承壓水地層鉆孔灌注樁施工技術研究

謝陽陽 趙成毅 徐光普

【摘要：】承壓水地層鉆孔灌注樁在一般的橋梁樁基施工中很少見，尤其是在地表覆蓋層為卵石土、礫石土等工程地質條件下。文章結合工程實例，闡述了樁基在鉆孔過程中，遇有承壓水地層導致孔內涌水、塌孔而無法成孔的技術難題，以及為解決這一難題采取的相關措施，可為類似工程提供參考。

【關鍵詞：】承壓水地層;鉆孔灌注樁;施工;措施

U443.15+4A551813

0 引言

承壓水地層是指上下兩個隔水層之間的含水層，承受一定的靜水壓力。當鉆孔打穿上層隔水層進入含水層時，樁孔中的水受地層壓力影響，便向上涌出，上升到一定高度才會停止。鉆孔灌注樁施工中遇到承壓水地層時，若不能及時有效地處理，不僅會嚴重影響樁基成孔質量和混凝土灌注質量，也會耽誤工程進度，從而造成較大的經濟損失[1]。因此，有必要對承壓水地層鉆孔灌注樁施工工藝進行研究、總結，為以后類似工程提供借鑒和參考。

1 項目概況

國道314線布倫口至紅其拉甫公路建設項目位于新疆維吾爾自治區喀什地區塔什庫爾干縣境內，地形主要有山間谷地、冰水沖積扇、河流階地、高山區等。覆蓋層主要為粉砂、細砂、礫石土、卵石土等，工程地質條件總體較好。

麻扎爾一橋位于路線K1834+245處，斜跨塔什庫爾干河，下部結構采用柱式墩、樁基礎、肋板式橋臺，上部結構采用4～16 m預應力混凝土矮T梁。其0#、4#橋臺位于河流兩岸，1#、3#橋墩位于河流邊部，2#橋墩位于河流中央。全橋共計21根樁基，其中橋臺樁基12根，直徑為1.2 m，樁長為15 m;橋墩樁基9根，直徑為1.4 m，樁長為16 m。工程地質勘察報告中反映，橋址區地層從上至下依次為粗砂、卵石、粉土、圓礫，不存在承壓水地層。

2 工藝選擇

根據橋梁樁基數量以及地質條件，項目采用沖擊鉆成孔水下灌注混凝土施工工藝。

3 施工中遇到的問題

根據施工組織計劃，先開始4b#-0橋臺樁基施工。按照設計樁底標高和護筒頂標高計算，4b#-0樁基需鉆孔至17.72 m。在鉆孔過程中，4b#-0樁基沖孔至6 m位置時，發現孔內向外涌水，并隨著鉆孔深度的增加，涌水量越來越大;當4b#-0樁基沖孔至12 m時，孔內涌水量達到最大，最終導致塌孔。塌孔后，為確保樁孔周邊地層穩定和避免安全事故發生，采用大卵石回填處理。處理過后，樁孔處一直有水源源不斷向外流出。

項目部將該情況上報監理單位、設計單位以及建設指揮部，并組織專家現場踏勘和查閱地勘資料。地勘資料反映，地表以下0.6 m為粗砂，0.6～4.3 m為卵石土，4.3～5.6 m為粉土層，5.6 m以下為圓礫。當沖擊鉆打破粉土層時，承壓水失壓出現涌水，并帶動周邊土體涌向孔內，造成孔壁坍塌，與現場鉆孔情況基本吻合。因此，分析得出結論：4#橋臺原地面以下6 m左右有承壓水地層。

4 采取解決的方法和措施

樁基在鉆孔過程中遇到承壓水地層時，一般解決方法有兩種：（1）平衡水頭壓力;（2）降水井泄壓。經各方專家共同研究論證，決定先采用第一種方案，若失敗再采用第二種方案，并作為試驗性方案，若實施成功及時總結相關技術經驗，指導后續樁基施工。

4.1 平衡水頭壓力

4.1.1 泥漿平衡法

其原理是提高泥漿相對密度，使孔內泥漿形成的壓力大于承壓水壓力[1]，從而使泥漿壓住承壓水頭，并有一定的安全距離，確保鉆孔順利進行。即：

H×ρ漿≥（H-h2+h1+1.0）×ρ水（1）

式中：H——地面至承壓水層深度（m）;

