軟弱松散地層中橋樁鉆孔穩定性分析及關鍵技術研究*

李向前，吳柯嬈

(1.湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南 長沙 410004； 2.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

近年來隨著我國交通基礎設施迅速發展，一大批標志性橋梁正在高質量建設，作為橋梁重要組成部分，橋樁施工質量直接影響橋梁整體結構特性。因此，在特殊地質條件下保證橋樁施工質量，成為研究熱點[1-3]。

復雜地質條件下，橋樁施工質量與鉆進過程孔壁穩定性密切相關，故部分學者對自穩性較差地層中的樁基施工質量問題。陳維超等[4]利用有限元數值模擬方法，分析砂土地區鉆孔樁孔壁穩定性問題，并從內摩擦角、孔徑與泥漿密度等角度提出改進意見。劉細軍等[5]以廣東地區某機場高速工程為例，研究深厚軟土地區高架橋樁基開挖深度、軟土彈性模量與深度、樁徑等因素在開挖過程中的影響規律。周外男等[6]基于旋挖鉆機施工成孔工藝，在堅硬地層成孔過程中使用優質膨潤土化學泥漿護壁，可有效縮短平均成孔時間，且鉆桿強度在一定程度上影響該工藝的成孔效率與經濟性。張震[7]針對不同溶洞高度設置相應的護壁方案，以保證樁基順利成孔。

結合上述研究發現，目前橋樁鉆孔穩定性的研究大多針對高透水砂層、高強度巖層及山區溶巖地帶，而關于軟弱松散地層的研究尚待完善。因此，結合楊梅西江特大橋7號墩樁基施工，在分析地質條件和孔壁穩定性的基礎上，研究氣舉反循環回旋鉆孔工藝在軟弱松散地層橋樁施工中的應用。

1 工程及地質概況

1.1 工程概況

楊梅西江特大橋位于廣東省西北部，大橋跨越西江，主橋采用預應力混凝土連續剛構橋，建成效果如圖1所示。橋梁全長2 473.2m，橋梁上部結構采用預應力混凝土箱梁、T梁、剛構箱梁，下部結構采用柱式墩、薄壁墩、樁基礎，橋臺采用柱式臺、座板臺。主橋最長樁基在7號墩，位于近丘間谷地西南側斜坡上，附近岸坡無明顯地質問題，受外界自然環境干擾因素小。故選擇7號墩作為主要分析對象，樁基參數如表1所示，樁基平面布置如圖2所示。

圖1 楊梅西江特大橋效果

圖2 7號墩樁基平面布置

表1 7號墩樁基參數

1.2 工程地質條件

7號墩附近土層自上而下主要為中砂和中風化砂巖，如圖3所示，土質軟弱松散，自穩性極差，結合現場取樣結果進行分析，該斷面成分以石英、長石為主，含少量粉細砂，砂質較均勻，分選性一般，呈散砂狀，較難保證鉆孔穩定性及橋樁施工質量。

圖3 7號墩典型地質縱斷面

2 孔壁穩定性分析

2.1 孔壁穩定力學條件分析

橋樁在鉆孔作業中，孔壁周圍土層受擠壓，原始相對穩定結構被打破，所承受的原始應力發生重分布，孔壁周圍土體產生徑向位移，迫使土體向孔內移動，在不采取固孔措施的情況下易引起孔壁失穩破壞坍塌。而軟弱松散地層成孔時因內摩擦角較大，更易發生坍塌現象，因此研究孔壁穩定條件及其影響因素對軟弱松散地層中施工橋樁至關重要。

結合土力學圓孔穩定原理可知，鉆孔過程中，孔壁徑向受力有主動土壓力Pa、圓拱支撐力Pz，孔內漿液壓力Pn、孔外地層水壓力Pw、孔外地下水向孔內滲流時產生的滲透力Fw、孔內漿液向孔壁滲流時產生的滲透力Fn、孔口地面荷載產生的側壓力Pq，基本受力原理如圖4所示。

圖4 孔壁穩定基本受力原理

為使孔壁穩定，必須滿足如下條件：

Pz+Pn≥Pa+Pw+Pq

(1)

Fn≥Fw

(2)

P0=Pa-Pz

(3)

Pn-Pw≥P0+Pq

(4)

式中：P0為阻止孔壁坍塌所需的支護力。由上述分析可知，Pn與Pw的差值緊密影響孔壁穩定狀態，當大于支護力和地面荷載側壓力之和時，孔壁處于穩定狀態。在施工擾動下，孔壁產生一些附加作用力，從而影響孔壁穩定性，但此類作用力可通過工藝改進與相應技術措施進行消除或減小。

