喀斯特發(fā)育地層深基坑鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)

任登富，鄭文昌，冉 川，葉華文，王化武，周保安，陳海勇，王軍輝

(1.貴陽市城市軌道交通集團有限公司,貴州貴陽 550000；2.中鐵隆工程集團有限公司,四川成都 610000；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031；4.中國鐵路昆明局集團有限公司,云南昆明 650011；5.中國鐵路成都局集團有限公司,四川成都 610082；6.中鐵開發(fā)投資集團有限公司,云南昆明 650100)

鉆孔灌注樁是一種重要的城市建筑深基坑圍護結(jié)構(gòu)，能顯著提高基坑施工的安全性，有利于維持地面交通運行。李斌[1]將潛孔鉆機鉆孔引入樁基施工中，解決了巖石堅硬或巖溶、斜巖地質(zhì)情況下沖擊鉆成孔效率低的問題，提高了樁基的施工效率和質(zhì)量。劉興文[2]采用固定鉆孔平臺施工并改進鉆孔施工工藝，保證了水中大直徑超深鉆孔灌注樁的工程質(zhì)量與施工安全。李恒太[3]根據(jù)京滬高鐵淮河特大橋研究了深水鉆孔平臺的設(shè)計施工、不同地質(zhì)條件下鉆壓鉆速的控制等問題，解決了深水復(fù)雜地質(zhì)條件下進行大直徑鉆孔灌注樁施工的關(guān)鍵技術(shù)。喬華棟[4]詳細論述了在弱風(fēng)化鈣質(zhì)砂質(zhì)泥巖地區(qū)橋梁灌注樁的施工技術(shù)。帥毅[5]結(jié)合工程實例，介紹了橋梁鉆孔灌注樁的施工技術(shù)。張彥彬[6]結(jié)合工程實例，研究了鉆孔灌注樁樁端后注漿的適用地質(zhì)條件、加固機理、施工參數(shù)及樁端后注漿的效果對比。胡在良[7]針對虞城特大橋，在分析了樁基施工的重難點后提出了對該樁基礎(chǔ)進行質(zhì)量控制的若干措施和相應(yīng)的施工建議。吳洪濤[8]闡述了鉆孔灌注樁的關(guān)鍵技術(shù)流程，并深入分析了鉆孔灌注樁的新工藝、新技術(shù)。劉永峰[9]從施工機械、泥漿控制、混凝土灌注、護筒使用等方面研究了沿海深淤泥層的鉆孔灌注樁施工方法。薛興喜[10]通過樁基施工實踐，分析了鉆孔灌注樁施工中的質(zhì)量和事故問題并提出了相關(guān)的質(zhì)量控制措施。柴偉[11]對超長鋼護筒用作易坍塌溶洞發(fā)育地區(qū)鉆孔灌注樁施工中的支護進行了分析討論，保證了基樁鉆孔過程中覆蓋層不會出現(xiàn)坍塌等事故。魏珂[12]以保定市樂凱大街南延工程為實例,通過把擴底成孔試驗及和施工經(jīng)驗相結(jié)合的方式來闡述超長大直徑旋挖鉆孔擴底樁技術(shù)。王玉琦[13]結(jié)合工程實例，總結(jié)了溶洞地質(zhì)條件下的施工技術(shù)并對傳統(tǒng)鉆孔灌注樁的主要施工方法進行了研究，解決了樁基穿越溶洞的問題。金濤[14]以某橋梁工程為例，詳細研究了鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工工藝并簡要探討了幾項施工質(zhì)量控制措施。肖瑞玥[15]分析了灌注樁施工中遇到的溶洞、溶溝、溶槽等問題并提出了相應(yīng)的改善措施。

貴陽市軌道交通2號線七機路口站(以下簡稱：該站或車站)基坑主體圍護樁最大樁深27.9 m、基坑最大開挖深度24.9 m，該站屬典型的喀斯特發(fā)育地層深基坑工程。本文以該站基坑圍護工程為背景，結(jié)合車站近域工程和水文地質(zhì)條件，對圍護樁施工中遇到的諸如樁孔坍塌、地面沉降的問題進行分析研究，提出相應(yīng)的解決措施和施工方法，解決了喀斯特發(fā)育地層的城市深基坑灌注樁的施工難題。

1 工程概況

七機路口站位于貴陽市白云區(qū)，軌道交通2號線由北向南沿白云北路敷設(shè)(圖1)，車站兩側(cè)有商鋪、加油站和辦公樓等建筑，基坑兩側(cè)還有大量給水、燃氣、通信等管線。車站為地下兩層高11 m的島型柱式站臺，車站總長388.6 m，標準段寬19.9 m，明挖法施工；其中主體圍護樁共計438根、5種樁型，樁徑1.2 m，樁長18.7～27.9 m(圖2)，樁間距1.5～2 m，樁身混凝土強度C35，樁身配筋，成樁工藝為旋挖鉆成孔+水下混凝土澆筑。

