巖溶區(qū)橋梁樁基沖擊鉆成孔工藝探討
2016-11-21
0 引言
我國巖溶地區(qū)分布廣泛，可溶巖層分布面積約占國土總面積的1/3，其中以西南部云、貴、桂和川、鄂、湘等部分地區(qū)巖溶最為發(fā)育。巖溶根據(jù)其發(fā)育強度，可分為強烈發(fā)育、中等發(fā)育、弱發(fā)育、微弱發(fā)育4種，在巖溶強烈發(fā)育區(qū)，主要表現(xiàn)為大型暗河，廊道及較大規(guī)模的溶洞，對施工影響較大，設(shè)計勘探時較容易發(fā)現(xiàn)，一般會采取盡量避免或采取特殊措施進行處理。新建滬昆鐵路客運專線貴州段CKGZTJ-5標段，全長43.089km。該標段橋梁樁基分別采用1m、1.25m、1.5m、2m直徑樁基，這些樁基主要坐落在溶洞區(qū)，并且溶洞區(qū)的溶洞大小不一、形狀各異、錯落無序，存在較大的埋深差異，部分溶洞呈現(xiàn)串珠狀發(fā)育，溶洞分為充填溶洞、半充填溶洞，以及未充填溶洞，對于充填溶洞充采用流塑、軟塑及硬塑狀粉質(zhì)黏土、中粗砂及少量灰?guī)r碎塊等填物進行填充。下部基巖為巖面起伏較大的灰?guī)r，并且?guī)r溶發(fā)育，溶溝溶槽發(fā)育。現(xiàn)結(jié)合滬昆鐵路巖溶地區(qū)樁基施工，分析總結(jié)巖溶地區(qū)樁基成孔施工工藝及有關(guān)問題處置措施。
1 施工工藝選用
CKGZTJ-5標段橋梁所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為典型的巖溶地質(zhì)，樁基嵌巖不僅深度大，而且不宜鉆孔，施工方式多為沖孔式施工，其原因是在弱風化巖層施工，鉆機進尺緩慢并且容易卡鉆，在穿越溶洞區(qū)時容易出現(xiàn)埋鉆，擠壓土體造壁施工存在一定的難度，使得混凝土向溶洞擴散。通過采用沖孔灌注樁的方式進行施工，在一定程度上最大限度地發(fā)揮了其破巖能力強以及擠土造壁的優(yōu)點；在施工過程中，沖孔樁同時暴露出一些弊端：樁錘沖穿溶洞頂板以及置換土洞填充物后，容易出現(xiàn)漏漿進而導致孔壁塌方（俗稱溶洞塌方），還經(jīng)常伴隨著卡錘、掉錘、埋錘等現(xiàn)象。在施工過程中出現(xiàn)混凝土擴散量比較大的現(xiàn)象，其因為是溶洞內(nèi)部無填充進而出現(xiàn)空洞，導致空洞被水下砼填補，或者淤泥質(zhì)土充當填充物時，砼和淤泥發(fā)生置換的結(jié)果，進而導致在溶洞段樁的擴散系數(shù)超過1.2，甚者達3～5倍。綜上所述，在施工時要充分利用沖孔成樁擠土造壁的優(yōu)勢，積極采取措施制定方案，避免發(fā)生塌方、卡錘、埋錘等事故。
2 巖溶區(qū)沖擊成孔施工工藝
2.1 施工準備 ①地質(zhì)分析。施工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計圖紙給出的地質(zhì)柱狀圖，分析每一根樁所處地質(zhì)構(gòu)造，必要時采用物探和超前鉆孔，確定每根樁的所處地質(zhì)溶洞情況，初步制定合理的施工工藝。②鉆機底部加固。鉆機就位前，應(yīng)根據(jù)溶洞大小在鉆機底部橫向前后鋪設(shè)兩根槽鋼，對鉆機底部進行支撐加固，以防止坍孔時鉆機下沉或傾斜。③配制泥漿。按照易坍塌地層的泥漿的配置標準，對泥漿進行控制，確保泥漿池、沉淀池足夠大，且泥漿池應(yīng)高于護筒頂。