宜萬鐵路長巴河大橋基礎穿越巖溶暗河處理技術

王樹國,申志軍

(鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

1 工程概況

宜萬鐵路所在區域為我國最典型的巖溶極發育地區之一。廣泛出露的寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系、三迭系碳酸鹽巖地層,約占全線的 70%。巖溶極發育,地表巖溶類型齊全,形態各異,主要有溶隙、石芽、巖溶漏斗、落水洞、溶蝕洼地、巖溶槽谷等;地下巖溶洞穴(溶洞、暗河)普遍,規模宏大,局部溶洞特別發育,多具有成群出現、多層分布的特點。

長巴河大橋位于中低山區,橋頭兩側位于丘坡地段,中間為長巴河河床,該橋斜跨長巴河河谷,河谷寬100m左右,河內旱季無水,該河盡頭伏流,為長巴河暗河入口。2號墩位于河床洼地中,表層為第四系沖洪積層,厚達 70m,主要為黏土、黏土夾碎石、圓礫土及碎石土層組成;下伏地層為三迭系下統嘉陵江組三段白云巖、微晶灰巖及角礫狀灰巖,弱風化,巖溶發育。

原基礎設計為 9φ150cm鉆孔柱樁,施工中根據長巴河大橋 2號墩的補充鉆探資料揭示,長巴河大橋2號墩下部發育有暗河系統,暗河發育受巖層走向和縱張節理控制明顯。下部暗河系統在 2號墩下部的發育高程為 436～483m,暗河發育方向與線路方向基本一致,暗河在 2號墩下方的發育寬度為 6～9m,分別位于中線兩側 3～5m范圍內,暗河的發育高度約為47m,暗河內充水,并由 NE向 SW徑流。2號墩地下水發育,上部發育孔隙潛水,受降雨影響較大,雨季時地下潛水位位于地表以下 4～7m;下部暗河發育巖溶管道水,從鉆探實測目前水位埋深為 58～70m,受降雨影響較大,地下水為流動體,暗河揭露后水流略具承壓性。經多次研究,變更為承臺托梁加 6φ2.5m嵌巖柱樁的方式設計,樁基礎縱向樁間距 5.0m,橫向樁間距拉大至 13.0m,樁基礎跨過發育的暗河系統。見圖1。

圖1 2號墩樁位、暗河平面及地層示意(單位:m)

2 施工中遇到的問題

(1)1號樁樁底地層發育 2個溶洞,1個為充填型溶洞,高約 5m,整個樁身要穿過該溶洞;1個為空洞,高約 12m,半個樁身穿過該溶洞,如圖2所示。1號樁基施工至充填型溶洞頂板以上 1.6m時,孔內有水涌出,穿越暗河以下至完整基巖處成樁難度較大。

(2)3號樁采用沖擊鉆鉆至距孔頂 66m時(距設計樁底高程 2.24m),孔內突然泄漏,導致塌孔、埋鉆。

(3)2號樁遇到較大溶洞補漿不及時或漏漿速度過快造成了塌孔。

(4)改 3號樁距樁底 8.3m處發育一充填型溶洞,高 2.1m,為防止擊穿溶洞發生漏漿、塌孔,鉆至距孔底9.5m時,采用振動錘跟進由 δ16mm鋼板制作的鋼護筒。繼續鉆進 0.7m時,孔內泥漿瞬間全部流失,鋼護筒因承受較大的土體側壓力發生變形,最大變形量達到80cm,鉆頭被卡在距孔底4.4m處,打撈鉆頭難度較大。

(5)遇到暗河體系及其他發育的溶腔造成塌孔、地面下陷,經多次回填,對樁孔周邊的地層擾動很大,原狀地層已遭破壞,樁周摩阻力損失嚴重。

3 處理方案

(1)1號樁由于穿越暗河以下至完整基巖處成樁難度較大,同時考慮到穿越暗河將對原暗河體系的影響,將 1號樁向線路右側平移1.25m,使1號樁樁底避開暗河系統。同時對 1號樁處原承臺右側進行部分加寬處理,對 1號樁已成孔部分采用 C15混凝土回填處理,如圖2、圖3所示。

圖2 1號樁地層示意

圖3 1號樁移位平面示意(單位:cm)

為防止移位后的 1號樁穿溶洞時泥漿突然泄漏導致塌孔,采用沖擊鉆成孔至充填型溶洞頂板以上 5m時,DZJ-150型振動錘輔助下沉鋼護筒至孔底,并對鋼護筒和孔壁間的間隙進行注漿填充。

