高速鐵路跨西江橋深水巖溶超長樁基快速施工技術*

朱志鋼,張應紅,孫 軍,吳小杰,楊景新,杜煥堅

(中鐵廣州工程局集團有限公司,廣東 廣州 510000)

1 工程概況

1.1 項目概況

廣湛高鐵佛山特大橋西江橋上跨西江Ⅰ級航道,位于廣明高速富灣特大橋上游,河面寬約1.2 km,航道常水位水深約20 m。橋跨布置(49+2×100+49)m連續梁橋+主橋(109+2×200+109)m鋼-混混合連續剛構橋+引橋(49+2×100+67)m連續梁橋,有9個橋墩基礎位于水中,如圖1所示。其中主橋主墩478～480號墩為雙薄壁墩,每個承臺樁基礎34根,樁基直徑2 m,設計為柱樁,有效樁長60～101.5 m;考慮20年一遇洪水影響,棧橋平臺頂標高10.500 m,實際樁基施工孔深達88.5～130 m;主墩樁基施工為避開洪水期,施組工期安排為9個月。

1.2 水文條件

主墩橋位一般沖刷深度為-13.731 m,局部沖刷深度為-16.058 m。20年一遇的水位為8.750 m,10年一遇的水位為8.320 m。西江的汛期為4月—9月,洪水一般出現在6月—8月,往往由幾次連續暴雨所形成,非洪水期水深一般為19～20 m。

1.3 地質條件

設計鉆探揭示,橋區河床底部下伏基巖主要為灰質礫巖、角礫狀灰巖、灰巖,為隱伏巖溶發育地段,鉆探揭示出露十多個溶洞,溶洞高0.5～18.6 m,多數為半充填溶洞,部分為空洞,充填物一般為軟塑狀黏土、細砂,局部含灰巖碎塊石。

其中478號墩鉆孔見洞率為100%,為巖溶強烈發育地區,巖溶主要集中在上部灰巖巖層,溶洞直徑0.9～4.5 m;479號墩鉆孔見洞率為58%,為巖溶強烈發育地區,巖溶主要發育于頁巖與中下部灰巖接觸帶,溶洞直徑0.7～6.6 m;480號墩為巖溶極發育地區,巖溶呈串珠狀分布,充填軟塑狀黏土、細砂等,鉆孔見洞率為100%,溶洞直徑0.8～18.6 m。

1.4 重難點分析

1)樁基直徑大,水深20 m、棧橋平臺離水面9 m,最大孔深達130 m,施工周期長,安全風險高。

2)地質條件復雜,巖溶極發育,溶腔大,存在斜巖且裂隙發育,容易造成漏漿、卡錘、埋錘。

3)巖溶樁基施工周期一般1.5～2.5個月,工期緊,機械選型、設備安排組織協調管理難度大。

2 總體施工方案

479號墩位于西江中心,為不影響西江航道的通航,基礎施工需搭設獨立鋼結構平臺,孔深較淺且溶洞較小的樁基擬采用金泰SH60旋挖鉆一次性成孔,孔深較大或溶洞較大的樁基鉆孔時先使用金泰SH46型旋挖鉆進行鉆進,挖除樁孔上部軟弱底層和強度較低的巖層,鉆進至強度較高的巖層或接近溶洞1～1.5 m時改用沖擊鉆進行鉆進。獨立平臺施工中使用的材料、泥漿、混凝土等使用專用的貨船、泥漿船、混凝土運輸船運送。

478號墩、480號墩均為西江主橋主墩,樁基施工使用與水中鋼棧橋相連的施工鋼平臺,478號墩溶洞較小,部分樁長較短,直接采用SH60大型旋挖樁一次性成孔;480號墩溶洞極發育,樁基鉆孔時先使用SH46型旋挖鉆進行鉆進,挖除樁孔上部軟弱底層和強度較低的巖層,鉆進至強度較高的巖層或接近溶洞1～1.5 m時改用沖擊鉆進行鉆進。施工中使用的材料、泥漿、混凝土等,通過棧橋使用平板運輸車、泥漿車、混凝土運輸船車運送。

