巖溶發(fā)育地段高速公路橋梁樁基施工技術(shù)

羅公貴

摘要：針對巖溶發(fā)育地段高速公路橋梁樁基沉降較高、時常出現(xiàn)橋梁坍塌的問題，文章設(shè)計了高速公路橋梁樁基施工技術(shù)：首先，根據(jù)巖溶地段巖性、層厚、裂隙等情況，采取不同的處理方案，避免樁基礎(chǔ)出現(xiàn)初級沉降；其次，進(jìn)行高速公路橋梁鉆孔灌注樁施工，利用反循環(huán)鉆成孔法鉆進(jìn)，避免對溶洞造成損害；最后，應(yīng)用人工挖孔樁穿越溶洞，垂直沖破溶洞頂板，避免出現(xiàn)樁基失穩(wěn)的問題。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明，使用該施工技術(shù)之后樁基沉降較低，該技術(shù)具有較高的推廣價值。

關(guān)鍵詞：巖溶發(fā)育地段；樁基施工技術(shù)；人工挖孔樁；鉆孔灌注樁

中圖分類號：TU473.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）03-0057-04

0 引言

巖溶發(fā)育地段是可溶性巖層發(fā)生溶蝕作用之后，發(fā)生洞穴、裂隙等現(xiàn)象，對巖石本身強(qiáng)度造成破壞 ［1］。巖溶發(fā)育地段給工程建設(shè)帶來了較大的難度，在水利工程、橋梁工程等貫穿工程中，需要充分掌握巖溶的發(fā)育狀態(tài)與分布情況。只有通過識別巖溶的作用特征，對有利的地形條件加以利用，對不利的地形條件采取相應(yīng)的措施，才能保證工程建筑物的安全使用［2］。樁基是工程中最重要的環(huán)節(jié)，當(dāng)淺層土壤不能滿足施工基礎(chǔ)時，地基會發(fā)生形變，想要滿足地基強(qiáng)度需求，就需要進(jìn)行樁基施工。樁基施工能夠適應(yīng)各種各樣的地質(zhì)條件，在橋梁、建筑、水利等工程中應(yīng)用較為廣泛。

樁基施工技術(shù)與樁材、成樁工藝密切相關(guān)，從手工打樁，到蒸汽機(jī)打樁，再到柴油驅(qū)動打樁，樁基施工技術(shù)的發(fā)展時間較長［3］。鉆孔灌注樁主要是使用機(jī)械進(jìn)行打樁，適用于地下水位以上的鉆孔機(jī)械，能夠提升樁基的承載力，提升工程建筑物施工的穩(wěn)定性；此外，預(yù)制樁、人工挖孔樁等樁基施工技術(shù)均在不斷完善，對建筑的安全建設(shè)具有重要作用。巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水較多、地層不平穩(wěn)，樁基施工難度大，傳統(tǒng)的樁基施工技術(shù)難以適應(yīng)，容易對周邊環(huán)境造成破壞。為保證公路橋梁的穩(wěn)定施工，本文研究了巖溶發(fā)育地段高速公路橋梁樁基施工技術(shù)，分析巖溶地段巖性等條件，以不同的施工手段處理橋梁地基。研究所采用的技術(shù)在施工過程中不需要挖掘土方，對周邊環(huán)境影響小，對巖溶發(fā)育地段的樁基施工具有一定的參考價值。

1 施工技術(shù)設(shè)計

1.1 處理巖溶發(fā)育地段橋梁地基

巖溶地段常常出現(xiàn)地基承載不足、樁基沉降的問題。處理巖溶發(fā)育地段橋梁地基需根據(jù)地基下方巖溶位置、大小、埋深等條件，采取針對性的處理方案，避免樁基礎(chǔ)出現(xiàn)初級沉降［4］。本設(shè)計根據(jù)巖溶地段巖性、層厚、裂隙情況、巖體產(chǎn)狀、洞穴形態(tài)、溶洞頂板、充填、地下水等情況，分析對地基不利和有利的條件，從而采取不同的施工手段，以確保地基穩(wěn)定。例如，巖洞表面堅硬，頂板無破碎時能夠直接進(jìn)行樁基施工；巖溶地段存在斷裂，考慮到溶洞與暗河可能相通，采取了“繞避”的措施。

圖1為巖溶地段分布情況示意圖，巖洞地段的區(qū)域較為復(fù)雜，存在無填充區(qū)域與填棄渣區(qū)域，進(jìn)行樁基施工之前需處理無填充的溶洞。巖洞地段地基處理的過程中，本設(shè)計選用充填法、挖填法、灌漿法等方法［5］。在無填充區(qū)域，上部附加荷載不大，可選用片石、塊石、碎石進(jìn)行填充，能夠保證土層水流排出正常，避免地層水逆流到地面的情況。填棄渣區(qū)域的溶洞軟土較多，需要使用較厚的頂板。此外，地基處理還注入了泥漿，將溶洞封堵完整，阻斷該區(qū)域的地下水。

