石灰岩岩溶发育地区桥梁桩基施工技术探讨

王 超

(湖南省炎汝高速公路建设开发有限公司,湖南株洲 412000)

1 工程概况

湖南省炎陵至汝城高速公路位于湖南省东南部,行政区划属株洲市炎陵县(k0+000～k56+647)、郴州市桂东县(k56+647～k93+311)及汝城县(k93+311～终点),地理位置处于北纬25°25′12″～26°30′36″、东经113°38′16″～113°56′52″。起点位于接炎陵县三河镇衡炎高速炎帝陵连接线,路线走向整体呈北向南,沿G106经龙渣以隧道至桂东,在汝城县到达湘粤边界湖南一侧的大麻溪,接广东仁化城口至翁源坝仔段高速公路起点,全长151.048 km,全线特大、大中桥梁总长38 561 m/151座,小桥1 780m/178座,桥梁占新建里程的28.06%,其中特大桥2 202m/2座,大桥33 252 m/108座,中桥3 107m/41座。其中炎汝高速沙田工作站管理区段(k63+600～k113+000),经地质钻探资料显示,溶沟溶槽、溶洞、裂隙较为发育。桩基桩径与桩长因地质条件复杂不等,桩径有φ150、φ180、φ200与φ220这4种形式。

2 石灰岩岩溶发育地区地质特点及影响施工因素

设计地质资料显示,岩溶的复杂性,多变性,决定桩基施工所面临的技术难题多。

1)岩溶的连通性。岩溶的沟槽裂隙较发育,连贯性较强,常因孔内的浆液突然流失,来不及补浆,使孔内浆液高度降低,钻孔内外压力差增大,孔壁失去了原浆液所起到的稳定,导致桩基坍孔。

2)洞内的填充物。对于洞内有流塑状的填充物时,若采用人工挖孔时,会出现突水突泥的现象。

3)地下水位的高低。岩溶地区地下水位的高低,也影响着桩基施工的方法选择,需特别注意有无承压水,人工挖孔桩遇到承压水,桩基会出现大量涌水,出现安全事故。

4)岩溶的分布及发育程度。如果岩溶发育程度较高,会发生卡钻,掉锤埋锤,给施工留下隐患。

5)溶洞内分为:空溶洞、水溶洞,填充物溶洞。空溶洞在施工中最危险,钻孔时突然打穿时,孔内泥浆一下子会全部消失,会造成孔内壁失稳,坍孔,埋钻可能;水溶洞在施工时,冲孔没有什么大的风险,但泥浆比重、粘度很快下降,或在成孔后灌混凝土时,存在潜在的风险,混凝土面上不来,可能会出现混凝土在正常灌注后,原来形成的护壁突然压穿,混凝土面急速下降,造成混凝土面低于导管底,造成断桩,出现了此情况不知道还继续灌混凝土,造成坏桩事故;有填充物溶洞,在施工中会出现漏浆现象,经过回填并反复冲孔形成护壁墙,但在成孔时,混凝土灌注时同样会出现混凝土压穿孔壁的机率,造成混凝土面上不来,或断桩可能;在人工挖孔时,以上3种溶洞都会造成承压水突现、充填物流出、孔碴爆破突然下沉发生,从而对人员造成事故。

6)炎汝高速全线桥梁大多都在石灰岩地区,由于设计地质钻探资料偏少,一排墩仅有一个或两个地质钻孔,相邻孔之间地质条件变化大,且在桩基冲孔过程中,常出现溶洞、泥浆流失、坍孔现象,终孔标高难以确定,所有桩基施工一度停止。后业主方对全线石灰岩地区桥梁桩基采用逐桩钻探,确保每一根桩必须要有地质资料,给桩基施工提供施工依据,确保了桩基持力层的科学性。

3 石灰岩岩溶发育地区桩基施工遇到的问题与基本控制技术

3.1 在桩基施工中碰到的问题

1)因地质条件复杂、溶沟溶槽、溶洞、裂隙特别发育,冲孔时泥浆突然下降流失,常出现反复回填反复冲孔现象,最多达17次之多,且大多数桩基都存着此现象。

2)由于溶洞,溶沟发育,卡锤、掉锤事件多。

3)混凝土浇灌超方与扩散最大。

4)由于溶洞、溶沟现象多,上下出现多处溶洞(葫芦串洞),满足不了桩尖下石灰岩持力层厚度,有的桩基孔深,成孔较难。

5)在施工中,以地质资料作依据,但重在以实际冲孔进尺速度与碴样来判断终孔持力层。

3.2 岩溶地区桩基基本控制技术

1)处理原则:在岩溶地区进行桩基施工时,必须做到因地制宜,有预见有准备地选择岩溶处理方案,冲孔施工时,要求对设计文件提供的钻孔资料及柱状图进行分析,对溶洞较发育的桩基,要一一探明情况,然后钻孔。

