巖溶地區(qū)地基處理及樁基施工技術(shù)

　　工程概況

　　――工程簡介

　　京福高速公路泰安至曲阜段全長49.863公里，其中在K15+450～K25+000 段集中了大汶河特大橋、土門特大橋等大、中、小橋11座。由于地質(zhì)情況多變，橋梁樁長設(shè)計不等，且流砂、溶洞等不利因素的影響，給樁基成孔造成了很大的困難，使樁基施工成為該項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　――地質(zhì)概況

　　大汶河特大橋處于大汶河流域區(qū)，其特征是北岸略有淤積，南岸侵蝕后退。南側(cè)河床基巖近乎裸露，北側(cè)河床堆積有較厚的中粗砂層，場地堆層大致分為 3層，自上而下為：中粗砂、風(fēng)化頁巖、石灰?guī)r、裂隙巖溶，主要發(fā)育在孔深(自施工地算起)7～15米和孔深19～23米處。土門特大橋位于大汶口盆地的東南部邊緣，大汶河北岸二級階地一線，地下水位埋深9～14米，地層按成因共分3 層，上部發(fā)育有較厚的汶河沖積砂層，厚度10～15米，最厚處達(dá)24米，其下為汶口組強(qiáng)風(fēng)化泥巖(已完全風(fēng)化為粘土)，第3層為中奧陶系石灰?guī)r，本層次變化較大，各樁號處深度，結(jié)構(gòu)均不一致，溶洞裂隙特別發(fā)育，已基本串通，且與汶河地表水有水力聯(lián)系，水量豐富，部分樁號形成了極軟及流塑狀粘性土，(稀泥)，構(gòu)成場地復(fù)雜的水汶地質(zhì)及工程地質(zhì)條件。

　　施工方案及其實(shí)施情況

　　本段的地質(zhì)條件有兩大難題困擾著樁基成孔，一是上部厚砂層遇水形成流砂，極易造成淤積、塌孔;二是巖層中的溶洞，溶液溝和部分樁基處形成的流塑狀粘性土(稀泥)極易造成塌孔、斜孔、卡(掉)鉆、縮孔，尤其是上部厚砂層在遇到未充滿的大溶洞時，鉆孔可能出現(xiàn)整體坍塌，損壞鉆機(jī)，危及人身安全。為確保樁基成孔順利，進(jìn)場后我們對部分樁基進(jìn)行了鉆探，目的在于查明地質(zhì)情況和巖溶發(fā)育規(guī)律，共增設(shè)地質(zhì)鉆孔166個，加上設(shè)計提供的地質(zhì)鉆孔88個，基本上概括了本段的地質(zhì)情況，地層結(jié)構(gòu)，確定采用挖孔和沖擊鉆鉆孔兩種方案。施工中根據(jù)實(shí)際情況，部分樁基采用了挖孔和鉆孔相結(jié)合的方案，實(shí)施效果比較成功。

　　――挖孔樁施工

　　1、挖孔樁施工遇到的主要問題是排水和流砂處理，最早施工的挖孔采用沉井法磚砌護(hù)壁，汶河橋0#臺，1～3# 墩采用此法施工，但挖至10～12米時，遇水形成流砂，因流向不均，造成孔位偏移，多次糾偏而不能較正。經(jīng)研究后改用現(xiàn)澆混凝土護(hù)壁，為10～15 厘米厚C25混凝土護(hù)壁，采用525水泥，摻加早強(qiáng)劑等措施，提高混凝土護(hù)壁的早期強(qiáng)度，加快拆模時間。為保證護(hù)壁不坍塌，不脫落，在護(hù)壁內(nèi)加設(shè)豎向及環(huán)形拉結(jié)筋，采用Φ8盤條鋼筋，環(huán)形筋0.4～0.6米設(shè)一道。豎向拉結(jié)筋根據(jù)孔徑不同分別為6根、8根、10根。

　　2、砂層挖孔施工在深入地下水位后，極難挖進(jìn)，基本上是邊挖邊被淤平。該處施工時縮短了護(hù)壁長度。每挖進(jìn)0.3～1.5米左右便支模澆筑護(hù)壁，并以袋裝水泥、片石、草袋堵塞等措施封堵流砂。對于溶洞、暗流及承壓水造成的排水困難或涌砂現(xiàn)象，采用注漿法封堵，具體作法：清理樁孔后，填放袋裝泥土充填樁孔，澆筑50厘米厚水下混凝土封頂蓋，待48小時，封頂凝固后進(jìn)行壓漿，壓漿24小時后重新抽水開挖。壓漿給進(jìn)程序?yàn)椋耗酀{→水泥漿→水泥砂漿。砂漿配合比例為：水泥∶砂=1∶1，摻入水泥用量1%的水玻璃，水泥砂漿稠度控制在2s～10s，漿泵壓力控制在0.4～0.6MPa。

