巖溶發育區長大直徑群樁綜合施工技術研究

張常軒

(中鐵十四局集團第三工程有限公司 山東濟南 250300)

1 工程概況

新建南(寧)至玉(林)鐵路六律邕江特大橋，主橋為(40.75＋109＋320＋109＋40.75)m雙塔雙索面鋼－混凝土部分斜拉橋，正交跨越邕江，橋位處江面寬約300 m。17＃主墩位于邕江西岸，大里程側承臺位于邕江河槽內，下部結構采用群樁基礎，承臺尺寸34.8 m×22.8 m×6.5 m，設24根樁基，樁徑3.0 m，按長短樁布置，線路左側為長樁區，右側為短樁區，樁長17～83 m，樁位布置如圖1所示。

圖1 17＃主墩樁位布置示意(單位:cm)

17＃主墩樁基設計均為嵌巖樁，存在斜巖、巖溶強發育等復雜地質，樁底嵌入風化灰巖不小于9.5 m。

2 工程重難點分析

主橋17＃墩樁基為全橋的重難點工程之一，施工難度大、風險高，主要表現在:

(1)17＃主墩位于邕江河槽內，汛期組織樁基施工難度大、風險高；

(2)主墩樁基處于斜巖、巖溶強發育等復雜地質環境，樁基成孔難度大，存在卡鉆、斜孔、塌孔的風險；

(3)樁基鋼筋籠豎向主筋設計采用兩根一束徑向布置，鋼筋間距及保護層控制難度大；

(4)主墩樁基為超大直徑嵌巖長樁，成孔施工中需進行多次巖溶處理，造成沉渣多、粒徑大小不均勻，樁基清孔難度大；

(5)主墩樁基為超大直徑長樁，鋼筋籠安裝、水下混凝土灌注難度大。

3 主墩群樁綜合施工技術

3.1 樁基平臺方案選擇

根據現場地質條件，17＃主墩短樁區承臺底以下為裸巖地層，長樁區承臺底以下的上部區域為粉質黏土，下部區域為巖層，圍堰形式可采用鎖扣鋼管樁圍堰[1]，也可采用地下連續墻[2]。因受場地限制，上述方案存在機械設備進場困難，裸巖區域插打鋼管樁數量多、施工周期長等弊端。結合主橋施工組織安排，先采用搭設鋼平臺方案[3]在汛期組織樁基施工，然后利用樁基施工完成后的枯水期組織承臺施工，可以減少裸巖區鋼管樁打設時的引孔數量，盡量縮短樁基施工周期，確保總工期滿足要求。

結合施工區域的水文資料和地形特征，合理確定鋼平臺的頂面標高，可在樁基施工完成后，將小里程側承臺范圍以外的鋼平臺作為主橋后續施工的作業平臺，解決現場施工作業面狹小問題，同時可確保主橋后續施工免受汛期影響。

經方案比選，17＃主墩樁基施工采用搭設鋼平臺方案。

3.2 鋼平臺方案

主橋17＃主墩施工控制水位按10年一遇水位72.12 m控制，考慮鋼平臺的后期綜合利用，其頂面標高按72.5 m設置。

鋼平臺下部結構采用φ720×10 mm鋼管樁基礎＋雙拼 45a工字鋼橫梁，鋼管樁縱向設8排，間距為(12＋3＋9＋9＋6＋6＋7.5)m，橫向間距位于鋼護筒部位為4 m，位于貝雷梁部位為2 m。上部結構采用貝雷梁＋ 32a工字鋼分配梁，貝雷梁間距跨越鋼護筒部位為365 cm，其余部位均為45 cm，兩組貝雷梁之間采用標準支撐架連接；分配梁間距為37.5 cm，在樁孔部位斷開。橋面系面板采用8 mm厚防滑花紋鋼板，與分配梁之間采用點焊固定。鋼平臺布置形式如圖2所示，立面圖為處于主墩短樁區的剖面。

