超長(zhǎng)溶洞樁基施工技術(shù)的探討

魏志強(qiáng)

(中鐵大橋局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000)

圍繞超長(zhǎng)溶洞樁基施工中形成穩(wěn)定孔壁難;鉆進(jìn)進(jìn)度慢，周期長(zhǎng);在清孔及灌注水下混凝土過(guò)程塌孔、穿孔風(fēng)險(xiǎn)大的三大施工難度。我們對(duì)上述問(wèn)題作了仔細(xì)研究并取得了一定成果，為同類型鉆孔樁的施工提供了有益參考。

1 工程概況

滬昆客專是國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的“四縱四橫”鐵路客運(yùn)專線網(wǎng)的主骨架，是一條線路里程最長(zhǎng)、影響范圍最大、經(jīng)過(guò)省份最多的東西向客運(yùn)專線?？缱T邵高速公路特大橋主跨距譚邵高速韶山出口約2 km，跨譚邵高速公路特大橋主墩基礎(chǔ)按照上下游分體式設(shè)計(jì)，17號(hào)，17’號(hào)位于高速公路東側(cè)，18號(hào)，18’號(hào)位于高速公路西側(cè)，每個(gè)橋墩均設(shè)置8根直徑1.8 m鉆孔樁，上部結(jié)構(gòu)為90 m中承式異型拱。

17號(hào)，17’號(hào)，18號(hào)，18’號(hào)共4個(gè)主墩樁基礎(chǔ)均位于巖溶發(fā)育地區(qū)，設(shè)計(jì)樁樁長(zhǎng)100 m～125 m，平均樁長(zhǎng)120 m。17號(hào)墩粘土覆蓋層較厚，最大達(dá)到37 m。樁基溶洞呈連珠形式，平均需穿過(guò)15層溶洞，最多為20層，平均累計(jì)溶洞高度43.5 m，最大累計(jì)溶洞高度58.4 m。大部分溶洞無(wú)填充物，含有巨型溶洞，最大溶腔高度為17.5 m。溶洞在墩位處基本為全連通，在地質(zhì)勘探時(shí)還發(fā)現(xiàn)與600 m外的獅山村水井連通，溶洞內(nèi)有探頭石。

2 超長(zhǎng)溶洞樁基施工難點(diǎn)

1)樁基溶洞多，各溶洞無(wú)填充且互相連通，同時(shí)墩位臨近高速公路，形成穩(wěn)定孔壁確保鉆進(jìn)不塌孔，確保成孔質(zhì)量難度大;2)樁基最長(zhǎng)樁長(zhǎng)達(dá)125 m(孔深135 m)，加快鉆進(jìn)進(jìn)度控制成樁周期難度大;3)成孔后清孔及灌注水下混凝土過(guò)程中不塌孔確保成樁質(zhì)量難度大。為此，我們對(duì)上述問(wèn)題作了仔細(xì)研究，為同類型鉆孔樁的施工提供參考。

2.1 形成穩(wěn)定孔壁確保成孔質(zhì)量

下放鋼護(hù)筒對(duì)松散的覆蓋層通過(guò)自身剛度形成穩(wěn)定孔壁;水玻璃注漿體通過(guò)固結(jié)填充等形式對(duì)無(wú)填充和半填充溶洞形成有一定強(qiáng)度的人工護(hù)壁;片石黃泥填充擠壓對(duì)全填充溶洞形成較穩(wěn)定的人工護(hù)壁。具體敘述如下:

本工程臨近高速公路，樁基距離高速公路最近為8.5 m，鉆孔樁形成穩(wěn)定的孔壁不僅是鉆孔的需要，同時(shí)也能確保高速公路不會(huì)因孔壁坍塌造成路基下沉。因此我們采用了綜合處理方式:

1)開(kāi)鉆前，在承臺(tái)周圍及樁身鉆孔對(duì)無(wú)填充或者半填充溶洞預(yù)注水玻璃漿，可以有效隔斷溶洞，固結(jié)樁周土體，形成穩(wěn)定孔壁。2)所有鉆孔樁在開(kāi)孔后，采用護(hù)筒跟進(jìn)至嵌入穩(wěn)定的巖層2 m?？杀苊庖蜚@孔樁泥漿流失后形成孔壁負(fù)壓造成局部坍塌，防止高速公路路基局部下沉。3)鉆進(jìn)過(guò)程中采用片石、黃土回填處理部分全填充或者局部漏漿的溶洞。采用片石、黃土回填后反復(fù)沖砸至擠密孔壁，可進(jìn)一步加強(qiáng)孔壁穩(wěn)定。