1.2 高速公路橋梁鉆孔灌注樁施工

經(jīng)過上述對巖溶地區(qū)的橋梁地基初步處理后，對目標(biāo)地段進(jìn)行鉆孔灌注施工操作。反循環(huán)鉆成孔法具有施工速度快、效率高、深度可控、適用于不同地質(zhì)條件等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計將其應(yīng)用于巖溶發(fā)育地段，進(jìn)行高速公路橋梁鉆孔灌注樁施工，可避免坍塌、漏漿等問題，提高施工安全性。設(shè)計采用如下施工流程：設(shè)置護(hù)筒—鉆孔—反循環(huán)鉆成孔法鉆進(jìn)—處理沉渣—測定孔壁—將鋼筋籠放入孔中—扎入導(dǎo)管—再次處理沉渣—灌注混凝土。其中，護(hù)筒的埋設(shè)極為重要，護(hù)筒直徑＞樁徑，將其打入巖土層，確保地下水不上返［6］。鉆孔的孔壁靜水壓力≤0.02 MPa，護(hù)筒位置＞地下水位2 m。鉆進(jìn)完成之后，處理鉆孔產(chǎn)生的懸浮顆粒使鉆孔更加密實(shí)。在黏土層中，灌注混凝土的泥漿比重為1.02～1.04，為確保高速公路的通車需求，設(shè)計鉆孔土層的混凝土泥漿比重為1.05～1.08，使鉆進(jìn)的效率更高，避免發(fā)生堵塞現(xiàn)象。在鉆進(jìn)的過程中，選取鉆桿為3 m的鉆頭，鉆進(jìn)速度在黏土層中設(shè)為3～5 m/min，鉆頭轉(zhuǎn)速為9～12 r/min范圍內(nèi)；在粉土層設(shè)為4～5 m/min，鉆頭轉(zhuǎn)速為9～12 r/min；在細(xì)砂中設(shè)為4～7 m/min，鉆頭轉(zhuǎn)速為6～8 r/min［7］。鉆孔施工原理如圖2所示。

如圖2所示，鉆孔操作中鉆頭、混合器、鉆桿、鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤、通氣管、水龍頭、吸渣軟管、空壓機(jī)等構(gòu)件，以一孔一樁的形式，將巖溶表層的夾層與孤石鉆穿，使樁體牢牢地固定在持力層中，避免對溶洞造成損害，出現(xiàn)溶洞塌陷的問題。反循環(huán)鉆成孔法鉆進(jìn)參數(shù)見表1。

如表1所示，在不同的土層中，鉆進(jìn)速度、鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆壓均不相同。鉆進(jìn)達(dá)到不同土層要求的深度之后停止，使用沖洗液沖洗鉆孔，沉渣含量＜4%之后，完成鉆進(jìn)操作。在孔中注入混凝土之后，以混凝土溢出狀態(tài)判定灌注效果，混凝土持續(xù)溢出之后，完成灌注樁施工。

1.3 應(yīng)用人工挖孔樁穿越溶洞

巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，在接近溶洞頂板的施工過程中，易出現(xiàn)坍塌事故，因此本設(shè)計采用人工挖孔樁進(jìn)行施工。為避免發(fā)生孔塌土層泥土流失的情況，本設(shè)計設(shè)置了護(hù)壁。人工挖孔樁的護(hù)壁形式如圖3所示。

進(jìn)行人工挖孔樁施工時，使用灌注樁的套筒擊破溶洞頂板，套筒下方進(jìn)入溶洞底板基巖。此時溶洞內(nèi)存在充填物，人工挖除至設(shè)計標(biāo)高之后，進(jìn)行樁基施工。受到人工挖孔樁護(hù)壁形式的影響，本設(shè)計在樁孔底部灌注C25的砼，形成0.52 m厚度的止水墊。止水墊砼強(qiáng)度較高時，將樁孔孔口固定在止水墊中，向管內(nèi)注入泥漿，完成樁孔對接密封工作。在未挖樁孔的位置鉆進(jìn)3.5 m的鉆孔，孔直徑約為130 mm，將孔口管與孔口對接，注漿完成后密封孔口。為防止泥漿下降，本設(shè)計在樁體穿越溶洞的過程中采用C20混凝土封堵孔口，并在泥漿穩(wěn)定之后開始沖孔，確保樁體穩(wěn)定，避免因溶洞坍塌出現(xiàn)樁基失穩(wěn)的問題。