移位后的 1號樁穿過充填型溶洞時,出現泥漿緩慢泄漏現象,采用反復回填黏土夾片石、混凝土、硫鋁酸鹽水泥等,小沖程反復沖擊成孔工藝進行施工,最終順利成孔。

(2)3號樁采用沖擊鉆鉆至距孔頂 66m時(距設計樁底高程 2.24m),孔內突然泄漏,導致塌孔、埋鉆。造成塌孔漏漿的原因為 2號墩基礎下部暗河系統極為發育,雖經多孔鉆探,但由于巖溶發育沒有規律,個別巖溶管道、溶槽等無法徹底查清。考慮 3號樁鉆頭埋深 66m,鋼護筒跟進至 66m處,摩阻及偏斜孔等諸多不確定因素影響,難以實施。并且受現場地形條件限制,大型機械設備無法進入施工現場。護筒跟進實施難度非常大,采用鋼護筒跟進,在原位打撈鉆頭則更困難,實現的可能性小。將 3號樁向線路左側前方外移3.0m,同時對 3號樁處原承臺尺寸進行調整,原 3號樁孔采用 C15混凝土回填密實。如圖4所示。對3號樁底 459.9～458.7m處小型空腔先鉆孔(注漿孔),注漿管跟進后采用 C20細石混凝土填充,要求填滿加固密實,再對 457.7～455.50m處填充型溶腔采用 M10水泥砂漿壓漿加固密實。

圖4 3號樁移位平面示意(單位:cm)

(3)鑒于改 3號樁發生孔內泥漿突然泄漏導致鋼護筒嚴重變形,給下步施工帶來很大難度。為避免 2號樁發生類似情況,2號樁沖擊成孔深度至設計樁底20m時,采用 DZJ-150型振動錘輔助下沉鋼護筒。鋼護筒底部 10m采用壁厚 25mm鋼板制作,孔口以下20m采用δ16mm鋼板制作,其余部分采用壁厚20mm鋼板制作。繼續鉆進深度到 9m時,孔內泥漿突然泄漏,多次填筑大量片石、袋裝水泥、黃土、碎石均無法鉆進,且每次漏漿,若不及時回填均有泥漿流失殆盡之趨勢。在不完全了解地下溶洞或暗河、裂隙情況下,反復回填沖擊難以短期內見效,決定采用外徑為 φ2.4m的二級鋼護筒跟進至漏漿口附近。

為了加強護筒支護強度和剛度,保證二級護筒能承受 64m孔深處的側壓力,防止在完全漏漿情況下護筒變形,二級鋼護筒底部 30m采用 δ25mm鋼板制作,其余部分采用δ20mm鋼板制作,并且在二級鋼護筒底部 14m范圍設[14槽鋼加強帶,間距 50cm一道,增加護筒剛度。二級鋼護筒下至 64m后,孔底灌注 1m厚混凝土進行封底,并在兩層鋼護筒之間采用水泥砂漿灌注密實,如圖5所示。

圖5 二級鋼護筒跟進示意(單位:cm)

二級鋼護筒加固完成后,采用沖擊鉆再次沖擊,距孔頂 64m時,孔內泥漿再次發生泄漏,待泥漿面穩定后,孔內泥漿深度約 8m,經潛水員多次下水探摸,找到了溶洞口的位置,并再用棉絮和袋裝混凝土成功進行了封堵。

(4)改 3號樁距樁底 8.3m處發育一充填型溶洞,高2.1m,為防止擊穿溶洞發生漏漿、塌孔,鉆至距孔底9.5m時,采用 DZJ-150型振動錘跟進由 δ16mm鋼板制作的鋼護筒。繼續鉆進 0.7m時,孔內泥漿瞬間全部流失,鋼護筒因承受較大的土體側壓力發生變形,最大變形量達到 80cm,鉆頭被卡在距孔底 4.4m處。通過孔內攝像,觀察到孔底小里程靠線路右側發育一溶洞,寬約1.2m,具體深度未能探測,如圖6所示。

圖6 改 3號樁變形鋼護筒示意(單位:m)

