巖溶地區(qū)橋梁鉆孔灌注樁施工技術(shù)及質(zhì)量控制
2016-10-08
0 引言
我國幅員遼闊，地形復雜，巖溶地貌分布極為廣泛。巖溶地貌即眾人熟知的喀斯特地貌（karst landform），此種地貌植被稀少，地形非常復雜。在巖溶地貌上建造橋梁，難度極高，如果不能嚴格控制鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量，掌握巖溶地區(qū)鉆孔技術(shù)，輕則降低橋梁承載力，減少使用壽命；重則造成大面積塌陷，嚴重影響施工進度，甚至造成重大施工事故。而在巖溶地貌上建造橋梁，因為其地質(zhì)特性，鉆孔灌注樁又是不二選擇。因此，本文主要針對巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁的施工技術(shù)與其質(zhì)量控制進行介紹。
1 工程簡介
鄭徐客運專線徐州特大橋位于江蘇省徐州市境內(nèi)，橋梁全長28.82km，鉆孔灌注樁樁徑有1m、1.25m、1.5m、2m四種類型。從勘探資料來看，灰?guī)r巖溶裂隙較發(fā)育，巖溶裂隙發(fā)育于巖層中上部，層面埋深2.3～70.6m，覆蓋型巖溶是主要的不良工程地質(zhì)問題?？辈煦@孔見洞率達59.26%，溶洞一般發(fā)育在基巖面附近0.5～10m，呈單個或者串珠狀發(fā)育，溶洞發(fā)育1～9層，洞高為0.05～20.7m。地下水位高，水系連通，巖溶區(qū)其基巖面起伏較大，巖溶在空間發(fā)育復雜，給鉆孔樁施工帶來了很大的困難，引起漏漿、卡鉆、坍孔、地面塌陷、混凝土灌注超方等問題。
2 巖溶發(fā)育地區(qū)地質(zhì)特點對鉆孔樁的影響
?、賻r溶地區(qū)持力層基本為基巖，基巖層能夠承受較大載荷，但若是事先沒有對施工場地的地質(zhì)、地理環(huán)境進行詳細的分析考察，如果基巖層處于溶洞上方，并且沒有足夠的厚度，對樁基施工及整個橋梁質(zhì)量都有嚴重的隱患。②巖溶地貌的主要構(gòu)成為石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖三種，這三種巖石類型密度與強度都較大，沖擊鉆機工作負荷極大，如遇溶洞，引發(fā)大面積塌陷的幾率非常高，導致鉆機傾覆，容易造成施工事故。③巖溶地區(qū)地形不規(guī)則，高低起伏，樁基難以與四周持平，極易出現(xiàn)臨空面，造成樁基施工困難，進度緩慢。④巖溶地區(qū)地下水含量非常高，在進行鉆孔時，涌水量經(jīng)常超出預計，無論是對于鉆孔，還是混凝土的灌注都會帶來較大的影響。
3 巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工特點
相對于普通地區(qū)的鉆孔灌注樁施工，巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁有以下幾個特點：
?、賻r溶地區(qū)鉆孔極易發(fā)生坍塌。如果覆蓋層密度不夠，在進行鉆孔時輕則造成塌孔，重則造成地面大面積沉降，損壞鉆機。②由于巖溶地區(qū)巖層表面凹凸不平，地下水活動豐富，在鉆孔成型過程中，容易導致鉆孔的結(jié)構(gòu)、形狀發(fā)生變化，一旦結(jié)構(gòu)改變，就會造成斜孔、彎孔的出現(xiàn)，同時又會引發(fā)漏水、漏漿的后果。③鉆孔完成后，清孔工作開展困難，因石灰?guī)r，白云巖具有較好的透水性，需要對泥漿的性能指標進行嚴格控制，防止漏漿與塌孔事故的出現(xiàn)。同時，在鉆孔過程中或在清孔暫停時，由于內(nèi)部壓強的劇烈變化，也容易造成塌孔。
