濱海地區(qū)軟弱地層水中超長樁基塌孔處理技術(shù)*

李世平，寇 鵬，闕正義，劉 潤

(中建四局第一建筑工程有限公司基礎(chǔ)設(shè)施分公司，廣東 江門 529000)

0 引言

為加大橋梁的承載能力，樁基在設(shè)計(jì)階段呈大直徑樁、超長樁趨勢(shì)。軟弱地層水中超長樁在施工中受地形限制，當(dāng)遇到樁基塌孔、縮徑等問題時(shí)，處理相對(duì)困難。蓮陽河特大橋主墩24號(hào)墩在樁基成孔后，按照規(guī)范要求對(duì)樁孔進(jìn)行二次清孔，在鋼筋籠下放完畢、混凝土澆筑前，出現(xiàn)樁孔塌孔事故，導(dǎo)致樁基鋼筋籠被埋入土中。項(xiàng)目部立刻組織人員分析樁基塌孔事故原因，并采取處理措施。

1 工程概況

蓮陽河特大橋全長1 459.6m，其中12～26號(hào)墩柱位于蓮陽河水中，水下樁基共126根，樁基受力形式為摩擦樁。發(fā)生塌孔事故的24號(hào)墩樁基直徑為2.0m、樁長135m、有效樁長為115m，為全橋最長樁基。

表1 樁基施工場地巖土層分布情況

2 樁基塌孔事故原因分析

本工程24號(hào)墩樁基使用泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行成孔施工，下放鋼筋籠后，樁孔坍塌。通過分析地質(zhì)勘察報(bào)告，坍塌主要原因是地質(zhì)問題。24號(hào)墩樁基施工穿越地層主要為粉質(zhì)黏土和砂土，土體穩(wěn)定性差，按照J(rèn)TG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，二次清孔后泥漿相對(duì)密度為1.1，由于樁孔周圍土體穩(wěn)定性差，經(jīng)二次清孔后，孔內(nèi)泥漿無法支撐樁孔導(dǎo)致塌孔。

3 塌孔樁基處理施工技術(shù)

3.1 塌孔事故處理難點(diǎn)

本事故處理難點(diǎn)如下：①主墩24號(hào)墩樁基塌孔后鋼筋籠埋入土層中，無法直接取出鋼筋籠；②水中施工前已根據(jù)設(shè)計(jì)樁位搭設(shè)施工平臺(tái)，必須在原樁位重新進(jìn)行成孔施工；③在作業(yè)平臺(tái)上使用其他機(jī)械直接沖擊鋼筋籠，導(dǎo)致鋼筋彎曲破壞樁孔，且鋼筋籠經(jīng)過沖擊壓縮后發(fā)生彈簧現(xiàn)象，鉆機(jī)重新成孔施工時(shí)，鋼筋籠反彈鉆頭導(dǎo)致無法鉆進(jìn)施工。

3.2 塌孔處理措施

3.2.1軟弱地層塌孔處理技術(shù)原理

為同步清理鋼筋籠與重新成孔，縮短處理時(shí)間，在樁孔中投入花崗巖，通過沖擊鉆沖擊埋入樁孔內(nèi)的鋼筋籠，同時(shí)完成原樁位成孔。不同于常規(guī)沖擊鉆施工，樁孔中已有鋼筋籠，為防止鋼筋籠變形影響樁孔質(zhì)量和鉆孔施工，在鉆孔施工前投入花崗巖，以固定鋼筋籠，保證沖擊鉆直接沖碎鋼筋籠，不影響樁孔成孔質(zhì)量，使用電磁鐵吸出鋼筋籠碎塊。樁孔清孔時(shí)，由空壓機(jī)風(fēng)管送風(fēng)，將破碎的花崗巖隨泥漿一同排出樁孔，清除孔底沉渣。塌孔處理填筑如圖1所示。

圖1 塌孔處理填筑示意

沖孔施工前投入硬質(zhì)花崗巖，壓縮強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到200MPa，粒徑≤60cm，以保證破碎后可從導(dǎo)管中隨泥漿一起排出樁孔，保證清孔質(zhì)量。施工所用設(shè)備如下：①?zèng)_擊鉆 用于重新成孔+擊碎鋼筋籠，鉆頭重9t，直徑為2.15m；②電磁鐵 用于清理鋼筋碎塊，額定電壓220V，調(diào)運(yùn)能力為7 000～55 000kg；③空壓機(jī) 用于清孔施工，公稱容積流量為21.39m3/min，公稱排氣壓力為1.2MPa。

3.2.2鉆孔施工工藝

原樁位沖擊成孔施工工藝流程如圖2所示。沖孔前在樁孔內(nèi)填入花崗巖，樁孔內(nèi)土層頂部為黏土層時(shí)，填筑深度通常為7～10m；樁孔內(nèi)土層頂部為砂層時(shí)，填筑深度通常為10～12m。使用沖擊鉆擊碎鋼筋籠，隨鋼筋碎塊和花崗巖碎石增多，沖擊鉆無法繼續(xù)進(jìn)尺，此時(shí)在樁孔內(nèi)吊放電磁鐵吸出鋼筋碎塊。當(dāng)不再吸出鋼筋碎塊時(shí)，表示全部清理完成。

圖2 沖擊成孔施工工藝流程

沖擊鉆擊碎花崗巖的沉渣處理是塌孔處理技術(shù)的核心。超長樁清孔時(shí)泵吸力損失大，鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行二次清孔時(shí)超過3h。本項(xiàng)目孔底砂粒、石粒沉渣極多，若通過沉淀池自然沉淀，則增加泥漿循環(huán)所需時(shí)間。

