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(guó)幅員遼闊，地形復(fù)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(fù)雜。在巖溶地貌上建造橋梁，難度極高，如果不能?chē)?yán)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(yán)重影響施工進(jìn)度，甚至造成重大施工事故。而在巖溶地貌上建造橋梁，因?yàn)槠涞刭|(zhì)特性，鉆孔灌注樁又是不二選擇。因此，本文主要針對(duì)巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁的施工技術(shù)與其質(zhì)量控制進(jìn)行介紹。
1 工程簡(jiǎn)介
鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線徐州特大橋位于江蘇省徐州市境內(nèi)，橋梁全長(zhǎng)28.82km，鉆孔灌注樁樁徑有1m、1.25m、1.5m、2m四種類(lèi)型。從勘探資料來(lái)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(wèn)題?？辈煦@孔見(jiàn)洞率達(dá)59.26%，溶洞一般發(fā)育在基巖面附近0.5～10m，呈單個(gè)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(fù)雜，給鉆孔樁施工帶來(lái)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(wèn)題。
2 巖溶發(fā)育地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)對(duì)鉆孔樁的影響
①巖溶地區(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(méi)有對(duì)施工場(chǎng)地的地質(zhì)、地理環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的分析考察，如果基巖層處于溶洞上方，并且沒(méi)有足夠的厚度，對(duì)樁基施工及整個(gè)橋梁質(zhì)量都有嚴(yán)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(lèi)型密度與強(qiáng)度都較大，沖擊鉆機(jī)工作負(fù)荷極大，如遇溶洞，引發(fā)大面積塌陷的幾率非常高，導(dǎo)致鉆機(jī)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(jìn)度緩慢。④巖溶地區(qū)地下水含量非常高，在進(jìn)行鉆孔時(shí)，涌水量經(jīng)常超出預(yù)計(jì)，無(wú)論是對(duì)于鉆孔，還是混凝土的灌注都會(huì)帶來(lái)較大的影響。
3 巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工特點(diǎn)
相對(duì)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(gè)特點(diǎn)：
①巖溶地區(qū)鉆孔極易發(fā)生坍塌。如果覆蓋層密度不夠，在進(jìn)行鉆孔時(shí)輕則造成塌孔，重則造成地面大面積沉降，損壞鉆機(jī)。②由于巖溶地區(qū)巖層表面凹凸不平，地下水活動(dòng)豐富，在鉆孔成型過(guò)程中，容易導(dǎo)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(huì)造成斜孔、彎孔的出現(xiàn)，同時(shí)又會(huì)引發(fā)漏水、漏漿的后果。③鉆孔完成后，清孔工作開(kāi)展困難，因石灰?guī)r，白云巖具有較好的透水性，需要對(duì)泥漿的性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止漏漿與塌孔事故的出現(xiàn)。同時(shí)，在鉆孔過(guò)程中或在清孔暫停時(shí)，由于內(nèi)部壓強(qiáng)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(shí)，為保證鉆孔樁施工質(zhì)量，需要從以下幾方面進(jìn)行嚴(yán)格控制：
4.1 鋼護(hù)筒施工質(zhì)量控制 在巖溶低于鉆孔時(shí)，鋼護(hù)筒是必不可少的，良好的跟進(jìn)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(jìn)行鉆孔施工時(shí)，尤其要控制鋼護(hù)筒施工質(zhì)量，主要體現(xiàn)在：
?、黉撟o(hù)筒的埋設(shè)位置需要精確規(guī)劃，保證位置合理，要求鋼護(hù)筒中心豎直線與樁中心線重合。②鋼護(hù)筒的打入深度越接近基巖持力層，鋼護(hù)筒防護(hù)效果越好。③在鋼護(hù)筒跟進(jìn)時(shí)，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(jìn)行鉆孔樁施工時(shí)，要特別注意鉆進(jìn)過(guò)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(duì)巖土過(guò)渡段鉆孔時(shí)，刃腳塌孔是需要高度重視的；在進(jìn)行溶洞上端破除時(shí)，要防止鉆頭斷裂、卡鉆或吊繩斷裂；在進(jìn)行溶洞部分穿越時(shí)，鉆頭極易發(fā)生傾斜，從而導(dǎo)致斜孔的出現(xiàn)，鉆頭穿越溶洞時(shí)要注意大繩的擺動(dòng)情況，以便判斷是否歪鉆。