圖2 鋼平臺布置形式示意(單位:m)

考慮鋼平臺承受施工荷載大的特點，鋼管樁基礎按嵌巖樁設計，位于主墩短樁區的鋼管樁底端支撐在巖面上，樁長10.5 m，施工時先采取潛孔鉆引孔[4]，然后采用DZ-120型振動錘插打，引孔深度按不小于1.0 m控制。位于主墩長樁區的鋼管樁采用振動錘打設，以貫入度基本無變化作為停錘標準[5]，使鋼管樁底端盡量支撐在巖面上，鋼管樁樁長隨樁位處實際地質不同而發生變，最長鋼管樁樁長度為48 m。

鋼管樁頂部縱、橫向均設置1道連接系，以增加鋼管樁基礎的整體穩定性。連接系采用 20槽鋼加工，槽鋼與鋼管樁之間采用焊接連接，焊腳高度不小于8 mm。為增加焊縫長度，連接系槽鋼與鋼管樁之間設置1 cm的補強鋼板。

3.3 鋼護筒加工及安裝

樁基施工用鋼護筒直徑為330 cm，采用厚度22 mm的Q235鋼板制作，利用卷板機在加工場加工成型，接縫部位采用坡口焊。鋼護筒單節加工長度為6 m，利用平板車運輸到現場后，在工作平臺上接長為12 m。鋼護筒在運輸過程中利用倒鏈拉緊固定，端口部位設置三角形支撐進行加強，防止鋼護筒運輸過程中發生變形，增加現場接長焊接時對縫的難度。

利用150 t履帶起重機配合振動錘將鋼護筒吊至孔口設計位置并打設到位，振動錘采用DZ-150型液壓振動錘，激振力為1 354 kN。

為確保鋼護筒定位精度及插打過程中的垂直度滿足要求，首先利用平臺鋼管樁安裝鋼護筒定位限位架[6]，限位架采用雙拼 20a工字鋼加工，履帶起重機配合安裝。其次采用雙拼 45a工字鋼加工成一字型或十字型工具，或采用雙夾液壓夾樁器輔助鋼護筒下沉，確保振動錘可平衡均勻施加激振力，防止鋼護筒下沉過程中發生偏斜。振動錘打設鋼護筒如圖3所示。

圖3 鋼護筒打設現場

3.4 起吊設備選擇

為配合樁基施工期間平臺鋼管樁打設、鋼護筒安裝、鉆機就位、錘頭吊裝、鋼筋籠安裝等工序施工，需配置起吊設備。考慮作業半徑及吊重，主橋最長樁的鋼筋籠安裝為起吊設備選型的控制因素。

17＃主墩最長樁基樁長83 m，鋼筋籠單節長度12 m，總長84.4 m，總重量約75 t，考慮吊具、吊繩等荷載后吊裝重量按80 t估算。

考慮鋼平臺的受力特點，選擇SCC1500A型履帶起重機，主臂長31 m，現場工作幅度最小為6 m，查詢150 t履帶起重機-H工況荷載表，工作幅度6 m時可吊重115 t，滿足最長鋼筋籠吊裝需求。

3.5 鋼筋籠加工及安裝

鋼筋籠在鋼筋加工場分節制作，單節加工長度為12 m，豎向主筋采用φ32的HRB400鋼筋，保護層為10.5 cm，采用兩根一束徑向布置，接頭采用墩粗直螺紋套筒連接。箍筋采用HPB300鋼筋，接頭采用焊接連接，每2 m設1道40×40×5 mm等邊三角形角鋼支撐，以加強鋼筋籠定型。

