地下暗河環(huán)境橋梁樁基水下混凝土灌注施工

朱占發(fā),陳博博,秦 歡

（中交二公局第二工程有限公司,陜西 西安 710119）

0 引言

喀斯特地貌廣泛分布于我國云南、貴州及廣西等地區(qū)。由地下水與地表水對可溶性巖石溶蝕與沉淀，侵蝕與沉積，以及重力崩塌、坍塌、堆積等作用形成。地表有石芽與溶溝、喀斯特漏斗、落水洞、溶蝕洼地等地貌。地下地質(zhì)情況復(fù)雜，伴有溶洞與地下河、暗湖。在上述區(qū)域進(jìn)行橋梁樁基施工，根據(jù)有無地下水分為干樁混凝土灌注和水下混凝土灌注施工工藝。其中有地下水工況，使用泥漿護(hù)壁成孔工藝時(shí)，存在較多溶洞和地下河進(jìn)入樁基孔內(nèi)的情況，導(dǎo)致實(shí)際現(xiàn)場成孔困難，進(jìn)行水下混凝土灌注時(shí)出現(xiàn)塌孔、斷樁的情況。

該文依托廣西平南高速武鳴西樞紐互通樁基施工中遇到的溶洞及地下暗河情況，對樁基成孔鉆進(jìn)過程溶洞處理以及水下混凝土灌注工藝創(chuàng)新，為后續(xù)其他同等或類似地質(zhì)情況的橋梁樁基施工提供相關(guān)借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

武鳴西樞紐立交主線橋設(shè)計(jì)范疇K121+800~K123+600，設(shè)計(jì)長度1 800 m。中心樁號(hào)：K122+668.401，雙向六車道高速公路，設(shè)計(jì)車速120 km/h，路基全寬34 m。立交匝道A、B、C、D、F、G、H設(shè)計(jì)車速50 km/h，匝道E設(shè)計(jì)車速40 km/h，8條匝道橋均采用單出、入口的單向兩車道形式，匝道路基全寬10.5 m。橋梁基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)，其中Φ1.2 m小計(jì)40根，Φ1.5 m小計(jì)106根，Φ1.8 m小計(jì)77根，Φ2.0 m小計(jì)90根，樞紐內(nèi)共計(jì)樁基313根。根據(jù)現(xiàn)場施工情況統(tǒng)計(jì)以及專業(yè)地下水勘察發(fā)現(xiàn)，武鳴西樞紐互通下共存在兩條暗河，并在此處交匯，如圖1。

圖1 武鳴西樞紐立交樁位平面布置圖

2 項(xiàng)目地質(zhì)情況

武鳴西樞紐地層巖性由上至下主要為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土、沖洪積黏土及石炭系強(qiáng)~中風(fēng)化灰?guī)r。其中強(qiáng)~中風(fēng)化灰?guī)r為該區(qū)主要地層，中風(fēng)化灰?guī)r承載力較高，設(shè)計(jì)為樁基礎(chǔ)的持力層。橋址區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，巖層總體傾向南，產(chǎn)狀為75°∠15°，為單斜構(gòu)造。根據(jù)《中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》及《中國地震動(dòng)反映譜特征周期區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），擬建線路沿線地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅵ度。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪資料表明，橋址區(qū)無地表水發(fā)育，立交區(qū)勘察范圍內(nèi)未見地下水發(fā)育（2020年6月底—2020年7月底完成現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪）。但橋址區(qū)發(fā)育有大量可溶性碳酸鹽巖類地層，巖性為灰?guī)r，在水的沖蝕作用下，易形成溶洞，對橋梁的基礎(chǔ)有一定的影響。據(jù)試驗(yàn)資料，地表土、地表水和地下水對混凝土及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。

3 樁基成孔工藝

項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙推薦利用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行樁基成孔施工。但根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙地質(zhì)情況描述，中風(fēng)化灰?guī)r鉆芯強(qiáng)度可達(dá)到70~80 MPa，最大為103.5 MPa，旋挖鉆施工易出現(xiàn)無法鉆進(jìn)的情況，入巖后鉆頭磨損嚴(yán)重。樁基入巖后存在較多溶洞，旋挖鉆施工出現(xiàn)卡鉆、埋鉆及偏孔的現(xiàn)象，施工處理難度大，影響整體樁基施工進(jìn)度。在巖溶發(fā)育區(qū)，旋挖鉆施工時(shí)自給泥漿護(hù)壁能力較沖擊鉆差，易出現(xiàn)塌孔的現(xiàn)象，無法保證樁基成樁質(zhì)量。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及樁基施工經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)目最終使用沖擊鉆成孔施工工藝。沖擊鉆施工適應(yīng)性高，施工過程中泥漿護(hù)壁能力強(qiáng)，出現(xiàn)塌孔的現(xiàn)象較少，并能很好地處理中、小型溶洞。在出現(xiàn)卡錘現(xiàn)象時(shí)，吊車可進(jìn)行上下提拉并進(jìn)行輕微振動(dòng)，使錘頭與孔壁產(chǎn)生縫隙后將錘頭吊出，保證樁基順利成孔。