2.2 加快超長(zhǎng)溶洞樁基沖擊鉆，縮短成孔周期

施工過(guò)程中采用泥漿分離器等設(shè)備加快泥漿循環(huán)清渣以提高進(jìn)度;采用自動(dòng)操作裝置代替人工提高效率，減少誤操作，提高進(jìn)度。

常規(guī)沖擊正循環(huán)鉆機(jī)在鉆進(jìn)超長(zhǎng)溶洞樁基時(shí)成孔慢的主要原因有以下幾點(diǎn):

1)配套泥漿泵等設(shè)備對(duì)于泥漿浮渣的作用有限，造成清渣慢，孔底易板結(jié)。

2)孔深后主繩難以有效使鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，容易形成十字槽卡鉆。

3)全填充溶洞處巖石軟硬不均，易造成沖擊鉆頭偏孔，嚴(yán)重時(shí)卡鉆。半填充和無(wú)填充溶洞處易發(fā)生卡鉆，有時(shí)還會(huì)因空打斷繩后掉鉆。

針對(duì)這些問(wèn)題，我們從改善換漿設(shè)備，控制沖程，加快沖擊頻率等方面進(jìn)行改進(jìn):

1)配置ZX200型泥漿分離器，在鉆孔過(guò)程中及時(shí)清渣，同時(shí)設(shè)置配漿池，有效提高了循環(huán)清渣的進(jìn)度。

2)對(duì)鉆機(jī)安裝自動(dòng)操作裝置。微機(jī)控制的自動(dòng)操作裝置通過(guò)檢測(cè)和控制鋼絲繩的松弛量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖擊。在沖擊開(kāi)始前，首先設(shè)置鉆機(jī)沖程和松弛量，然后由微機(jī)發(fā)出閉合液壓離合器控制信號(hào)，使卷?yè)P(yáng)機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)，并記錄轉(zhuǎn)筒初始轉(zhuǎn)角位置，在轉(zhuǎn)筒不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，不斷采集記錄轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)角位置，當(dāng)鋼絲繩拉緊時(shí)微機(jī)將此時(shí)轉(zhuǎn)角信息與初始轉(zhuǎn)角信息比較，修正鉆頭提升量。當(dāng)鉆頭提升達(dá)到提升量后微機(jī)控制將離合器打開(kāi)，在沖程達(dá)到設(shè)定沖程后離合器閉合進(jìn)行下次沖擊。在主繩達(dá)到?jīng)_程仍未出現(xiàn)松弛時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)鎖死停機(jī)，防止鉆頭下落過(guò)大。在實(shí)際操作中，我們?cè)O(shè)定1.2 m沖程，沖擊頻率達(dá)到15次/min，比常規(guī)沖擊鉆機(jī)7次/min～8次/min，沖擊效率有了極大的提高。使用自動(dòng)控制后，主繩松弛量極小，主繩基本處于收緊狀態(tài)，鉆頭擺動(dòng)小，擴(kuò)孔率小。在擊穿溶洞頂面后未出現(xiàn)松繩過(guò)多而卡鉆。鉆頭在孔底停頓時(shí)間極短，使鉆頭及孔底段泥漿保持轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，也避免了出現(xiàn)十字槽。

2.3 優(yōu)化配合比

選擇高性能混凝土;鋼筋籠對(duì)應(yīng)溶洞處外包鋼筋網(wǎng)片，有效減小混凝土對(duì)孔壁側(cè)壓力，避免孔壁壓穿，確保成樁質(zhì)量。

混凝土配合比優(yōu)化后，在保證強(qiáng)度和耐久性的前提下，和易性優(yōu)良，緩凝時(shí)間12 h滿足灌注要求。

在鋼筋籠加工時(shí)，針對(duì)超大溶洞，在對(duì)應(yīng)鋼筋籠位置外包一層3 cm×3 cm網(wǎng)眼的鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片包裹外徑同樁徑。外包網(wǎng)片按鋼筋籠分節(jié)設(shè)置，施工方便，有效減小混凝土灌注過(guò)程中混凝土對(duì)孔壁側(cè)壓力，避免孔壁擊穿。