2.2 孔壁穩定性影響因素

結合孔壁穩定力學條件分析及文獻[8]，可知影響軟弱松散地層孔壁穩定的因素如下。

1)土層性質參數 不同地質條件的土層參數影響圓拱支撐力Pz大小。軟弱松散地層土體內摩擦角大，隨著挖孔深度增加，土體抗剪強度變化速率加快，使孔壁土體因受力狀態改變形成一定塑性區后發生破壞，從而導致坍孔現象。

2)鉆孔直徑 鉆孔周圍的土拱效應隨樁徑增大越來越弱，使孔周圍土發生破壞。

3)鉆孔深度 鉆孔深度越大，造成孔周圍土水平應力與豎向應力差越大，進而造成土體產生剪切破壞。

4)地下水位 地下水位越高，孔外地層水壓力Pw越大。另外，軟弱松散地層透水性較好，水壓力傳遞也較好，Pw隨之增大。

5)泥漿相對密度 泥漿相對密度影響孔壁側向壓力，降低側向卸荷量，當泥漿側壓力小于靜止側壓力時，孔壁出現較明顯塑性區，存在較大坍孔隱患。當泥漿側壓力不低于靜止側壓力時，孔壁幾乎無塑性區，穩定性較高。

綜上分析可知，橋樁鉆孔穩定性受土層性質參數、鉆孔直徑、鉆孔深度、泥漿相對密度等綜合因素影響較大，尤其是軟弱松散地層更易發生坍孔問題，但可通過改變泥漿相對密度保證泥漿側壓力大于靜止側壓力，以維持孔壁穩定性。

3 軟弱松散地層鉆孔工藝分析及方案設計

3.1 鉆孔工藝分析

鉆孔工藝的方案選擇與孔壁穩定性有直接聯系，選取不當易造成土體發生較大擾動，乃至發生坍孔、卡鉆及擠毀套管等事故[9-10]。目前，在特殊地質條件下施工橋樁所采用的鉆孔工藝主要有旋挖鉆和沖擊鉆工藝[11-12]，但鑒于沖擊鉆成孔時鉆頭下落會對孔底及周圍產生較大振動，這種振動會極大加劇軟弱松散地層孔壁發生坍孔的風險，故結合該橋7號墩實際地質情況，擬采用旋挖鉆進行橋樁施工，同時因該工程上跨西江，環保要求高，為提升排渣效率，綜合考慮后選用氣舉反循環回旋鉆孔工藝進行鉆孔施工。

3.2 鉆孔方案設計

3.2.1鉆機平面布置

楊梅西江特大橋7號墩采用氣舉反循環回旋鉆孔工藝，鉆孔平臺和泥漿循環池平面布置如圖5所示，配備9臺反循環回旋鉆機，擬于2個循環內完成18根樁基施工。

圖5 7號墩樁基鉆機平面布置

3.2.2鉆孔施工流程

根據7號墩樁基土層特點，施工過程中采用氣舉反循環回旋鉆孔工藝，工藝流程如圖6所示，主要工序如下。

繼續積極爭取監測經費，進一步提高監測點的代表性和覆蓋率，完善浦口區耕地質量監測預警預報體系，動態監測全區的耕地質量狀況和變化趨勢，形成網絡健全、層次分明、管理規范與現代高效農業相適應的耕地質量監測體系。常年性系統開展動態監測，全面掌握全區耕地質量變化趨勢，建立耕地質量長期動態監測數據庫。繼續開展多層次的技術培訓，加強監測隊伍建設，提高耕地質量監管水平。

圖6 反循環回旋鉆孔施工流程

1)鉆機安裝及定位 先以100t履帶式起重機將鉆機吊至型鋼底座上，再利用機械千斤頂微調就位，然后在鉆機與底座間設置限位板，以保證鉆孔過程中不發生位移。

2)鉆進 先加設超前中心鉆頭，在鉆桿上安裝穩定器后，立即調節孔內泥漿指標，啟動空壓機運行泥漿反循環系統后，驅動牙輪鉆頭開始鉆進，當破巖壓力不足時適時增加配重，直至鉆至設計孔底標高。