ρ漿——泥漿密度（g/cm3）;

h1——承壓水水頭高度（m）;

h2——施工平臺高度（m）;

ρ水——水的密度（g/cm3）;

1.0——安全距離（m）。

將泥漿相對密度提升至規范允許最大密度1.4 g/cm 當鉆孔至12 m時，孔內泥漿無法壓住承壓水頭，出現塌孔，鉆孔失敗。

4.1.2 填筑圍堰法

抬高孔口位置，使孔口位置高于承壓水水頭高度，從而使孔內泥漿壓住承壓水頭，使之成孔。

（1）承壓水水頭高度量測。利用4b#-0樁孔，采用直徑為700 mm、長5 m的鋼護筒埋入原地面以下1 m，護筒四周用摻拌水泥的卵石土封堵夯實，以防止漏水，獲取與施工工況一致的承壓水水頭高度。根據現場觀測，承壓水水頭高度為原地面以上3.5 m左右。

（2）填筑施工平臺。根據測量的承壓水水頭高度以及4#橋臺樁基分布情況，施工平臺填高為4.7 m，長為15.1 m，寬為32.2 m。

（3）埋設鋼護筒?，F場采用長3 m、直徑1.5 m的鋼護筒2節焊接而成，埋入地表以下1.0 m，露出原地面5 m。在施工過程中，先埋入1節鋼護筒，逐層填筑施工平臺至鋼護筒頂約30 cm時，再對接焊接第2節鋼護筒，然后逐層填筑施工平臺至鋼護筒頂30 cm處。

鋼護筒埋設時，為減小承壓水從孔口溢出時對施工平臺基底的浸泡影響，確保沖擊鉆機平穩施工，在孔口位置呈放射狀埋設不少于3根PVC排水管，排水管傾向河床方向，排水管上覆蓋兩布一膜防滲土工膜（見圖1）。

（4）鉆孔施工。鉆孔泥漿采用黏土制備，先在泥漿池制備好，隨著鉆孔進尺，將制備好的泥漿抽入樁孔內，同時現場存放32.5袋裝水泥以作備用。為提高鉆孔成功率，泥漿相對密度控制在1.4～1.5之間。當4b#-0樁基沖孔至21.4 m時，孔內又出現向外涌水現象，現場及時向孔內添加袋裝水泥，繼續增大泥漿相對密度以平衡水壓，但孔內漿液仍無法壓住水頭向外涌水，最終樁基塌孔，鉆孔失敗。

采用平衡水頭壓力的兩種方案，雖有一定成效，但始終未能解決因承壓水而塌孔的技術難題，遂決定采用降水井泄壓的方案。

4.2 降水井泄壓

在4b#-0樁孔鉆孔失敗后，以其為降水井，選擇下游的4a#-2樁基施工。在降水井內放置2個4 kW水泵向外一直抽水泄壓，為防止水泵向外抽水過程中塌孔，井內放置臨時鋼筋籠。

按照樁基正常施工工藝流程進行：場地平整→測量放樣→埋設鋼護筒→鉆機就位→鉆孔施工→安放鋼筋籠→灌注水下混凝土。

場地平整后，由測量隊按圖紙設計放出樁位及保護樁位，并測量原地面標高。保護樁設置示意圖如圖2所示。

鋼護筒采用10 mm厚的鋼板卷制加工，鋼護筒內徑較樁徑大20～30 cm。為加強鋼護筒的整體剛度，在鋼護筒上、下端和中部外側各焊一道加勁肋。鋼護筒采用挖孔埋設，中心豎直線應與樁中心線重合，頂高出施工地面0.3 m，埋置深度為4 m，四周用黏土分層夯實，表層10 cm厚范圍用水泥砂漿抹平，以保證其堅固、不漏水，滿足技術規范要求。

在施工過程中，先埋入1節鋼護筒，然后逐層填筑施工平臺至鋼護筒頂約30 cm時，再對接焊接第2節鋼護筒，然后逐層填筑施工平臺至鋼護筒頂30 cm處。

鉆孔泥漿采用優質的黏土制備，泥漿相對密度控制在1.35～1.45之間。制備好的泥漿使用前，按設計和規范要求測試泥漿性能指標，以滿足施工需要。

鉆孔時，應稍提鉆桿，在鋼護筒內打漿，并開動泥漿泵進行循環，待泥漿均勻后再開始鉆進。進尺要適當控制，對鋼護筒底部，應低檔慢速鉆進，使底腳處有較堅固的泥皮護壁。鉆至鋼護筒底部以下1 m后，則可按土質情況以正常速度鉆進。在鉆孔過程中，隨著鉆機進尺，采用泥漿泵及時將提前制備好的泥漿抽入樁孔內，不在孔內制備泥漿，以防孔內泥漿相對密度發生變化而造成塌孔。