從改 3號樁地質資料及揭示的情況分析,樁底溶洞為暗河管道或與暗河連通的巖溶管道。為防止鋼護筒變形范圍進一步加大,樁孔內采用碎石和機制砂回填至距孔頂 20m。回填后采用人工挖孔、逐級割補法對變形鋼護筒進行修復,每次修復 0.5～1.0m。為確保孔內人員施工安全,防止鋼護筒發生二次變形,在 3號樁樁周 1m范圍環向設 14根 φ108mm鋼花管進行注漿加固,加固深度至基巖面,漿液為水泥單液漿,注漿壓力為 0.1～0.3MPa。鋼護筒割開后,如果背后為空洞,采用水泥砂漿進行回填,并且等水泥砂漿凝固后才能割除鋼護筒。每次割除高度不大于 0.5m,每處鋼護筒割除后,清理、鑿除鋼護筒背后的雜土或回填的水泥砂漿,采用 20mm厚的圓形鋼板帶進行焊接修補,修補后的鋼護筒每隔 0.5m焊接 1道圓形[14槽鋼帶進行加強。

變形鋼護筒修復完成后,對鉆頭進行部分切割提出鉆頭,對孔底溶洞采用混凝土進行了回填,重新補充泥漿采用鉆孔樁工藝順利成孔。

(5)2號墩樁基礎位置砂卵石地層覆蓋深度達 60 m,3號樁孔發生坍孔,地表塌陷及 1～3號樁孔又經過多次回填,對樁孔周邊的地層擾動很大,原狀地層已遭破壞,樁周摩阻力損失嚴重。為確保樁基的結構安全,并利于 1號、2號、3號孔在砂卵石地層的下部成孔,需對 1號、2號、3號整個樁身周邊范圍地層進行注漿加固。注漿范圍:1號、2號、3號樁外 2.5m,深 50m。鉆孔間距 2.0m,梅花形布置,孔徑 108mm,注漿順序先外側后內側。用注漿泵注漿,注漿壓力控制在 0.1～0.3MPa,具體壓力值由現場試驗確定。同時承臺外 2 m范圍以下 7m的土層應采取注漿等措施加固處理,承臺底至原地面處基坑采用 1∶95的水泥土回填處理。

4 結語

長巴河大橋 2號墩基礎下部巖溶發育極不規律,雖經多次鉆探,很難徹底查清巖溶管道的發育情況,對該地層巖溶發育情況認識不充分,施工過程中,進行了多次變更。因此,巖溶地區修筑橋梁樁基時,應對樁位進行詳細的地質鉆探,盡量避免在巖溶極其發育、地質條件極為復雜的地層上修筑樁基,避免類似情況的發生。

(1)墩位選擇時,若發現穿越暗河系統,原則上避開暗河,采取調整橋跨避開暗河,施工難度會大大降低,增加費用也會低于處理穿越暗河費用。

(2)巖溶地區樁基礎設計:對同一基礎范圍內溶深高差懸殊,各樁受力很不均勻,采用加強樁頂配筋,不能滿足短樁受力要求時,以鋼護筒穿過頂部巖層調節短樁的嵌固深度,使鋼護筒與孔壁之間形成縫隙,人為加長某些樁的自由長度,使各樁的剪力剛度比較接近,從而達到調整各樁頂水平力,改善短樁的受力。穿過溶洞的鉆孔樁,樁底支承的頂板厚度應滿足完全由樁底部受力,應不小于 3d(d為樁設計直徑),且不小于 5m;當樁側累計頂板厚度大于 5m時(其中厚度小于 1m的巖層頂板不予計入),則樁底可置于頂板厚度不小于 1.5d且不小于 3m的巖層上。

(3)在巖溶地區修筑橋梁樁基時,對地質資料進行認真分析,根據不同的地層條件采取切實可行、安全有效的施工方法,并準備好處理巖溶所需的設備和材料,以便樁基施工過程中遇到漏漿、塌孔等情況時,可以立即進行處理。

(4)巖溶地區鉆孔樁施工時,現場儲備大量的片石、水泥、黏土和碎石,挖掘機隨時待命,以便孔內漏漿明顯時,立即進行回填,堵塞溶洞,避免因孔內泥漿完全泄漏導致塌孔、埋鉆。

(5)下沉鋼護筒準備工作要充分,快速下沉可以減少孔內浮渣沉淀厚度,減小鋼護筒和沉渣之間的摩阻力,否則,鋼護筒很難下沉到成孔孔底位置。

(6)在有溶洞、暗河及巖溶管道等極其復雜的地質條件下進行鉆孔施工,用鋼護筒后跟進可有效防止孔內泥漿突然泄漏導致塌孔,但應根據不同的地質和樁徑,采取有效的措施確保鋼護筒的剛度。

[1] 鐵道第四勘察設計院.長巴河大橋施工設計圖[Z].武漢:2004.

[2] 張占彪,潘軍.典型巖溶地質鉆孔樁施工方法[J].鐵道標準設計,2007(8).

[3] TB10002.1— 2005,鐵路橋涵設計基本規范[S].