淺談鉆孔灌注樁在巖溶橋址的成孔方案

文 / 湖南湘江新區(qū)投資集團(tuán)有限公司 王玉屏

鉆孔灌注樁目前常用成孔機(jī)械有沖擊鉆機(jī)、螺旋鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)等，遇到巖溶地質(zhì)條件時(shí)，成孔及灌注施工難度大，存在地面塌陷、塌孔、縮徑、斷樁等安全質(zhì)量隱患。本文結(jié)合工程實(shí)例，在橋址遇到巖溶地質(zhì)，特別是樁基礎(chǔ)分別位于不同巖溶發(fā)育情況時(shí)，探討了相對(duì)應(yīng)的樁基礎(chǔ)成孔工藝，結(jié)合實(shí)際選擇了適宜的成孔方案，采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)、注漿防塌陷、回填防漏漿等輔助措施，最終保證了施工安全及施工質(zhì)量。

工程概況

大王山片區(qū)繞城高速入口優(yōu)化工程位于湖南省長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)，是潭州大道快速化改造中的一段，道路為雙向六車道。起點(diǎn)設(shè)置橋梁順接湘府路快速化（河西段），高架橋長(zhǎng)317m，橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁基礎(chǔ)共48根，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，梁體為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，共四聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度為25m。

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料顯示，橋址內(nèi)出露地層主要包括第四紀(jì)覆蓋層及下伏基巖，其中：第四系覆蓋層包括人工填土，其下為第四系更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂（中粗砂）、礫卵石、局部黏土夾碎石角礫，厚度一般10～30m，局部可達(dá)40m；下伏基巖為泥盆系石灰?guī)r等。場(chǎng)地內(nèi)溶洞發(fā)育，充填軟塑～可塑狀黏土，填充物松散，含孔隙，局部含碎石。局部為空洞，局部溶洞與灰?guī)r、角礫巖（角礫為灰?guī)r）交替分布，溶洞層串珠狀。根據(jù)逐樁鉆探資料，幾乎全部樁基均座落于溶洞上，部分鉆孔揭示的溶洞規(guī)模較大，溶洞有連通可能。

樁基成孔方案選取

本工程樁基設(shè)計(jì)為嵌巖樁，樁端應(yīng)座落在連續(xù)完整基巖之上。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，在溶洞發(fā)育區(qū)域進(jìn)行樁基施工，需要仔細(xì)研究地勘資料，采取正確的施工方案。

經(jīng)查逐樁勘探資料，在充分掌握溶洞分布規(guī)律后，根據(jù)不同樁徑、樁長(zhǎng)及溶洞發(fā)育情況，結(jié)合橋址現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及施工工期等因素，本工程選取3種成孔方案，達(dá)到既能保證質(zhì)量、安全，又經(jīng)濟(jì)的目的。分述如下：

1.對(duì)于Pm3、Pm7、Pm9、Pm10墩，樁徑為D1200mm、D1500mm、D1600mm，樁長(zhǎng)在30m內(nèi)，采用沖擊鉆機(jī)沖擊成孔，共配備6臺(tái)JZQ650-4沖擊鉆機(jī)，用1.5-2.0t沖擊錘沖擊成孔，沖擊鉆施工應(yīng)遵循堵洞護(hù)壁、重錘輕擊的原則，溶洞內(nèi)采用片石、麻袋、稻草、膨潤(rùn)土填充后復(fù)沖，溶洞處形成有一定厚度的環(huán)狀護(hù)壁。

2.對(duì)于Pm1、Pm2、Pm4、Pm5墩，樁長(zhǎng)37m-56m，采用旋挖鉆機(jī)成孔，泥漿護(hù)壁，輔助鋼護(hù)筒跟進(jìn)。旋挖鉆機(jī)是一種高度集成的樁基施工機(jī)械，施工是利用鉆桿和鉆斗的旋轉(zhuǎn)，加液壓作為鉆進(jìn)壓力，先用小直徑截齒筒鉆取芯創(chuàng)造自由面， 再根據(jù)巖石硬度用不同尺寸截齒筒式鉆頭分級(jí)鉆巖擴(kuò)孔、雙底撈渣斗撈渣、直至終孔的施工方法。具有施工時(shí)間短、安全、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，處理樁基溶洞可快速反應(yīng)。

結(jié)合溶洞特點(diǎn)及樁長(zhǎng)，以上樁基采用XR360旋挖鉆機(jī)成孔，XR360旋挖鉆機(jī)整機(jī)工作質(zhì)量95t，輸出扭矩最大360kn，最大鉆孔直徑2.5m，最大鉆孔深度90m，旋挖鉆機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)，履帶式回轉(zhuǎn)底盤及桅桿式鉆桿，為全液壓系統(tǒng)，鉆桿無(wú)需接長(zhǎng)，鉆孔時(shí)注意保持孔內(nèi)泥漿面穩(wěn)定，因此在溶洞位置成孔可以極大的縮短成孔時(shí)間，消除成孔時(shí)間長(zhǎng)而造成的塌孔隱患。

