地下暗河環境橋梁樁基水下混凝土灌注施工

朱占發,陳博博,秦 歡

（中交二公局第二工程有限公司,陜西 西安 710119）

0 引言

喀斯特地貌廣泛分布于我國云南、貴州及廣西等地區。由地下水與地表水對可溶性巖石溶蝕與沉淀，侵蝕與沉積，以及重力崩塌、坍塌、堆積等作用形成。地表有石芽與溶溝、喀斯特漏斗、落水洞、溶蝕洼地等地貌。地下地質情況復雜，伴有溶洞與地下河、暗湖。在上述區域進行橋梁樁基施工，根據有無地下水分為干樁混凝土灌注和水下混凝土灌注施工工藝。其中有地下水工況，使用泥漿護壁成孔工藝時，存在較多溶洞和地下河進入樁基孔內的情況，導致實際現場成孔困難，進行水下混凝土灌注時出現塌孔、斷樁的情況。

該文依托廣西平南高速武鳴西樞紐互通樁基施工中遇到的溶洞及地下暗河情況，對樁基成孔鉆進過程溶洞處理以及水下混凝土灌注工藝創新，為后續其他同等或類似地質情況的橋梁樁基施工提供相關借鑒經驗。

1 項目概況

武鳴西樞紐立交主線橋設計范疇K121+800~K123+600，設計長度1 800 m。中心樁號：K122+668.401，雙向六車道高速公路，設計車速120 km/h，路基全寬34 m。立交匝道A、B、C、D、F、G、H設計車速50 km/h，匝道E設計車速40 km/h，8條匝道橋均采用單出、入口的單向兩車道形式，匝道路基全寬10.5 m。橋梁基礎均采用樁基礎，其中Φ1.2 m小計40根，Φ1.5 m小計106根，Φ1.8 m小計77根，Φ2.0 m小計90根，樞紐內共計樁基313根。根據現場施工情況統計以及專業地下水勘察發現，武鳴西樞紐互通下共存在兩條暗河，并在此處交匯，如圖1。

圖1 武鳴西樞紐立交樁位平面布置圖

2 項目地質情況

武鳴西樞紐地層巖性由上至下主要為第四系殘坡積粉質黏土、沖洪積黏土及石炭系強~中風化灰巖。其中強~中風化灰巖為該區主要地層，中風化灰巖承載力較高，設計為樁基礎的持力層。橋址區未發現斷裂構造，巖層總體傾向南，產狀為75°∠15°，為單斜構造。根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》及《中國地震動反映譜特征周期區劃圖》（GB 18306—2015），擬建線路沿線地震動峰值加速度為0.05 g，反應譜特征周期為0.35 s，相當于地震基本烈度為Ⅵ度。根據地質調繪資料表明，橋址區無地表水發育，立交區勘察范圍內未見地下水發育（2020年6月底—2020年7月底完成現場地質調繪）。但橋址區發育有大量可溶性碳酸鹽巖類地層，巖性為灰巖，在水的沖蝕作用下，易形成溶洞，對橋梁的基礎有一定的影響。據試驗資料，地表土、地表水和地下水對混凝土及混凝土結構中的鋼結構具微腐蝕性。

3 樁基成孔工藝

項目設計圖紙推薦利用旋挖鉆機進行樁基成孔施工。但根據設計圖紙地質情況描述，中風化灰巖鉆芯強度可達到70~80 MPa，最大為103.5 MPa，旋挖鉆施工易出現無法鉆進的情況，入巖后鉆頭磨損嚴重。樁基入巖后存在較多溶洞，旋挖鉆施工出現卡鉆、埋鉆及偏孔的現象，施工處理難度大，影響整體樁基施工進度。在巖溶發育區，旋挖鉆施工時自給泥漿護壁能力較沖擊鉆差，易出現塌孔的現象，無法保證樁基成樁質量。

