巖溶強發(fā)育及超厚回填土地層鉆孔灌注樁施工技術*

曹進海,葉勝林,肖代勝,陳明偉

(山東建勘集團有限公司,山東 濟南 250031)

0 引言

超厚回填土及巖溶強發(fā)育場地地質(zhì)條件較差,該地層灌注樁成孔施工過程中經(jīng)常會遇到成孔困難、塌孔、擴縮徑、斷樁、嚴重超方等技術難題,國內(nèi)外專家學者和工程技術人員進行了大量的研究與實踐[1-7],薛碧松等[8]通過在回填地層中安裝長護筒的方式加固孔壁防止塌孔;王敦武[9]通過采用泥漿護壁的方式對旋挖鉆孔灌注樁穿越高水位、雜填土層施工時進行防塌孔處理;黃凱[10]在復雜地層條件下采用全回轉全套管鉆進技術對灌注樁進行護壁。傳統(tǒng)的處理方法針對單一處理地層較為有效,例如全護筒隨鉆跟進技術在回填土地層成孔中優(yōu)勢比較顯著,但是針對巖溶強發(fā)育地層,由于樁孔較深、溶洞中存在軟塑或流塑狀充填物,全護筒存在成本較高、護筒跟進困難、護筒上提過程中因混凝土重力作用擠壓充填物造成混凝土回落超方等問題;注漿加固技術不能控制漿液流動方向,注漿量無法控制,成本較高。因此針對上覆超厚回填土及下部存在巖溶強發(fā)育的地層采用傳統(tǒng)工藝處理塌孔、擴縮徑、超方問題效果不佳。

本文基于大量工程實踐,總結形成了巖溶強發(fā)育及上覆超厚回填土復雜地層下鉆孔灌注樁施工技術,該技術利用高壓旋噴工藝在擬施工樁體周圍定向、精準形成有效的交錯咬合固結體,然后在固結區(qū)域鉆芯成孔,可針對巖溶強發(fā)育地層、超厚回填土地層、巖溶強發(fā)育與上覆超厚回填土疊加地層3種不同工況鉆孔灌注樁成孔難的問題進行處理。該技術相較傳統(tǒng)工藝具有針對性強、操作靈活、節(jié)省材料、施工周期短、安全性高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢,可為今后類似工程項目施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目概況

湘南紡織產(chǎn)業(yè)基地熱電聯(lián)產(chǎn)項目位于湖南省常寧市,為湖南省100個重點項目之一,擬建設2×100t/h+2×150t/h循環(huán)流化床鍋爐和1×20MW+2×15MW背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機組。建設場地為巖溶強發(fā)育地區(qū),局部地表分布超厚回填土。主要建(構)筑物包括主廠房、綜合辦公樓、干煤棚、綜合水泵房、水化室等,均采用鉆孔灌注樁基礎,其中干煤棚、綜合水泵房、水化室場地位于超厚回填土上,回填土平均厚度為21m,最厚可達30m。依據(jù)樁基施工勘察報告,572個鉆孔中199個孔存在溶洞,見洞率為34.8%,溶洞最大高度達4.5m,溶洞內(nèi)充填可塑或流塑狀黏土。

1.2 工程地質(zhì)條件

表1 各土層分布情況及主要特征

1.3 水文地質(zhì)條件

擬建場地位于山區(qū),海拔較高,周圍無地表水活動,巖溶裂隙水主要賦存于基巖淺部巖溶裂隙中,其水量大小和徑流受巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度、構造和連通性控制,其地下水壓力場和滲流狀態(tài)具有明顯的各向異性,該層地下水主要由地下水徑流側向補給和大氣降水的下滲補給。3月份勘察期間,孔內(nèi)沒有揭露到上層滯水和巖溶裂隙水;8月份樁基施工期間正值雨季,降水豐沛,形成了賦存于素填土層中的上層滯水及巖層中的巖溶裂隙水,上層滯水及巖溶裂隙水造成鉆孔灌注樁成孔時出現(xiàn)嚴重塌孔,給樁基施工帶來嚴重影響。

