樁基溶洞處理永久性內(nèi)鋼護(hù)筒法優(yōu)點與成本分析

藍(lán)奇

溶洞是我國南方巖溶地區(qū)修建橋梁工程時經(jīng)常遇到的。文章結(jié)合崇左西互通左江大橋主橋墩樁基施工實例，分析樁基施工遇到溶洞時采用永久性內(nèi)鋼護(hù)筒法處理方案的優(yōu)點和成本，探討永久性內(nèi)鋼護(hù)筒法處理樁基溶洞的可行性和有效性。

樁基溶洞;永久性內(nèi)鋼護(hù)筒法;優(yōu)點;成本分析

0?引言

對高速公路建設(shè)者而言，在橋梁樁基沖孔施工時遇到溶洞是比較麻煩的事，一方面是處理困難，需要花時間，進(jìn)度慢;另一方面是投資成本增加。因為橋梁樁基溶洞隱蔽于地下，其分布和發(fā)展情況及性質(zhì)很難充分地被了解和掌握，給施工和建設(shè)的正常推進(jìn)帶來極大不便，如處理方法不當(dāng)，往往會造成掉鉆、卡錘、埋錘、梅花孔、漏漿跑漿、塌孔等事故，甚至威脅橋梁運營安全。因此，充分了解橋區(qū)樁位所遇溶洞的發(fā)育規(guī)律、基本形態(tài)、規(guī)模大小、溶穴頂板巖層厚度、完整性、洞內(nèi)充填物形狀等情況，并采取穩(wěn)妥的措施，保證施工的順利進(jìn)行十分重要。本文就崇水高速公路崇左西左江大橋水中樁基溶洞處理所采用的方法和措施進(jìn)行介紹和分析。

1?橋梁概況及溶洞分布情況

崇左西互通左江大橋位于在建廣西崇左至水口高速公路RK1+458處——廣西崇左市寧明縣亭亮鄉(xiāng)那潭村附近的左江之上，大橋分左右兩幅進(jìn)行設(shè)計。大橋主橋橋跨布置為77 m+145 m+77 m，全長299 m，采用三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。主梁為現(xiàn)澆變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁，主橋墩為雙肢薄壁墩;崇左側(cè)引橋為3×20 m先簡支后連續(xù)應(yīng)力小箱梁;水口側(cè)引橋為1×20 m先簡支后連續(xù)應(yīng)力小箱梁。全橋總長為389.04 m。橋墩位于巖溶發(fā)育地區(qū)，橋位一帶淺層巖溶發(fā)育，其形態(tài)主要以溶洞、溶溝、溶槽、溶蝕裂隙等為主。根據(jù)設(shè)計地勘鉆探資料顯示，遇洞率>60%，有些溶洞向周邊延伸距離較大，屬于巖溶發(fā)育強烈地帶。主橋兩個橋墩即4#墩和5#墩位于左江深水區(qū)中，施工水位高程為108.185 m，4#墩樁頂設(shè)計高程為90.000 m，水深18 m;5#墩樁頂設(shè)計高程為91.000 m，水深17 m。主橋橋墩基礎(chǔ)采用承臺樁基礎(chǔ)，每個承臺下設(shè)置9根1.80 m的樁基，兩個橋墩4個承臺共36根樁，設(shè)計樁長最短為12.00 m，最長為37.00 m。

2?該橋梁樁基溶洞的特點和性質(zhì)

崇左西互通左江大橋的4#、5#墩共36根樁基進(jìn)行施工時，各根樁基都遇到大小不同的溶洞，甚至同一根樁基多次遇到溶洞，而且部分樁基出現(xiàn)沖孔泥漿跑漏現(xiàn)象，同時在橋位處江水的下游不遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)有沖孔跑漏泥漿冒出水面的現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)查和分析，得出的結(jié)論是：樁基處溶洞較多，而且有部分溶洞相互串通，沖孔跑漏的泥漿就是通過串通的溶洞向遠(yuǎn)處擴散并在河底薄弱處沖破河床冒出水面的。此外，在沖孔過程中還經(jīng)常遇到卡錘和外鋼護(hù)筒傾斜變形等問題。

3?橋梁樁基溶洞常見處理方法的缺點與不足

針對樁基施工中遇到溶洞問題，比較常見的處理方法有三種：

（1）先填充碎石或干砂，然后把外鋼護(hù)筒接長并打到溶洞底部，采用化學(xué)灌漿法或噴射灌漿法，固結(jié)充填物，最后按正常成孔方法進(jìn)行施工。