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 工程概況

為驗(yàn)證本文設(shè)計的樁基施工技術(shù)是否具有實(shí)用性能，本文以X高速公路樁基為例，對上述施工技術(shù)進(jìn)行實(shí)例分析。X高速公路是50 m+80 m+80 m+50 m的聯(lián)合混凝土連續(xù)梁橋，地貌屬于巖溶平原，場地較平整，地面標(biāo)高為28.75～31.75 m。X高速公路的起止路段為K72+836.45～K75+202.532，全線長度約為2.362 km。X高速公路全橋有左、右兩幅，左幅起點(diǎn)為K73+885.502，終點(diǎn)樁號為K74+136.520，左右幅橋梁長度相同，均為280 m。X高速公路與既有M鐵路交叉于第10個合同段，附近地質(zhì)情況較為復(fù)雜，巖溶發(fā)育較為強(qiáng)力，此處橋梁樁基施工的過程中，極易出現(xiàn)沉降、塌陷等問題，對高速公路與M鐵路造成較大的安全隱患。X高速公路跨越M鐵路情況如圖4所示。

2.2 工程實(shí)施

本次工程是在巖溶地區(qū)進(jìn)行施工，掌握巖溶地形地貌至關(guān)重要。X高速公路與M鐵路交叉，一旦出現(xiàn)巖溶塌陷，就會影響兩條線路的安全運(yùn)行。X高速公路橋梁樁基的土層包括填土，層厚為1.25～2.05 m；黏土層頂面埋深為1.30～2.10 m，層厚度為1.25～7.20 m；風(fēng)化灰?guī)r層頂部層深度約為5.50 m，層厚度約為2.85 m?；?guī)r層較堅硬，巖體等級為II級，裂隙發(fā)育不完整，溶洞存在K73+990.825、K74+065.898號孔，頂面埋深為3.50～11.15 m，揭露層厚度為8.00～14.50 m。在進(jìn)行橋梁樁基施工的過程中，采用人工挖孔樁，樁徑為0.90～2.10 m。本次工程選用1 m樁徑的樁基進(jìn)行施工，在溶洞上進(jìn)行樁基施工如圖5所示。

圖5中，上覆土層的天然容重約為20.56 kN/m3，泊松比為0.28，變形模量為35.5 MPa，內(nèi)摩擦角取20°，黏聚力為0.01 MPa，由此確定上覆土層的厚度為3～20 m?；?guī)r巖性指標(biāo)在70左右，表明溶洞完整度不好。本次工程通過樁基礎(chǔ)的溶洞頂板穩(wěn)定性，對溶洞施工環(huán)境情況進(jìn)行分析。穩(wěn)定性的計算公式如下：

[H=0.06h0+0.92A+0.176 67h+0.000 102 86P-0.045]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

公式（1）中，[H]為溶洞頂板厚度；[h0]為溶洞的高度；[A]為溶洞的寬度；[h]為洞口高度；[P]為單樁荷載的大小。根據(jù)計算出來的[H]值，確定溶洞頂板的穩(wěn)定性，從而確保樁基的安全施工。

2.3 應(yīng)用結(jié)果分析

在上述施工條件下，本文隨機(jī)選取K73+891.825～ K74+136.520共4個樁段進(jìn)行樁基分析，溶洞的頂板厚度分別為5.15 m、4.36 m、3.28 m、2.12 m，在基巖面高程與埋深一致的條件下，分析樁基的沉降與位移情況。應(yīng)用結(jié)果見表2。

如表2所示，4個樁段的高程與埋深各不相同，溶洞頂板厚度從5.15 m變?yōu)?.12 m，溶洞的危險性相應(yīng)增加。樁基沉降值不能超過40 mm，樁基最大位移不能超過20 mm，才可以保證樁基施工的穩(wěn)定性。使用本設(shè)計的施工技術(shù)之后，沉降值和最大位移均遠(yuǎn)低于施工設(shè)計值，樁基施工效果較穩(wěn)定，符合本文研究目的。

3 結(jié)語

近年來，建筑工程修建速度加快，水利工程、公路工程、鐵路工程、橋梁工程、地下工程等工程的修建，使地下空間逐漸減少，架設(shè)在溶洞上的建筑很可能出現(xiàn)地基下沉、溶洞頂板坍塌的現(xiàn)象，從而造成較大的損失。因此，在巖溶地區(qū)進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)，必須掌握巖溶發(fā)育情況，利用有利的地形條件，采取對應(yīng)的樁基建設(shè)方案，從而保證工程建設(shè)的穩(wěn)定。本文設(shè)計的巖溶發(fā)育地段樁基施工技術(shù)，在地基、灌注樁、挖孔樁等處理與施工方面最大限度地保證了公路橋梁施工的穩(wěn)定性。

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