圖1 車站平面

圖2 車站橫斷面

該站址區(qū)基覆界面起伏大，下部紅粘土多呈塑性至軟塑態(tài)；址區(qū)及近域巖溶發(fā)育，下伏基巖溶蝕裂隙、溶洞發(fā)育，局部規(guī)模范圍超10 m，發(fā)育斷層構(gòu)造，地基及邊坡巖體完整性較差，地下水位較高(圖3、圖4)。

2 灌注樁施工中的問題與分析

2.1 成孔遭遇的問題

車站基坑主體圍護樁施工前期，成孔中塌孔、孔內(nèi)涌泥、孔周地表開裂等(圖5)時有發(fā)生，對周圍建筑物產(chǎn)生了較大影響，存賦安全隱患；基坑底部位于地下水位以上，坑內(nèi)開挖施工導(dǎo)致地下水位下降、改變了車站小近域的水文地質(zhì)條件，造成東側(cè)路面沉降變形、局部開裂及周邊建筑物、管線的變形開裂等次生災(zāi)害(圖6)。

圖3 站址巖溶發(fā)育

圖4 車站地質(zhì)縱斷面

圖5 主體圍護樁樁孔坍塌

圖6 場區(qū)東側(cè)路面破壞

2.2 塌孔原因分析

當旋挖機開挖至地下水位以下時，軟塑狀紅粘土受擾動呈流塑狀，向樁孔內(nèi)溜坍、流失，堆沉至樁孔底部，孔底土泥體時常清理不盡，雖實施了常規(guī)鋼護筒護壁，但效果不佳。經(jīng)反復(fù)查驗現(xiàn)場、分析認為：

(1)上覆軟流塑紅黏土受擾動溜坍。地下水位較高，當旋挖機開挖至地下水位以下時，軟塑狀紅粘土受擾動呈流塑狀，向樁孔內(nèi)溜坍、流失，堆沉至樁孔底部，孔底土泥體時常清理不盡，雖實施了常規(guī)鋼護筒護壁，但效果不佳。

(2)基覆界面不平順上部紅黏土的溜坍或蠕滑?；步缑娌黄巾?、起伏較大，護筒下至基巖面時筒底不能與基巖整齊結(jié)合而存在較大縫隙，流塑狀紅粘土繼續(xù)向樁孔內(nèi)蠕滑，導(dǎo)致圍護樁周邊地面發(fā)生沉降甚至塌陷。

(3)基巖內(nèi)溶洞填充物的垮塌或蠕滑。車站址區(qū)巖溶較發(fā)育，除基覆界面處溶溝溶槽發(fā)育外尚有大小不一的軟塑紅粘土充填型溶洞發(fā)育,當樁孔開挖揭穿溶洞時，其充填物向樁孔內(nèi)垮塌。個別牽延型落水洞(天窗型溶洞)的充填物與上部覆蓋層相通，當填充物向樁孔內(nèi)垮塌或蠕滑后引起覆蓋層土體通過溶洞向樁孔內(nèi)蠕滑，也會導(dǎo)致樁孔周邊或較遠處地面發(fā)生沉降甚至塌陷。

2.3 路面沉降變形原因分析

(1)路面承載能力不足。車站圍擋兩側(cè)道路為施工臨時改造道路，基床為綠化帶和人行道，承載力較低，在過往車輛尤其是重載車輛碾壓下，發(fā)生沉降變形。

(2)路面管線影響。車站圍擋兩側(cè)臨時改造的道路基床下承擔密集的雨污、強弱電、煤氣、給水管線等管涵，部分管涵斷面較大、結(jié)構(gòu)頂板厚度較小，在重載車輛荷載作用下頂板易發(fā)生斷裂，引起地面發(fā)生沉降變形。

(3)樁孔施工影響。樁孔成孔中，因樁周及其附近基覆界面上部軟塑狀紅黏土向樁內(nèi)溜坍或蠕滑，引起覆蓋層下掏空，牽延樁周及其附近地面發(fā)生沉降甚至塌陷。

3 鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)

站址位處城市主干道，交通繁忙、車流大，圍護樁外邊緣距離車行道僅0.7 m，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工安全風(fēng)險顯著，按傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁施工工法(藝)已不能滿足施工需求。針對站址區(qū)典型的喀斯特地層及其溶洞具連通性、基覆界面溶溝(槽)發(fā)育且不平順等特點，經(jīng)咨詢業(yè)界專家、反復(fù)研究和工法(藝)試驗后決定，在土層范圍采取全護筒跟進以防(阻)止樁壁流塑狀土體向樁孔內(nèi)溜坍或蠕滑，對樁周土體進行預(yù)加固以防(阻)止溶溝(槽)發(fā)育的基覆界面的流塑狀土體向樁孔內(nèi)溜坍或蠕滑或運移。施工流程(圖7)為：旋噴樁預(yù)加固樁周→土層全護筒跟進→更換鉆頭鉆進→灌注樁深混凝土。

