摘要: 结合湘桂客运专线高田特大桥钻孔桩的施工提出处理不同溶洞的施工工艺,提出小型溶洞采用抛填片石、黏土互层处理、大型溶洞采用超前预注浆处理和特大型溶洞采取钢护筒跟进的新技术和新方法。最后提出岩溶地区钻孔桩的施工控制及注意事项。
关键词: 岩溶地区;钻孔桩;施工
中图分类号:U4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0810083-02
1 工程概况
高田双线特大桥为湘桂铁路Ⅱ标段第四项目部控制总工期的结构物,其中心里程为DK246+904,起点里程为:DK246+504.792,终点里程为:DK247+40.730,全长535.938m。本桥0#-4#墩台钻孔灌注桩36根,桩径为1.25m,C40(H2环境)混凝土,桩长从8.5m-38m不等,采用冲击钻孔的成孔方式;承台5个,采用C40(H2环境)混凝土,承台厚度为2.5m;墩台5个,采用C30(T2环境)混凝土。
湘桂客运专线高田特大桥工程所处地区属暖温带亚湿润、中温带亚干旱、暖温带干旱大陆性气侯区。受季风环流控制,寒暑分明,夏短冬长;夏热湿润,冬寒晴燥。日照时间长,温差大,降水少,春秋季风沙较大;年极端最高气温38.9℃,年平均气温10.5℃;年均降雨量410mm,历年最大积雪厚15cm。
2 地质核查
由于本工程地处岩溶地区,地下岩溶的构造千奇百怪,没有任何规律,其形状、大小变化十分复杂,即使在一个很小的范围内,溶洞的大小变化也十分明显,钻孔桩施工时,经常发生同一桥墩下不同桩位处岩溶发育明显不同的情况。设计单位设计阶段常根据不完善的地质资料来推测附近的地质情况,往往会发生较大的偏差,因此,施工前的地质核查是岩溶地区钻孔桩施工前必不可少的一道程序,也是工程建设中必须考虑的直接费用。灰岩岩溶地段的地质核查要求逐墩台进行桩位钻探,每墩先按四角(桩位)布孔钻探。当遇岩溶发育时,应逐桩钻探。对岩溶特别发育地段(如逐桩钻均有岩溶存在),必要时应在外排桩以外增加勘探孔以进一步摸清岩溶的产状、走向及岩面倾斜情况。这往往是出于安全考虑,桩基一般设计为端承桩,其底可稳定持力层厚度不得小于桩径的6～8倍,加上的嵌岩深度要求,地质勘探时,要求稳定基岩钻探深不小于(8～10)d(d为桩径)。作为施工单位,若设计没有进行逐桩钻探,应立即联系建设单位、监理单位和设计单位,进行补充钻探,钻孔期间,应详细记录钻孔情况,若发现地质情况与设计不符,必须联系设计、监理单位现场调查,通过判断钻渣、研究钻孔记录等方法确定终孔条件。例如,多溶洞地段,上层的岩层可能较厚,施工人员在钻孔时误认为已到稳定基岩,而实际其下仍然有溶洞存在,因此钻进中对每一个地层变化处详细记录,并及时与设计地质报告进行核对,是施工控制的核心所在。
3 溶洞处理
3.1 小型溶洞的处理
对于小型溶洞,多采用抛填片石、黏土互层(或碎石黏土团)反复用重锤小冲程钻进方式,进行桩孔的填塞和桩壁挤密。对于较小的密闭溶洞,钻孔中也可不需要进行处理,直接灌注水下混凝土充填。采用抛填片石、黏土互层处理小溶洞方案时,钻孔桩开钻转入正常成孔前,泥浆应尽可能地保持高密度和强黏性,不需要泥浆循环。该工艺建立在添加片石(或碎石)强度相当于冲击部位岩石强度的条件下(一般高0.5～1.0个等级)。强度低的软石在冲砸过程中被先行破坏,达不到与原位岩石形成匀质人工冲击面的作用,也达不到护钻的目的。
3.2 一般溶洞及大型溶洞的处理
1)超前注浆预处理对于全充填或半充填的一般溶洞,普遍存在漏水或半漏水现象,为防止钻孔时泥浆突然流失,通常在钻孔前需进行注浆处理。在地质核查超前钻孔过程中,每遇到漏浆溶洞或裂隙,立即进行注浆处理。并用纯水泥浆封堵,利用浆液的流动性,在压力作用下,充满空洞及裂隙。利用注浆泵进行注浆,控制注浆量;当注浆量达到设计量或顶部返浆后,上拔注浆钻杆,直至结束;注浆结束后,清洗注浆设备,防止残留浆液凝固,堵塞钻杆。
