粉細砂覆蓋層巖溶地質鉆孔樁施工

楊義文

(中鐵武漢大橋工程咨詢監理有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

楊泗港快速通道青菱段(八坦立交—丁字橋路)工程共劃分為5個施工段落，位于武漢市洪山區。采取主線高架橋+地面輔道的建設模式，主線高架橋等級為城市快速路，雙向六車道～八車道。全線設1座互通式立交(八坦立交)，跨過原有白沙洲大道高架橋(見圖1)，立交橋基礎為鉆孔灌注樁，總樁數352根，樁徑1 200 mm，1 600 mm，1 800 mm。根據超前鉆地質情況變更后樁長30.4 m～52.4 m，樁基類型為摩擦樁、端承樁。立交高架橋梁處于巖溶發育地帶，逐樁進行超前鉆勘察鉆孔柱狀圖顯示，有235根樁基孔位存在大小不一的溶洞，其中絕大部分分布在白沙洲大道西側，顯示溶洞高度從0.4 m～7.0 m不等，溶洞有單層、雙層、多層，填充狀態有半填充、全填充、無填充，大部分溶洞上方有粉細砂覆蓋層，揭露厚度范圍2.6 m～14.9 m，層面埋深7.0 m～24.6 m。

2 施工特點及難點

1)施工初期未對巖溶地質樁位處采取地基預注漿措施。

2)粉細砂層在遇到溶洞快速漏漿時極易造成塌孔。因孔內漿面下降，泥漿靜水壓力不再有效緩解孔邊的剪切應力，粉細砂層土體易發生剪切破壞，造成上部松散層塌孔[1]。在砂性土及粉砂性土層較厚的地區必須采取防止地層液化、縮孔、孔壁坍塌的有效措施[2]。

3)施工區域地上架空高壓線，地下管線密布。需遷改的地下管線有電信，移動，軍纜，交管，燃氣，自來水，雨污水，10 kV電纜，220 kV，110 kV電纜拖管。

4)對施工區域內臨近已有高架橋梁基礎的鉆孔施工需采取一定的防護措施，確保已有橋梁安全。

3 施工過程中出現的問題及處理措施

3.1 沖擊鉆施工、回填復打

立交區域H匝道樁基先期施工，采用沖擊鉆成孔。巖溶地區鉆孔樁宜采用沖擊鉆機鉆孔[3]。根據施工方案配備了片石、袋裝水泥和黏土。采取正常成孔方法施工，并將超前鉆地質柱狀圖發給每一位鉆機班組長，對鉆孔隊伍進行安全技術交底，使其熟悉鉆孔地質情況，在接近溶洞1 m左右時降低鉆進速度，小沖程(0.5 m～1.0 m)慢鉆進，緩慢將溶洞頂擊穿[3]，以期漏漿速率減緩。提高泥漿比重、粘度，密切注意護筒內泥漿液面的變化，泥漿液面下降應迅速補漿補水，如果仍不能使孔內液面回升，則應立即提起鉆頭，向孔內回填黏土、片石，水泥，穩定后再利用鉆頭沖擊將水泥、片石和黏土擠入溶洞和巖溶裂隙中，以增大孔壁的自穩能力。H匝道初期進場6臺沖擊鉆，鉆機班組人員均為鉆機機主，鉆孔是他們的專業工作，實際操作技能強，確保成孔成樁關系到他們的切身利益。測量放樣進行護筒埋設、鉆機就位，泥漿循環系統設置，造漿、試鉆、鉆進、造漿、鉆進至成孔。隨鉆進深度的增加泥漿比重由1.3升至接近溶洞附近的1.4。實際施工過程中在鉆孔深度達到溶洞范圍時每個孔位均出現多次漏漿，漏漿速度有慢有快，以快速漏漿為主，10 min內孔內泥漿液面下降高度達6 m～12 m。發現漏漿第一時間向孔內補水補泥漿，提鉆頭，鉆頭提起來后用挖機向孔內投入片石、黏土和水泥，回填至原泥漿面高度后再重新沖擊。平均每孔成孔前漏漿回填再沖孔次數達6次～8次之多，每孔都有情況不一的漏斗形塌孔現象，最嚴重為有粉細砂覆蓋層的H6-1樁孔在接近成孔時一次性快速漏漿約12 m(見圖2)。補水、補泥漿，提鉆頭過程中伴隨塌孔，塌孔發展迅速，鉆頭剛提出地面，塌孔也發展到地面，在地面形成一個直徑達8 m的塌陷區，鋼護筒、水泵掉入孔內，鉆機用挖機摞開得以保住(見圖3)。此種不對地基進行預注漿加固處理，光靠回填復打的施工方式有三個明顯弊端：1)成孔周期長，效率低下，即使是熟練的工人也是如此,H匝道樁徑1.2 m，1.6 m，樁長30 m～50 m，平均施工周期1臺鉆機1個月成孔1個。2)嚴重塌孔的樁位不采取有效措施將無法成孔。3)施工安全風險大，有埋鉆頭、掉鉆機和施工人員的安全隱患。