由于巖溶地區(qū)巖層面錯(cuò)綜復(fù)雜，有竹筍狀、斜坡面、波浪形巖面，樁基施工至溶洞位置時(shí)容易造成偏孔。若出現(xiàn)斜鉆偏孔的情況時(shí)，應(yīng)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(qiáng)度要求高于樁基偏孔處巖層強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)反復(fù)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(guò)程中仍舊是偏向于硬度小的回填物方向，施工過(guò)程中采用此方法也存在著回填次數(shù)多、沖孔時(shí)間長(zhǎng)、糾偏效果不明顯等弊端，此時(shí)應(yīng)對(duì)斜巖采取灌注高標(biāo)號(hào)水下混凝土，高度以超過(guò)斜巖面1.5～2.0m為宜，以保證在沖孔過(guò)程中沖擊面始終保持平衡，從而達(dá)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(jī)的泵吸、氣舉等功能將孔進(jìn)行首次清理，然后使用大功率空氣壓縮機(jī)對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行二次清理，確?？變?nèi)干凈?？椎壮猎穸葢?yīng)符合設(shè)計(jì)要求，當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)具體要求時(shí)，對(duì)于柱樁不應(yīng)大于50mm，摩擦樁不應(yīng)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(gè)墩臺(tái)樁基施工前技術(shù)人員認(rèn)真研究設(shè)計(jì)圖紙、地質(zhì)剖面圖，根據(jù)勘查資料分析判斷溶洞類(lèi)型，采取相應(yīng)的處理預(yù)案。并向鉆機(jī)作業(yè)隊(duì)操作人員就地質(zhì)情況、準(zhǔn)備工作、處理方法及安全注意事項(xiàng)等進(jìn)行詳細(xì)交底。
巖溶樁基施工采取“先長(zhǎng)樁后短樁、先外圍樁后中間樁”的方法，同時(shí)按照先易后難的總體施工原則，即把巖面情況較平、無(wú)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(guò)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(hù)筒跟進(jìn)的施工方法對(duì)溶洞進(jìn)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(jìn)度。
5.2 溶洞處理方案 對(duì)于小型的單個(gè)溶洞（不論有無(wú)填充物），都可采用回填片石、碎石+粘土及注漿的方法進(jìn)行處理。
對(duì)于較大的串珠型溶洞進(jìn)行提前預(yù)注漿處理。
如有以下情況時(shí)：
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(dòng)時(shí)富水砂性土、粘土可能液化）；⑥溶洞內(nèi)有流塑體導(dǎo)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(jìn)行溶洞處理外，必要時(shí)需采用一層或多層鋼護(hù)筒全程跟進(jìn)至溶洞底的方法進(jìn)行鉆孔施工，鋼護(hù)筒入巖深度不小于1m。
對(duì)于無(wú)充填溶洞或半充填的溶洞，在擊穿洞頂之前，要密切注意護(hù)筒內(nèi)泥漿面的變化，一旦泥漿面下降，應(yīng)迅速補(bǔ)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(shí)，只有當(dāng)泥漿漏失現(xiàn)象全部消失后才轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)，如此反復(fù)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(shí)，先在孔口附近準(zhǔn)備好足夠的塊石、粘土、水泥及鋼護(hù)筒。在洞頂打穿時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)漏漿，要迅速填堵，防止塌孔。將準(zhǔn)備好的片石、粘土、水泥按6：4的比例拋入，并及時(shí)補(bǔ)漿，直至孔中的泥漿停止下降，并慢慢上升，此時(shí)可用沖錘進(jìn)行適當(dāng)擠壓，靜置24小時(shí)水泥凝結(jié)后開(kāi)始沖孔，經(jīng)過(guò)反復(fù)拋片石、粘土、水泥，再沉入預(yù)備好的鋼護(hù)筒后繼續(xù)鉆進(jìn)，必要時(shí)可采用多層鋼護(hù)筒，以確保施工安全和順利成樁。
當(dāng)溶洞有流砂或泥流，且處理溶洞時(shí)未下鋼護(hù)筒，灌注過(guò)程中容易沖破原來(lái)回填片石粘土所制造的護(hù)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(hù)筒，鋼護(hù)筒高度超過(guò)溶洞上下各1m。
5.3 沖程控制 在鉆至離溶洞頂部1m左右時(shí)，需減小沖程，逐漸將洞頂擊穿，防止大力沖程對(duì)溶洞結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致溶洞坍塌。同時(shí)要防止卡鉆，并準(zhǔn)備足夠片石和粘土。在擊穿洞頂前，需要時(shí)刻關(guān)注鋼護(hù)筒內(nèi)泥漿面變化，對(duì)漿面下降的情況下，要及時(shí)補(bǔ)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(shí)沖擊擠壓密實(shí)，直至漏漿情況消失即可轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)。
6 常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題的處理及控制
在巖溶地區(qū)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工時(shí)，由于地質(zhì)原因，難免會(huì)出現(xiàn)一些質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)于常見(jiàn)問(wèn)題如果能夠及時(shí)處理，可以有效避免后期對(duì)工程整體質(zhì)量的影響。