3 樁基施工方案

3.1 總體施工安排

由于橋位巖溶形態(tài)復(fù)雜，溶洞互相連通，孔深最大達(dá)到135 m，采用10 t以上的卷?yè)P(yáng)機(jī)，鋼絲繩采用φ28鋼絲繩。本地區(qū)巖石強(qiáng)度較高，鉆頭重量應(yīng)保證在6 t以上。開(kāi)孔時(shí)根據(jù)地質(zhì)資料確定合理開(kāi)孔順序。針對(duì)樁基臨近韶山高速公路，覆蓋層厚，溶洞多的難點(diǎn)，采用承臺(tái)四周注漿封閉預(yù)處理，鋼護(hù)筒防護(hù)跟進(jìn)至巖面，片石、黃泥過(guò)程處理相結(jié)合的綜合處理技術(shù)，確保成孔質(zhì)量，也確保臨近高速公路的施工安全。針對(duì)樁基為超長(zhǎng)樁，尤其是溶洞樁基，孔深后泥漿比重較大，沖擊能低，進(jìn)尺緩慢，磨損鋼絲繩;鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，容易形成十字槽、卡鉆的難點(diǎn)采用加重鉆頭及自動(dòng)控制裝置保證成孔進(jìn)度。在超大溶段對(duì)應(yīng)鋼筋籠位置外包一層3 cm×3 cm網(wǎng)眼的鋼筋網(wǎng)片，減小混凝土灌注過(guò)程中混凝土對(duì)孔壁側(cè)壓力，確保成樁質(zhì)量。

3.2 溶洞樁基施工關(guān)鍵工序

3.2.1 溶洞注漿預(yù)處理

水玻璃注漿可以加固溶洞填充物和填滿溶洞空間，防止鉆孔樁施工時(shí)泥漿流失及坍孔等情況的發(fā)生，保障成孔及水下混凝土澆筑等施工工序的順利完成。在鉆孔樁施工時(shí)，在承臺(tái)四周及樁間布置壓漿孔進(jìn)行灌注水玻璃漿，樁身四周孔距按照6 m～8 m布置灌漿孔。注漿時(shí)多層溶洞從最上層溶洞開(kāi)始注漿作業(yè)，逐層鉆探逐層注漿。注漿時(shí)注漿管伸入溶洞底部，邊注漿邊緩慢上提，對(duì)超大溶洞及串通溶洞采用間隔壓漿以減少用漿量。

3.2.2 護(hù)筒跟進(jìn)

17號(hào)，17’號(hào)墩距離高速公路較近，采用鋼護(hù)筒穿透覆蓋層后跟進(jìn)至穩(wěn)定巖面以下1 m～2 m的穩(wěn)定層可以有效起到孔壁防護(hù)的作用，也可以避免因鉆孔樁孔壁坍塌造成高速公路路面塌陷。

首先利用3 m高，直徑2.4 m的護(hù)筒開(kāi)孔，加大鉆頭直徑至2.05 m鉆至穩(wěn)定巖面以下1 m～2 m，采用直徑2 m的護(hù)筒跟進(jìn)至孔底。護(hù)筒跟進(jìn)完成后將鉆頭改成1.8 m把護(hù)筒底口沖砸密實(shí)，同時(shí)內(nèi)護(hù)筒與外護(hù)筒間隙用黃土填塞密實(shí)后正常鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.2.3 鉆進(jìn)過(guò)程中溶洞處理

鉆進(jìn)過(guò)程中溶洞處理主要采用片石、黃土回填，反復(fù)沖砸至溶洞擠密孔壁，彌補(bǔ)加固注漿處理薄弱段，有效形成穩(wěn)定孔壁。

回填時(shí)針對(duì)不同地質(zhì)情況采用不同比例片石、黃土回填，按先堵后擠的方式處理，控制漏漿，保持孔內(nèi)水頭，再分層回填反復(fù)沖砸至不漏漿。

3.2.4 鋼筋籠外包網(wǎng)片

在鋼筋籠加工時(shí)，在超大溶段對(duì)應(yīng)鋼筋籠位置主筋焊網(wǎng)片支撐筋，外包一層3 cm×3 cm網(wǎng)眼的鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片包裹外徑同樁徑，有效減小混凝土灌注過(guò)程中混凝土對(duì)孔壁側(cè)壓力。

3.2.5 自動(dòng)操作裝置安裝調(diào)整

微機(jī)控制的自動(dòng)沖擊鉆機(jī)減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。施工時(shí)在幾臺(tái)鉆機(jī)上設(shè)置1 m～2 m沖和松弛量進(jìn)行鉆進(jìn)，比較各地質(zhì)情況下鉆進(jìn)情況，調(diào)整設(shè)置最合適沖程。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程超長(zhǎng)溶洞樁基通過(guò)一系列的技術(shù)手段，達(dá)到了安全優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)，采用自動(dòng)化操作裝置降低施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到了高效的目標(biāo)。該項(xiàng)目對(duì)于類似項(xiàng)目施工具有一定的借鑒意義。

[1] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.跨譚邵高速公路特大橋〈長(zhǎng)昆客專(長(zhǎng)玉段)施橋—52A〉設(shè)計(jì)圖[Z].2009.

[2] 《公路施工手冊(cè)》編寫組.公路施工手冊(cè)——橋涵[M].北京:人民交通出版社，2010.

[3] 任立濤.樁基施工小結(jié)[J].山西建筑，2010，36(17):121-122.