3 西江樁基溶洞的判別及分類

3.1 溶洞判別

巖溶地基鉆孔灌注樁施工的關鍵是如何保證成孔過程中不漏漿,保證樁孔順利成孔、成樁并滿足承載力要求。施工前對照設計提供的地質鉆孔柱狀圖來判識巖溶地層情況,提前預防。因此根據溶蝕發育狀況、空洞大小、溶洞填充物情況,采用不同的處理方法。

1)工前判斷(資料判別) 依據地質勘查報告和超前鉆資料,可明確判定樁位存在溶洞的位置。

2)施工過程中判斷(泥漿液面判別) 鉆進成孔作業過程中,出現了漿液面較大幅度的下降,地質勘查報告和超前鉆資料中顯示無溶洞存在時,可能存在較大裂隙和鄰近溶洞擊穿的情況。

3.2 溶洞分類

溶洞主要有全填充、半填充、無填充3類,根據地勘資料中溶洞的揭示情況,可將溶洞分為以下幾種不同類型。

1)小型溶洞 單個高度H≤2 m的填充式溶洞或雖顯示不只1個溶洞,但都小于2 m且間隔距離大于2 m。

2)中型溶洞 單個溶洞高度2 m

3)大型溶洞 單個溶洞高度4 m

4)特大型溶洞 單個溶洞高度H>6 m,或單個小于6 m但屬多溶洞間距較小,其累加溶洞達到6 m以上。

4 鉆孔樁施工工藝

4.1 成孔工藝及設備方案比選

4.1.1沖擊鉆特點

1)用沖擊方法破碎巖土尤其是破碎有裂隙的堅硬土和大的卵礫石所消耗的功率小,破碎效果好,同時沖擊土層時的沖擠作用形成的孔壁較為堅固。

2)在含有較大卵礫石層、漂礫石層中施工成孔效率較高。

3)設備簡單操作方便,鉆進參數容易掌握,設備移動方便,機械故障少。

4)鉆進時孔內泥漿循環的作用使得懸浮鉆渣循環至地面排除,并保持了孔壁穩定,泥漿用量少。

5)利用鉆桿或鋼絲繩牽引沖擊頭進行沖擊鉆進時,大部分作業時間消耗在提放鉆頭和掏渣土上,鉆進速度較低。隨樁孔加深,掏渣時間和孔底清渣時間相對較長,尤其是水上溶洞樁基,單根樁成孔時間長達1.5～2.5個月,無法滿足工期要求。

6)容易出現樁孔不圓的情況,擴孔率較高。

7)遇地層不均勻時容易出現斜孔、卡錘和掉鉆等事故。

4.1.2旋挖鉆特點

1)旋挖鉆適用于各種土層地質,砂類土、礫石、卵石、軟白～中硬基巖,但在砂類土地層中施工時樁基擴孔率較高。

2)旋挖鉆自動化程度高,能精確定位鉆孔、自動校正鉆孔垂直度和自動量測鉆孔深度,最大限度地保證鉆孔質量;其工效是沖擊鉆的5～6倍以上,可以大幅縮短工期。

3)在中軟弱地層中施工效率高,可以節省成本和縮短工期,性價比較高;在堅硬巖層中鉆進效率大幅下降,雖然仍比沖擊鉆高,但鉆頭磨損、油料等消耗較多,費用高昂,性價比低。

4.1.3成孔方案比選

結合以上兩種施工工藝特點,選用沖擊鉆無法滿足施工進度要求,工期不可控;選用旋挖鉆施工對鉆孔深度有局限性,雖然SH60旋挖鉆機(回轉扭矩600 kN·m,自重180 t)6節臂鉆桿理論最大鉆孔深度達120 m,但超過115 m深度后轉桿扭矩動力明顯不足,鉆桿易斷裂,成孔效率低,容易偏孔。478～480號墩樁基設計最大孔深達130 m,為保證樁基施工節點工期、安全及成樁質量,綜合比選后根據不同地層、不同孔深、不同溶洞大小,靈活選用單獨沖擊鉆、單獨旋挖鉆或“旋挖+沖擊鉆組合”等工藝實施,如表1所示。

