復(fù)雜巖溶地區(qū)高鐵橋梁鉆孔樁施工管理探討

白繼宏

(中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100070)

近年來，隨著我國鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，已逐步形成“八縱八橫+城際鐵路”的高速鐵路網(wǎng)。當(dāng)高鐵橋梁穿越喀斯特地貌時，由于巖溶發(fā)育空間分布的復(fù)雜性和巖溶充填物的多樣性，給地質(zhì)勘探預(yù)報及施工作業(yè)帶來了很大困難[1-2]。其中，對橋梁樁基施工影響最大的是地下溶洞、溶腔、溶縫、暗河等。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：蒙彥等認(rèn)為沖擊鉆成孔容易造成漏漿、塌孔、竄孔、偏心等質(zhì)量問題[3]；何鵬祥采用拋填片石、回填黃泥黏土、護(hù)筒跟進(jìn)、反復(fù)擠密等方法應(yīng)對漏漿、坍塌、孤石等問題，并取得了較好的效果[4]；楊富山給出了不同跨度、高度、頂板厚度溶洞的處理方法[5]。以下基于前人的研究，對山東平度地區(qū)高鐵項目的巖溶樁基處理方案進(jìn)行深入研究。

1 復(fù)雜巖溶施工關(guān)鍵要素

濰萊高鐵項目平度段位于膠東半島西部，該區(qū)域巖溶類型一般屬于裸露型和埋藏型，以溶隙、溶孔及溶槽發(fā)育居多，局部揭露溶洞(單個溶洞最大可達(dá)12.0 m)。溶洞大部分為全充填-半充填，充填物多為軟塑狀粉質(zhì)黏土、砂類土等；少數(shù)溶洞為無充填。結(jié)合巖溶狀態(tài)、地下水、連通性、遇洞率、線溶率等指標(biāo)，判定巖溶發(fā)育程度一般為微弱-中等，局部為重度。原設(shè)計中多采用沖擊鉆成孔，反復(fù)回填擠密處理，效率極其低下。通過開展多次QC小組活動，緊緊抓住施工關(guān)鍵要素，先后引入高精探測技術(shù)、雙護(hù)筒跟進(jìn)、全新套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、精準(zhǔn)端承位置終孔等方法，最終實現(xiàn)項目管控目標(biāo)。

1.1 組織管理

首先，應(yīng)做好“三控三管一協(xié)調(diào)”專業(yè)策劃，詳細(xì)梳理關(guān)鍵工期節(jié)點，對影響其他工序、質(zhì)量控制風(fēng)險巨大、可能引起后期隱形成本劇增的復(fù)雜巖溶樁基必須給予足夠重視。在現(xiàn)場施工前，應(yīng)成立專項課題小組，必要時可邀請科研單位、高等院校的專家指導(dǎo)攻關(guān)，并運用先進(jìn)的物探設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)探測。在充分了解地質(zhì)構(gòu)造信息后，圍繞工程類別(What)、環(huán)境條件(Where)、控制目標(biāo)(Why)、組織機(jī)構(gòu)(Who)、工序工期(When)、方法工藝(How)等“5W1H”要素，進(jìn)行施工方案優(yōu)化；并根據(jù)溶洞發(fā)育情況科學(xué)制定預(yù)處理措施、設(shè)備計劃、材料計劃等。

1.2 工法與設(shè)備的選擇

復(fù)雜巖溶樁基處理常用工法主要有：旋挖鉆(循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆)混凝土回填法、沖擊鉆加強(qiáng)護(hù)壁法、雙鋼護(hù)筒跟進(jìn)法、全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)法。以下從工期、質(zhì)量、成本目標(biāo)出發(fā)，對工法與設(shè)備的選擇進(jìn)行對比分析[6-7]。

(1)旋挖鉆(循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī))-混凝土超方回填法

旋挖鉆工藝較成熟，在一般巖溶地區(qū)，成樁效率為3～8 d/根，設(shè)備進(jìn)出場費用為8萬～12萬元/臺次。采用旋轉(zhuǎn)取土出渣方式，既可以干成孔亦可泥漿護(hù)壁成孔，但護(hù)壁性能較差。濰萊高鐵項目大部分橋梁樁基采用360型或420型旋挖鉆施工，當(dāng)溶洞高<2 m時，可采用普通施工工藝，視溶腔內(nèi)充填物選擇泥漿護(hù)壁法或干成孔法，一次性灌注成樁，溶腔內(nèi)超灌同等級混凝土(即形成大肚子樁)[8]。該方法對工期履約有利，但成本不可控，無法應(yīng)對地下超大溶空腔、暗河等復(fù)雜巖溶結(jié)構(gòu)。