3)下放鋼筋籠 采用履帶式起重機進行四點吊下放，吊點設在兩端頭第2道加勁箍和主筋連接處，且靠近加強圈位置。

4)澆筑水下混凝土 采用快速螺旋絲扣卡接頭導管，在導管內放置隔水球，澆筑時割斷隔水球吊繩進行潤濕，然后連續澆筑，不得停頓，同時保證整樁在混凝土初凝前完成澆筑。

5)成樁無損檢測 采用超聲波埋管法檢測成樁質量。

4 軟弱松散地層橋樁施工

4.1 泥漿反循環系統設置

4.1.1泥漿制備

運行泥漿反循環系統前，需提前制備一定量的鉆進泥漿，并通過現場攪拌鈉質膨潤土、純堿、羥甲基纖維素和聚丙烯酰胺等材料進行調制，當相對密度、黏度、膠體率等技術指標達到如表2所示要求時，易于在孔壁表面形成化學膜，以降低失水量，經檢測合格即可啟動泥漿反循環系統。

表2 泥漿性能指標

根據如圖7所示原理，在7號墩位兩側各布置1套泥漿系統，包含膨潤土倉庫、制漿站、造漿池、膨化池、回漿池和泥漿管等。當進行氣舉反循環鉆進時，泥漿先經鉆機水龍頭進入粗濾裝置以過濾較大顆粒，再流進泥漿凈化器開展二次過濾，待凈化完成后泥漿流入鉆孔內，而鉆渣則排入集渣坑內，以形成完整的泥漿循環路線。

圖7 泥漿反循環系統原理示意

4.2 鋼護筒打設裝置設計

4.2.1導向架

楊梅西江特大橋7號墩樁基施工傾斜度和偏位要求高，故鋼護筒打設時設計雙層型鋼定位導向架進行定位，通過調節導向架角位處的螺旋頂準確控制導向架定位精度，以滿足設計要求，如圖8所示。

圖8 導向架

4.2.2對接裝置設計

為保證鋼護筒對接垂直度，采用單邊V形坡口設計連接，上節坡口角度為45°～55°，以保證鋼管接長處與內壁對齊。同時，在鋼護筒外壁焊設鋼楔及工字鋼，借助鋼楔契合工字鋼，提高對接精度及平整度，如圖9所示。

圖9 鋼護筒對接示意

4.3 鋼筋籠懸掛架設計

鋼筋籠下放過程中易存在支撐力不足及懸掛定位偏差等問題，故采用鋼筋籠懸掛架連接鋼筋籠上、下節，由活動卡板和支撐方形鋼箱梁框架構成，其中支撐方形鋼箱梁框架由4根三拼工字鋼焊接而成，卡板可隨時打開，如圖10所示。

圖10 鋼筋籠懸掛架

鋼筋籠下放時，先將鋼筋籠懸掛架安裝在鉆孔平臺頂面，再通過加勁箍支撐鋼筋籠，然后起吊下節鋼筋籠與之對接，待鋼筋籠對接完成，打開懸掛架上的活動卡板，整體下放對接后的鋼筋籠即可。

4.4 成樁質量控制措施

為確保鉆孔過程順利推進和成樁質量，提出以下控制措施。

1)孔內液位與孔外水位標高差控制 若孔內液位與孔外水位標高差過小，孔壁存在失穩風險，過大有反向失穩風險，可采用簡易浮球標識，將內外水位標高差控制在1～2m，隨時監控、及時調整。

2)斜孔、擴孔、坍孔控制 需嚴格控制泥漿質量及性能指標，同時控制鉆進速度，保證孔壁化學膜充分形成，以維持孔壁穩定。

3)掉鉆、卡鉆、埋鉆控制 重視質量檢查，包括接頭連接及鉆桿質量檢查，確保施工前有完整的檢查記錄，同時嚴禁高壓、高速鉆進。

4)混凝土澆筑時堵管控制 通過控制水灰比、使用外加劑等措施保證混凝土使用性能，加強現場物資管理，保證混凝土不因存儲問題混入雜質。

5 結語

在楊梅西江特大橋7號墩樁基工程中，對軟弱松散地層橋樁鉆孔穩定性分析及關鍵技術開展深入研究。結合工程概況、地質條件分析項目難點，利用孔壁穩定性理論分析鉆孔穩定的主要影響因素，以提供施工工藝選擇的依據。經綜合比選后，選取氣舉反循環回旋鉆孔工藝施工樁基，并研究泥漿反循環系統、導向架裝置及鋼筋籠懸掛架設計等技術。研究結果表明，采用氣舉反循環回旋鉆孔工藝可實現軟弱松散地層橋樁的穩定鉆孔。