表1 主墩樁基成孔方案Table 1 Hole forming plan for main pier pile foundation

4.2 鋼棧橋及鉆孔平臺搭設

475～483號墩均位于西江中,需要搭設施工平臺,其中479號主墩為獨立施工平臺,478號、480號主墩的施工平臺均與棧橋相接,如圖2所示。

圖2 西江棧橋及平臺布置Fig.2 Layout plan of Xijiang trestle and platform

棧橋和施工平臺均為鋼管樁、貝雷梁結構。棧橋考慮單孔80 t履帶式起重機行走或單孔2臺9 m3混凝土攪拌車作雙向行走或80 t履帶式起重機吊重20 t作靜載。兩岸主棧橋在航道中心處預留兩處通航孔,棧橋下不考慮通航。平臺考慮最多7臺30 t沖擊鉆機與1臺SH60旋挖鉆同時作業或1臺SH60旋挖鉆與1臺SH46旋挖鉆同時作業,鉆機分散布置,主墩平臺在支棧橋上設置1臺80 t履帶式起重機。

4.3 鋼護筒安裝

鋼護筒使用16～18 mm厚Q235鋼板卷制而成,護筒內徑比樁徑大30 cm(對于有特大溶洞需跟進鋼護筒的樁基,其首層鋼護筒宜比樁徑大40～45 cm),護筒長度根據地質情況確定,使用單節8 m長的鋼護筒,在平臺上焊接接長,接縫牢固、不漏水。鋼護筒埋設利用施工平臺和導向架輔助,使用200 t振動打樁錘將鋼護筒沉入河床,通過細砂層或粉質黏土層,由于阻力過大,只能抵達粗砂或細圓礫土層部分深度,后續通過邊鉆進邊跟進鋼護筒,對于止住漏漿效果明顯;護筒埋設過程中控制垂直度和偏位,頂面中心偏差不得大于5 cm,傾斜度不得大于0.5%。

4.4 鉆前準備

1)巖溶地基地質復雜,在樁基施工前,為較詳細掌握溶洞的相關位置,需要進行超前地質鉆孔,地質鉆機鉆進時做好記錄,以備后續施工參考。

2)樁基使用的片石、黏土、水泥等用于溶洞處理的材料,使用運輸車直接運輸至施工平臺上,用于479號獨立平臺的片石、黏土、水泥等材料使用運輸車運輸至棧橋端部,卸裝至貨船上的專用料斗內,專用料斗容量5 m3,由貨船運輸至479號平臺,直接使用履帶式起重機整斗吊起,主、副鉤配合將材料傾瀉至孔內。

3)準備好需跟進的鋼護筒、相關鉆具、打撈設備及備用鋼絲繩等。

4)主墩樁基使用變壓器或發電機送電,478號墩小里程側2臺800kVA變壓器;480號墩大里程側1臺800kVA變壓器;479號墩利用過江電纜送電至獨立平臺上,并應急配置1臺320kW柴油發電機。

4.5 旋挖鉆成孔溶洞樁基

根據設計圖紙及超前地質鉆探資料,結合目前國內大型旋挖設備,綜合考慮保證鉆孔平臺受力和節省成本,選擇金泰SH60旋挖鉆(更大機型要求鉆孔平臺,費用投入巨大)作為該橋主墩孔深小于115m的溶洞樁基施工設備。

4.5.1旋挖鉆鉆頭選擇

根據土層情況和鉆孔方式選用鉆頭,黏性土、粉土、填土、中等密實以上的砂土地層選用回轉鉆頭;碎石土、中等強度的巖石及風化巖層選用嵌巖鉆頭;弱風化灰巖選用牙輪鉆頭。

旋挖鉆機開孔施工應輕壓慢進,鉆頭轉速≤10 r/min,待主動鉆桿全部進入孔后,方可逐步加速正常鉆進;鉆孔過程中應嚴格控制鉆頭升降速度,減小鉆頭升降對孔壁的擾動,避免造成塌孔事故。