正、反循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆工藝成熟，在一般巖溶地區(qū)，成樁效率為10～20 d/根，設(shè)備進(jìn)出場費用為2萬～4萬元/臺次。采用泥漿泵循環(huán)出渣方式，遇巖溶時需在泥漿中摻入纖維、火堿、膨潤土，以提高泥漿護(hù)壁能力與搬運能力。但該方法也無法應(yīng)對地下超大空腔、暗河等復(fù)雜巖溶結(jié)構(gòu)。

(2)沖擊鉆機(jī)-加強(qiáng)護(hù)壁法

沖擊鉆具有工藝成熟、操作簡便、適用范圍廣的特點，在一般巖溶地區(qū)，成樁效率為20～40 d/根，在復(fù)雜巖溶地區(qū)成樁效率為30～90 d/根，設(shè)備進(jìn)出場費用為2～3萬元/臺次。

沖擊鉆機(jī)處理一般發(fā)育巖溶時，通常采用“先長后短、先外圍后中間”或“雙機(jī)同時對稱施工”的順序；應(yīng)對發(fā)育范圍小、溶腔豎向高度不高、漏漿量不大的溶洞時，一般采取直接回填黏土、片石、碎石、造漿材料的方式[9]；回填物中可摻入纖維、木塊、水泥、火堿、膨潤土等，以提高鉆孔護(hù)壁穩(wěn)定能力。出渣方式多為正循環(huán)。

當(dāng)遇到復(fù)雜巖溶時，施工難度陡增，以跨海青鐵路特大橋、大白村特大橋為例，有11個橋墩溶洞呈罕見的豎向串珠狀、橫向腔連通的復(fù)雜巖溶構(gòu)造。若以“平行流水”方式組織沖擊鉆孔施工，單樁施工周期會超過120 d，將嚴(yán)重阻滯架梁通道的貫通，也給后期無砟軌道進(jìn)入冬期施工埋下隱患，工期目標(biāo)難以保證。

(3)雙護(hù)筒跟進(jìn)法

鋼護(hù)筒跟進(jìn)法適用于復(fù)雜巖溶地段，該方法具有施工難度大、操作要求高、配套設(shè)備多(需配備履帶吊、振動錘等)、處治復(fù)雜巖溶效率高等特點。在一般巖溶地區(qū)，成樁效率為10～20 d/根，復(fù)雜巖溶地區(qū)為20～40 d/根，設(shè)備進(jìn)出場費用為25萬～40萬元/套次。在應(yīng)對串珠式巖溶時，雙鋼護(hù)筒能夠在穿過上下間距較小的多個溶洞起到模筑效果。結(jié)合該地區(qū)巖溶發(fā)育的特點，鋼護(hù)筒的直徑宜大于鉆頭15～20 cm；根據(jù)實際施工需要確定其長度，分節(jié)段制作拼裝；鋼護(hù)筒壁厚應(yīng)經(jīng)過驗算，使之能承受較強(qiáng)地應(yīng)力而不變形。

在濰萊高鐵巖溶發(fā)育地區(qū)，現(xiàn)場應(yīng)配備“1.4 m+1.2 m”雙層護(hù)筒作為應(yīng)急救場措施，如跨海青鐵路特大橋在孔深39～69 m區(qū)間內(nèi)發(fā)育有多個溶腔、裂隙(無填充物)，在施工中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、泥漿流失等情況，回填黏土、片石及配料5～6次后，效果仍然不明顯。之后采用雙層鋼護(hù)筒跟進(jìn)法，先將1.4 m外鋼護(hù)筒用振動錘下沉至溶洞頂板，再將1.2 m內(nèi)鋼護(hù)筒隨鉆孔跟進(jìn)至溶洞底板穩(wěn)定巖面以下50 cm，內(nèi)外護(hù)筒間注入砂漿，在護(hù)筒發(fā)揮穩(wěn)定護(hù)壁作用后正常鉆進(jìn)，最終順利成孔。