　　3、K22+062通道橋12根Ф1.2米樁基，挖孔至12～14米深時，因水量大，很難挖進(jìn)，0#臺右1樁，1#臺右3樁因流砂現(xiàn)象變成涌砂，原先已挖至14米深，但第二天量測時變?yōu)?1米，涌進(jìn)3米厚砂。我們采用注漿法封水，12根樁共注漿19次，投入水泥123噸。

　　――鉆孔樁施工

　　1、場地準(zhǔn)備

　　鉆孔樁施工場地必須合理布置，首先應(yīng)保證工地便道暢通，保證混凝土澆筑時的車輛，設(shè)備具備工作面，土門特大橋鉆孔施工時泥漿池盡量避開連續(xù)的工作區(qū)，降低地基處理費(fèi)用。汶河特大橋首先填筑一條8米寬便道，主河道處設(shè)置2孔×5米的便橋，然后對各排樁孔處進(jìn)行筑島，島面高出水面0.5～1.0米。

　　2、護(hù)筒的制作與設(shè)置

　　護(hù)筒的作用是固定位置，導(dǎo)向鉆頭，隔離地面水，提高孔內(nèi)水位，保證孔口不坍塌，防止鉆機(jī)坍塌，其埋設(shè)情況對成孔、成樁的質(zhì)量有重大影響。汶河橋 13～27號樁位于河道中，尤其13～20號樁，河床上淤積有3～4米的砂層，地下水位與地表河水相當(dāng)，鉆孔時易出現(xiàn)坍塌或反穿孔現(xiàn)象。我們采用10毫米厚的整體式鋼護(hù)板，其內(nèi)徑比樁徑大30厘米，長為6～8米，采用16噸的吊車配合90KW的震動錘將護(hù)筒穿過新填土及砂層，進(jìn)入風(fēng)化頁巖約2米，土門特大橋?yàn)?毫米厚鋼板焊制2.5米長護(hù)筒，采用挖埋法將護(hù)筒就位。后期基本為挖孔與鉆孔相結(jié)合，即以挖孔樁的混凝土護(hù)壁作為長護(hù)筒進(jìn)行沖擊鉆孔。

　　3、泥漿制備

　　泥漿性能指標(biāo)

　　表1指標(biāo) 相對密度 粘度 含砂率 膠體率 酸堿度 數(shù)值 1.2～1.4 22s～26s ≤4% ≥95% 8～11

　　為保證泥漿性能，我們從20公里外的北山購買優(yōu)質(zhì)紅粘土，為提高泥漿的膠體率和穩(wěn)定性，降低失水率，經(jīng)實(shí)驗(yàn)后，按孔中泥漿的0.2%摻入純堿粉。

　　4、成孔工藝

　　對流砂巖溶地區(qū)樁基成孔，只有全套管鉆機(jī)或沖擊鉆機(jī)適用，普通旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)不能處理溶洞，且對洞底堅硬灰?guī)r層鉆進(jìn)困難，極易損壞鉆頭，經(jīng)綜合考慮，確定為沖擊鉆沖擊成孔，利用沖擊錘盡力沖擊，在砂層或溶洞處沖砸、擠壓泥石，填塞孔洞形成泥石護(hù)壁。

　　(1)在砂層、回填土、軟塑粘土層和卵石層鉆進(jìn)時，采用小沖程(50～75 厘米)，并提高泥漿的粘度和相對密度，拋填小片石反復(fù)沖擊。尤其護(hù)筒底腳下2～4m范圍內(nèi)，應(yīng)認(rèn)真施工，使孔壁堅密不塌不漏。此時施工應(yīng)緩慢漸進(jìn)，樁孔上部護(hù)壁相當(dāng)于建筑物的基礎(chǔ)，如施工質(zhì)量不好，向下鉆進(jìn)時稍遇問題，有可能整體坍塌。如土門橋33～37號樁，開工初期，施工人員對地質(zhì)熟悉不夠，急于求成，一天鉆進(jìn)10多米，結(jié)果遇溶洞時，稍微漏漿均出現(xiàn)不同程度的坍塌。 36號右2樁，在鉆進(jìn)28米左右遇溶洞，施工人員來不及處理，使整體坍塌，鉆機(jī)傾覆，錘頭被埋住。測量定位后，重新埋設(shè)護(hù)筒，配置錘頭重新鉆進(jìn)，將近埋鉆位置時，用鐵管伸入孔中以高壓水沖射，用吊車配合鉆機(jī)提上錘頭。前后處理時間長達(dá)37天。