①每根桩必须有地质钻探资料,详细记录地质状况,溶洞深度,高度,画图列表,为施工方案提供详实依据。

②对填充物进行土工试验,分析其物理力学特征,检测容重,含水量,孔隙率等,为注浆参数计算提供依据。

③根据地质资料及填充物的情况对每根桩设计出相应的溶洞处理方案、成孔方法与施工措施。

④遇到大溶洞时,会同设计代表查明,明确处理方案后实施。

2)石灰岩地区桩基施工冲孔施工控制技术与措施。

①开钻前详细了解地质资料,准确掌握冲进情况,了解溶洞的位置。

②开钻做好以下工作:

a)准备足够的粘土、片石与袋装水泥;

b)每桩泥浆池要制备不少于10 m3的泥浆以备用;

c)只要钻进,留守人员密切注意孔内情况,遇到溶洞孔内的水位下降,立即补足水位,防止坍孔埋钻事故发生,并投放片石与粘土,用冲锤小冲程慢慢冲击形成人造孔壁。

③漏浆、坍孔:

a)对个别难于处理的孔位可采用埋置深护筒的办法处理,防止复坍孔(流砂,软泥层,砂砾层等);

b)因裂隙或泥浆置换少量漏浆的,采用抛填袋装水泥,粘土石头用冲锤小冲程反复冲捣的办法,一般很快堵住。对于渗漏较严重的溶洞,及时回填粘土,片石等,充满孔内,并补充水与泥浆,重新冲孔,可能会出现反复回填反复冲孔的方法对付溶沟溶洞。

④卡锤。打捞方法可采用“偏心钩、钢绳套及潜水员打捞等常规方法,可采用振动爆破法处理。

⑤在出现捞锤无法实现的情况下,或出现坍孔埋锤的情况下,由于本地区地质条件复杂,岩质以上孔位沉积岩质土层含大小不等的石头较多,钢护筒跟进法处理捞锤较难;在高速公路采用双孔扁担梁代替原桩方法是不允许的,只有采用先埋孔再采用扩大孔径人工挖孔,钢筋混凝土护壁法来实现捞锤与桩基施工。

⑥由于冲孔中溶沟、溶洞存大,在施工中反复回填与反复冲孔,使溶洞口形成一道护壁墙,堵住了洞口,才使桩基越过溶洞,但在混凝土灌注中,混凝土压力大于泥浆,可能会出现混凝土冲穿护壁墙,混凝土面下降或下降到导管底口以下,造成意外断桩或缺陷。为了预防此情况发生,在混凝土灌注中,必须确保导管埋深有一定深度,以能确保灌注为宜,同时多测量导管埋深,多观察,有异常及时补救处理。

⑦桩基处在石灰岩岩溶发育区,上下多层溶洞形成葫芦串溶洞溶沟,桩长势必增长,由于孔壁摩擦力小,只能按端承桩设计考虑。超长端承桩在岩溶地区较难施工控制,故超长桩成孔与混凝土灌注也是本项目质量与技术控制重点。

4 岩溶地区桩基质量控制方法

4.1 成孔工艺

岩溶地区桩基成孔,只有全套管钻机或冲击钻机适用,普通旋转钻机不能处理溶洞,且对洞底坚硬灰岩层钻进困难,极易损坏钻头,经综合考虑,确定为冲击钻冲击成孔,利用冲击锤尽力冲击,在砂层或溶洞处冲砸、挤压泥石,填塞孔洞形成泥石护壁。

对于岩溶区桩基桩长小于30m且地下水不丰富的可采用了人工挖孔桩施工方案。

4.2 冲击锤成孔

1)在岩溶层钻进时,应熟悉地质资料,作好准备,将钻至溶洞时,改用小冲程缓慢钻进,防止突然打穿溶洞顶板,造成卡钻,备足粘土、片石、袋装水泥等材料,漏浆时,马上回填,以小冲程反复冲砸,形成泥壁,堵塞洞内的通道,防止孔壁坍塌和泥浆流失。必要时提前对溶洞进行注浆处理。

