承壓水地層鉆孔灌注樁施工技術(shù)研究

謝陽陽 趙成毅 徐光普

【摘要：】承壓水地層鉆孔灌注樁在一般的橋梁樁基施工中很少見，尤其是在地表覆蓋層為卵石土、礫石土等工程地質(zhì)條件下。文章結(jié)合工程實(shí)例，闡述了樁基在鉆孔過程中，遇有承壓水地層導(dǎo)致孔內(nèi)涌水、塌孔而無法成孔的技術(shù)難題，以及為解決這一難題采取的相關(guān)措施，可為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞：】承壓水地層;鉆孔灌注樁;施工;措施

U443.15+4A551813

0 引言

承壓水地層是指上下兩個隔水層之間的含水層，承受一定的靜水壓力。當(dāng)鉆孔打穿上層隔水層進(jìn)入含水層時，樁孔中的水受地層壓力影響，便向上涌出，上升到一定高度才會停止。鉆孔灌注樁施工中遇到承壓水地層時，若不能及時有效地處理，不僅會嚴(yán)重影響樁基成孔質(zhì)量和混凝土灌注質(zhì)量，也會耽誤工程進(jìn)度，從而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，有必要對承壓水地層鉆孔灌注樁施工工藝進(jìn)行研究、總結(jié)，為以后類似工程提供借鑒和參考。

1 項(xiàng)目概況

國道314線布倫口至紅其拉甫公路建設(shè)項(xiàng)目位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)塔什庫爾干縣境內(nèi)，地形主要有山間谷地、冰水沖積扇、河流階地、高山區(qū)等。覆蓋層主要為粉砂、細(xì)砂、礫石土、卵石土等，工程地質(zhì)條件總體較好。

麻扎爾一橋位于路線K1834+245處，斜跨塔什庫爾干河，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、樁基礎(chǔ)、肋板式橋臺，上部結(jié)構(gòu)采用4～16 m預(yù)應(yīng)力混凝土矮T梁。其0#、4#橋臺位于河流兩岸，1#、3#橋墩位于河流邊部，2#橋墩位于河流中央。全橋共計(jì)21根樁基，其中橋臺樁基12根，直徑為1.2 m，樁長為15 m;橋墩樁基9根，直徑為1.4 m，樁長為16 m。工程地質(zhì)勘察報告中反映，橋址區(qū)地層從上至下依次為粗砂、卵石、粉土、圓礫，不存在承壓水地層。

2 工藝選擇

根據(jù)橋梁樁基數(shù)量以及地質(zhì)條件，項(xiàng)目采用沖擊鉆成孔水下灌注混凝土施工工藝。

3 施工中遇到的問題

根據(jù)施工組織計(jì)劃，先開始4b#-0橋臺樁基施工。按照設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高和護(hù)筒頂標(biāo)高計(jì)算，4b#-0樁基需鉆孔至17.72 m。在鉆孔過程中，4b#-0樁基沖孔至6 m位置時，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)向外涌水，并隨著鉆孔深度的增加，涌水量越來越大;當(dāng)4b#-0樁基沖孔至12 m時，孔內(nèi)涌水量達(dá)到最大，最終導(dǎo)致塌孔。塌孔后，為確保樁孔周邊地層穩(wěn)定和避免安全事故發(fā)生，采用大卵石回填處理。處理過后，樁孔處一直有水源源不斷向外流出。

項(xiàng)目部將該情況上報監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位以及建設(shè)指揮部，并組織專家現(xiàn)場踏勘和查閱地勘資料。地勘資料反映，地表以下0.6 m為粗砂，0.6～4.3 m為卵石土，4.3～5.6 m為粉土層，5.6 m以下為圓礫。當(dāng)沖擊鉆打破粉土層時，承壓水失壓出現(xiàn)涌水，并帶動周邊土體涌向孔內(nèi)，造成孔壁坍塌，與現(xiàn)場鉆孔情況基本吻合。因此，分析得出結(jié)論：4#橋臺原地面以下6 m左右有承壓水地層。

4 采取解決的方法和措施

樁基在鉆孔過程中遇到承壓水地層時，一般解決方法有兩種：（1）平衡水頭壓力;（2）降水井泄壓。經(jīng)各方專家共同研究論證，決定先采用第一種方案，若失敗再采用第二種方案，并作為試驗(yàn)性方案，若實(shí)施成功及時總結(jié)相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)后續(xù)樁基施工。

4.1 平衡水頭壓力

4.1.1 泥漿平衡法

其原理是提高泥漿相對密度，使孔內(nèi)泥漿形成的壓力大于承壓水壓力[1]，從而使泥漿壓住承壓水頭，并有一定的安全距離，確保鉆孔順利進(jìn)行。即：

H×ρ漿≥（H-h2+h1+1.0）×ρ水（1）

式中：H——地面至承壓水層深度（m）;

ρ漿——泥漿密度（g/cm3）;

h1——承壓水水頭高度（m）;

h2——施工平臺高度（m）;

ρ水——水的密度（g/cm3）;