4.5.2旋挖鉆溶洞處理措施

從地層情況、溶腔大小及類型、漏漿位置、鉆進深度等方面綜合考慮,旋挖鉆鉆進過程擬采用拋填法、澆筑混凝土、鋼護筒跟進等處理措施。

1)當溶洞高度小于2 m時(小型溶洞),旋挖鉆緩慢穿過溶洞,若出現漏漿情況,向孔內拋填黏土、水泥(比例為7∶3),回填至溶洞頂2 m,然后再補充漿液,觀察漿液面,若繼續下沉,則為首層鋼護筒底部漏漿,需繼續接長插打振動鋼護筒下沉4～6 m;若漿液面不下沉,則判斷為溶洞處漏漿,用旋挖鉆緩慢鉆進,直至穿過溶洞層。

2)當溶洞高度為2～4 m時(中型溶洞),出現漏漿情況,回填黏土、水泥(比例為7∶3)至溶洞頂2 m,然后再補充漿液,觀察漿液面,若繼續下沉,則為首層鋼護筒底部漏漿,需繼續接長插打振動鋼護筒下沉6～8 m;若漿液面不下沉,則判斷為溶洞漏漿,用旋挖鉆緩慢鉆進,直至穿過溶洞層。如此反復幾次,直至正常鉆進。

3)當溶洞高度為4～6 m時(大型溶洞),旋挖鉆緩慢穿過溶洞,出現漏漿情況,使用上述方法判斷鋼護筒底部是否漏漿并根據情況接長下沉鋼護筒,溶腔反復2次填充不起來或溶腔為串珠溶洞,則采用澆筑水下低強度等級混凝土填充,待強度滿足要求后,繼續鉆進。

4)當溶洞高度大于6 m時(超大型溶洞),采用大型旋挖鉆施工不安全、不經濟,此工況宜改為沖擊鉆施工。

4.6 沖擊鉆成孔溶洞樁基

沖擊鉆機自重小,轉運靈活便利,占用場地小,巖溶樁基應用較為廣泛和成熟。對于有大型溶洞或孔深大于115 m的樁基,采用沖擊鉆。根據不同地層和溶洞大小及類型,進行綜合分析,沖擊鉆鉆進過程采用拋填片石黏土法、鋼護筒跟進等處理措施。

根據地質勘察資料及超前鉆資料,沖擊鉆施工溶洞樁基時要配置專人密切注意樁機底盤水平、巖樣和護筒內泥漿面的變化,熟記圖紙、資料中標注的溶洞位置,在鉆孔到擊穿洞頂之前,采用小沖程逐漸將洞頂擊穿,防止卡沖擊錘,一旦發現泥漿面下降、孔內水位變化較大、泥漿稠度、顏色發生變化或鉆進速度明顯加快又無偏孔現象時,表明已穿越溶洞頂進入溶洞,首先應迅速用大功率泥漿泵補漿補水,同時及時提沖擊錘,防止埋沖擊錘;適當增加泥漿中的黏土數量,提高泥漿密度,泥漿黏稠度控制在20～28 s。

1)當溶洞高度小于4 m時(中、小型溶洞),迅速將施工前準備好的片石、黏土(比例7∶3)向鉆孔中投入,回填至溶洞頂2 m以上,然后采用低提慢進的方法重新沖孔,通過沖孔堵住溶洞并重新造漿。當再次漏漿時,仍按上述方法處理,反復回填沖孔,填充溶洞及固壁,至設計樁底標高。

2)當溶洞高度為4～6 m時(大型溶洞),回填片石、黏土、水泥(比例6∶2∶2)至溶洞頂2 m,然后再補充漿液,觀察漿液面,若繼續下沉,則為首層鋼護筒底部漏漿,需繼續接長插打振動鋼護筒下沉6～8 m;若漿液面不下沉,則進行繼續沖進,反復回填直至設計標高。

3)當溶洞高度大于6 m(超大型溶洞),若腔內為全填充或半填充,可采用大型溶洞的處理方案;若腔內為無填充或為串珠狀大溶腔,則采用兩層鋼護筒跟進的處理方案,此時樁基的首層鋼護筒直徑2.4 m,第2層鋼護筒直徑2.2 m,由于第2層鋼護筒穿過了砂層和細圓礫土層,也保護了首層鋼護筒底部不會漏漿垮塌,在后續沖進過程中采用回填法或者跟進接高下沉第2層鋼護筒直至穿過溶洞層,最后達到設計標高。