6.1 漏漿 漏漿可以分為兩類(lèi)：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(huì)出現(xiàn)持續(xù)漏漿。在持續(xù)漏漿時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)斜孔的現(xiàn)象，防止持續(xù)漏漿的方法是在鋼護(hù)筒內(nèi)添加硅酸鋁鹽，增加孔內(nèi)漿量，同時(shí)減小鉆機(jī)沖程。明顯漏漿出現(xiàn)在破除溶洞上層時(shí)，對(duì)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(bǔ)漿至孔口，待漿面穩(wěn)定后采用低沖程進(jìn)行沖擊。
6.2 偏孔 由于巖溶區(qū)巖層結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)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(shí)刻注意大繩情況，以便判斷是否歪鉆。
如出現(xiàn)歪鉆情況，對(duì)此的補(bǔ)救方法是回填片石，同時(shí)保證回填片石強(qiáng)度，反復(fù)填孔沖砸，直至取直，或灌注水下砼，灌至彎曲部分之上，確認(rèn)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后再重新進(jìn)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(yīng)力求預(yù)防為主，一旦發(fā)生應(yīng)及時(shí)處理。保證鉆孔時(shí)泥漿質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，并有足夠的水頭高度；起落鉆頭時(shí)對(duì)準(zhǔn)鉆孔中心，在不同土層中選用不同的沖程；塌孔不嚴(yán)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(jìn)；塌孔嚴(yán)重者應(yīng)使用片石、粘土、水泥回填，換孔位鉆進(jìn)，待其它孔位完成后再?gòu)?fù)鉆。
6.4 卡錘 分析錘頭卡住位置及具體情況，不宜強(qiáng)提，一般采取晃大繩及其他措施，使錘頭松動(dòng)后再提起。因錘頭穿過(guò)巖層突變處導(dǎo)致的卡錘，優(yōu)先采用水下爆破的方法進(jìn)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(jī)械故障導(dǎo)致錘頭在濃泥漿中滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成的錘頭無(wú)法提升現(xiàn)象，應(yīng)采取插入高壓水管置換泥漿的方法進(jìn)行處理。卡錘主要以預(yù)防為主，溶洞位置宜用小沖程進(jìn)尺，及時(shí)補(bǔ)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(guò)程下降和灌注完成后下降兩種。灌注過(guò)程下降為隨著混凝土面的上升，混凝土對(duì)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：
?、偃芏窗l(fā)育樁基使用多層鋼護(hù)筒跟進(jìn)。②加大導(dǎo)管埋深，溶洞樁基一般埋深4～8m，個(gè)別樁基在不影響混凝土灌注的情況下盡量加大埋深?；炷潦褂镁從齽?，延長(zhǎng)初凝時(shí)間。③灌注過(guò)程時(shí)刻觀察孔口排漿量，經(jīng)常探測(cè)混凝土面高程。混凝土正常下灌但孔口不排漿或水頭下降，應(yīng)加快灌注速度并連續(xù)灌注，同時(shí)測(cè)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(dǎo)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(shí)檢測(cè)導(dǎo)管埋深，考慮拆管，盡量使導(dǎo)管口離開(kāi)泄露面后繼續(xù)灌注。若混凝土灌注過(guò)程中出現(xiàn)混凝土面下降現(xiàn)象，應(yīng)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(shí)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(dǎo)管不宜馬上拆卸，4m底管應(yīng)埋至混凝土面下至少半小時(shí)，如無(wú)明顯下降再開(kāi)始拆管。⑤溶洞樁基應(yīng)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(dǎo)致樁長(zhǎng)不足，影響樁頭施工質(zhì)量。
7 成品樁基質(zhì)量檢測(cè)
在鉆孔灌注樁施工完成后，還需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，確保鉆孔樁質(zhì)量合格。針對(duì)巖溶地區(qū)的特點(diǎn)，通常短樁采用低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)的方法，長(zhǎng)樁或直徑大于2m采用超聲波檢測(cè)的方法，超聲波檢測(cè)方法能夠很好地檢查樁基質(zhì)量。
8 結(jié)束語(yǔ)
巖溶地區(qū)地形、地質(zhì)復(fù)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(zhuān)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(yàn)合格率達(dá)100%，Ⅰ類(lèi)樁占到99%以上，為類(lèi)似的巖溶樁基施工起到借鑒和參考。
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