地下暗河環(huán)境伴隨有溶洞等不良地質(zhì)，導(dǎo)致泥漿泄露，無法形成鉆孔施工所需穩(wěn)定水頭。地下暗河水進(jìn)入樁基孔內(nèi)，造成塌陷，該項(xiàng)目在施工中遇到地表塌陷（如圖2）。為保證順利鉆進(jìn)成孔，根據(jù)不同地質(zhì)情況，常為以下幾種處理方式。

圖2 樁基鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)地表塌陷

（1）片石黏土筑壁法：在溶洞內(nèi)無充填或半充填，溶洞不太大（在3 m以內(nèi)），但存在嚴(yán)重漏水或半漏水，護(hù)筒內(nèi)水頭高度不能保持時(shí)，可用片石加黏土（按1∶1體積比）回填沖擊使其形成泥石護(hù)壁[1]。如片石黏土筑壁法效果較差，部分溶洞位置需進(jìn)行反復(fù)沖擊造壁，過程中可同步回填水泥或素混凝土，保證護(hù)壁效果滿足施工要求。

（2）鋼護(hù)筒跟進(jìn)法：在溶洞較大、洞內(nèi)無充填物或有流塑充填物、漏水很嚴(yán)重、片石加黏土反復(fù)打密仍無法形成泥石護(hù)壁時(shí)，可增加鋼護(hù)筒跟進(jìn)法施工。鋼護(hù)筒鋼板由20 mm厚的Q235鋼材組成，分段接長、分段振沉。鋼護(hù)筒上、下口各設(shè)置30 cm寬、12 mm厚加勁箍，以便鋼護(hù)筒振設(shè)施工。

為減少鋼護(hù)筒的用量，以雙層鋼護(hù)筒護(hù)壁的方式進(jìn)行樁基成孔。設(shè)置雙鋼護(hù)筒，在鉆進(jìn)至強(qiáng)風(fēng)化巖層位置處時(shí)，打入外層鋼護(hù)筒至入巖位置以保證覆蓋土層的穩(wěn)定，避免覆蓋土層出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。護(hù)筒為直徑比設(shè)計(jì)樁徑大20 cm的壁厚2 cm的鋼板加工而成，在后續(xù)內(nèi)層鋼護(hù)筒下放預(yù)留足夠空間。遇溶洞漏漿后不再用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，而采用清水鉆進(jìn)的工藝配合掏渣桶施工的方法成樁。此階段不再處理溶洞，僅保證孔內(nèi)液面高于沖擊鉆沖程，利用地下水進(jìn)行沖擊鉆錘頭的潤滑和降溫。樁基成孔后下放內(nèi)鋼護(hù)筒，內(nèi)鋼護(hù)筒分為兩節(jié)，底節(jié)鋼護(hù)筒高度為入巖深度+1.0 m，最上一節(jié)護(hù)筒與底節(jié)護(hù)筒通過限位連接鋼板臨時(shí)連接，在樁基灌注完成后混凝土初凝前，拔除外護(hù)筒及頂節(jié)護(hù)筒周轉(zhuǎn)使用。

（3）清水鉆孔施工：根據(jù)地勘以及設(shè)計(jì)圖紙，溶洞均出現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖層之中，地表覆蓋層則無溶洞情況。因此在樁基鉆進(jìn)施工過程中，頂部覆蓋層仍由泥漿護(hù)壁方式進(jìn)行鉆進(jìn)施工，確?？妆谑┕べ|(zhì)量，不出現(xiàn)塌孔等情況。進(jìn)入巖層后，如出現(xiàn)溶洞導(dǎo)致漏漿后不再進(jìn)行泥漿補(bǔ)充，巖層相對較穩(wěn)定，不再出現(xiàn)塌孔等情況，使用清水鉆孔施工工藝，鉆渣采用掏渣筒進(jìn)行清理[2]。以減少樁基回填復(fù)鉆施工，保證樁基施工進(jìn)度并降低施工成本。

巖溶區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，溶洞形態(tài)千差萬別，對橋梁安全性的影響程度不同，對其處理的方法也應(yīng)有所不同，給橋梁樁基施工帶來了很大困難。施工中往往事故多、進(jìn)度慢、成本高。因此，施工前應(yīng)熟悉地質(zhì)報(bào)告，掌握溶洞所在位置、大小、有無充填物、是否漏水等影響施工的因素，確定每根樁的施工方案，嚴(yán)格按照現(xiàn)場的開孔原則，務(wù)必把各項(xiàng)準(zhǔn)備工作、應(yīng)急措施做到位后才允許開孔。

4 水下混凝土灌注施工

4.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)橋梁樁基混凝土為C30水下混凝土，結(jié)合項(xiàng)目樁基施工環(huán)境，對樁基混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。與常規(guī)位置同標(biāo)號(hào)混凝土相比，主要是增加膠凝材料以及加大混凝土的坍落度，實(shí)際使用樁基C30水下混凝土與其他部位常規(guī)C30混凝土設(shè)計(jì)配合比見表1。

