溶洞群地区桥梁桩基设计与施工中的若干问题

刘冠营 韦景宇

溶洞群地区桥梁桩基设计与施工中的若干问题

刘冠营 韦景宇

通过牛郎关互通立交桩基础施工实践对溶洞群地区桩基设计和施工中的若干问题进行了讨论,着重阐述了施工勘探及相关参数的确定,并对施工要点作了说明,为以后类似工程设计与施工提供参考与指导。

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1 工程概况

贵阳环城高速公路南环线牛郎关互通立交桥梁,设计桩基础436根,桩径为 1.8m的端承式嵌岩灌注桩,桩基总长 7 146.5m。实际施工中,由于桥位区岩溶极为发育,分布广,走向复杂,溶腔多样,形成了溶洞群,加上地下水极为发育且埋藏浅,造成溶腔填充物复杂。充填物以黄色黏土为主,偶含角砾、砂质、白云岩和灰岩碎块,且出现涌水量大现象。溶洞最大高度为 16 m(牛郎关1号大桥 6号墩),最小高度为 0.5m左右,综合全区溶洞分布相对高差为 37.58m,溶洞在深度分布上无明显规律性。

2 桩基深度设计

2.1 桩位地质钻探

1)钻孔数量。根据规范[1]要求,对桩径 2.0m可采取一桩一孔。实际施工中,发现溶洞发育区多数桩基中心及桩位 1m～1.5m的范围补钻 1孔 ～3孔揭示的溶洞发育程度、高程情况各不相同,体现岩溶地质的复杂性。建议对复杂区域沿桩身外围三角补钻。

2)钻孔深度。文献[1]要求,岩溶地区钻孔深度为设计桩底以下整体岩层不少于 5m,现场试钻结果表明岩层溶洞发育差别很大,建议地质钻孔深度探入连续完整弱风化岩层应不小于 8m。

2.2 桩基嵌岩深度及持力层厚度的确定

关于桩基嵌入完整基岩的深度,现行规范有以下两种计算模式：1)只计算基岩端阻力,嵌岩深度按构造要求确定[2],但不小于0.5m,并要求桩底以下 3倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、洞隙分布,在桩端应力扩散范围内无岩体临空面,岩石地基承载力可根据其折减系数换算确定;2)考虑嵌岩段端阻力和侧阻力,还计算桩身周围覆盖土层侧阻力[3]。对于桩底溶洞顶板的持力层安全厚度,专家咨询意见为不小于 5m,桩底承载力不能充分承受时,应最大限度地利用桩侧嵌固力,桩基嵌岩深度取 2.5D～3D(D为桩径)较合理。

3 桩基成孔施工工艺及桩孔沉渣清除

3.1 桩基成孔施工工艺

由于岩溶地质的复杂性、不可预知性,结合该互通立交桩基施工实践,本人认为冲孔工艺较回旋钻孔工艺要好;在具备人工挖孔条件下,挖孔工艺较机械钻孔工艺强。该桥桩基采用了机械冲孔和人工挖孔两种工艺。对于孔深小于 20m的桩基,岩层完整,溶洞无填充物、涌水量较小的桩基均采用人工挖孔工艺,该工艺最大优点是可全面开挖,工期短,对施工场地及用电量要求不高,最重要是能够清楚洞察桩底溶洞发育的真实情况,能与施工钻探地勘资料直接对照,确保终孔桩底基岩完整,桩基安全性有绝对把握。冲孔工艺采用卷扬机加冲击锥施工,主要是该工艺对岩溶发育和岩层不均匀性具有较好的适应性。由于溶洞发育极不规则,溶洞、溶槽、溶沟、溶穴、溶笋等形态存在,使得岩层均匀性极差,而不均匀地质对回旋钻机而言是致命的弱点,采用冲击钻可避免回旋钻卡钻、斜孔、进尺困难、溶洞处理难等缺点。当然冲孔桩最大的缺点是孔桩经过反复冲击后,孔径变大,混凝土超灌量增加,因而冲击钻头外径经常采用比设计桩径小 5 cm～10 cm,具体数据取决于施工经验或岩层强度,岩层强度大扩孔系数变小。

3.2 桩底沉渣清除

对于嵌岩桩而言,规范允许的孔底沉渣厚度不大于 5 cm,采用冲击成孔工艺对孔底沉渣厚度控制显得非常关键。一般而言,清孔阶段置换泥浆浓度应由浓变稀,一旦清孔完毕验孔合格后应立即下钢筋笼进行混凝土灌注,避免静置时间过长造成孔底沉渣可能超厚,初灌混凝土的冲击力会冲起部分沉渣,并随连续灌注过程,孔内泥浆水位上升而将部分沉渣带出孔外。实际施工中,灌注成桩的桩基不可能每根桩底沉渣厚度都能够取芯检查,经常利用桩基混凝土内预埋的 3根超声波检测器进行质量检查,一旦发现桩底沉渣过厚,可采用钻机取芯成孔(一般施工 3孔),再用高压水从钻孔口注入,另外孔口出渣的循环通路,直至将桩底沉渣清除干净,再压注水灰比 1∶0.5的水泥浆进行处理。该处理方法投入小,简单可行。另外,对于深孔桩,且桩基上半部有地下暗河穿过时,采用正常清渣的方法往往是无法成功的,可采用加大泥浆稠度,并在暗河位置稍下方处再增加一台换浆机和桩底部换浆机同时清渣,不但功效高、效果好,而且还经济适用。