2)因岩溶层地质复杂,洞内岩面高低不平,或一面有岩,一面悬空,容易造成卡钻和斜孔,此时必须抛填粘土、片石,用低冲程冲砸,反复循环,多次休整桩孔,保证冲孔质量。

3)卡钻、掉钻的预防和处理。

在遇到探头石、落石、梅带孔、岩溶层的溶沟、溶槽或击穿溶洞顶板时,极易发生卡钻,此时应抛填片石,高频低程冲砸。如已发生卡钻,应仔细分析原因,不可妄动,以免造成越卡越紧或掉钻事故,用小冲锤(以圆钢或钢轨焊接)在桩孔一侧冲击,并配合高压空气或高压水冲射,使卡点松动后提出钻头。必要时可试用水下爆破法,震松卡锤,吊车配合提出钻头。

因溶洞原因形成探头石,锤头被卡住,用钢轨焊制重约1 t的小冲锤,查处卡点位置后,在桩孔一侧反复冲击,同时将胶管伸入孔内以高压水冲射,使卡点松动后提出锤头。

掉钻的原因主要是大锤的老化破断,或大绳与锤头连接不好,钻孔中应时常检查机具设备防止掉钻,如掉钻后立即打捞,根据不同情况,采用能够适宜的打捞工具。条件允许时,可采用潜水员潜入桩孔打捞。如有孔径缩孔现象,卡钻与掉钻经以上技术措施无法提出时,采用多吊点液压千斤顶顶起法处置(顶起力1 000～2 000 kN)。

4)出现漏浆泥浆突然流失,易造成坍孔埋钻。或掉钻后采用其它方法都无法施效后,最终采用埋孔,扩大桩径,人工挖孔法,钢筋混凝土护壁逐层开挖到卡锤掉锤位置,再将锤钩吊提起与成孔。

5)岩溶地区超长桩基混凝土灌注质量控制:

①钢筋笼安装,提吊点必须焊接牢固,因钢筋笼太长太重,因之提吊钢笼吊下孔内也有案例;钢筋笼加强箍内的三角撑在安装下放时,要一一切除之,否则会影响导管提起与插入。

②超长桩,安放钢筋笼长,接头多,焊接时间较长,加上导管安装,泥浆沉淀较厚给二次清孔带来困难与不便,故在提锤与安装钢筋笼时,采用下放高压泵到孔底冲底法使泥浆循环,减少沉淀。

③安装导管每节连接口必须检查丝口的拧紧程度及密封圈的质量,因为导管过长,受力较大,容易出现松动与渗透可能,导致混凝土灌注失败。同时,导管下放与混凝土灌注时,导管尽可能居中,孔长稍有偏孔与斜孔可能使导管底挂靠钢笼,上不了下不去现象。

④混凝土灌注:溶洞地区成孔后,混凝土灌注与正常孔基本一样,但导管的埋深一定要掌握,标准埋深2～6m,在溶沟溶洞发育地区不得低于4m,防止混凝土压穿造成混凝土面下降,低于导管造成断桩现象。混凝土面不上升或上升特别慢时,保证混凝土入灌速度时,勤测量埋深,防止提升导管出现断桩。总之,不可见因素较多,每个施工环节加强防范。

4.3 人工挖孔桩质量控制技术

岩溶地区桩长在30m内,地下水少的地方,采用人工挖孔桩较为实用,逐层下挖,逐层混凝土护壁、在溶沟溶洞的地方,短进尺,多观察,地下情况看得见,摸得着,处理方法随机应变。

根据现场溶沟溶洞存在的位置、形状、大小不同,洞内的填充物不同,有不同的处理方法。

1)钢筋混凝土护壁穿越法,孔内侧面存在溶沟溶槽,外露口较小,先清理沟口边上的填充物,里侧用板或小棍子等物支挡,护壁混凝土内加设钢筋网片,外侧安装护壁钢模,浇注护壁混凝土。

2)回填侧墙法;侧面溶沟较大,形成洞室的,采用回填土与洞口砌护壁墙法,再浇注护壁混凝土越过溶洞。

3)孔底存在溶沟溶洞时,一般先回填再开挖,再混凝土护壁施工。

施工中水溶洞基本上没有碰到过,在此不作说明。

5 结语

总之,炎汝高速公路岩溶发育地区桩基施工,在施工中遇到了漏浆、泥浆流失、卡钻掉锤,坍孔等危害,通过对所管标段出现的问题,在施工中总结出岩溶地区桩基施工控制技术与质量控制措施,能为其它高速公路项目类似施工地质条件提供参考。