3.2 地基預注漿處理

在施工安全和施工周期控制上必須對地基進行預注漿處理，或者鋼護筒跟進。通過比較選擇了對地基進行預注漿處理，處理后使用旋挖鉆、沖擊鉆施工。對超前鉆發現有溶洞的235根樁基孔位全部(已成樁除外)進行注漿處理，根據注漿方案每樁緣樁邊均勻布設3個注漿孔，注漿引孔深度為設計變更樁長樁基底部。注漿順序從外向內進行，加壓注漿前對注漿孔用水泥砂漿進行封孔，封孔深度3 m,多層溶洞從下層向上層進行注漿。注漿過程出現以下情況，還應采用間歇反復注漿：1)注漿孔自流注漿2 m3后孔底沒有明顯抬升；2)漿液漏失嚴重，一次性連續注漿2 m3后注漿速率不減或壓力不升高；3)注漿壓力突然降低或速率突然升高；4)當流量較大時液面可以上升至孔口，但停止注漿液面又迅速下降且下降速率較大，反復注漿幾次漿面沒有抬升；5)注漿環境發現異常情況。現場注漿采用漿液為純水泥漿，不加水玻璃一類的速凝劑，純水泥漿凝結時間長有利于填充溶洞、地層空隙及固結砂層。為盡快形成強度和地基固結采用P.O42.5水泥，水泥漿配合比：水∶水泥=1.0∶1.0,現場注漿機電腦顯示注漿速度5 L/min～72 L/min，注漿壓力0.1 MPa～0.7 MPa。注漿作業完成14 d 待注漿體達到設計強度的80%后上旋挖鉆、沖擊鉆開孔鉆進。

3.3 旋挖鉆施工

部分不受架空高壓線影響、地質情況較好摩擦樁樁位采用SR360R-C10型旋挖鉆施工，采用6 m長鋼護筒，對樁位地基位置換填0.5 m厚毛渣，履帶范圍內滿鋪3 cm 厚鋼板，確保旋挖鉆機站位安全。埋設好護筒，鉆機就位，做好泥漿循環系統后開始鉆進，泥漿比重控制：在一般地層采用1.1～1.25；在松散易塌的軟土地層采用1.3～1.4。旋挖鉆施工速度有明顯優勢，平均一臺鉆機12 h成孔一個。成孔后清孔和下鋼筋籠到灌注混凝土需盡快完成，以免成孔垮塌，經旋挖鉆施工的150根樁基僅有1根樁(H7-1)在下鋼筋籠的過程中塌孔，其余均順利成樁。

3.4 沖擊鉆施工

因場地限制不能上旋挖鉆機，樁位處溶洞較大，地質情況較差的位置還是由沖擊鉆來完成成孔作業。經注漿作業后，沖擊鉆成孔速度、成孔率都有明顯提升，漏漿次數明顯減少，成孔速度提升至7 d～14 d。如上述嚴重跨孔的H6-1樁基經回填注漿作業后仍用沖擊鉆鉆孔經12 d成孔，但仍有極少數樁位出現漏漿塌孔、掉護筒、掉鉆頭、埋鉆頭、鉆機傾倒的事故。如H1-1由于原樁位塌孔掉護筒、掉鉆頭無法成孔，H1號墩由原設計2根樁改4根樁；F3-1漏漿塌孔鉆機傾倒，經回填混凝土，多次注漿后仍然不能成孔，F3號墩由原設計2根樁改4根樁。

3.5 管線探挖處樁基施工

施工區域地下管線部分走向與深度不能明確需采取人工探挖方式逐樁試探。此處施工尤為復雜，需由人工將整個承臺和樁基范圍的地下管線探明后才能進行超前鉆探樁基處地質情況。其中220 kV,110 kV高壓電力管群電纜拖管探挖深度達到8 m，需采用鋼護筒防護下挖。探出220 kV,110 kV電纜拖管與樁位沖突處直接更改設計樁位：如A4-A8,C0,G9,F8,D0,Z12。經超前鉆顯示有溶洞的樁基部位再進行注漿處理，注漿處理完后上沖擊鉆。由于人工探挖已經將原地面地層結構破壞，埋設護筒時需將周圍地面回填夯實，探挖防護的鋼護筒拔出后回填壓實，重新埋設的護筒長度僅1 m～2 m，遠小于人工探挖防護的鋼護筒長度6 m～8 m，且探挖孔回填壓實不緊密，在鉆進過程中出現漏漿地面塌陷而使鉆機失穩傾倒，如Z12-1。