結合現場實際情況及樁基施工經驗，該項目最終使用沖擊鉆成孔施工工藝。沖擊鉆施工適應性高，施工過程中泥漿護壁能力強，出現塌孔的現象較少，并能很好地處理中、小型溶洞。在出現卡錘現象時，吊車可進行上下提拉并進行輕微振動，使錘頭與孔壁產生縫隙后將錘頭吊出，保證樁基順利成孔。

地下暗河環境伴隨有溶洞等不良地質，導致泥漿泄露，無法形成鉆孔施工所需穩定水頭。地下暗河水進入樁基孔內，造成塌陷，該項目在施工中遇到地表塌陷（如圖2）。為保證順利鉆進成孔，根據不同地質情況，常為以下幾種處理方式。

圖2 樁基鉆進過程中出現地表塌陷

（1）片石黏土筑壁法：在溶洞內無充填或半充填，溶洞不太大（在3 m以內），但存在嚴重漏水或半漏水，護筒內水頭高度不能保持時，可用片石加黏土（按1∶1體積比）回填沖擊使其形成泥石護壁[1]。如片石黏土筑壁法效果較差，部分溶洞位置需進行反復沖擊造壁，過程中可同步回填水泥或素混凝土，保證護壁效果滿足施工要求。

（2）鋼護筒跟進法：在溶洞較大、洞內無充填物或有流塑充填物、漏水很嚴重、片石加黏土反復打密仍無法形成泥石護壁時，可增加鋼護筒跟進法施工。鋼護筒鋼板由20 mm厚的Q235鋼材組成，分段接長、分段振沉。鋼護筒上、下口各設置30 cm寬、12 mm厚加勁箍，以便鋼護筒振設施工。

為減少鋼護筒的用量，以雙層鋼護筒護壁的方式進行樁基成孔。設置雙鋼護筒，在鉆進至強風化巖層位置處時，打入外層鋼護筒至入巖位置以保證覆蓋土層的穩定，避免覆蓋土層出現塌孔現象。護筒為直徑比設計樁徑大20 cm的壁厚2 cm的鋼板加工而成，在后續內層鋼護筒下放預留足夠空間。遇溶洞漏漿后不再用泥漿護壁鉆進，而采用清水鉆進的工藝配合掏渣桶施工的方法成樁。此階段不再處理溶洞，僅保證孔內液面高于沖擊鉆沖程，利用地下水進行沖擊鉆錘頭的潤滑和降溫。樁基成孔后下放內鋼護筒，內鋼護筒分為兩節，底節鋼護筒高度為入巖深度+1.0 m，最上一節護筒與底節護筒通過限位連接鋼板臨時連接，在樁基灌注完成后混凝土初凝前，拔除外護筒及頂節護筒周轉使用。

（3）清水鉆孔施工：根據地勘以及設計圖紙，溶洞均出現在強風化及中風化巖層之中，地表覆蓋層則無溶洞情況。因此在樁基鉆進施工過程中，頂部覆蓋層仍由泥漿護壁方式進行鉆進施工，確?？妆谑┕べ|量，不出現塌孔等情況。進入巖層后，如出現溶洞導致漏漿后不再進行泥漿補充，巖層相對較穩定，不再出現塌孔等情況，使用清水鉆孔施工工藝，鉆渣采用掏渣筒進行清理[2]。以減少樁基回填復鉆施工，保證樁基施工進度并降低施工成本。

巖溶區域地質構造復雜，溶洞形態千差萬別，對橋梁安全性的影響程度不同，對其處理的方法也應有所不同，給橋梁樁基施工帶來了很大困難。施工中往往事故多、進度慢、成本高。因此，施工前應熟悉地質報告，掌握溶洞所在位置、大小、有無充填物、是否漏水等影響施工的因素，確定每根樁的施工方案，嚴格按照現場的開孔原則，務必把各項準備工作、應急措施做到位后才允許開孔。