4 施工过程中溶洞处理

1)利用地质勘探孔提前给空溶洞补水,以达到防止钻孔过程中溶洞顶板被击穿时孔内泥浆水头突然下降而造成塌孔情况发生。2)遇到溶洞后回填片石黏土进行反复冲填,是处理溶洞、斜孔、卡钻等问题最简单适用可行的方法。本互通桩基冲孔施工过程中对溶洞处理基本采用该方法成孔。3)遇到溶洞裂隙发育,孔内漏水、漏浆严重,采用投片石和黏土往往不能解决问题,可采取投入袋装水泥和黏土,然后反复冲击使得水泥黏土拌和均匀,静置 5 d～7 d让胶体凝固后再冲击施工,该方法是处理裂隙漏浆最简单适用的有效方法。其原理是水泥与黏土经过充分搅拌后形成一种具有强度的复合体,后经反复冲击而被挤入裂缝中起到封闭作用。4)孔口地表塌陷处理。造成孔口地表塌陷原因主要有以下两点：a.孔口覆盖层中角砾层、砂质土等被洗空而形成“空肚皮”,在钻机振动荷载作用下产生坍塌;b.因溶洞顶板比较破碎,原溶洞内充填物起临时支撑作用,因冲孔施工泥浆循环作用把充填物清除出孔外,造成充填物支撑作用逐步消失而引起溶洞顶板坍塌。地表突然下陷是非常危险的安全隐患,唯一的预防措施是根据地质钻探报告资料认真分析溶洞顶板厚度和岩层强度,施工时要放慢钻进速度,或采用较小冲击锥先破穿溶洞顶板,同时多投入片石、黏土反复冲填挤密溶洞。孔口地表可采用回填片石混凝土静置数天后再冲孔便可处理,必要时还可在孔口段适当加长钢护筒措施。5)挖孔桩施工中,经常出现孔壁突然崩塌漏浆,或孔底刚发现甚至未发现溶洞先突然涌起泥浆、流沙,极大危及孔下施工人员的安全。遇到该情况时,不可盲目处理,应立即撤出人员、工具,待其涌浆或涌水稳定后,再安排施工经验丰富人员下孔清理,若清理顺利,不再有泥浆涌起出现,可先对溶洞进行处理后再继续往下挖孔,否则,最好选择重新回填片石、黏土至孔口后采取冲孔。6)桩基混凝土灌注过程中,为防止混凝土超压力过大挤垮由黏土和片石冲填围护溶洞孔壁,造成混凝土超灌或出现断桩事故。故要求在灌注混凝土施工前,应先结合地勘报告资料和投入的片石黏土数量加以判断溶洞孔壁牢固强度,为防止意外断桩,建议灌注混凝土导管埋深最好选在 4m～6m,灌注速度要缓慢适当。

5 结语

通过工程实际应用,总结了熔岩地质环境桩基设计方法,针对该种特殊地质环境得出以下几点结论：

1)关于桩基嵌入完整基岩的深度,应最大限度地利用桩侧嵌固力,桩基嵌岩深度取2.5D～3D(D为桩径)较合理。2)工程实践表明,桩基成孔施工方法选择冲孔工艺较回旋钻孔工艺要好;在具备人工挖孔条件下,挖孔工艺较机械钻孔工艺更为安全、经济、可靠。3)遇到溶洞、暗河地质环境时,在暗河位置稍下方处再增加一台换浆机和桩底部换浆机同时清渣,功效高、效果好、经济适用。4)通过实际应用,提出了几种桩基施工溶洞处理方法,可供类似工程作为参考,具有一定的工程实用价值。

[1] JTJ 064-98,公路工程地质勘查规范[S].

[2] GBJ 7-89,建筑地基基础规范[S].

[3] JGJ 94-94,建筑桩基技术规范[S].

[4] 杨文亚,李潮江.广梧高速公路新屋高架桥 3号墩桩基溶洞处理[J].山西建筑,2010,36(1)：349-350.

Several issues on bridge pile foundation design and construction in water-eroded caves area

LIU Guan-ying WEI Jing-yu

Through Niulangguan interchange pile foundation construction practice,it discusses several issues on pile foundation design and construction in water-eroded caves area,mainly expounds construction survey and the determination of relevantparameters,and demonstrates construction points,which has p rovided guidance for future similar engineering design and construction.

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U 443.15

B

1009-6825(2011)09-0177-02

2010-11-29

刘冠营(1965-),男,工程师,中国中铁一局集团第四工程有限公司,陕西咸阳 712000

韦景宇(1976-),男,工程师,中国中铁一局集团第四工程有限公司,陕西咸阳 712000