1.0——安全距離（m）。

將泥漿相對密度提升至規(guī)范允許最大密度1.4 g/cm 當(dāng)鉆孔至12 m時，孔內(nèi)泥漿無法壓住承壓水頭，出現(xiàn)塌孔，鉆孔失敗。

4.1.2 填筑圍堰法

抬高孔口位置，使孔口位置高于承壓水水頭高度，從而使孔內(nèi)泥漿壓住承壓水頭，使之成孔。

（1）承壓水水頭高度量測。利用4b#-0樁孔，采用直徑為700 mm、長5 m的鋼護(hù)筒埋入原地面以下1 m，護(hù)筒四周用摻拌水泥的卵石土封堵夯實(shí)，以防止漏水，獲取與施工工況一致的承壓水水頭高度。根據(jù)現(xiàn)場觀測，承壓水水頭高度為原地面以上3.5 m左右。

（2）填筑施工平臺。根據(jù)測量的承壓水水頭高度以及4#橋臺樁基分布情況，施工平臺填高為4.7 m，長為15.1 m，寬為32.2 m。

（3）埋設(shè)鋼護(hù)筒?，F(xiàn)場采用長3 m、直徑1.5 m的鋼護(hù)筒2節(jié)焊接而成，埋入地表以下1.0 m，露出原地面5 m。在施工過程中，先埋入1節(jié)鋼護(hù)筒，逐層填筑施工平臺至鋼護(hù)筒頂約30 cm時，再對接焊接第2節(jié)鋼護(hù)筒，然后逐層填筑施工平臺至鋼護(hù)筒頂30 cm處。

鋼護(hù)筒埋設(shè)時，為減小承壓水從孔口溢出時對施工平臺基底的浸泡影響，確保沖擊鉆機(jī)平穩(wěn)施工，在孔口位置呈放射狀埋設(shè)不少于3根PVC排水管，排水管傾向河床方向，排水管上覆蓋兩布一膜防滲土工膜（見圖1）。

（4）鉆孔施工。鉆孔泥漿采用黏土制備，先在泥漿池制備好，隨著鉆孔進(jìn)尺，將制備好的泥漿抽入樁孔內(nèi)，同時現(xiàn)場存放32.5袋裝水泥以作備用。為提高鉆孔成功率，泥漿相對密度控制在1.4～1.5之間。當(dāng)4b#-0樁基沖孔至21.4 m時，孔內(nèi)又出現(xiàn)向外涌水現(xiàn)象，現(xiàn)場及時向孔內(nèi)添加袋裝水泥，繼續(xù)增大泥漿相對密度以平衡水壓，但孔內(nèi)漿液仍無法壓住水頭向外涌水，最終樁基塌孔，鉆孔失敗。

采用平衡水頭壓力的兩種方案，雖有一定成效，但始終未能解決因承壓水而塌孔的技術(shù)難題，遂決定采用降水井泄壓的方案。

4.2 降水井泄壓

在4b#-0樁孔鉆孔失敗后，以其為降水井，選擇下游的4a#-2樁基施工。在降水井內(nèi)放置2個4 kW水泵向外一直抽水泄壓，為防止水泵向外抽水過程中塌孔，井內(nèi)放置臨時鋼筋籠。

按照樁基正常施工工藝流程進(jìn)行：場地平整→測量放樣→埋設(shè)鋼護(hù)筒→鉆機(jī)就位→鉆孔施工→安放鋼筋籠→灌注水下混凝土。

場地平整后，由測量隊(duì)按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)放出樁位及保護(hù)樁位，并測量原地面標(biāo)高。保護(hù)樁設(shè)置示意圖如圖2所示。

鋼護(hù)筒采用10 mm厚的鋼板卷制加工，鋼護(hù)筒內(nèi)徑較樁徑大20～30 cm。為加強(qiáng)鋼護(hù)筒的整體剛度，在鋼護(hù)筒上、下端和中部外側(cè)各焊一道加勁肋。鋼護(hù)筒采用挖孔埋設(shè)，中心豎直線應(yīng)與樁中心線重合，頂高出施工地面0.3 m，埋置深度為4 m，四周用黏土分層夯實(shí)，表層10 cm厚范圍用水泥砂漿抹平，以保證其堅(jiān)固、不漏水，滿足技術(shù)規(guī)范要求。

在施工過程中，先埋入1節(jié)鋼護(hù)筒，然后逐層填筑施工平臺至鋼護(hù)筒頂約30 cm時，再對接焊接第2節(jié)鋼護(hù)筒，然后逐層填筑施工平臺至鋼護(hù)筒頂30 cm處。

鉆孔泥漿采用優(yōu)質(zhì)的黏土制備，泥漿相對密度控制在1.35～1.45之間。制備好的泥漿使用前，按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求測試泥漿性能指標(biāo)，以滿足施工需要。