4 水下混凝土灌注施工

4.1 混凝土配合比設計

項目設計橋梁樁基混凝土為C30水下混凝土，結合項目樁基施工環境，對樁基混凝土的配合比進行優化調整。與常規位置同標號混凝土相比，主要是增加膠凝材料以及加大混凝土的坍落度，實際使用樁基C30水下混凝土與其他部位常規C30混凝土設計配合比見表1。

表1 C30混凝土設計配合比

在混凝土配合比設計階段，主要通過試配確認混凝土最佳配合比。樁基水下混凝土增大膠凝材料主要是因為樁基混凝土澆筑完成后無法進行養生，需確保混凝土強度滿足要求。樁基進行水下混凝土灌注施工時，為防止堵管、爆管引起的樁基質量事故，水下混凝土坍落度較常規位置的混凝土大，故現場要嚴格控制混凝土坍落度，并進行現場試驗。

4.2 復合式護壁結構

泥漿護壁鉆孔完成的樁基以及鋼護筒跟進的樁基，常規的水下混凝土灌注施工工藝即可滿足施工要求。清水鉆施工時，由于無泥漿護壁，暗河流動造成顆粒搬運，無法形成穩定的水下環境進行樁基混凝土灌注施工。為保證樁基混凝土順利灌注，防止出現樁基夾泥、斷樁的質量事故，減少施工成本投入，考慮復合式護壁結構進行樁基混凝土灌注施工，如圖3。

圖3 復合式護壁結構布置示意

復合式護壁結構為鋼筋籠外骨架形式，外骨架支撐于孔壁，保證樁基直徑不小于設計值，避免溶洞填充物和暗河搬運的大顆粒物質進入樁身混凝土中，對孔壁進行加強。骨架外側包裹柔性材料——防水土工布，避免水下混凝土擴散至骨架外側，隔斷外界細顆粒物質進入樁基混凝土，影響成樁質量。防水土工布為柔性材料，能較好適應樁基孔壁的不平整變化。復合式護壁結構為介于泥漿護壁和鋼護筒跟進護壁的剛柔結合護壁，可保證樁基成樁質量，降低施工成本。

4.3 混凝土灌注

樁基混凝土均使用導管進行水下混凝土灌注施工。首先根據樁徑、樁長、導管直徑以及泥漿或水的容重參數等計算出首批混凝土所需用量，然后配置足夠容量的料斗及首罐混凝土，確保首批混凝土能夠保證導管埋置深度不小于1 m[3]。首批混凝土灌注完成后，緊接著進行剩余混凝土的灌注，不得中斷。根據灌注混凝土量檢查孔內混凝土面上升情況，用以指導調整導管埋深，保證導管埋深滿足規范要求。混凝土灌注過程中，需對鋼筋籠臨時固定，防止混凝土灌注過程中鋼筋籠出現上浮的情況。為保證樁基成樁施工質量，需對樁基混凝土進行超灌，超灌高度控制在0.8~1 m。

5 成樁檢測

樁基鋼筋籠加工過程中，按照要求設置聲測管，在混凝土澆筑完成并達到規范要求強度后，對樁基進行超聲波無損檢測，主要判斷其樁身完整性。對于樁身存在的缺陷，應判明其存在的問題、具體位置和對樁身完整性的影響；對于影響成樁質量的位置，需采取可靠措施進行處理，確保樁身完整性。

6 結語

喀斯特地貌下伴有溶洞，根據地形情況有時存在地下暗河，其中地下暗河的流水搬遷和流動作用，使得地下暗河環境樁基施工極為困難。針對地下環境復雜的工況，可靠的施工工藝確保樁基成孔及混凝土灌注施工質量必不可少。泥漿護壁+清水鉆復合成孔可加快成樁速度，復合式護壁結構不僅能確保樁基混凝土灌注施工質量，也可減少相關成本投入，為同類型地下暗河樁基施工提供參考經驗。