4 巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制
巖溶發(fā)育地區(qū)鉆孔灌注樁施工與普通地區(qū)的施工方式有所不同，在巖溶地區(qū)施工時，為保證鉆孔樁施工質(zhì)量，需要從以下幾方面進行嚴格控制：
4.1 鋼護筒施工質(zhì)量控制 在巖溶低于鉆孔時，鋼護筒是必不可少的，良好的跟進可以極有效避免塌孔、斜孔的出現(xiàn)，特別是在大型溶洞之上進行鉆孔施工時，尤其要控制鋼護筒施工質(zhì)量，主要體現(xiàn)在：
?、黉撟o筒的埋設(shè)位置需要精確規(guī)劃，保證位置合理，要求鋼護筒中心豎直線與樁中心線重合。②鋼護筒的打入深度越接近基巖持力層，鋼護筒防護效果越好。③在鋼護筒跟進時，其傾斜角度保證在1%內(nèi)，并控制好巖面接觸孔隙。
4.2 鉆孔施工質(zhì)量控制 在巖溶發(fā)育地區(qū)進行鉆孔樁施工時，要特別注意鉆進過程中容易出現(xiàn)的塌孔、串孔、斜孔、卡鉆、掉鉆、地面沉陷等現(xiàn)象。在對巖土過渡段鉆孔時，刃腳塌孔是需要高度重視的；在進行溶洞上端破除時，要防止鉆頭斷裂、卡鉆或吊繩斷裂；在進行溶洞部分穿越時，鉆頭極易發(fā)生傾斜，從而導致斜孔的出現(xiàn)，鉆頭穿越溶洞時要注意大繩的擺動情況，以便判斷是否歪鉆。
由于巖溶地區(qū)巖層面錯綜復雜，有竹筍狀、斜坡面、波浪形巖面，樁基施工至溶洞位置時容易造成偏孔。若出現(xiàn)斜鉆偏孔的情況時，應按1：1的比例回填粘土和片石至彎孔處1.5～2.0m以上，重新沖砸。片石的強度要求高于樁基偏孔處巖層強度，經(jīng)過反復填孔沖砸才能有效處理偏孔。若巖層與片石硬度不一致，沖擊過程中仍舊是偏向于硬度小的回填物方向，施工過程中采用此方法也存在著回填次數(shù)多、沖孔時間長、糾偏效果不明顯等弊端，此時應對斜巖采取灌注高標號水下混凝土，高度以超過斜巖面1.5～2.0m為宜，以保證在沖孔過程中沖擊面始終保持平衡，從而達到糾偏的目的。
4.3 清孔 成孔之后，先使用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機的泵吸、氣舉等功能將孔進行首次清理，然后使用大功率空氣壓縮機對內(nèi)壁進行二次清理，確?？變?nèi)干凈?？椎壮猎穸葢显O(shè)計要求，當設(shè)計無具體要求時，對于柱樁不應大于50mm，摩擦樁不應大于100mm。
5 巖溶地區(qū)巖溶樁基施工處理
5.1 巖溶樁基施工總體原則 每個墩臺樁基施工前技術(shù)人員認真研究設(shè)計圖紙、地質(zhì)剖面圖，根據(jù)勘查資料分析判斷溶洞類型，采取相應的處理預案。并向鉆機作業(yè)隊操作人員就地質(zhì)情況、準備工作、處理方法及安全注意事項等進行詳細交底。
巖溶樁基施工采取“先長樁后短樁、先外圍樁后中間樁”的方法，同時按照先易后難的總體施工原則，即把巖面情況較平、無溶洞或只有單只小溶洞的樁基先施工成孔，基本摸清溶洞地質(zhì)情況、掌握溶洞處理措施后，再處理較大溶洞。 巖溶樁基在鉆孔施工中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、串孔、斜孔、卡鉆、掉鉆、地面沉陷等現(xiàn)象。在混凝土灌注過程中，混凝土流失較大，經(jīng)常出現(xiàn)混凝土面突然下降等情況。根據(jù)不同的情況，綜合采用回填片石碎石加粘土、水泥、注漿以及鋼護筒跟進的施工方法對溶洞進行處理，加大處理力度，從而在保證安全的前提下加快鉆孔樁施工進度。
