岩溶地质钻孔灌注桩成孔案例研究

万 春

(中铁二十二局集团第二工程有限公司,北京 100041)

0 引言

某特大桥全长1.38 km,邻近既有高铁,其中12#～15#桥墩采用3跨钢盖梁门式墩上跨营业高铁线路。全桥桩基共364根,桩径1～1.25 m,平均桩长20 m,全部为柱桩,桩长除应满足设计桩长外,还要满足桩底嵌入岩层新鲜岩面的最小深度不小于3 d(桩直径长度)。全桥桩基均位于岩溶强烈发育地质区[1],桩基距营业高铁接触网回流线投影最近处4 m,最远处13 m,全部为邻近营业线岩溶桩基。场地内浅部15 m深度范围为可液化粉砂,下部为灰岩层。此段208个钻孔中,钻孔揭露溶洞139个,钻孔溶洞率66.8%,溶洞洞高0.3～9.9 m,岩溶强烈发育。因其复杂的地理环境和地质条件需选择合适的钻孔方案,确保桩基安全高效完工。

因全桥邻近既有营业高铁,桥梁桩基础施工时不宜采用振动较大的钻机进行施工。但地处岩溶强烈发育地质区,桩底岩层强度为600～1000 kPa的弱风化灰岩层,且营业高铁平均墩高15 m,有限高要求。经多方比选,反循环钻机、正循环钻机、低净空旋挖钻等均受现场施工条件限制,无法选用。经与高铁工务段对接,对营业高铁增设自动化监测系统,实时监测桥墩沉降及位移变化后现场方可选用冲击钻进行桥梁桩基施工。

1 施工工艺

冲击钻桩基施工工艺流程[2]见图1。

图1 冲击钻桩基施工工艺流程Fig.1 Flow chart of hammer drill pile foundation construction process

图2 护筒跟进法施工流程Fig.2 Construction process of the following protection tube method

在三通一平的基础上对所有桩位进行测量并做好放样,制作护筒及泥浆等施工所用材料,泥浆循环系统和钻孔机具等就位,准备开工。现场采取坐标法对桩位进行测量,确定桩基中心点后设置标桩,控制标桩误差≤2 cm。设置十字形控制桩,标注好桩号,以便后续进行校核。钢护筒内径为桩径+0.3 m,高度2 m,壁厚1 cm,底部埋置在地表下1.5 m,保证护筒顶部超出地表0.5 m。埋设护筒时,实时检查护筒埋设质量,确定其位置准确、稳固,将护筒四周用黏土回填,夯击密实。控制护筒埋设垂直度偏差≤0.5%,以便后续钻孔施工顺利进行。钻机平台需碾压密实,保证钻机就位的最大倾角≤4°。钻进就位后调整钻杆及钻头,使其垂直对准钻孔中心,根据施工需要调整钻机垂直度参数。试运行,确保钻机系统运行正常。

将制浆池、储浆池及沉淀池布置在桩基旁边,连接好循环槽。造浆材料选用优质黏土或膨润土,保证泥浆的稳定性能,提高护壁效果及成孔质量,减少沉淀[3]。泥浆指标见表1。

表1 泥浆主要性能指标

在冲击钻成孔施工中,为防止孔口坍塌,保证成孔质量,按小冲程进行开孔,待钻进深度没过钻头后,按照正常冲程进行冲击成孔。根据溶洞高度及填充形式,经过比选,选用回填法与钢护筒跟进法进行溶洞桩基施工。当钻至溶洞顶部1 m左右时,改用小冲程(0.5～1 m)钻进,缓慢将洞顶击穿,提前制备充足的泥浆,根据溶洞高度提前在桩基附近堆放足量的水泥、黏土、片石及钢护筒,钢护筒直径大于桩的0.3 m。

1)回填法。主要适用于高度≤3 m的溶洞、充填或半充填的溶洞或高度≤2 m的无充填溶洞。当冲孔穿透土洞或溶洞顶板后,溶洞出现漏浆现象或通过钻进尺速度证明已进入溶洞区,应立即提出钻头,抛填片石(碎石)、黏土、水泥等填充料,回填至泥浆溢出孔口,观测孔内泥浆水位变化。如果水位下降,将继续回填填充物,重复多次,直至水位不再发生变化,再采取小冲程慢慢锤击,以便把填充料完全挤进溶洞,对桩孔壁形成良好保护。根据勘察溶洞内充填物种类来设计回填料配比,不同类型的溶洞所用的回填料种类及比例(按体积比)是不同的,具体如表2所示。