因樁基鋼筋籠豎向主筋設計采用兩根一束徑向布置，為保證鋼筋位置及保護層滿足設計要求，鋼筋籠加工時配置自制胎模架[7]，利用胎模架輔助完成鋼筋籠制作，如圖4所示。胎膜架每2 m設1道，采用厚度10 mm的Q235鋼板制作。胎模與鋼筋籠主筋接觸面加工成弧形，以利于鋼筋與胎模密貼。胎模分兩次拼裝，先拼裝胎模架的下半部分圓弧，依次安裝主筋、加強箍筋，然后組裝胎模架的上半部分圓弧，依次安裝上半圈主筋、外側一般箍筋及加密箍筋。鋼筋籠加工完成并驗收合格后，解除胎模架上下兩部分圓弧之間的連接螺栓，將鋼筋籠吊至存放區，拆除胎模架上半部分圓弧周轉至下一節鋼筋籠加工。

圖4 鋼筋籠加工示意

主橋17＃墩最長鋼筋籠重約75 t，為確保鋼筋籠安裝順利進行，在樁基孔口位置設置安全圈[8]。安全圈由內圈、伸縮桿、外圈及底部托架組成，如圖5所示。

圖5 樁基孔口定位安全圈示意

內圈和外圈均為箱形結構，采用厚度10 mm鋼板焊接，其中內圈高、寬均為300 mm，中心直徑為2 790 mm，外圈高400 mm、寬300 mm，中心直徑為3 700 mm。伸縮桿長1 200 mm，共20個，沿外圈均勻布置，采用側放的 16槽鋼，側面用厚10 mm鋼板封堵焊接形成箱形結構。內圈上設置4個起吊用吊環和12個橢圓形鋼筋籠吊點孔，吊環及吊點孔位置均在箱體內對應位置設置加勁板。外圈底部設置起吊用托架，采用平放的 18槽鋼，底面采用厚10 mm鋼板封堵焊接形成箱形結構。

為確保鋼筋籠安裝時能夠滿足起吊和臨時固定需要，在每節鋼筋籠頂端設置1道 14槽鋼制作的加強箍圈，槽鋼圓弧側面與縱向主筋采用焊接。長度超過60 m的鋼筋籠，在槽鋼頂面每5束主筋設置1根φ32加強鋼筋，加強鋼筋側面與主筋焊接，底部與加強箍圈槽鋼側邊頂緊并焊接。

3.6 巖溶及斜巖處理

17＃主墩處于強巖溶[9]發育區，最大溶洞高21 m，最大埋深76 m，見溶洞率達48.9%。溶洞以全填充為主，局部無填充，充填物以粉質黏土及細角礫土為主，長樁區的1＃、13＃ ～16＃、23＃樁基位于 90°溶槽斜巖上。17＃主墩樁基地質展開如圖6所示，無填充物的溶洞圖中未進行單獨標注。

圖6 樁基地質展開示意

樁基采用沖擊鉆沖擊成孔工藝為主，XR400E型旋挖鉆機配合施工。沖擊鉆錘頭采用十字錘和五邊錘兩種規格，單個錘頭重約16 t。

針對溶洞大小、高度、填充物的不同特征采取不同的處理方案進行處治。高度小于5 m的溶洞采取回填片石和黏土的混合物，小沖程沖擊施工；高度大于5 m的溶洞采用鋼護筒跟進方案處理。對于溶洞出現向四周延伸面積較大的情況時，采用先回填低標號混凝土，混凝土強度滿足要求后，調大泥漿比重，再用沖擊鉆沖孔施工。

樁基沖孔遇到斜巖[10]時，以回填片石和黏土混合物后小沖程反復沖擊修正為主，其次采用回填高標號混凝土，強度滿足要求后利用旋挖鉆機慢速鉆進配合處理。以上處理效果仍不理想時，采用水下弱爆破[11]處理，利用潛孔鉆施工炮孔時在巖層頂面位置設限位裝置，確保炮眼能順利成孔。

由于巖溶及斜巖地段的地質條件復雜，采用多種方案和措施綜合處治:

(1)開鉆前逐孔復核地質資料，盡量提前摸清每個樁位的溶洞分布特征，為鉆孔施工提供可靠信息，制定合理施工預案。

(2)按隔孔組織施工，盡量減少長樁區樁基發生串孔、塌孔的機率，同時間接探明相鄰樁孔的地質情況。

(3)回填片石的強度必須大于樁位處巖層的實際強度，確保處治效果。

(4)回填高度超出溶洞頂面至少1 m，消除因回填不密實而影響處治效果。

(5)處理過程中注意泥漿性能滿足要求，盡量加大泥漿比重，通過添加膨潤土來改善泥漿性能。

(6)巖溶處理時，需將沖擊鉆的錘頭更換為五邊陲，并采取小沖程處理，提高處理效果，減少卡鉆發生的機率。

(7)巖溶及斜巖處理過程中，派專人值守，注意觀察鋼絲繩的擺動特征，避免卡鉆、漏漿等意外情況的發生，并能及時采取應對措施。

(8)巖溶及斜巖處理過程中，及時檢查樁基成孔的垂直度，發現垂直度不滿足要求時，及時回填片石修正或采用旋挖鉆配合修正。

3.7 超大直徑長樁清孔方案

17＃主墩最長樁長83 m，實際孔深達93 m，經多次巖溶及斜巖處理后，孔內泥漿具有沉渣多、顆粒大、含砂率高等特點，加之樁徑達3.0 m，清孔難度大。現場采取空壓機與泥漿凈化裝置配合輔助清孔[12]，達到了較好效果。

(1)空壓機輔助清理沉渣

采用直徑159 mm的鋼管下到孔底，沿鋼管外壁敷設并固定風管，在鋼管底部以上5 m左右位置與鋼管內部已安裝的風管連接在一起。配置1臺KEG-100A型螺桿式壓縮機輸送壓縮空氣，利用氣流在鋼管內部形成的壓力差帶動泥漿流動，通過泥漿把孔底較大的沉渣顆粒帶出孔外。孔內抽出的泥漿進入泥漿池將粗大顆粒沉淀后，再利用泥漿泵向樁孔內補漿，保持孔內泥漿不間斷循環。

(2)泥漿凈化裝置輔助降低含砂率

樁孔內沉渣的粗大顆粒清理滿足要求后，再將從孔內抽出的泥漿改由ZX-200型泥漿凈化裝置過濾后流入沉淀池，將過濾后含砂率低的泥漿再次循環至樁孔內。

為提高處理效果，清孔時需將鋼管在孔內不間斷移動，同時采用摻加膨潤土、木質素等材料來改善向樁孔內補漿的泥漿性能，以加快泥漿置換速度，縮短清孔時間。

3.8 超大直徑樁基混凝土灌注

17＃墩最長樁首批灌注混凝土方量為13 m3，現場采取自制的大料斗與混凝土罐車配合完成首封混凝土灌注[13]。加工的大料斗容量約為8 m3，同時安排一輛12～16 m3的罐車在孔口就位配合封底。

因鋼筋籠安裝時需在孔口設置安全圈，造成罐車下料斗無法直接伸入大料內，采用型鋼加工斜坡道，罐車借助斜坡道靠近孔口，然后再將罐車卸料斗伸入大料斗內。

4 結束語

通過對六律邕江特大橋群樁基礎綜合施工技術的研究和施工實踐，成功解決了斜巖及巖溶強發育地質條件下，長大直徑群樁施工中遇到的各種技術難題，為類似工程施工提供借鑒。

(1)采用自制胎模架配合完成大直徑鋼筋籠加工，解決了豎向φ32主筋采取兩根一束徑向布置時鋼筋定位及保護層控制的難題；

(2)采用孔口設置安全圈，解決了大噸位長樁鋼筋籠安裝定位的難題；

(3)通過綜合成孔技術處治巖溶及斜巖，解決了90°溶槽的巖溶強發育區長大直徑樁基成孔的難題；

(4)采用空壓機和泥漿凈化裝置輔助清孔，解決了復雜地質條件下長大直徑樁基清孔難題。