針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)改進(jìn)鉆進(jìn)過程中泥漿置換和成孔后二次清孔施工工藝。泥漿泵吸出孔內(nèi)泥漿后，通過泥砂分離器帶出泥漿進(jìn)行沉淀分離，經(jīng)過沉淀池過濾后進(jìn)入泥漿池，縮短自然沉淀時(shí)間。泥漿置換原理如圖3所示。

分別進(jìn)行單門檻、雙門檻和三門檻效應(yīng)檢驗(yàn)，綜合考慮后最終采用雙門檻模型進(jìn)行估計(jì)，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新效益的門檻值有兩個(gè)，分為三個(gè)部分，新產(chǎn)品銷售收入處于低門檻區(qū)域的數(shù)據(jù)有6個(gè)，處于高門檻區(qū)域的數(shù)據(jù)有11個(gè)，大多數(shù)數(shù)據(jù)處于中等門檻區(qū)域，數(shù)據(jù)數(shù)量基本上服從正態(tài)分布。當(dāng)創(chuàng)新效益較低時(shí)，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新速度的彈性系數(shù)也較低，為0.168;當(dāng)創(chuàng)新效益中等時(shí)，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新速度的彈性系數(shù)有所提高，為0.450;當(dāng)創(chuàng)新效益水平較高時(shí)，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新速度的彈性系數(shù)更高，為0.866。這表明隨著創(chuàng)新效益總量的提升，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新速度彈性系數(shù)處于遞增狀態(tài)。

圖3 泥漿置換原理

二次清孔時(shí)使用空壓機(jī)快速清理花崗巖沉渣，步驟如下：①將空壓機(jī)風(fēng)管和導(dǎo)管插入孔底；②空壓機(jī)風(fēng)管將1.2MPa的壓縮空氣送入孔底，吹起花崗巖沉渣；③在風(fēng)壓和水壓共同作用下，泥漿順導(dǎo)管攜帶花崗巖沉渣進(jìn)入沉淀池；④經(jīng)沉淀后的泥漿進(jìn)入泥漿池，通過泥漿泵送入樁孔。使用空壓機(jī)改進(jìn)傳統(tǒng)清孔方式，實(shí)現(xiàn)超長樁快速清孔，單次清孔時(shí)間為1～2h。清孔時(shí)孔內(nèi)泥漿相對(duì)密度維持在1.4，孔底沉渣厚度≤15cm。泥漿循環(huán)清孔原理如圖4所示。

圖4 泥漿循環(huán)清孔原理

鉆孔施工使用的泥漿由水、膨潤土、火堿等材料配制，膨潤土具有良好的懸浮性，增強(qiáng)泥漿對(duì)沉渣的懸浮和攜帶能力，火堿增加泥漿黏度。泥漿循環(huán)時(shí)開啟泥漿制備機(jī)，及時(shí)調(diào)整泥漿池中的泥漿。

清孔開始后，隨孔內(nèi)泥漿攜帶孔底花崗巖沉渣排出，降低孔內(nèi)泥漿相對(duì)密度。在泥漿池中加入膨潤土和火堿，通過泥漿泵將泥漿池中的泥漿泵入樁孔中，以維持孔內(nèi)泥漿相對(duì)密度，防止塌孔。

3.3 樁基成樁施工

樁基成孔后使用空壓機(jī)和泥砂分離器進(jìn)行二次清孔，沉淀池中的沉淀隨清孔排出，當(dāng)不再有沉渣排出時(shí)，完成清孔。

清孔完成后下放鋼筋籠，使用導(dǎo)向架對(duì)鋼筋籠進(jìn)行準(zhǔn)確定位。鋼筋籠下放后立即下放經(jīng)過氣密性檢測的導(dǎo)管，導(dǎo)管安裝完成后澆筑混凝土。加強(qiáng)檢測混凝土材料坍落度，關(guān)注首車混凝土灌注情況，由于樁孔內(nèi)泥漿相對(duì)密度大、樁孔深，需保證水下混凝土坍落度在190～200mm，以免混凝土無法翻漿。混凝土澆筑過程中使用吊錘觀察混凝土上升高度，避免導(dǎo)管拔出過長以致斷樁。

樁基施工過程中進(jìn)行混凝土取樣，分別制作標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊和同條件養(yǎng)護(hù)試塊，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)檢測樁基，經(jīng)超聲波檢測樁基樁身完整性，混凝土質(zhì)量合格，達(dá)到I類樁標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

1)軟弱地層中施工超長樁，進(jìn)行二次清孔時(shí)，需將泥漿相對(duì)密度提高到1.4，泥漿相對(duì)密度過低會(huì)加大樁基塌孔風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于泥漿相對(duì)密度增加，混凝土需超灌1～2m以保證樁頭質(zhì)量。

2)水中樁基施工處理受地形限制，在其他位置重新施工樁基時(shí)，需調(diào)整水上作業(yè)平臺(tái)，增加成本，嚴(yán)重影響工期，最佳處理方式是在原樁位重新進(jìn)行成孔施工。

3)將花崗巖投入樁孔中，配合沖擊鉆的沖擊作用擊碎鋼筋籠，使用電磁鐵吸出鋼筋籠碎塊，清理埋入土中的鋼筋籠，可解決軟弱地層超長樁鋼筋籠清理困難的問題。