4.7 “旋挖+沖擊鉆”成孔溶洞樁基

沖擊鉆施工周期長,在細中砂層施工效率較低。考慮工期影響,結合地質條件,在軟土、粉質黏土、細中粗砂、細圓礫土、粉砂巖等中軟弱地層(孔深一般65 m以內),采用旋挖鉆成孔,施工便捷,節省成本和縮短工期;中硬巖和大溶洞層采用沖擊鉆繼續跟進成孔,溶洞處理措施同上述方法。

旋挖鉆鉆進深度不宜過深,避免影響孔壁垂直度,更換沖擊鉆后,及時進行補充造漿,然后采用較小鉆頭掃孔,順利通過后,更換設計鉆頭。

沖擊鉆沖過溶洞過程中或之后,往往有斜巖,導致出現偏孔現象,采用強度略高于該灰巖的閃長巖回填,回填高度超過溶洞頂板或出現偏孔處2 m以上,反復填充。開始沖程要適當降低,待塊石沖實后,沖錘沖擊時受力均勻,換用較高沖程,如此反復多次,直至將巖面沖平為止。

4.8 清孔

清孔的目的是清除鉆碴,降低泥漿密度,減少孔底沉淀厚度,滿足設計及規范要求。西江地段河床砂層覆蓋較厚,泥漿含砂率高,是否干凈直接影響成樁質量,對于采用沖擊鉆施工的超長樁清孔有3個階段。

1)沖孔深度超過50～60 m,或超過砂層5 m左右,此時泥漿砂率指標較高,開始進行第1次分砂,調低泥漿含砂率,以加快沖擊鉆的進尺效率;一般采用泵吸反循環進行,根據砂層清孔和泥漿含砂率判斷是否進行第2次分砂。

2)樁成孔以后,進行第1次正式清孔,一般采用氣舉反循環清孔,在導管的0.6～0.7倍孔深位置焊插1根長約5 cm鍍鋅管將高壓空氣送入導管內,連續充氣導管內形成壓力差,孔底巖渣被高速泥漿攜帶從導管上返噴出孔口,該種清孔效率高,但需要使用大型空壓機。

3)下完鋼筋籠,安裝導管后,進行第2次清孔,采用常規的泥漿正循環清孔,直至滿足設計要求。

對于旋挖鉆,過程中泥漿動態調整,在成孔后,一般采取泵吸反循環進行第1次清孔,第2次清孔采用常規的泥漿正循環清孔即可。

5 混凝土灌注工藝

鋼筋籠在鋼筋加工廠分節加工,平板車或駁船運輸,采用履帶式起重機起吊、安裝,導管使用前進行水密承壓試驗和接頭抗拉試驗。478號和480號墩混凝土通過棧橋運輸至平臺灌注,479號墩通過水上混凝土運輸船運料泵送。混凝土儲料斗需有足夠的容量,以保證首批混凝土灌注導管埋置深度。

對于樁基混凝土在灌注至溶洞附近時,密切關注導管埋置深度和混凝土頂面高度,適當加大導管埋置深度,降低混凝土下料速度,留意周圍樁基孔內、平臺水面有無泥漿等情況,以防灌注樁孔內混凝土壓力大,導致孔內溶洞漏漿、混凝土面下沉并串孔至其他地方。

6 結語

廣湛高鐵佛山特大橋跨西江為鋼混混合剛構連續梁橋,該種類型的大跨連續剛構在國內無砟高速鐵路中首次采用。橋位地處地質斷裂帶,巖性復雜破碎,巖溶極發育,樁基最大孔深達130 m,位于深水急流航道內,施工難度大。受西江汛期洪水影響,施工工期緊,任務重。

針對上述困難,本項目因地制宜,結合大型旋挖鉆和沖擊鉆的優缺點,結合溶洞類別,對于超大型溶洞、115 m以上超長樁基采用先旋挖后沖擊的組合方式施工,其余樁基采用大型旋挖鉆或沖擊鉆施工,不同大小溶洞制定對應的處理方案,不同孔深或不同設備成孔的樁基采用不同的清孔工藝,上述工裝和技術既保證了安全又節省了工期和成本,提前1個月完成了主墩102根深水巖溶超長樁基的施工,經第三方單位檢測,所有樁基均為I類樁。相關技術可以為類似工程施工提供參考和借鑒。