3.對(duì) 于Pm6、Pm8墩樁 長(zhǎng)55-73m，各2根，樁徑D2200mm，根據(jù)地勘資料，樁位處于斷裂帶，溶洞上無(wú)基巖，無(wú)頂蓋保護(hù)，原地面以下為軟土覆蓋直接接溶洞填充物，鉆探揭露溶洞填充物為淤泥、流砂呈軟塑狀，地勘鉆探時(shí)還有鉆桿自沉現(xiàn)象。而且下接的溶洞分布呈串珠狀，溶洞規(guī)模大，單洞最大洞高達(dá)30多米。根據(jù)樁基長(zhǎng)度及溶洞規(guī)模，為確保施工中不出現(xiàn)塌孔等事故，同時(shí)考慮機(jī)械功率，在施工過程中不發(fā)生意外情況，故采用XR550旋挖鉆機(jī)成孔，XR550旋挖鉆機(jī)整機(jī)工作質(zhì)量185t，輸出扭矩最大550kn，最大鉆孔直徑3.5m，最大鉆孔深度132m，可最大化的控制施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)采用地面注漿加固后全鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工。

鋼護(hù)筒跟進(jìn)技術(shù)

旋挖鉆機(jī)成孔時(shí)，采用鋼護(hù)筒輔助跟進(jìn)，可變截面跟進(jìn)，也可單護(hù)筒跟進(jìn)，如pm1墩5根樁，沒有串珠狀溶洞，直接成孔至溶洞下基巖層，下鋼護(hù)筒。但對(duì)于pm6和pm8共4根樁，則采用鋼護(hù)筒變徑分節(jié)跟進(jìn)的方法，分段成孔，分節(jié)下沉、接長(zhǎng)。

施工工序

以pm8-1為例，樁徑2.2m，樁長(zhǎng)73m，溶洞規(guī)模大，單洞最大洞高36m。且溶洞的分布呈串珠狀，采用鋼護(hù)筒變徑分節(jié)跟進(jìn)的方法，施工工序如下：

①采用Φ2.8m鉆頭鉆進(jìn)至第1層溶洞底中風(fēng)化巖以上約1m位置。

②先自重安裝、后振動(dòng)下沉Φ2.6m鋼護(hù)筒，穿越第1層溶腔底部至無(wú)法下沉。注意一定采用小功率振動(dòng)，防止鋼護(hù)筒偏斜。

③鋼護(hù)筒固定。方法為護(hù)筒頂部焊接固定在支架上，護(hù)筒底部固定采用灌注水下混凝土的方法澆筑5-7米深的混凝土，保持固定2-3天。

④等待2-3天混凝土強(qiáng)度上來后，換直徑為2.5m鉆頭鉆進(jìn)。進(jìn)入到第2層溶洞后，觀察泥漿，如發(fā)現(xiàn)漏漿，停機(jī)回填，繼續(xù)鉆進(jìn)，如此循環(huán)，直到穿越第3層溶洞底。

⑤下第二次鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒直徑為2.4米。

⑥再次固定內(nèi)鋼護(hù)筒。方法還是在護(hù)筒底部固定采用灌注水下混凝土的方法澆筑5-7米深的混凝土，保持固定2-3天。

⑦等待2-3天混凝土強(qiáng)度上來后，換直徑2.2m鉆頭鉆進(jìn)持力層。⑧檢驗(yàn)持力層與嵌巖深度、終孔。

鋼護(hù)筒制作

鋼護(hù)筒采用機(jī)械集中卷制加工，廠家制作好后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)計(jì)算，本工程外護(hù)筒采用壁厚δ=12㎜的鋼板，內(nèi)護(hù)筒采用壁厚δ=18㎜的鋼板，每節(jié)制作長(zhǎng)度為4.5～7.5米，焊縫全部為雙面坡口，其中外鋼護(hù)筒的內(nèi)徑D'=d+40cm（d為設(shè)計(jì)樁徑），內(nèi)鋼護(hù)筒的內(nèi)徑D'=d+20cm（d為設(shè)計(jì)樁徑），以地勘資料的溶洞深度為依據(jù)計(jì)算好外、內(nèi)護(hù)筒總長(zhǎng)度，留有一定的備用節(jié)段，以防地勘資料有出入。

鋼護(hù)筒下沉

鋼護(hù)筒下沉采用25T汽車吊輔助20T振動(dòng)錘的方案。下沉前，應(yīng)在樁孔上設(shè)置控制支架和卡具，用來控制下沉過程不偏斜。

鋼護(hù)筒頂部與振動(dòng)錘焊接，第一節(jié)鋼護(hù)筒下沉?xí)r，采用水平尺控制水平度，全站儀控制垂直度，平面位置的居中則通過控制支架和卡具控制，如此循環(huán)直至鋼護(hù)筒沉至底部。