5.2 溶洞處理方案 對于小型的單個溶洞（不論有無填充物），都可采用回填片石、碎石+粘土及注漿的方法進行處理。
對于較大的串珠型溶洞進行提前預注漿處理。
如有以下情況時：
①多層串珠狀溶洞；②樁身有一半位于溶洞上或二根以上的樁身位于同一溶洞上；③因溶洞位置多次填片石不易成孔；④土石分界線處，多次漏漿容易造成坍孔；⑤溶洞上部存在砂性土、粉質(zhì)粘土（沖擊振動時富水砂性土、粘土可能液化）；⑥溶洞內(nèi)有流塑體導致不易成孔的；⑦溶洞頂板厚度較薄小于3m的。
除采用回填片石+粘土及注漿的方法進行溶洞處理外，必要時需采用一層或多層鋼護筒全程跟進至溶洞底的方法進行鉆孔施工，鋼護筒入巖深度不小于1m。
對于無充填溶洞或半充填的溶洞，在擊穿洞頂之前，要密切注意護筒內(nèi)泥漿面的變化，一旦泥漿面下降，應迅速補漿，然后根據(jù)溶洞的大小按6：4的比例回填片石、粘土及整包水泥后，沖擊擠壓密實，只有當泥漿漏失現(xiàn)象全部消失后才轉(zhuǎn)入正常鉆進，如此反復使鉆孔順利穿越溶洞。
遇到特大型空溶洞或半充填的溶洞時，先在孔口附近準備好足夠的塊石、粘土、水泥及鋼護筒。在洞頂打穿時，一旦發(fā)現(xiàn)漏漿，要迅速填堵，防止塌孔。將準備好的片石、粘土、水泥按6：4的比例拋入，并及時補漿，直至孔中的泥漿停止下降，并慢慢上升，此時可用沖錘進行適當擠壓，靜置24小時水泥凝結(jié)后開始沖孔，經(jīng)過反復拋片石、粘土、水泥，再沉入預備好的鋼護筒后繼續(xù)鉆進，必要時可采用多層鋼護筒，以確保施工安全和順利成樁。
當溶洞有流砂或泥流，且處理溶洞時未下鋼護筒，灌注過程中容易沖破原來回填片石粘土所制造的護壁，影響樁身質(zhì)量的，可采用鋼筋籠處于溶洞位置處焊接鋼護筒，鋼護筒高度超過溶洞上下各1m。
5.3 沖程控制 在鉆至離溶洞頂部1m左右時，需減小沖程，逐漸將洞頂擊穿，防止大力沖程對溶洞結(jié)構(gòu)破壞，導致溶洞坍塌。同時要防止卡鉆，并準備足夠片石和粘土。在擊穿洞頂前，需要時刻關(guān)注鋼護筒內(nèi)泥漿面變化，對漿面下降的情況下，要及時補漿，根據(jù)溶洞大小按6：4的比例回填片石、粘土及水泥，同時沖擊擠壓密實，直至漏漿情況消失即可轉(zhuǎn)入正常鉆進。
6 常見質(zhì)量問題的處理及控制
在巖溶地區(qū)進行鉆孔灌注樁施工時，由于地質(zhì)原因，難免會出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，對于常見問題如果能夠及時處理，可以有效避免后期對工程整體質(zhì)量的影響。
6.1 漏漿 漏漿可以分為兩類：明顯漏漿與持續(xù)漏漿。如果基巖表面被地下水溶蝕，泥漿至此便會出現(xiàn)持續(xù)漏漿。在持續(xù)漏漿時，可能會出現(xiàn)斜孔的現(xiàn)象，防止持續(xù)漏漿的方法是在鋼護筒內(nèi)添加硅酸鋁鹽，增加孔內(nèi)漿量，同時減小鉆機沖程。明顯漏漿出現(xiàn)在破除溶洞上層時，對此的處理方法是迅速將鉆錘提起，根據(jù)漏漿情況拋填片石、粘土和水泥混合物，（片石和粘土比例為6：4，每填高3m填袋裝水泥500kg），回填高度一次以2m～3m為宜，混合物回填至溶洞頂以上3～5m，然后補漿至孔口，待漿面穩(wěn)定后采用低沖程進行沖擊。
6.2 偏孔 由于巖溶區(qū)巖層結(jié)構(gòu)錯綜復雜，巖面形狀不一，硬度不一，在鉆孔施工中極易出現(xiàn)偏孔、歪鉆。因此，需施工人員時刻注意大繩情況，以便判斷是否歪鉆。