3.6 下放鋼筋籠和灌注水下混凝土

成孔后第一次清孔下放鋼筋籠，下放鋼筋籠后第二次清孔，滿足要求后灌注水下混凝土。這些工序需連貫緊湊進行，不得耽誤。旋挖鉆成孔速度快，有部分縮頸現象，導致鋼筋籠不能下放到位，需提起鋼筋籠后復鉆。灌注水下混凝土需一氣呵成，盡量減少中途停頓時間，導管埋深可適當增加，以防溶洞壁被擠穿時混凝土流入溶洞還有足夠的導管埋深。本工程發生一例非常奇特的案例：A匝道中的A20號墩設計共4根1.2 m直徑樁基，設計樁長均為41.4 m。其中A20-4成樁順利，與其相鄰的A20-2樁在混凝土澆筑即將完成時發生塌陷，整根樁跟隨地面一起塌陷，在地面形成一個直徑約15 m，深度約4 m的大坑(見圖4)?，F場采取的應急措施為立即回填混凝土和碎石，控制住形勢發展(見圖5)。分析認為樁基塌孔主要原因是灌注的混凝土壓力引起勘察、注漿均未發現的溶洞破壁，混凝土和粉砂流失，導致地面坍塌。根據施工勘察資料，認為持力層基巖厚度滿足要求。參照某100 m高層住宅對溶巖地質超長地下室基礎進行溶洞處理的設計要求：樁側溶洞應進行預灌漿處理；樁端下部3.5D～10 m范圍內的溶洞也應進行預壓灌漿處理；若樁端以下10 m范圍內巖層分布連續、緊密穩定，則超出該范圍的溶洞，可不予處理[4]。A20-2樁回填混凝土和碎石后續放置4個月經3次擴大范圍和深度的注漿處理，上沖擊鉆后歷經14 d順利成孔成樁。

4 施工經驗總結

1)旋挖鉆在巖溶地質施工前地基需經預注漿處理，為確保旋挖鉆機安全，所鉆孔位全部經2次注漿處理，所處地基需壓實緊密，滿鋪鋼板，確保鉆機安全穩定，旋挖鉆鋼護筒長度采用6 m效果比較好。

2)沖擊鉆施工在預注漿處理后雖有漏漿但不會有沒預注漿那么嚴重，從施工實際情況來看，沒有預注漿時直接沖擊鉆施工、回填復打效果都不理想，漏漿時補水、補泥漿根本趕不上漏漿速率，提鉆頭到用挖機回填片石、黃土、水泥需要多人配合作業，需要一定的時間，與現場人員施工經驗、熟練程度有很大關系,等向孔內回填時漏漿孔內基本已經有塌孔現象發生。沖擊鉆施工埋設的鋼護筒長度不能和一般地層施工時的1 m～2 m長度一樣，需加長至4 m～6 m，鋼護筒越長，漏漿時塌孔的風險越小。地表土質松散且含有流變性砂層樁基采用長鋼護筒，有效預防樁基上部砂層及孔口坍塌[5]。鉆機坐落的地基需堅固牢實，鉆機的平面支撐面積需加大，最大限度的防止鉆機傾倒事故。鉆頭上端應設打撈裝置，掉鉆后便于打撈，巖溶地質塌孔隨時有可能發生，派潛水員打撈鉆頭幾乎不可能。

3)預注漿效果需在施工中隨時觀察總結，如注漿效果不理想，則應增加注漿孔，增加注漿范圍和次數。尤其是有粉細砂覆蓋層的地層應作為注漿重點，增加注漿壓力和停留時間。如D3，D4兩個墩位的4根樁經3次整體回填放置數月，先后4次增加注漿孔，累計注漿4次，最后才成樁。

4)人工探挖區域利用人工探挖防護的鋼護筒直接作為鉆孔護筒，護筒周圍地面應回填壓實緊密，回填低標號素混凝土效果最好。

5)在巖溶發育地區進行橋梁鉆孔樁施工時，首先應該進行全面而細致的地質調查，對巖溶的發育情況進行充分了解，然后結合工程實際制定出科學的施工方案，來切實做好溶洞的處理工作[6]。施工過程中如果發現任何異常問題，應該結合工程經驗及具體狀態，采用積極的措施來加以處理，從根本上保證橋梁樁基工程的施工質量[6]。如2009年—2011年在同一地點武漢白沙洲修建的武漢白沙洲大道高架橋，就分別采用了注漿和鋼護筒全程跟進的溶洞處理措施[7]。業主、勘察、設計和施工單位及時溝通，總結前期施工經驗和教訓，優化設計和施工方案在處理此類復雜工程基礎問題尤顯重要，可最大程度地實現成本和安全可靠的雙贏局面[4]。

5 結語

巖溶地質鉆孔樁施工有著成熟的經驗，但正常施工出現異常情況的就必須采取有效措施，根據現場實際情況具體采用哪種處理措施參建各方統一意見后付諸實施。本工程采用地基預注漿處理后使用旋挖鉆和沖擊鉆配合施工是符合現場實際情況的，也是相對經濟合理的施工方法。