1.4 場地巖溶發(fā)育情況分析

根據(jù)施工勘察結果,572個鉆孔中199個孔存在溶洞,見洞率為34.8%,溶洞最大高度達4.5m,溶洞由可塑或流塑狀黏土充填,溶洞埋深變化大,基巖面起伏較大,地質(zhì)條件非常復雜。溶洞揭露洞高0.4～4.5m,平均洞高1.29m,199個鉆孔洞高分布及數(shù)量如表2所示。

表2 溶洞分布

根據(jù)溶洞分布情況可知,溶洞洞高主要集中在1m以下,占總數(shù)的53%,3m以上的部分占比較小,約占總數(shù)的3.5%,洞內(nèi)充填可塑或流塑狀黏土,由于灌注樁需穿透溶洞層,施工中會出現(xiàn)塌孔、擴縮頸、混凝土向樁側外溢等情況,如果不進行處理鉆孔灌注樁將很難施工,且嚴重影響成樁質(zhì)量。

2 工藝原理

本文針對超厚回填土地層及巖溶強發(fā)育地層,采用超前地層處理,以保證鉆孔灌注樁成孔以及灌注過程中樁的施工質(zhì)量。本技術的工作原理是:在回填土層和巖溶強發(fā)育地層中形成固結結構,然后在固結結構形成區(qū)域施工灌注樁體,固結結構是由膠凝材料、水按一定的比例混合通過高壓旋噴設備與樁周土形成的加固體組成;加固體均勻布置在擬建灌注樁的樁周上且相互咬合。該技術在超厚填土、巖溶發(fā)育以及二者組合3種不同工況下的實施情況如圖1所示。

圖1 3種工況成樁結構剖面

3 工藝流程

3.1 超厚回填土地層

施工工藝流程:制拌漿液→定點放樣→高壓旋噴鉆機就位→加固體施工→定位放樣→旋挖鉆機成孔→下放鋼筋籠→灌注混凝土。

3.2 巖溶強發(fā)育地層

施工工藝流程:定位放樣→旋挖鉆機引孔→制拌漿液→定點放樣→高壓旋噴鉆機就位→加固體施工→旋挖鉆機成孔→下放鋼筋籠→灌注混凝土。

3.3 上覆超厚回填土與下伏巖溶強發(fā)育疊加地層

施工工藝流程:制拌漿液→定點放樣→高壓旋噴鉆機就位→加固體分層施工→定位放樣→旋挖鉆機成孔→下放鋼筋籠→灌注混凝土。

4 施工過程控制要點

4.1 超厚回填土地層

1)制拌漿液

膠凝材料采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥,水泥漿液的水灰比取0.8～1.2;漿液拌制采用二級攪拌的方式,一級攪拌完成后排至二級攪拌裝置中勻速攪拌。

2)定位放樣

根據(jù)擬施工的灌注樁位置及樁徑,在樁周上確定加固體坐標,加固體相互咬合搭接,搭接長度不小于20cm,加固體樁位布置如圖2所示。根據(jù)加固體樁位布置圖,使用全站儀或者RTK測定樁位及地面高程。

圖2 加固體樁位布置

3)加固體施工

加固體采用分序方式施工,先施工第1序旋噴加固體,再施工第2序旋噴加固體,施工順序如圖3所示。旋噴注漿自下而上進行,鉆頭需鉆至回填土層底面以下進入穩(wěn)定土層1m處,按照設定參數(shù)送漿3～5min,待泵壓正常后按設計的提升速度上提旋噴管自下而上進行旋噴施工,在薄弱地層范圍應進行復噴,高壓旋噴注漿時應連續(xù)作業(yè);當注漿管不能一次提升完成而需分數(shù)次卸管時,卸管后噴射的搭接長度不得小于20cm,以保證固結體的整體性。加固體施工完成截面如圖4所示、剖面如圖5所示。

圖3 加固體樁分序示意

圖4 加固體樁截面

圖5 加固體樁剖面

4)旋挖鉆機成孔

加固體樁施工完成72h或者樁體強度達到70%后進行灌注樁成孔作業(yè)。加固處理后的成孔質(zhì)量得到了顯著改善,完全達到了處理目標,處理前后成孔效果如圖6所示。