在穿越溶洞地層應(yīng)適當加大泥漿比重（以現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)為準），對泥漿的比重、粘度、含砂率等指標進行隨時測定，將浮渣、護壁的效果控制在最佳狀態(tài)。為了減少泥漿的損失，進而形成較好的孔壁，泥漿的粘度一般控制在28s左右為宜，同時為處理溶洞爭取了一定的時間。④溶洞處理材料與設(shè)備。施工現(xiàn)場，在鉆孔施工前，要準備大量的片石、袋裝粘土及適當數(shù)量的袋裝水泥、水玻璃。配備至少3～4臺泥漿泵，便于在處理溶洞時迅速補漿，防止塌孔。為了便于向孔內(nèi)投放土石，需要準備一臺裝載機。
2.2 鉆孔 通常情況下，鉆孔與泥漿護壁同時進行，當施工進度距離溶洞頂板巖層頂部1m時，或者在處理溶洞過程中通過采用小沖程（0.5-1.0m）的方式進行鉆進。在選擇樁號進行施工時，其施工順序采用先短樁后長樁的方式進行施工。
2.3 沖擊成孔工藝溶洞處理方法
2.3.1 處理充填片石、粘土 采用粘土和片石進行填充時，因為其方便、快捷，節(jié)省費用，所以通常應(yīng)用于埋深小于6m全填充、半填充和無填充的溶洞；當鉆孔施工進行到溶洞層部位時，護筒內(nèi)的泥漿會出現(xiàn)全部流失或部分流失的現(xiàn)象，流失嚴重時會進一步造成塌孔，這種情況下，通過采用片石和粘土按1：1的體積比進行回填，當溶洞空間比較大時加入部分水泥與水玻璃的混合物，并向鉆孔內(nèi)注入稠度較大的泥漿，然后通過小沖程沖擊的方式向洞內(nèi)投下混合料，不取渣，使填充物擠入裂隙和溶洞。重復(fù)上述操作，直到溶洞通道全部封堵，順利穿過溶洞。
2.3.2 處理鋼護筒的跟進 面對通過采用片石粘土進行回填無法成孔的情形時，例如溶洞的規(guī)模比較大，并且溶洞內(nèi)沒有填充物或者存在流塑充填物，出現(xiàn)嚴重漏水，以及溶洞與暗河連通時，這時可以采用打入鋼護筒的方式進行跟進法施工。在施工過程中，將沖孔和護筒接高同時進行，并通過15t的導向錘將鋼護筒振動到溶洞底巖面，將溶洞內(nèi)流塑填充物或水的流動通過鋼護筒加以阻斷。如果溶洞內(nèi)部不存在填充物，通過在護筒內(nèi)回填砼實施堵漏，當回填的砼在強度方面達到一定要求后，再通過沖擊鉆進行沖孔，溶洞貫穿后，按照正常的工藝進行施工。 2.3.3 片石充填、多層護筒嵌套綜合施工 當溶洞呈串珠狀發(fā)育，同一根樁存在多處規(guī)模較大溶洞時，通過采用片石、多層護筒嵌套的工藝進行施工。依據(jù)工程鉆孔柱狀圖，在開鉆施工前，確定鋼護筒埋置的位置以及數(shù)量，然后根據(jù)埋設(shè)鋼護筒的數(shù)量進一步確定孔的直徑。通常情況下內(nèi)、外層護筒的內(nèi)徑差為15cm，最內(nèi)層護筒的內(nèi)徑與設(shè)計樁徑誤差在0.15m。
2.3.4 二次擴孔施工 當設(shè)計樁徑較大且地質(zhì)條件較差，穿越溶洞時，由于泥漿水位下降較快，塌孔風險增加，可根據(jù)地質(zhì)情況，適當調(diào)高泥漿比重，或采用二次成孔工藝，即先采用1～1.5m直徑?jīng)_擊錘打通溶洞，再采用大錘擴孔，這樣可以將擴孔時產(chǎn)生廢碴擠壓至溶洞內(nèi)，可極大減少了二次成孔穿越溶洞的施工難度。
3 常見問題與處理措施
由于在巖溶地區(qū)橋梁樁基施工的不可預(yù)見性，施工過程中斜孔、塌孔、漏漿、串孔、卡鉆、掉鉆頭、超方等現(xiàn)象極易發(fā)生，對施工安全構(gòu)成一定的威脅，進而影響施工質(zhì)量、制約工程的進度。通過研究分析巖溶地區(qū)溶洞，結(jié)合具體的工程環(huán)境，制定具有針對性的處理方法和施工方案。