① 注浆主要技术参数
注浆流量:8～10L/min浆液配比(质量比):水泥:水=0.8(0.6):1多层溶洞应从下层向上层进行。由于注浆压力与土的重度、强度、初始应力、孔深、位置及注浆次序等因素有关,而这些因素又难以确定。注浆深度不同,其注浆需要的压力就不同,一般注浆压力较注浆孔底水压大0.1～0.2MPa为宜。孔底的水压可根据水位高程与孔底高程计算出地下水的压力,再确定注浆压力。在注浆过程中根据具体情况再作适当的调整。注浆速度8～10L/rain,渗透最小半径保证大于桩半径1in以上。实践证明,当注浆加固孔壁的厚度达到1in上时,在成孔和灌注水下混凝土时,孔壁不会坍塌。
② 注浆结束标准
在规定的注浆压力下,注浆压力持续在0.2MPa不变,孔段吸浆量小于0.6L/min,单孔注浆量达到平均注浆量1.5～2.0倍,且进浆量明显减少时,延续30min即可结束注浆。为了保证注浆压力或注浆过程的连续性,加压注浆前采取必要的封孔措施。
③ 钻孔桩开钻时间的确定
无论采用何种钻孔工艺,在成孔作业期间,对桩周土体均有扰动。因此,已注浆地层必须待浆体达到一定强度后才能钻孔,否则注浆加固会失去效果。根据经验,浆体的强度一般在7d后可以达到设计强度的80%。这种情况下,能承受钻孔的振动冲击效应,孔壁不致坍塌。溶洞超前预注浆如图1所示。
2)间歇式注浆预处理。对于大型溶洞,为防止注浆时浆液流失造成浪费,通常采用间歇式注浆处理,间歇时间≥6h时,使得先注入的浆液与砂(或碎石)初步达到胶结后再注浆,循环注浆多次,直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值为止。间歇式注浆是针对较大的空洞或地下水流动的地层,为防止浆液流失造成不必要的浪费而采用的一种工艺。由于钻孔桩桩径小,注浆加固范围只需到达桩壁以外1～2m即可,采用间歇式注浆正是基于这一理念,目的是在加固地层的情况下,尽可能节约成本。但应注意,由于间歇式注浆的施工周期较长,一定程度上影响了施工进度,在选择施工工艺时应慎重。若项目工期紧而又必须采用间歇式注浆时,可考虑进一步优化和调整浆液配合比,适当掺入水玻璃等快凝材料,以加快施工进度。
3)冲击钻孔过程中溶洞的处理。技术人员及钻机机组人员应充分掌握地质资料情况。每个孔位的地质柱状图都单独列出,发给有关人员,让他们了解溶洞的位置、大小、充填情况。钻至离溶洞顶部1m左右时,准备足够的小片石或狗头石(直径10-20am)和黏土,对于半充填和无充填物的溶洞要组织足够的水源。钻至离溶洞顶部1m左右时,在1～1.5m变换冲程,逐渐将洞顶击穿,防止卡钻。对于空溶洞或半充填的溶洞,在击穿洞顶之前,要有专人密切注意护筒内泥浆面的变化,一旦泥浆面下降,应迅速补水,然后根据溶洞的大小按1:1的比例回填黏土和片石、整包水泥后冲挤压密实,只有当泥浆漏失现象全部消失后才转入正常钻进。如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。
3.3 特大型溶洞的处理
特大型溶洞发育规模大、层数多、溶洞内充填物性能差、地下水丰富,为避免溶洞顶板被击穿后泥浆突然流失而导致塌孔或地面大面积塌陷,原则上要求采用护筒跟进工艺,以确保施工安全和顺利成桩。对于溶洞较发育的跨既有线桩基,为保证既有线的路基稳定和行车安全,也可考虑采用护筒跟进工艺。护筒跟进工艺虽然对处理溶洞效果明显,但由于其成本高,投入大,对中小型或有充填的大型溶洞,不主张采用护筒跟进。
3.3.1 护简跟进施工工艺
护筒跟进施工工艺流程为:预埋钢护筒→钻孔→下沉辅助护筒→振动护筒穿越溶洞→钻至下层溶洞顶→注浆→钻进至基岩。