　　(2)在巖溶層鉆進(jìn)時，應(yīng)熟悉地質(zhì)資料，作好準(zhǔn)備，將鉆至溶洞時，改用小沖程緩慢鉆進(jìn)，防止突然打穿溶洞頂板，造成卡鉆，備足粘土、片石、袋裝水泥等材料，漏漿時，馬上回填，以小沖程反復(fù)沖砸，形成泥壁，堵塞洞內(nèi)的通道，防止孔壁坍塌和泥漿流失。必要時提前對溶洞進(jìn)行注漿處理。

　　汶河橋4號左2樁在鉆至25米深時，遇溶洞，出現(xiàn)漏漿，立即向孔內(nèi)回注漿液，同時用裝載機(jī)配合，向孔內(nèi)拋粘土13立方，片石9立方，回填到16米深度，止住了漏漿，用小沖程緩慢鉆進(jìn)，該樁施工共投入粘土28立方，片石20立方，用17天時間成孔。

　　土門橋42號右樁，樁址處有高達(dá)11米的大溶洞，半充填，右4樁孔施工中，大小塌孔達(dá)12次，共投入粘土160多方，片石107方，水泥20噸，用67天才成孔，經(jīng)研究我們對右1、右2、右3樁孔，提前進(jìn)行注漿填充，用21天時間，共注入水泥230噸，3個樁孔用56天時間成孔。

　　(3)因巖溶層地質(zhì)復(fù)雜，洞內(nèi)巖面高低不平，或一面有巖，一面懸空，容易造成卡鉆和斜孔，此時必須拋填粘土、片石，用低沖程沖砸，反復(fù)循環(huán)，多次休整樁孔，保證沖孔質(zhì)量。 土門橋26號左2、47號左1、左4、48號左2、左3樁孔均處于高差懸殊的巖石陡壁上，每個孔必須經(jīng)過多次糾偏，才能成孔。28號左2樁自21米～35.8米處為陡峭的懸崖，每鉆進(jìn)1～2米便需拋填粘土、片石進(jìn)行糾偏，共投入粘土120多方，片石80多方，歷時35天才成孔。

　　5、卡鉆、掉鉆的預(yù)防和處理

　　在遇到探頭石、落石、梅帶孔、巖溶層的溶溝、溶槽或擊穿溶洞頂板時，極易發(fā)生卡鉆，此時應(yīng)拋填片石，高頻低程沖砸。如已發(fā)生卡鉆，應(yīng)仔細(xì)分析原因，不可妄動，以免造成越卡越緊或掉鉆事故，當(dāng)鉆頭可活動時，可上下提動鉆頭，并使鉆頭轉(zhuǎn)動一個角度，反復(fù)嘗試，有可能提出，或用吊車配合鉆機(jī)，同時或交替提動，有時能將錘頭提出。用小沖錘(以圓鋼或鋼軌焊接)在樁孔一側(cè)沖擊，并配合高壓空氣或高壓水沖射，使卡點(diǎn)松動后提出鉆頭。必要時可試用水下爆破法，震松卡錘，吊車配合提出鉆頭。

　　汶河橋14號左1樁，土門橋17號左3樁，因溶洞原因形成探頭石，錘頭被卡住，我們用鋼軌焊制重約1噸的小沖錘，查處卡點(diǎn)位置后，在樁孔一側(cè)反復(fù)沖擊，同時將膠管伸入孔內(nèi)以高壓水沖射，使卡點(diǎn)松動后提出錘頭。

　　掉鉆的原因主要是大錘的老化破斷，或大繩與錘頭連接不好，鉆孔中應(yīng)時常檢查機(jī)具設(shè)備防止掉鉆，如掉鉆后立即打撈，根據(jù)不同情況，采用能夠適宜的打撈工具。條件允許時，可采用潛水員潛入樁孔打撈，如汶河橋5號右2樁，因大繩破斷，多次打撈無效后，請青島海軍部隊的潛水員潛入樁孔，掛上錘頭提出。