圖7 改進鉆孔法施工工藝

3.1 軟塑紅黏土層預(yù)加固技術(shù)

(1)軟塑紅黏土預(yù)加固方案。按地基網(wǎng)格布孔方式、采用單管高壓旋噴樁(表1和圖8)進行土體預(yù)加固，旋噴樁樁徑500 mm、咬合150 mm；垂向加固范圍為地面下3 m至入巖1 m，加固材料為P·O42.5水泥，噴漿壓力23～25 MPa。

(2)軟塑紅黏土預(yù)加固問題和解決措施。依旋噴樁施工工藝特點及站址區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況，針對可能出現(xiàn)的問題進行分析并提出相應(yīng)的預(yù)防措施及處理方法(表2)。

(3)基巖內(nèi)溶洞填充物解決?；鶐r內(nèi)的溶洞根據(jù)其大小分作處理如下：小型溶洞采取護筒跟進措施直接穿過；大型填充型溶洞，按軟塑紅黏土軟預(yù)加固方案處理。

3.2 全護筒跟進施工技術(shù)

土層全護筒跟進施工流程為：測量放線→設(shè)備就位→埋設(shè)套管→搓入套管→旋挖掏土→成孔吊安鋼筋籠→灌注混凝土→拔起套管→成樁。

圖8 單管高壓旋噴樁工藝流程

表1 單管高壓旋噴樁注漿參數(shù)

表2 喀斯特高巖溶發(fā)育區(qū)旋噴樁施工關(guān)鍵技術(shù)

施工步序如下：

(1)連接動力頭與連接盤，安裝花管于連接盤。

(2)連接套管與管靴并安裝于花管，安裝護筒，鉆前控制護筒垂度以防護筒偏斜，以水平尺嚴控各節(jié)護筒連接垂度保證鋼護筒垂直入土，以俟偏斜立即糾正。

(3)鉆機動力頭驅(qū)動套管鉆進，鉆進一根套管后用鉆機副卷揚起吊另一套管并與已鉆入套管連接，持續(xù)鉆進。

(4)動力頭驅(qū)動套管鉆進、旋挖鉆頭取土鉆進至設(shè)計深度。

(5)吊裝鋼筋籠入套管并安裝導(dǎo)管后灌注混凝土，連續(xù)和快速灌注整樁孔混凝土，以免灌注時長大造成混凝土凝固引起拔管困難；可先起拔套管一定高度，防止混凝土凝固后粘固套管。

(6)混凝土灌注后，以吊機吊吊穩(wěn)套管，用拔管機逐節(jié)拔出套管，每拔出一節(jié)套管，松卸套管連接銷，于恰當位置清洗套管。

3.3 施工效果簡述

施工前期，鉆進49次成孔灌注23根，成孔率僅為47 %，鉆出的泥土呈流塑狀，鉆孔常發(fā)生坍塌且路面塌陷和開裂頻多(圖5、圖6)，成樁質(zhì)量不高、不穩(wěn)定。實施預(yù)加固土層和全護筒跟進措施后，共鉆進421根，一次成孔341根、成孔率達81 %，鉆孔中從未發(fā)生塌孔、路面沉降與塌陷、地下水可見流失等問題(圖9)，檢測灌注樁的質(zhì)量得到極大提高。

圖9 應(yīng)用后鉆孔情況

實施預(yù)加固土層和全護筒跟進措施前，平均單機成孔效率6.96 m/d，工期關(guān)鍵線路相對滯后施組504 d；技術(shù)改進實施后至圍護樁完工，平均單機成孔效率為34.5 m/d，工期關(guān)鍵線路相對超前施組73 d。

4 結(jié)論

七機路口站圍護樁系典型的喀斯特發(fā)育地層鉆孔灌注樁，站址區(qū)基覆界面起伏大，巖溶發(fā)育，地下水位較高，發(fā)育斷層構(gòu)造，在鉆進成孔中塌孔、孔內(nèi)涌泥、樁孔周邊開裂和路面沉降變形、局部開裂等時有發(fā)生，危及施工安全質(zhì)量和地鐵建設(shè)社會輿論環(huán)境。通過調(diào)整成孔施工法(藝)，很好地解決了上述問題，可得主要結(jié)論如下：

(1)旋噴樁預(yù)加固軟塑紅黏土層效果良好，鉆孔出土干燥、無水、形態(tài)好，能有效防止紅黏土向孔內(nèi)溜塌、蠕滑，成孔率提高34 %。

(2)樁身土層段實施全護筒跟進方式施工能有效防止樁壁軟流塑紅黏土向樁內(nèi)滑塌，有利于樁孔形狀均勻，成樁合格率提高99 %。

實踐證明，軟流塑紅黏土預(yù)加固土層和全護筒跟工法(藝)可行、施工便捷，可為類似鉆孔灌注樁遇軟土層或溶洞處置提供技術(shù)參考與借鑒。