表2 溶洞内不同充填物种类材料用量比例

为提高环形护壁的稳定性,需在回填中按“回填—挤压”进行3～4个循环。若回填施工中发现钻孔中有泥浆漏失,须第一时间补充泥浆,以防出现塌孔。

2)钢护筒跟进法。对于高度大于3 m及多层的半填充溶洞或空洞,采用钢护筒跟进法进行施工,跟进的钢护筒直径以大于桩径0.3 m为宜。当钻进至溶洞顶面时,跟进钢护筒至同一平面,利用振捣锤小冲程慢施工的方式冲至溶洞底面,跟进钢护筒。如此根桩基有两个及以上溶洞时,则重复上述方法穿越其他溶洞,保证钢护筒进入溶洞底不少于1 m,待钢护筒稳定后钻孔至孔底标高。安装钢护筒时必须利用护桩反校准孔位中心点,确保钢护筒顺直,连接处满焊,防止漏浆。

当采用钢护筒跟进法施工时,主要危害是焊缝不饱满造成裂隙漏浆,漏浆易引起塌孔事故。可采取以下处理措施解决裂隙漏浆问题:进入溶洞前,制备充足的泥浆备用。备足黏土,将黏土做成直径15～20 cm的泥球。准备部分直径10～15 cm的小片石或狗头石。实时监测护筒中泥浆面的变化,若泥浆面下降速度过快,说明出现了漏浆问题。应立即向孔内注入备用泥浆,将泥球投入孔内,之后将年土和片石按1∶1的比例进行回填,回填高度不小于2 m。回填完成后重新开钻,利用砸碎的片石及大颗粒土对护筒的裂隙做填充处理,以防裂隙宽度变化,当复钻至漏浆高度时,观察泥浆顶面是否变化。如再次出现漏浆,重复以上工序,直至钻至孔底标高。

待钻进到设计深度后,通过下放笼式测孔器对钻孔的深度、直径、垂直度等做全面检查,合格后方可进行下部施工。

测孔器制作:测孔器的直径等于设计桩径,长度等于设计桩径的6倍。测孔器的形状为圆柱体,两端为圆锥状。制作时,圆周方向设20根φ16钢筋,相距18°位置,竖向每隔1.5 m设置一道加强箍筋。具体设计见图3。

图3 笼式测孔器Fig.3 Cage hole tester

将沉淀物清出孔位,需符合如下要求:孔内清出的泥浆用手摸没有2～3 mm的颗粒,孔内泥浆比重≤1.1,含砂率<2%,黏度17～20 s,孔底沉渣厚度≤5 cm。不符合要求则需进行二次清孔[4]。

因本桥为邻近营业线施工,每节钢筋笼长6 m,采用冲击钻吊装入孔,套筒连接。钢筋笼吊至与钻孔位置对准后,垂直缓慢放进钻孔内,这个过程要严格控制钢筋笼位置及稳定性,严禁高提猛落,以防钢筋笼摆动碰到孔壁,影响施工质量。若下放过程中遇到阻碍无法继续下放时,需立即停止下放,严禁强制下放,明确原因并及时处理,再继续下放。待钢筋笼下放就位后,需6 h内完成混凝土浇筑,以防塌孔。

水下混凝土采取导管法进行灌注。首盘封底混凝土不少于2 m3,浇筑过程中,导管埋入混凝土的深度应在2～6 m,严禁将导管拔出混凝土面。浇筑时,对孔内的砼面深度进行实时测量,若发现浇筑量与砼顶面位置不相符的情况,需及时查明原因并处理[5]。

2 结束语

对某特大桥的施工实践证明,在对既有铁路增设自动化监测系统、实时监测桥墩沉降及位移变化后,现场选用冲击钻进行邻近营业线岩溶桩基施工,具有施工效率快、成桩质量高、经济效益好等特点,保证了营业线行车安全,可大力推广应用。