（2）直接用片石和泥土進(jìn)行充填，反復(fù)多次充填和沖孔直到溶洞被填塞密實，孔壁穩(wěn)定不再坍塌為止。

（3）直接灌注混凝土或片石混凝土填塞溶洞或以水泥砂漿回填。

以上三種方法的缺點是填充材料用量的不確定性，而且隨著遇到溶洞次數(shù)的增多，不確定性也隨之加大，使用數(shù)量與溶洞大小和溶洞數(shù)量成正比。同時，因混凝土容重較大，容易擠破孔壁而產(chǎn)生較大流失，流失的漿液或混凝土?xí)恿髟斐晌廴?。而且方案成功保證率不高，不能達(dá)到100%，一旦失敗，就得改變方案，既浪費時間又增加費用。

4?針對崇左西崇江大橋樁基溶洞情況擬采用的處理方案

針對大橋4個水中橋墩樁基施工中遇到溶洞的情況和問題，經(jīng)施工單位、監(jiān)理單位、業(yè)主單位和設(shè)計單位代表共同進(jìn)行分析和研究，為避免以上各種方法的缺點和不足，決定采用永久性內(nèi)鋼護(hù)筒法進(jìn)行處理。即樁基施工除按常規(guī)設(shè)置外鋼護(hù)筒外，在遇到溶洞時增設(shè)一個內(nèi)鋼護(hù)筒，內(nèi)鋼護(hù)筒的外直徑與樁基直徑相同，第一節(jié)長度需要根據(jù)溶洞所在的位置與樁頂?shù)木嚯x來確定，一般為溶洞所在的位置與樁頂?shù)木嚯x加2 m，然后邊沖孔邊沉入或打入內(nèi)鋼護(hù)筒，當(dāng)?shù)谝还?jié)鋼護(hù)筒下沉到其頂部與設(shè)計樁頂位置時，需接長鋼護(hù)筒直到設(shè)計樁底。該方法的特點是：（1）材料用量明確，與溶洞大小和溶洞數(shù)量沒有關(guān)系;（2）增加投資容易確定;（3）不需要制備專用護(hù)壁泥漿;（4）方案成功保證率為100%。

具體的施工方法是：（1）準(zhǔn)備壁厚為14 mm的鋼板，數(shù)量根據(jù)設(shè)計樁徑和樁長進(jìn)行確定。（2）對樁位處進(jìn)行清理。（3）沉入并固定或埋設(shè)好外鋼護(hù)筒。（4）沖孔機具架設(shè)與就位。（5）沖孔。當(dāng)樁基施工遇到溶洞時，根據(jù)溶洞所處位置與樁頂?shù)木嚯x，用事先準(zhǔn)備好的鋼板加工成與設(shè)計樁徑大小相同的內(nèi)鋼護(hù)筒，然后運到樁位處并用吊機把制作好的鋼護(hù)筒吊起放到樁基溶洞處并臨時固定，接著進(jìn)行沖孔，內(nèi)鋼護(hù)筒隨著沖孔的深入而下沉，每下沉2 m需要增加一節(jié)2 m長的內(nèi)鋼護(hù)筒并與之前已沉入樁基中的內(nèi)鋼護(hù)筒進(jìn)行焊接連接，直到設(shè)計樁底沖孔結(jié)束為止。（6）對內(nèi)鋼護(hù)筒進(jìn)行校正和固定。（7）拔出外鋼護(hù)筒并對樁基底進(jìn)行清孔。（8）下放鋼筋籠并固定。（9）澆筑混凝土完成樁基施工。

5?處理方案的優(yōu)點與作用分析

通過設(shè)置永久性內(nèi)護(hù)筒的方法對樁基溶洞進(jìn)行處理的優(yōu)點和作用如下：

（1）克服和減少了沖孔過程中沖孔泥漿或混凝土跑漿漏漿問題，較好地解決了因泥漿或混凝土跑漿漏漿對河流和江水造成污染的問題。

（2）樁基沖孔工作受影響時間較短，進(jìn)度有保證，為上部承臺與橋墩及上構(gòu)箱梁的施工贏得了寶貴的時間，更好地實現(xiàn)橋梁順利建成通車的目的。

（3）內(nèi)鋼護(hù)筒直接保護(hù)樁基孔壁，可以避免塌孔或縮徑問題，有利于水下混凝土灌注工作的連續(xù)進(jìn)行，能快速成樁，同時樁基質(zhì)量有保證。