圖6 加固前后成孔質(zhì)量對比

4.2 巖溶強發(fā)育地層

在巖溶強發(fā)育地層鉆孔灌注樁成孔施工中采用先引孔后加固的技術,根據(jù)施工勘察揭露的地質(zhì)情況,準確把握溶洞位置、洞高以及充填物情況,根據(jù)分析結果制定加固體施工方案,這樣處理既可以節(jié)省高壓旋噴鉆孔時間,又可以節(jié)省注漿材料,進一步縮短施工工期。

1)旋挖鉆機引孔

旋挖鉆機成孔至溶洞頂板以上2m位置處停止作業(yè),需要注意溶洞上覆保留土層厚度不應小于2m,其目的是保證溶洞在加固過程中的封漿作用,控制注漿質(zhì)量。

2)定點放樣

旋挖鉆機移位后,在樁位孔口位置布設高壓旋噴鉆機施工點位,點位布置可以在護筒周圍布置十字線及護樁,如圖7所示。護樁要求露出地面不少于10cm,埋入地面以下部分不應少于15cm,施工前需一次布設所有護樁,高壓旋噴鉆機施工時十字線撤掉,保留護樁且護樁埋設要牢固,施工過程中不能觸碰破壞,注意保護;每施工完1根高壓旋噴樁拉設十字線定位下一根樁點位。

圖7 高壓旋噴樁點位布置

3)加固體施工

加固體采用分序的方式施工,先施工第1序旋噴樁加固體,再施工第2序旋噴樁加固體。旋噴注漿自下而上進行,鉆頭需鉆至溶洞底面以下地層1m處,按照設定參數(shù)送漿3～5min,待泵壓正常后按設計的提升速度上提旋噴管自下而上進行旋噴施工,旋噴注漿至溶洞頂板以上1m處停止注漿,即注漿加固段長度為溶洞高度加上溶洞頂板以上、底板以下各1m,加固體樁施工完成剖面如圖8所示;在漏漿段、裂隙強發(fā)育等薄弱地層范圍應進行復噴,高壓旋噴注漿時應連續(xù)作業(yè);當注漿管不能一次提升完成而需分數(shù)次卸管時,卸管后噴射的搭接長度不得小于20cm,以保證固結體的整體性。

圖8 加固體樁剖面

4)灌注混凝土

下放導管灌注混凝土,要求導管底端距孔底30～50cm,混凝土要求具備良好的和易性、流動性、黏聚性等指標;第一灌注量混凝土不應少于1.5m3,保證第一灌注量混凝土灌入孔內(nèi)后埋管深度不小于2.0m,且正常灌注時埋管深度保持在4～6m。實灌樁頂標高比設計樁頂高出0.5～1.0m,保證樁頂混凝土灌注質(zhì)量。

溶洞處理前灌注樁灌注時出現(xiàn)混凝土擠壓溶洞內(nèi)的充填物造成混凝土外溢,澆筑面持續(xù)回落,單樁最大澆筑量是理論灌注量的3倍;通過該技術處理后灌注樁周圍充填物得到有效加固并形成密封結構,后續(xù)施工中未出現(xiàn)混凝土超灌現(xiàn)象,而且灌注充盈系數(shù)控制在1.05～1.1,達到預期目標,處理前后混凝土灌注對比如圖9所示。

圖9 處理前后混凝土灌注對比

4.3 上覆超厚回填土與下伏巖溶強發(fā)育疊加地層

該工況是上述兩種工況的組合,重復部分的施工工序不再贅述,僅介紹該技術在本工況中的創(chuàng)新點。該技術在本工況中優(yōu)勢最為顯著,對于這種多層不同類型的加固處理方式,該技術可以實現(xiàn)定向、精準加固的目的。根據(jù)超前鉆勘察報告準確掌握回填土層厚度以及溶洞的位置、高度、充填物類型等參數(shù),制定詳細的注漿加固體施工方案。加固體采用分序的方式施工,先施工第1序,再施工第2序;旋噴注漿自下而上進行,先下層后上層,鉆頭需鉆至溶洞底面以下地層1m處,按照設定參數(shù)提升旋噴管,旋噴注漿至溶洞頂板以上1m處停止注漿,即注漿加固段長度為溶洞高度加上溶洞頂板以上、底板以下各1m;上提旋噴鉆頭,提至回填土層底板以下1m處,打開注漿裝置開始旋噴作業(yè),直至上提到距離地面1m處停止噴漿,加固體施工完成剖面如圖10所示。

