)不良地質(zhì)為巖溶、岸坡溜坍。巖溶橋址內(nèi)下伏基巖為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，局部夾角礫狀灰?guī)r，厚層狀，節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部陡傾溶蝕裂隙較發(fā)育，巖溶中等～強烈發(fā)育，呈溶槽、溶孔、溶洞等溶蝕現(xiàn)象，溶洞多呈串珠狀發(fā)育[2]?？傮w來看，橋區(qū)內(nèi)巖溶以中淺部發(fā)育為主，個別墩臺串珠狀溶洞發(fā)育，巖溶對橋基設置影響較大。

現(xiàn)有鉆探資料顯示，盤龍柳江特大橋引橋的742根樁基中有溶洞的樁基為209根，約占總數(shù)量的28%。溶洞數(shù)量總計300個，最小的溶洞高度0.4 m，最大溶洞高度10.5 m。表1為橋址區(qū)域地質(zhì)柱狀表[3]。

3 鉆孔工藝簡述

根據(jù)圖紙水文地質(zhì)和巖溶情況，以及結合現(xiàn)場調(diào)查情況，現(xiàn)場主要選用沖擊鉆機進行鉆進成孔施工。鋼護筒采用比樁徑大20 cm的Q235鋼板卷制而成，一般選用長度為2～4 m的鋼護筒，特殊地段如筑島法、卵石地層護筒跟進施工時可適當加長[4]。鉆具組合包括鉆鋌（鉆桿），鉆頭（牙輪鉆頭），鉆桿接頭（連接套）三部分，其結構形式均以整體式為主，局部也可考慮組合式。井身質(zhì)量要求較高，應采取必要的技術措施和孔內(nèi)事故處理及預防方法。泥漿系統(tǒng)采用在墩位附近設置泥漿池、貯漿池、沉淀池、泥漿分離器等泥漿循環(huán)系統(tǒng)。泥漿原料宜選用優(yōu)質(zhì)黏土，有條件時優(yōu)先選擇膨潤土造漿，為提高泥漿粘度和膠體率，可在泥漿中摻入燒堿或碳酸鈉等添加劑。鉆孔和清孔過程采用反循環(huán)方式。鋼筋籠集中在鋼筋加工廠內(nèi)加工成型后運至施工現(xiàn)場，利用25 t汽車吊吊裝入孔?；炷凉嘧⒉捎脤Ч芊ńY合水下混凝土施工工藝[5]。

4 鉆孔過程中塌孔原因分析

針對現(xiàn)場沖擊鉆在鉆孔施工時遇到的塌孔問題，該文根據(jù)實際地質(zhì)水文資料、鉆孔過程中的沖程大小、泥漿指標測試結果、鉆孔出渣渣樣、潛水員孔內(nèi)摸探，以及溶洞溶腔的位置、大小、尺寸和填充物情況，加以分析后得出以下幾方面原因[6]。

4.1 鋼護筒底口與原狀土接觸不密實

鋼護筒通過挖機直接開挖原地面后埋設，再利用回填土夯實的施工工藝，實質(zhì)上破壞了原有地層的完整性，鋼護筒外壁將不能與地層密實貼合，導致護筒底口容易發(fā)生滲漏現(xiàn)象。再者，鋼護筒底口若埋設在細角礫土和卵石土層中，鉆機開口施工時因沖擊卵石破壞土層整體性，也會導致鋼護筒周圍坍塌。因此，必須加強對護筒底口及周邊土體進行處理以防止?jié)B水、漏水等病害發(fā)生，同時還需要考慮鉆孔灌注樁所處地區(qū)的特殊地質(zhì)環(huán)境，設計合理的結構型式[7]。