如出現(xiàn)歪鉆情況，對此的補救方法是回填片石，同時保證回填片石強度，反復填孔沖砸，直至取直，或灌注水下砼，灌至彎曲部分之上，確認強度達標后再重新進行鉆孔。
6.3 塌孔 塌孔有兩種情況：一種是孔口坍塌。另一種是孔內(nèi)坍塌。
塌孔事故應力求預防為主，一旦發(fā)生應及時處理。保證鉆孔時泥漿質(zhì)量的各項指標滿足規(guī)范要求，并有足夠的水頭高度；起落鉆頭時對準鉆孔中心，在不同土層中選用不同的沖程；塌孔不嚴重者可回填粘土和水泥后加大泥漿比重、加高水頭，繼續(xù)鉆進；塌孔嚴重者應使用片石、粘土、水泥回填，換孔位鉆進，待其它孔位完成后再復鉆。
6.4 卡錘 分析錘頭卡住位置及具體情況，不宜強提，一般采取晃大繩及其他措施，使錘頭松動后再提起。因錘頭穿過巖層突變處導致的卡錘，優(yōu)先采用水下爆破的方法進行處理。在整體巖層中此方法容易奏效，砂土地層中不宜采取此方法處理。由于機械故障導致錘頭在濃泥漿中滯留時間過長造成的錘頭無法提升現(xiàn)象，應采取插入高壓水管置換泥漿的方法進行處理?？ㄥN主要以預防為主，溶洞位置宜用小沖程進尺，及時補焊錘頭，保證孔徑圓順。
6.5 混凝土面下降 混凝土面下降一般為灌注過程下降和灌注完成后下降兩種。灌注過程下降為隨著混凝土面的上升，混凝土對孔壁壓力增加，極易造成普通封堵溶洞位置孔壁破裂，混凝土擠入溶洞，混凝土面下降。灌注結(jié)束后混凝土面下降為溶洞位置混凝土滲漏造成混凝土面下降?；炷撩嫦陆档奶幚砑翱刂妻k法有：
①溶洞發(fā)育樁基使用多層鋼護筒跟進。②加大導管埋深，溶洞樁基一般埋深4～8m，個別樁基在不影響混凝土灌注的情況下盡量加大埋深。混凝土使用緩凝劑，延長初凝時間。③灌注過程時刻觀察孔口排漿量，經(jīng)常探測混凝土面高程?；炷琳Ｏ鹿嗟卓诓慌艥{或水頭下降，應加快灌注速度并連續(xù)灌注，同時測量混凝土面情況。如繼續(xù)灌注但混凝土面不上升也不下降、導管埋深5m以上，則暫停灌注，待混凝土穩(wěn)定后再繼續(xù)灌注，同時檢測導管埋深，考慮拆管，盡量使導管口離開泄露面后繼續(xù)灌注。若混凝土灌注過程中出現(xiàn)混凝土面下降現(xiàn)象，應連續(xù)灌注使混凝土注滿溶洞，既保證了該樁灌注成功，同時為下步后續(xù)樁基的施工奠定了較好的地質(zhì)條件。④灌注結(jié)束后導管不宜馬上拆卸，4m底管應埋至混凝土面下至少半小時，如無明顯下降再開始拆管。⑤溶洞樁基應超灌2～3m，以防灌注結(jié)束后混凝土滲漏造成混凝土面下降，導致樁長不足，影響樁頭施工質(zhì)量。
7 成品樁基質(zhì)量檢測
在鉆孔灌注樁施工完成后，還需要對其進行檢測，確保鉆孔樁質(zhì)量合格。針對巖溶地區(qū)的特點，通常短樁采用低應變動力檢測的方法，長樁或直徑大于2m采用超聲波檢測的方法，超聲波檢測方法能夠很好地檢查樁基質(zhì)量。
8 結(jié)束語
巖溶地區(qū)地形、地質(zhì)復雜，在此地區(qū)建造橋梁，必須首先控制好鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量。新建鄭徐客專徐州特大橋巖溶樁基施工，制定了合理的施工技術(shù)方案和質(zhì)量控制措施，樁基檢驗合格率達100%，Ⅰ類樁占到99%以上，為類似的巖溶樁基施工起到借鑒和參考。
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