对于单层特大型溶洞,只需下1层钢护筒即可,多层特大型溶洞,根据具体情况打入2～3层护简。第1层护筒就位后,采用水下混凝土对护筒底封闭,避免冲孔时漏浆。下第2层护筒时,应在护筒外侧焊耳筋以起到导向作用,防止偏位。第2次护筒长度为孔口至第1层溶洞底板的深度。第2层护筒在第1个溶洞顶板击穿后再下,必须保证就位到第1个溶洞底板处。钢护筒采用振动锤下沉就位,振动锤功率根据护筒大小、打入深度及地层情况计算确定。一般入土深度在15米以内时,可采用65kW振动锤;大于15米时,采用90kW振动锤为宜。振动下沉时应注意控制钢护筒的垂直度,可以通过调整夹口位置来调整。
3.3.2 内、外护筒间空隙及内护筒与溶洞底部间空隙的处理
采用护筒跟进施工后,两层护筒之间必须做注浆充填加固处理,以保证桩基侧向抗力要求。一般方法是在内护筒底部及顶部100am范围内回填砂、碎石,中部回填中砂,然后用高压喷射灌浆法(施喷法)对回填体进行灌浆处理。灌浆后,内护筒上下两端空隙被砂、碎石及浆液冲填固结,固结强度要求达到30MPa,其抗渗系数可达10～7m/s。灌浆处理后,即可重新冲孔。施工中也可通过压注水泥浆来进行充填加固处理。
3.3.3 护筒跟进施工控制
1)对于特大型溶洞的处理,应遵循以确保施工安全为前提,增加地质超前钻探,摸清溶洞的发育规模是至关重要的。位于特大型溶洞地层中的钻孔桩,在钻进中极易发生塌孔、地面塌陷等事故,安全隐患极高。因此,钻进前,务必要摸清地下溶洞的发育情况,为护筒跟进作好充分准备,根据溶洞的埋深、产状、发育层数等确定护筒跟进深度、跟进层数。
2)护筒跟进法在钻孔作业过程中,应准备好充足的抢险物资,以备不测。虽然护筒跟进工艺能确保岩面以上土体不坍塌,但在施工中,当护筒跟进到一定深度后,由于孔壁内外摩擦力作用,采用振动外向锤很难一次性到位,实际施工中,采取边钻孔边跟进的工艺。在这个过程中,因作业工人疏忽或没有勤测孔深,可能导致钻孔超出护筒跟进的深度,这样也极易造成塌孔,或者对于斜岩地层,护筒仅能对一个方向支护,斜岩下端的土层或砂层围护不到,钻进中也会产生漏浆而发生意外,因此,即使采用护筒跟进工艺,也要准备必要的抢险预案。
3.4 工程应用情况及效果
湘桂客运专线高田特大桥地质条件极差,岩溶发育,溶洞规模大,溶洞多为无充填或半充填软塑状黏土,整个工程的桩基地质基本都处于岩溶发育地段。本工程钻孔施工前根据设计提供的地质图,及时核查地质情况,针对不同的地质条件制定了不同的处理方法。经地质核查,本工程116根桩基共有86根地处岩溶地段,其中大部分桩基地处一般溶洞,特殊地段桩基地处特大型溶洞。譬如,331桩基溶洞高度4.51m,溶洞为串珠状,洞内半充填软塑性黏土,施工时采取了超前注浆处理溶洞,处理效果良好,钻孔施工时未出现塌孔及漏浆现象,施工安全顺利,一次成孔;15-3--1及15-4-2桩基经地质钻探核查后,其溶洞高度达11.8m,洞内无充填,为确保钻孔施工安全,采用了护筒跟进施工工艺,打人8节共计长24m护筒,由于采取的措施可行,这两根桩钻孔顺利,钻孔穿过特大型溶洞时未出现塌孔现象,施工安全可靠;经地质核查,本工程跨既有线8根桩基均处于溶洞发育区,溶洞多为串珠状,洞内多为无充填或半充填软塑性黏土,为确保既有线安全,也采取了护筒跟进施工工艺,实施后钻孔桩施工安全、成孔率高,比计划时间提前11d完成了钻孔桩施工任务,并确保了既有线路基的稳定(既有线路基沉降在10mm以内)及行车安全。经桩检部门检测,高田特大桥116根桩全部为I类桩,施工质量良好。实践证明,岩溶地区钻孔桩施工,根据不同的地质条件采取不同的岩溶处理方法,能有效的确保桩基成孔率及施工安全,施工质量可靠,可为类似工程提供经验借鉴。
参考文献:
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