4.2 泥漿性能和水頭差不合理

優(yōu)質(zhì)的泥漿有利于平衡內(nèi)外土層壓力和水壓力。泥漿對孔壁的保護是通過泥皮實現(xiàn)的，泥漿受液壓作用浸沒于土層中，泥漿凝膠體在一定限度內(nèi)黏附于土顆粒表面并固定其相對位置，孔壁的周圍也將形成較穩(wěn)定的土層，從而提高了土層的抗剪強度。泥漿繼續(xù)滲透使泥漿中的土顆粒逐漸替補了孔壁土層的孔隙，堵塞水道在孔壁形成隔水膜，即泥皮。泥皮受泥漿的液態(tài)靜壓力和孔壁外的水土壓力而處于平衡狀態(tài)，防止了地下水滲透及泥漿繼續(xù)流失，維持孔壁的平衡與穩(wěn)定。在鉆進過程中，若泥漿比重偏小，內(nèi)外壓力差較大易造成孔壁失穩(wěn)塌孔。鉆孔過程中，泥漿液面高度若低于孔口過大，也會導致內(nèi)外壓力差較大而引起孔壁失穩(wěn)塌孔。

4.3 沖進速度過快

橋址區(qū)上覆主要為細角礫土和卵石土，并且土層較厚，因沖擊鉆機鉆進時沖程過快過大，孔壁未及時形成有效的泥皮護壁，導致塌孔。

4.4 溶洞溶腔導致泥漿滲漏

孔深鉆進遇到溶洞溶腔后，孔內(nèi)泥漿會瞬間滲漏至溶腔內(nèi)，直接造成孔內(nèi)無泥漿護壁的現(xiàn)象，此時水壓力無法平衡土層壓力，尤其對于細角礫土和卵石土層，由于內(nèi)外土層壓力和水壓力相差較大，造成地層塌孔現(xiàn)象嚴重，這是在喀斯特地貌地質(zhì)中最容易遇到也最難解決的問題。

4.5 不當?shù)奶幚矸绞?/p>

沖擊鉆機卡鉆和掉鉆的處理不當也是破壞孔壁造成塌孔的原因之一，因為鉆頭鉆進堅硬巖層磨損較快，擴孔率低，當加焊鉆頭致鉆頭直徑過大時易發(fā)生卡鉆?？ㄣ@嚴重或出現(xiàn)掉鉆埋錘等情況下，施工人員通過反循環(huán)清渣或強拉硬拽的方式處理，有可能引發(fā)塌孔。因此，必須對這些因素引起高度重視，避免由于處理不當而導致孔內(nèi)事故的發(fā)生。另外，合理的操作方式與正確的使用方法也至關重要。

5 處理方案及防范措施

針對以上塌孔原因的分析，綜合大量的相關資料和現(xiàn)場實際情況采取了以下有效措施進行處理和防范。

5.1 保證規(guī)范施工

①對于地質(zhì)上層存在細角礫土和卵石土層覆蓋厚的地域，應確保鋼護筒入土深度超過該地質(zhì)層的厚度。②配置優(yōu)質(zhì)的泥漿，加強泥漿指標試驗檢測頻率，并保證泥漿循環(huán)系統(tǒng)的正常運轉。通過不斷試驗和優(yōu)化過程，將泥漿比重調(diào)配至1.2～1.4 g/cm?，以填充細角礫土和卵石土層中的縫隙形成有效保護。③注意觀察孔內(nèi)泥漿面標高，加強泥漿循環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，保證水頭高度滿足要求。④在加焊鉆頭時通過磨損情況來判斷滿足鉆頭直徑的孔內(nèi)標高位置，嚴格控制加焊的厚度，于孔內(nèi)回填相應量的片石，低沖程施工，避免造成卡鉆。

5.2 鉆進參數(shù)控制

在鉆進過程中泥皮壁薄不穩(wěn)定，易收縮，故鉆進速度不宜過快，須保證新鮮孔壁及時形成泥皮護壁，避免塌孔。位于細角礫土或卵石土層的交接層時，鉆進速度更應低檔緩慢，一般控制在0.2 m/h，以保證形成穩(wěn)定的護壁，避免產(chǎn)生漏漿空隙。根據(jù)各孔地質(zhì)情況制定相應的鉆進參數(shù)，操作人員在鉆孔過程中應嚴格控制好鉆速、鉆壓以及泥漿參數(shù)，避免盲目追求成孔速度造成斜孔和塌孔現(xiàn)象。