（4）增強樁基強度和剛度，使樁基抵抗變形能力增強，保證樁基承載能力，確保后期運營安全。

（5）清孔工作進(jìn)行容易，不必?fù)?dān)心擾動到孔壁造成塌孔的問題和增加清孔難度與時間，有利于混凝土的快速澆筑。

（6）有利于鋼筋籠沉放，由于有內(nèi)鋼護(hù)筒的保護(hù)，鋼筋籠在沉放過程中不必?fù)?dān)心觸碰孔壁造成塌孔的問題，使鋼筋籠能盡快地安裝就位，有利于下道工序施工。

（7）永久性鋼護(hù)筒對樁基混凝土能起到保護(hù)作用，使樁身混凝土免受外界軟水等其它有侵蝕性或腐蝕性物質(zhì)的直接腐蝕或侵害，從而削弱混凝土強度，降低承載能力，影響橋梁后期的運營安全和使用壽命。

（8）可以最大程度地減少混凝土的損失量。一般情況下，灌注水下混凝土的充盈系數(shù)是1.3至1.5，如果出現(xiàn)異常情況，充盈系數(shù)將會更大。而因有內(nèi)鋼護(hù)筒的限制作用則充盈系數(shù)不會超過1.0。由此可見，采用內(nèi)鋼護(hù)筒法，可以節(jié)約大概30%～50%的混凝土用量。

崇左西左江大橋兩個主橋墩共四個承臺底下的各樁基溶洞經(jīng)過采用永久性內(nèi)鋼護(hù)筒法處理，沒有出現(xiàn)斷樁、夾泥、縮徑、斜孔、塌孔等問題和現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)因為溶洞處理不當(dāng)而造成樁基質(zhì)量差以及施工進(jìn)度延緩或河流污染等不良后果和問題。各樁基處理完成并達(dá)到規(guī)范要求齡期后，經(jīng)過具備合法資質(zhì)的檢測單位進(jìn)行檢測，樁檢報告顯示樁基質(zhì)量均為優(yōu)良。如今，墩柱和上部結(jié)構(gòu)已全部施工完成，橋梁樁基表現(xiàn)穩(wěn)定、良好，沒有出現(xiàn)不均勻沉降、開裂、承載力降低等不良問題。經(jīng)過實踐證明，針對崇左西左江大橋兩個主橋墩遇到的溶洞采用永久性內(nèi)鋼護(hù)筒法處理方案是有可行的和有效的。該方案對樁基溶洞的有效處理，使整座橋梁的建設(shè)提前了半年完工，為確保崇水路在2019-12-09建成通車奠定了堅實的基礎(chǔ)和創(chuàng)造了有利的條件。

6?方案的投資成本分析

以長度20 m的鋼護(hù)筒為例進(jìn)行分析，壁厚14 mm，重量為12.333 t，鋼護(hù)筒單價為6 120元/t，設(shè)置鋼護(hù)筒增加費用為7.547 8萬元。而如果采用片石+泥土進(jìn)行反復(fù)填充和沖孔的做法，除片石+泥土本身需增加費用外，灌注混凝土用量按設(shè)計充盈系數(shù)1.4計算，一根20 m長樁基所用混凝土約為51 m3，一根樁混凝土的富余量為51×0.40=20.40 m3。樁徑1.80 m樁基的單價為15 812.90元/m，換算成單價是6 213.32元/m3。以混凝土費用約占樁基2/3的費用進(jìn)行計算得20 m長樁基所需混凝土富余量的費用約為6 213.32×2/3×20.4=8.450 1萬元，其費用比采用永久性鋼護(hù)筒的費用還多。再加上片石+泥土的費用和制備專用護(hù)壁泥漿的費用，多花的費用將不低于1萬元，所以26根樁基可以節(jié)約的費用至少26萬元。

對于前述三種常見的橋梁樁基溶洞處理方法，第一種方法中化學(xué)漿液或水泥漿液和第三種方法中混凝土單價比較高，且容易流失，使用量大，其費用比第二種方法的要高得多，而采用永久性內(nèi)鋼護(hù)筒法節(jié)約的費用就更多了。

7?結(jié)語

總之，通過對該方案的優(yōu)點、作用、效果和投資成本與其他三種常用的樁基溶洞處理方法進(jìn)行對比分析，可以得出結(jié)論：在我國南方巖溶地區(qū)建設(shè)的各種橋梁，當(dāng)樁基施工遇到與廣西崇左西互通左江大橋相類似情況的溶洞時，可采用永久性內(nèi)鋼護(hù)筒法進(jìn)行處理。這是簡單易行且可靠實用的橋梁樁基溶洞處理方法，可以加快橋梁樁基施工進(jìn)度，有效縮短橋梁整體完工時間和工程建設(shè)工期，使工程能盡快投入運營，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司.崇左西左江大橋兩階段施工圖設(shè)計[R].2017.