　　――挖孔與鉆孔樁相結(jié)合施工

　　K21+851分離立交，是最早開始鉆孔施工的，0號臺左2樁在鉆至14米深左右，孔內(nèi)泥漿快速下沉，不到1分鐘的時間，泥漿漏完，孔壁坍塌，而后我們又在0號臺右3、3號臺左3分別進(jìn)行鉆孔，都是鉆至14米左右，突然漏漿，造成塌孔。根據(jù)鉆探資料表明，該處底下有暗河發(fā)育，經(jīng)過研究，決定人工挖孔，用現(xiàn)澆混凝土護(hù)壁，在挖至12.5米時，遇到巖層，此時滲水量極大，每個孔中放4臺水泵，水面基本不下降，經(jīng)過反復(fù)商討，重新架立鉆機(jī)，實(shí)驗(yàn)性的施工3號臺1樁，在鉆至14.2米時出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，因護(hù)壁座設(shè)在硬基上，護(hù)壁質(zhì)量較好，未造成坍塌，在拋填粘土、片石后重新鉆進(jìn)，出現(xiàn)漏漿后，再填再鉆，如此反復(fù)沖砸5次，終于穿過滲透層，4天后鉆至設(shè)計標(biāo)高。該樁實(shí)驗(yàn)成功后，又調(diào)入了 3臺鉆機(jī)，經(jīng)過2個月時間，24根樁全部施工完畢，此時全線還剩312根樁基。我們集合鉆孔和挖孔人員，開會商討，經(jīng)過反復(fù)論證，逐孔分析，認(rèn)為此種方法可行，只要保證混凝土護(hù)壁施工質(zhì)量，加設(shè)足夠鋼筋，鉆孔時，沖擊錘避免碰撞孔壁，以混凝土護(hù)壁代替長護(hù)筒施工，在出現(xiàn)漏漿時，不至于出現(xiàn)樁孔整體坍塌。

　　土門橋20號、21號樁溶洞體積較大，上部為人工挖孔混凝土護(hù)壁，深度為 18～24米，下部采用沖擊鉆鉆孔，在鉆至27米時，出現(xiàn)漏漿，拋填粘土，片石重新沖砸，反復(fù)多次不能封堵，而且在20號鉆孔時，發(fā)現(xiàn)21號漿面有反應(yīng)，我們決定灌注砂漿封填溶洞，用M10砂漿，通過導(dǎo)管采用水下澆注從8個樁孔共灌進(jìn)砂漿102立方米，7天后，重新鉆進(jìn)，只有20號左3出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，拋填粘土、片石后重新鉆進(jìn)成孔。

　　體會

　　1、巖溶地區(qū)樁基在設(shè)計或施工時，應(yīng)該逐孔進(jìn)行地質(zhì)鉆探，查明地質(zhì)情況，為設(shè)計和施工提供詳盡資料。

　　2、在厚層挖孔施工，采用現(xiàn)澆混凝土護(hù)壁，加設(shè)鋼筋保證護(hù)壁質(zhì)量，此法基本可行，但是挖孔施工遇到大量涌水時，操作困難。

　　3、在厚砂層和溶洞發(fā)育地段鉆孔，上部砂層施工應(yīng)緩慢鉆進(jìn)，反復(fù)沖砸，確保護(hù)壁質(zhì)量，不可急于求進(jìn)，防止下部巖溶層施工出現(xiàn)隱患。

　　4、溶洞處理用拋填粘土、片石，小沖程沖砸等方法，形成泥石護(hù)壁，堵塞空洞，巖溶層施工應(yīng)做事到“提前預(yù)防，及時處理，根治徹底”。

　　5、對于厚砂層覆蓋的巖溶地區(qū)樁基成孔，采用挖孔與鉆孔相結(jié)合施工比較合適，以挖孔的混凝土護(hù)壁代替鉆孔的長護(hù)筒。施工時，護(hù)壁內(nèi)徑比設(shè)計的樁徑加大3～5厘米，其底部應(yīng)設(shè)在粘土層或風(fēng)化巖層中，鉆孔施工遇到溶洞后出現(xiàn)漏漿，但不會造成大的坍塌，為處理溶洞提供了足夠的時間。

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