(4)全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)法

全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)為應(yīng)對復(fù)雜巖溶的新型設(shè)備，該設(shè)備鉆孔工效為10～20 d/根，設(shè)備進(jìn)出場費用80～100萬元/套次。需要100 t履帶吊、沖抓錐、旋挖鉆等設(shè)備配合(如圖1所示)。該設(shè)備能夠較快穿越各種不良地質(zhì)，對于復(fù)雜地質(zhì)情況適應(yīng)性強(qiáng)；全套管回轉(zhuǎn)鉆的鋼護(hù)筒可埋至巖面，減少了塌孔，保證了施工人員、機(jī)械的安全。另外，鉆機(jī)可以驅(qū)動套管進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，成孔垂向精度高，可有效避免溶洞區(qū)塌孔現(xiàn)象。

圖1 全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工示意

采用的DTR3205H型全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。先利用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)將φ2.0 m、壁厚8 cm的套管施工至土層和巖石層的分界處，再將φ1.5 m、壁厚6 cm的套管施工至設(shè)計樁深，施工過程用“履帶吊+沖抓斗”清除套管內(nèi)鉆渣。成孔后，在1.5 m套管內(nèi)放入φ1.2 m、壁厚2.0 cm的鋼護(hù)筒，再拔除φ1.5 m套管和φ2 m套管，回填完成后移動鉆機(jī)至下一樁位。

表1 全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

以濰萊高鐵跨海青特大橋192號墩為例，對全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的施工過程進(jìn)行詳細(xì)介紹，該處的地質(zhì)情況如圖2所示。

圖2 跨海青鐵路特大橋192號墩樁基設(shè)計地質(zhì)資料(單位：m)

由圖2可知，192號墩共有10根巖溶樁基，樁長分別為83 m(7根)、81 m(2根)和86 m(1根)。墩臺位置巖溶極發(fā)育，溶洞從地下22 m開始串聯(lián)發(fā)育，呈串珠形分布，最大溶洞凈高10.5 m且無填充。該處巖性較硬，除22～26 m外，其余段基本處于1 500 kPa巖層上[10]。前期采用2臺沖擊鉆施工，210 d僅完成4根樁，且多次出現(xiàn)漏漿、塌孔等情況。之后，決定采用全套管全回鉆成孔，平均成孔速度為17 d/根，理論計算可節(jié)約鉆孔時間193 d，有效挽回了損失的工期。

2 技術(shù)攻關(guān)管理

2.1 檢測應(yīng)用技術(shù)革新

現(xiàn)場采用雷達(dá)探測技術(shù)、高密度電法、跨孔電阻率CT等多種物探方法，對測點周圍巖溶進(jìn)行全面探測，可以直觀、準(zhǔn)確、高效地掌握地質(zhì)結(jié)構(gòu)[11]。另一方面，運用溶洞空腔類災(zāi)害源精細(xì)化數(shù)字識別裝置對災(zāi)害源進(jìn)行實時辨識[12]，形成結(jié)構(gòu)面關(guān)聯(lián)算法；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合超前鉆探、物探、地質(zhì)編錄提供的結(jié)構(gòu)面信息，構(gòu)建地下工程多災(zāi)害源區(qū)域巖體三維模型，充分揭露巖溶區(qū)的巖溶裂隙形態(tài)、大小、充填狀態(tài)，以及巖體的層理、節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面及空腔信息。

2.2 施工方案優(yōu)化

合理優(yōu)化方案有助于推進(jìn)工序無縫銜接，減少資源閑置與浪費。通過跨海青特大橋串珠狀巖溶處理發(fā)現(xiàn)，75～87 m段的下層溶洞頂板鉆進(jìn)困難，鉆進(jìn)速度僅為30～50 cm/d，且鉆機(jī)磨損嚴(yán)重、配套設(shè)備閑置。為了解決該問題，經(jīng)過與設(shè)計加強(qiáng)溝通，就此類群樁硬巖厚頂板溶洞問題進(jìn)行科學(xué)驗算，根據(jù)巖溶影響范圍、結(jié)構(gòu)板厚度、物理力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)，運用巖溶頂板穩(wěn)定性分析方法，分析驗算其承載力與穩(wěn)定性[13]。研究表明，75～87 m段頂板可以作為樁基的持力層，經(jīng)過模擬計算與專家論證，最終確定了精確的終孔高程[14-15]。