施工要點(diǎn)為要求鋼護(hù)筒保持垂直下沉，垂直度控制在1%以內(nèi)，確保鋼護(hù)筒下放的精度和質(zhì)量。若一旦發(fā)現(xiàn)有偏斜的趨勢(shì)，須馬上停止下沉，稍稍提起鋼護(hù)筒進(jìn)行糾正后再次下沉。

鋼護(hù)筒連接

鋼護(hù)筒下沉過程中的各節(jié)段連接是保證鋼護(hù)筒施工質(zhì)量的關(guān)鍵。節(jié)段間連接采用雙面坡口焊接，焊縫須滿焊。同時(shí)在兩節(jié)護(hù)筒連接端采用鋼帶加強(qiáng)措施，加強(qiáng)鋼帶寬60mm，壁厚10mm。

施焊前，在外部卡具范圍內(nèi)將上部鋼護(hù)筒初步就位，接口對(duì)齊，下部鋼護(hù)筒墊平固定，接口部位采用墊鐵調(diào)平，護(hù)筒體經(jīng)全站儀測(cè)量垂直度、水平尺檢測(cè)水平達(dá)到要求后，兩節(jié)護(hù)筒的豎向壁成一直線時(shí)方可將兩節(jié)鋼護(hù)筒點(diǎn)焊，再次檢查水平、垂直度及穩(wěn)定性后，再進(jìn)行滿焊。待焊縫冷卻后，進(jìn)行鋼護(hù)筒的下沉施工，上述工序循環(huán)進(jìn)行。

施工重點(diǎn)難點(diǎn)

地表塌陷防治

地表塌陷有可能直接由溶洞塌陷造成，也可能因旋挖鉆機(jī)自重荷載過大造成。一旦出現(xiàn)塌陷，將造成鉆機(jī)傾斜、卡鉆，甚至發(fā)生嚴(yán)重安全事故。故在鉆機(jī)就位前應(yīng)充分查閱地勘資料，依據(jù)溶洞頂部是否有基巖覆蓋、溶洞頂部基巖厚度及風(fēng)化程度、地面至溶洞頂覆土厚度、地面土質(zhì)等因素，綜合評(píng)估塌陷風(fēng)險(xiǎn)，采取應(yīng)對(duì)方案。

一般可在平整好的鉆機(jī)位鋪墊碎石層后，再鋪設(shè)路基鋼板作為旋挖鉆機(jī)的施工平臺(tái)。

本工程8#墩樁基溶腔上部沒有頂板，地勘資料顯示溶洞以上為圓礫，如不采取措施，鉆孔揭穿溶洞頂圓礫層后，持續(xù)排渣導(dǎo)致溶腔頂部負(fù)壓增大，可能會(huì)導(dǎo)致地表塌陷，故樁基施工前在8#墩地表進(jìn)行雙液漿注漿加固，加強(qiáng)地表監(jiān)控量測(cè)，施工過程未出現(xiàn)塌陷事故。

偏孔防治

沖擊鉆施工沖至溶洞底時(shí)，一般會(huì)發(fā)生偏孔或卡鉆。因?yàn)槿芏窗l(fā)育無(wú)法預(yù)測(cè)，溶洞填充物中有孤石，隨沖錘沖至溶洞底溶洞，底板大概率不平整或者傾斜，巖面高低不平、軟硬相間，造成偏孔。當(dāng)樁位位于溶洞的一邊時(shí)，整個(gè)沖孔過程都將面臨偏孔和卡鉆。解決的辦法為重錘輕擊、反復(fù)掃孔。同時(shí)回填抗壓強(qiáng)度與基巖相當(dāng)?shù)幕◢弾r片石，反復(fù)沖孔?；靥詈穸纫话沩氈疗撞课灰陨? -2m，如斜面巖嚴(yán)重時(shí)，可改用大的片石或C25以上砼(加早強(qiáng)劑)進(jìn)行反復(fù)回填、沖擊。本工程pm3、pm7、pm9墩各樁均不同程度的發(fā)生偏孔，最后均處理到位。

旋挖鉆施工時(shí)，因旋挖鉆機(jī)功率大，一般不會(huì)發(fā)生偏孔。但施鉆半巖半溶洞樁孔時(shí)，不論是在鉆芯筒取芯階段還是擴(kuò)孔階段，要特別注意受力不均勻造成鉆機(jī)擺動(dòng)的現(xiàn)象，應(yīng)隨時(shí)關(guān)注芯樣狀況，調(diào)整施鉆力度、控制進(jìn)尺，確保施工安全。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本工程樁基處于巖溶發(fā)育地帶，經(jīng)綜合考量，采用沖擊鉆與旋挖鉆兩種機(jī)械進(jìn)行樁基成孔施工，其中依據(jù)溶洞發(fā)育情況又采用了不同功率的旋挖鉆機(jī)，其目的是確保施工質(zhì)量與安全。本文詳細(xì)研究了溶洞樁基礎(chǔ)施工的成孔方案及技術(shù)，望能為類似項(xiàng)目所借鑒。