圖10 加固體樁分層施工剖面

5 處理效果及效益分析

5.1 基樁參數(shù)及檢驗方法

本項目樁基施工共計756根,基樁設計參數(shù)如表3所示。單樁承載力檢測采用堆載法,根據(jù)JGJ106—2014《建筑基樁檢測技術規(guī)范》及設計文件有關規(guī)定抽取18根樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗檢測;樁身完整性檢測采用低應變反射波法和鉆芯法相結合的方式進行,由于場地地層復雜低應變檢測數(shù)量按100%抽取,根據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》及設計文件有關規(guī)定對樁徑800mm的樁抽測15根進行鉆芯檢測。

表3 基樁設計參數(shù)

5.2 檢測結果

1)單樁豎向抗壓靜載試驗檢測結果如圖11所示,主廠房、爐后基礎、煙囪、碎煤機室、綜合樓、干煤棚等單樁(樁徑600mm)豎向抗壓承載力特征值均滿足設計(2 360kN)要求;主廠房、綜合辦公室等單樁(樁徑800mm)豎向抗壓承載力特征值均滿足設計(4 250kN)要求;最大沉降量為綜合泵房處6號樁16.69mm,滿足沉降量不大于40mm的設計要求。

圖11 單樁靜載試驗檢測結果

2)由于項目場地地層較為復雜,對場地內(nèi)所有基樁均進行了低應變檢測,根據(jù)檢測結果可知,Ⅰ類樁730根,占所測樁數(shù)的96.5%,Ⅱ類樁26根,占所測樁數(shù)的3.5%,沒有Ⅲ類樁和Ⅳ類樁;通過對比分析,26根Ⅱ類樁主要出現(xiàn)在溶洞加固處理之前施工的基樁批次中,在溶洞位置出現(xiàn)擴徑現(xiàn)象。

3)根據(jù)前期勘察報告中揭露的巖溶發(fā)育情況及樁基施工過程中存在的不利因素,綜合選擇基樁施工質(zhì)量把握不大或者重要部位的基樁進行鉆芯檢測,根據(jù)相關規(guī)范要求共抽檢15根樁作取芯檢測,檢測結果如表4所示。

表4 基樁取芯檢測結果

綜上所述,通過對上覆超厚回填土及巖溶強發(fā)育地層加固處理,基樁施工質(zhì)量得到了有效的保證,各項檢測結果均滿足設計及規(guī)范要求。

6 結語

本文以湘南紡織產(chǎn)業(yè)基地熱電聯(lián)產(chǎn)項目為例,將巖溶強發(fā)育及超厚回填土地層中鉆孔灌注樁施工技術成功應用于工程項目中,并取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。通過在巖溶強發(fā)育及上覆超厚回填復雜地層中形成固結結構,有效解決了復雜地層中成孔難、易擴縮徑、灌注難等諸多工程難題,相較于傳統(tǒng)的處理工藝,該技術可大大節(jié)省施工材料、降低施工成本,縮短施工工期15天,累計節(jié)約旋挖鉆機30臺班,將灌注樁充盈系數(shù)從1.5降至1.05～1.1,為項目節(jié)約樁基施工綜合成本35%以上。

通過對基樁進行承載力及樁身完整性檢測,各項檢測指標均滿足設計及規(guī)范相關要求,低應變檢測中Ⅰ類樁占所測樁數(shù)的96.5%,Ⅱ類樁僅占所測樁數(shù)的3.5%,沒有Ⅲ類樁和Ⅳ類樁,足以證明該技術的應用,可有效防止塌孔、擴徑、縮徑、灌注混凝土時漿液流失等問題發(fā)生,保證成樁質(zhì)量,而且具有定向加固、加固質(zhì)量高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。在國內(nèi)類似項目中具有廣闊的應用前景。