表1 C30混凝土設(shè)計(jì)配合比

在混凝土配合比設(shè)計(jì)階段，主要通過試配確認(rèn)混凝土最佳配合比。樁基水下混凝土增大膠凝材料主要是因?yàn)闃痘炷翝仓瓿珊鬅o法進(jìn)行養(yǎng)生，需確保混凝土強(qiáng)度滿足要求。樁基進(jìn)行水下混凝土灌注施工時(shí)，為防止堵管、爆管引起的樁基質(zhì)量事故，水下混凝土坍落度較常規(guī)位置的混凝土大，故現(xiàn)場要嚴(yán)格控制混凝土坍落度，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

4.2 復(fù)合式護(hù)壁結(jié)構(gòu)

泥漿護(hù)壁鉆孔完成的樁基以及鋼護(hù)筒跟進(jìn)的樁基，常規(guī)的水下混凝土灌注施工工藝即可滿足施工要求。清水鉆施工時(shí)，由于無泥漿護(hù)壁，暗河流動(dòng)造成顆粒搬運(yùn)，無法形成穩(wěn)定的水下環(huán)境進(jìn)行樁基混凝土灌注施工。為保證樁基混凝土順利灌注，防止出現(xiàn)樁基夾泥、斷樁的質(zhì)量事故，減少施工成本投入，考慮復(fù)合式護(hù)壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行樁基混凝土灌注施工，如圖3。

圖3 復(fù)合式護(hù)壁結(jié)構(gòu)布置示意

復(fù)合式護(hù)壁結(jié)構(gòu)為鋼筋籠外骨架形式，外骨架支撐于孔壁，保證樁基直徑不小于設(shè)計(jì)值，避免溶洞填充物和暗河搬運(yùn)的大顆粒物質(zhì)進(jìn)入樁身混凝土中，對孔壁進(jìn)行加強(qiáng)。骨架外側(cè)包裹柔性材料——防水土工布，避免水下混凝土擴(kuò)散至骨架外側(cè)，隔斷外界細(xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)入樁基混凝土，影響成樁質(zhì)量。防水土工布為柔性材料，能較好適應(yīng)樁基孔壁的不平整變化。復(fù)合式護(hù)壁結(jié)構(gòu)為介于泥漿護(hù)壁和鋼護(hù)筒跟進(jìn)護(hù)壁的剛?cè)峤Y(jié)合護(hù)壁，可保證樁基成樁質(zhì)量，降低施工成本。

4.3 混凝土灌注

樁基混凝土均使用導(dǎo)管進(jìn)行水下混凝土灌注施工。首先根據(jù)樁徑、樁長、導(dǎo)管直徑以及泥漿或水的容重參數(shù)等計(jì)算出首批混凝土所需用量，然后配置足夠容量的料斗及首罐混凝土，確保首批混凝土能夠保證導(dǎo)管埋置深度不小于1 m[3]。首批混凝土灌注完成后，緊接著進(jìn)行剩余混凝土的灌注，不得中斷。根據(jù)灌注混凝土量檢查孔內(nèi)混凝土面上升情況，用以指導(dǎo)調(diào)整導(dǎo)管埋深，保證導(dǎo)管埋深滿足規(guī)范要求?；炷凉嘧⑦^程中，需對鋼筋籠臨時(shí)固定，防止混凝土灌注過程中鋼筋籠出現(xiàn)上浮的情況。為保證樁基成樁施工質(zhì)量，需對樁基混凝土進(jìn)行超灌，超灌高度控制在0.8~1 m。

5 成樁檢測

樁基鋼筋籠加工過程中，按照要求設(shè)置聲測管，在混凝土澆筑完成并達(dá)到規(guī)范要求強(qiáng)度后，對樁基進(jìn)行超聲波無損檢測，主要判斷其樁身完整性。對于樁身存在的缺陷，應(yīng)判明其存在的問題、具體位置和對樁身完整性的影響；對于影響成樁質(zhì)量的位置，需采取可靠措施進(jìn)行處理，確保樁身完整性。

6 結(jié)語

喀斯特地貌下伴有溶洞，根據(jù)地形情況有時(shí)存在地下暗河，其中地下暗河的流水搬遷和流動(dòng)作用，使得地下暗河環(huán)境樁基施工極為困難。針對地下環(huán)境復(fù)雜的工況，可靠的施工工藝確保樁基成孔及混凝土灌注施工質(zhì)量必不可少。泥漿護(hù)壁+清水鉆復(fù)合成孔可加快成樁速度，復(fù)合式護(hù)壁結(jié)構(gòu)不僅能確保樁基混凝土灌注施工質(zhì)量，也可減少相關(guān)成本投入，為同類型地下暗河樁基施工提供參考經(jīng)驗(yàn)。