以4b#-0樁孔為降水井，并配合水泵向外抽水降壓，4a#-2樁孔順利成孔。總結成功經驗，根據現場地形情況，在4b#-0樁孔上游6 m位置，打1#降水井，降水井鋼護筒采用2節長3 m、直徑1.5 m的鋼鋼護筒焊接而成，按照鉆孔施工工藝施工，降水井井深為16 m，直徑為1.4 m，在井內放置臨時鋼筋籠和2個4 kW水泵不停向外抽水泄壓，使4b#-0樁基順利成孔。

5 水下混凝土灌注

將制作好的鋼筋籠提前運至施工現場，待樁基成孔后，及時安裝鋼筋籠、安裝導管、二次清孔、灌注水下混凝土。

5.1 安裝鋼筋籠

鋼筋籠安裝時采用吊筋下放進樁孔內，孔口處利用型鋼將鋼筋籠固定，以防偏位。

5.2 安放導管

導管安裝前，根據鋼護筒頂標高和孔底標高，考慮墊木高度，計算導管所需總長度[2]。先對導管進行編號，最上端采用單節長度較短的導管，最底節采用單節長度較長的導管，中間采用標準管節。安放時，將導管置于鋼筋籠中心，然后穩步沉放，以防卡掛鋼筋骨架。先將導管放至孔底，然后再將導管提起，使導管底口距孔底30 cm。

5.3 二次清孔

導管安裝完畢后，檢查孔底沉渣厚度并進行二次清孔。利用泥漿泵將制備好的泥漿壓入導管內，使泥漿從導管底口進入孔內并將孔內帶有沉渣的泥漿擠出孔外，從而達到清孔的目的。

5.4 灌注水下混凝土

水下混凝土灌注要一次完成，中間不能停頓。灌注前，根據樁孔和導管直徑計算出首批封底混凝土量，以保證首批混凝土灌注后能將導管埋深在1 m以上。首批封底混凝土數量計算如下[3]：

V≥πD24（H1+H2）+πd24h1=πD24（H1+H2）+πd24×ρ1ρ2×HW （2）

式中：V——首批封底混凝土所需數量（m3）;

D——樁基直徑（m）;

H1——導管底距孔底距離（m）;

H2——導管初次埋深（m），取1.0 m;

d——導管內徑（m）;

h1——樁孔內混凝土達到埋置深度H2時，導管內混凝土柱平衡導管外（或泥漿） 壓力所需的高度（m）;

ρ1——泥漿密度（g/cm3）;

ρ2——混凝土密度（g/cm3）;

HW——樁孔內混凝土達到埋置深度H2時，孔內泥漿高度（m）。

計算簡圖見圖3。

水下混凝土采用攪拌站集中拌和，混凝土運輸罐車供應，導管法灌注，汽車吊配合提升、拆除導管的施工方法。

在灌注過程中，應及時用繩尺測量混凝土面距樁口距離，從而計算埋管深度，以確定拔管長度。導管埋入混凝土的深度一般控制在2～6 m。在灌注過程中，溢出的泥漿應引流至旁邊開挖的泥漿池中，以防污染。

為確保成樁質量，以樁頂設計標高超灌0.5 m高度保護樁頭。

6 結語

采用降水井泄壓的方式，麻扎爾一橋4#橋臺其他樁基均實施成功，并經過新疆路橋試驗檢測研究所檢測，所有樁基均為Ⅰ類樁。檢測結果表明，本工程中采取的降水井泄壓的技術措施是可行的，為鉆孔灌注樁在承壓水地層中順利成孔和灌注提供了成功案例。

參考文獻：

[1]馬治中.承壓水地層段鉆孔灌注樁施工工藝[J].農業科技與信息，2008（14）：45-46.

[2]一種樁基礎施工方法[P].CN202011278347.4.

[3]JTG/T F50-201 公路橋涵施工技術規范[S].