3.1 塌孔 遇有塌孔情況出現(xiàn)時：應(yīng)仔細分析，查明原因。如為淺層小規(guī)模溶洞引起的塌孔，可采用加長護筒、回填黏土、提高泥漿比重、加高水頭的方法繼續(xù)鉆進至成孔。如為大型溶洞引起的坍孔且較嚴重時，應(yīng)立即將鉆孔和坍塌處全部用砂或小礫石夾粘土回填碾壓，保證有足夠的承載力后重新鉆孔。
3.2 卡錘（埋錘） 在沖鉆成孔的過程中，沖錘在沖破溶洞時極易滑入溶洞，受溶洞頂板巖石的影響提錘時沖錘容易被卡造成埋錘事故。施工時造成卡錘的原因千差萬別，例如在硬度方面石灰?guī)r比較高，在石灰?guī)r斷面上鉆孔難以形成圓形，其形狀與梅花形相類似，由于在升降過程中錘體是自轉(zhuǎn)的，如果錘體斷面與樁孔的形狀不相符就會出現(xiàn)被卡現(xiàn)象。造成埋錘的原因是：在樁錘沖穿溶洞頂板的過程中，由于瞬間的拉力比較大，鋼絲繩容易被拉斷，出現(xiàn)掉錘現(xiàn)象，此時如果出現(xiàn)塌孔就會出現(xiàn)埋錘現(xiàn)象；另外，在卡錘時因提錘用力過大，導致鋼絲繩被拉斷出現(xiàn)掉錘事故。因此，在溶洞內(nèi)打空錘在施工現(xiàn)場是嚴禁出現(xiàn)的，在沖錘過程中，應(yīng)將鋼絲繩繃緊，通過采用小沖程方式進行低打緊擊。當發(fā)現(xiàn)漏漿或者出現(xiàn)異常情況，及時提錘，然后采取促使制定方案進行補救。
3.3 孔身偏斜 空身偏斜的主要原因是由于落錘處存在軟硬巖層交接，遇有孔身偏斜、彎曲情況出現(xiàn)時，可以在偏斜處吊住鉆錐反復(fù)掃孔，使鉆孔正直，偏斜嚴重時，應(yīng)回填片石到偏斜處，待沉積密實后再鉆進。
3.4 漏漿 遇有鉆孔漏漿情況時，應(yīng)配備大流量泥漿泵，快速向孔內(nèi)補漿，直至孔內(nèi)水頭保持穩(wěn)定為止，與此同時向孔內(nèi)大量投放粘土及片石，反復(fù)小沖程沖擊，以快速封死漏水通道，確保護壁穩(wěn)定。
3.5 泥漿呈酸性 一般泥漿呈堿性，發(fā)生巖溶水滲入時，與酸性的巖溶水會發(fā)生沉淀，此時應(yīng)投入小蘇打（或石灰）進行中和以改善泥漿質(zhì)量，以免孔壁因固結(jié)能力降低坍塌。
4 結(jié)論
由于巖溶表現(xiàn)形式的多樣性及規(guī)律性不強的特點，無法根據(jù)設(shè)計勘探資料完全準確判別巖溶分布情況，給橋梁樁基施工帶來很大的不確定因素。因此，在施工中應(yīng)該注意以下幾點：
?、僭谑┕ぶ氨仨毘浞至私鈳r溶分布情況，根據(jù)巖溶大小、所處位置、形態(tài)制定相應(yīng)的施工方法；②鉆孔施工前應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的施工方法做好材料儲備；③要注意檢測泥漿比重，根據(jù)不同地質(zhì)情況進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)；④在即將穿越溶洞時，采用小沖程鉆進，避免卡錘（埋錘）；⑤施工現(xiàn)場做好技術(shù)交底工作以及相應(yīng)的鉆孔記錄，及時掌握鉆孔的深度和地質(zhì)變化情況的相關(guān)信息，確保樁基嵌巖深度滿足設(shè)計規(guī)范要求。
參考文獻：
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