5.3 泥漿優(yōu)化

針對易塌地質(zhì)層需要確保泥漿有相對較大的比重和粘度，能較快較好地形成泥皮附于孔壁，現(xiàn)場實際施工中常常由于操作困難或泥漿節(jié)約成本等思想，很難在遇到易塌地質(zhì)層時對泥漿指標進行調(diào)整，同時很難達到實時改變泥漿性能，因此在鉆進渣樣顯示進入細角礫土或卵石土層時，可拋入水泥利用沖砸與泥漿結合加強泥皮性能。

5.4 溶洞溶腔處理

根據(jù)圖紙溶洞顯示，結合現(xiàn)場漏漿情況初步判斷溶洞的大小尺寸。溶洞較小時，可以回填片石黃土，反復沖砸重新擠密，也可以澆筑低強度早凝混凝土，待混凝土強度達到10 MPa后繼續(xù)鉆進。需要注意的是，在鉆孔遇到溶洞溶腔時，泥漿面會迅速下降，使細角礫土或卵石土層露出泥漿面，這時孔內(nèi)水土壓力極不平衡，細角礫土或卵石土層位置會出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，因此推薦使用回填溶洞溶腔的方式，可在細角礫土或卵石土層頂面位置一次性回填黏土，這時再沖進就能再給孔壁形成泥皮，從而達到再次維護孔壁穩(wěn)定的效果。如遇工期緊、溶洞大、處理困難的溶洞溶腔，可在方案制定時考慮預注漿的方式提前治理，即采用鉆探機預先鉆孔至溶洞位置，然后拌和水泥漿體壓入溶腔，充填完成后使用沖擊鉆機或旋挖鉆機鉆孔，可以降低鉆孔難度，加快鉆孔速度。

對于鉆孔時遇到因溶洞溶腔造成泥漿急速下降等情況，應提前采取相應的預防和處理措施，如預先注漿可有效減少泥漿下降過多、過快的現(xiàn)象。施工過程中應緊密結合施工圖紙和地質(zhì)資料，并考慮周邊樁基施工過程中出現(xiàn)的溶洞位置，判斷施工中的樁基溶洞溶腔的位置和大小，備足可補泥漿，派專人值班觀察，遇泥漿面急降時可以及時補泥漿，以達到孔內(nèi)水土壓力平衡狀態(tài)，再輔以回填黏土沖砸擠密細角礫土地層形成泥皮護壁起到保險效果。

5.5 注漿加固

從設計地質(zhì)圖上看，可以事先對易塌地質(zhì)進行擠密固結方式處理，在地面時可使用鉆機等設備用攪拌樁或旋噴樁技術鉆孔到易塌地層中，用漿液填充易塌地層中的縫隙預固結，靜置一段時間后再進行樁基施工。

5.6 套內(nèi)護筒

遇有大溶洞時，推薦下放鋼護筒至溶洞底的方式來處理，即鉆孔時采用比樁基直徑大一點的鉆頭進行鉆孔，接著將直徑稍小于鉆頭但要符合樁徑要求的鋼護筒放至溶洞底，然后用振動錘插打一定深度，形成鋼護筒保護系統(tǒng)，這樣不僅可以保護樁基質(zhì)量，又可以降低塌孔對成孔的影響，效果較為顯著。

6 結論

鑒于喀斯特地貌、易塌地質(zhì)、大直徑鉆孔樁的地質(zhì)水文條件，決定了該橋樁基施工速度關鍵在于成孔速度，即如何快速完成整個工程所需時間，另外還必須考慮到樁體是否穩(wěn)定及安全等因素，以確保工程質(zhì)量與施工進度目標的實現(xiàn)。由于工程地質(zhì)情況千差萬別，所以每個階段所采取的措施都不相同，因此在確定方案時需要對施工圖紙進行認真研究，掌握現(xiàn)場地質(zhì)具體情況，有針對性地制定施工方案。該文針對柳梧鐵路施工中出現(xiàn)的問題提出了處理措施，旨在成孔時通過優(yōu)化泥漿和溶洞處理的方式來解決施工難題，保證了橋梁樁基的質(zhì)量，達到了工期要求并發(fā)揮了較好的實際作用。

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