鉆孔時，應(yīng)稍提鉆桿，在鋼護(hù)筒內(nèi)打漿，并開動泥漿泵進(jìn)行循環(huán)，待泥漿均勻后再開始鉆進(jìn)。進(jìn)尺要適當(dāng)控制，對鋼護(hù)筒底部，應(yīng)低檔慢速鉆進(jìn)，使底腳處有較堅(jiān)固的泥皮護(hù)壁。鉆至鋼護(hù)筒底部以下1 m后，則可按土質(zhì)情況以正常速度鉆進(jìn)。在鉆孔過程中，隨著鉆機(jī)進(jìn)尺，采用泥漿泵及時將提前制備好的泥漿抽入樁孔內(nèi)，不在孔內(nèi)制備泥漿，以防孔內(nèi)泥漿相對密度發(fā)生變化而造成塌孔。

以4b#-0樁孔為降水井，并配合水泵向外抽水降壓，4a#-2樁孔順利成孔?？偨Y(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場地形情況，在4b#-0樁孔上游6 m位置，打1#降水井，降水井鋼護(hù)筒采用2節(jié)長3 m、直徑1.5 m的鋼鋼護(hù)筒焊接而成，按照鉆孔施工工藝施工，降水井井深為16 m，直徑為1.4 m，在井內(nèi)放置臨時鋼筋籠和2個4 kW水泵不停向外抽水泄壓，使4b#-0樁基順利成孔。

5 水下混凝土灌注

將制作好的鋼筋籠提前運(yùn)至施工現(xiàn)場，待樁基成孔后，及時安裝鋼筋籠、安裝導(dǎo)管、二次清孔、灌注水下混凝土。

5.1 安裝鋼筋籠

鋼筋籠安裝時采用吊筋下放進(jìn)樁孔內(nèi)，孔口處利用型鋼將鋼筋籠固定，以防偏位。

5.2 安放導(dǎo)管

導(dǎo)管安裝前，根據(jù)鋼護(hù)筒頂標(biāo)高和孔底標(biāo)高，考慮墊木高度，計(jì)算導(dǎo)管所需總長度[2]。先對導(dǎo)管進(jìn)行編號，最上端采用單節(jié)長度較短的導(dǎo)管，最底節(jié)采用單節(jié)長度較長的導(dǎo)管，中間采用標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)。安放時，將導(dǎo)管置于鋼筋籠中心，然后穩(wěn)步沉放，以防卡掛鋼筋骨架。先將導(dǎo)管放至孔底，然后再將導(dǎo)管提起，使導(dǎo)管底口距孔底30 cm。

5.3 二次清孔

導(dǎo)管安裝完畢后，檢查孔底沉渣厚度并進(jìn)行二次清孔。利用泥漿泵將制備好的泥漿壓入導(dǎo)管內(nèi)，使泥漿從導(dǎo)管底口進(jìn)入孔內(nèi)并將孔內(nèi)帶有沉渣的泥漿擠出孔外，從而達(dá)到清孔的目的。

5.4 灌注水下混凝土

水下混凝土灌注要一次完成，中間不能停頓。灌注前，根據(jù)樁孔和導(dǎo)管直徑計(jì)算出首批封底混凝土量，以保證首批混凝土灌注后能將導(dǎo)管埋深在1 m以上。首批封底混凝土數(shù)量計(jì)算如下[3]：

V≥πD24（H1+H2）+πd24h1=πD24（H1+H2）+πd24×ρ1ρ2×HW （2）

式中：V——首批封底混凝土所需數(shù)量（m3）;

D——樁基直徑（m）;

H1——導(dǎo)管底距孔底距離（m）;

H2——導(dǎo)管初次埋深（m），取1.0 m;

d——導(dǎo)管內(nèi)徑（m）;

h1——樁孔內(nèi)混凝土達(dá)到埋置深度H2時，導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱平衡導(dǎo)管外（或泥漿） 壓力所需的高度（m）;

ρ1——泥漿密度（g/cm3）;

ρ2——混凝土密度（g/cm3）;

HW——樁孔內(nèi)混凝土達(dá)到埋置深度H2時，孔內(nèi)泥漿高度（m）。

計(jì)算簡圖見圖3。

水下混凝土采用攪拌站集中拌和，混凝土運(yùn)輸罐車供應(yīng)，導(dǎo)管法灌注，汽車吊配合提升、拆除導(dǎo)管的施工方法。

在灌注過程中，應(yīng)及時用繩尺測量混凝土面距樁口距離，從而計(jì)算埋管深度，以確定拔管長度。導(dǎo)管埋入混凝土的深度一般控制在2～6 m。在灌注過程中，溢出的泥漿應(yīng)引流至旁邊開挖的泥漿池中，以防污染。

為確保成樁質(zhì)量，以樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高超灌0.5 m高度保護(hù)樁頭。

6 結(jié)語

采用降水井泄壓的方式，麻扎爾一橋4#橋臺其他樁基均實(shí)施成功，并經(jīng)過新疆路橋試驗(yàn)檢測研究所檢測，所有樁基均為Ⅰ類樁。檢測結(jié)果表明，本工程中采取的降水井泄壓的技術(shù)措施是可行的，為鉆孔灌注樁在承壓水地層中順利成孔和灌注提供了成功案例。

參考文獻(xiàn)：

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