3 施工精細(xì)化管理

3.1 綜合工法-鉆機(jī)選型管理

工法必須為項目管理服務(wù)，策劃階應(yīng)結(jié)合施工圖指導(dǎo)意見，就常用設(shè)備與多種工法進(jìn)行優(yōu)缺點比對。①基于巖溶復(fù)雜程度進(jìn)行分級分類參考，以各種工法的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性、環(huán)保性、可靠性為基礎(chǔ)進(jìn)行定性分析，采用“優(yōu)選-較好-適中-較差-差”5級評分標(biāo)準(zhǔn)。②重點考慮綜合效益，一般工程與關(guān)鍵工程對工期、質(zhì)量、效益等的側(cè)重點有所不同，需要在區(qū)分巖溶發(fā)育程度基礎(chǔ)上，結(jié)合單項定性指標(biāo)進(jìn)行評分，再加權(quán)計算出綜合評分，得出以下公式

綜合評分=(適應(yīng)性評分/5×35%+經(jīng)濟(jì)性評分/5×25%+安全性評分/5×10%+先進(jìn)性評分/5×15%+環(huán)保性評分/5×5%+可靠性評分/5×10%)

(1)

由式(1)可計算出巖溶鉆孔樁工法比選綜合評分，結(jié)果見表2。

表2 巖溶鉆孔樁工法比選綜合評分

設(shè)備與工法比選分析應(yīng)遵循科學(xué)合理、統(tǒng)籌兼顧、因時因地制宜的原則。在應(yīng)對工期風(fēng)險時，一般巖溶工點宜優(yōu)先選用旋挖鉆機(jī)、循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)；復(fù)雜巖溶工點宜優(yōu)先選用沖擊鉆、循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆。在應(yīng)對成本風(fēng)險時，宜優(yōu)先選用旋挖鉆、循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆、沖擊鉆。綜上，應(yīng)根據(jù)工期、質(zhì)量目標(biāo)、設(shè)備進(jìn)出場費、后期可預(yù)見的隱形成本，對設(shè)備與工法比選進(jìn)行提前策劃與過程動態(tài)管控，以確保實現(xiàn)項目管理目標(biāo)。復(fù)雜巖溶設(shè)備與工法選擇建議見表3。

表3 橋梁巖溶鉆孔樁處理鉆機(jī)與工法選擇建議

3.2 目標(biāo)趨勢動態(tài)分析管理

復(fù)雜巖溶鉆孔樁施工組織模式應(yīng)根據(jù)項目大局提前策劃，可分為保守模式、改進(jìn)模式與強(qiáng)配模式，都是爭取以最經(jīng)濟(jì)的措施來完成必須的目標(biāo)(見表4)。

表4 復(fù)雜巖溶鉆孔樁施工目標(biāo)趨勢對比分析

三種組織模式均針對既定進(jìn)度、質(zhì)量、成本、安全、環(huán)保、科研、協(xié)調(diào)等各項目標(biāo)進(jìn)行具體分析，在施工組織“準(zhǔn)備期、前期、后期”三階段實施動態(tài)管理，定期分析比對現(xiàn)場與計劃的偏差、趨勢，分析各階段目標(biāo)(平穩(wěn)、提升或下降)，以履約為目標(biāo)，深入分析并提前預(yù)警風(fēng)險，從而提升施工企業(yè)綜合管理效益。

4 結(jié)束語

從精準(zhǔn)地質(zhì)預(yù)報、優(yōu)選工法設(shè)備、嚴(yán)控質(zhì)量安全、工期履約，均衡生產(chǎn)效率為出發(fā)點，對復(fù)雜巖溶地區(qū)鉆孔樁的施工關(guān)鍵要素進(jìn)行深入分析。研究表明，根據(jù)巖溶發(fā)育情況、工期節(jié)點、工程數(shù)量、環(huán)境保護(hù)要求，抓住“人機(jī)料法環(huán)”中的關(guān)鍵要素，可以有效提高復(fù)雜巖溶地區(qū)橋梁鉆孔樁施工管理水平。