沖積層溶蝕地區(qū)樁基礎(chǔ)施工技術(shù)

沖積層溶蝕地區(qū)樁基礎(chǔ)施工技術(shù)襄樊XX橋?yàn)闈h十襄荊高速公路連接線的重要控制工程，橋梁總長(zhǎng)4617.85m?；静贾脼椋?9.925+34×30m）T梁+（75+5×120+75m）連續(xù)梁+（70×30+22+22×30+29.925m）T梁，橋面總寬26m，中間設(shè)置2m的中央分隔帶。全橋由兩幅完全分離的平行橋梁構(gòu)成。下部構(gòu)造分離式肋板式橋臺(tái)基礎(chǔ)采用4根Ф1.5m的鉆孔灌注樁。引橋橋橋墩分為過(guò)渡墩和連續(xù)墩兩種形式，均為分離式雙柱式橋墩，墩身直徑φ1.5m，基礎(chǔ)采用2根φ1.5m鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)厚度為2.0m的系梁。本橋梁南引橋段處于襄樊——廣濟(jì)斷裂與胡集——沙洋斷裂交匯附近，橫跨襄樊——廣濟(jì)斷裂（湖北省唯一的一條大斷裂帶）。根據(jù)鉆探和物探工作揭示，區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)共分為六個(gè)大的層次：①亞粘土層：廣泛地分布于本合同段的地表。層厚0.1～1.0m，軟塑狀態(tài)；②粉細(xì)砂層：泥質(zhì)成分較少，層厚2.0～10.6m，松散狀態(tài)；③卵礫石層：礫石含量60%～80%，層厚3.5～7.6m，分布廣泛，屬松散～稍密狀態(tài)；④卵礫石層：礫石含量80%，層厚17.1～18.52m，中密狀態(tài)；⑤角礫巖層：層厚0.5～24.8m；⑥白云巖層：分布于整個(gè)南引橋范圍內(nèi)，淺灰色，粒狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育有兩組裂隙，且多為方解石填充，巖石堅(jiān)硬，層頂標(biāo)高31.10～62.91m；受斷裂構(gòu)造影響，白云巖大都較為破碎，溶蝕現(xiàn)象、溶洞普遍發(fā)育。一、問(wèn)題的提出溶蝕地區(qū)進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工的問(wèn)題本身就有兩大難點(diǎn)期待解決：1、就是溶洞的孔壁情況以及大小、位置等會(huì)對(duì)沖擊鉆頭運(yùn)行情況存在隱患，即容易發(fā)生卡鉆、掉鉆事故和孔身偏斜；2、是溶洞的連通情況無(wú)法準(zhǔn)確了解，有可能會(huì)在沖擊穿溶洞的瞬間，孔內(nèi)泥漿下沉，鉆孔過(guò)程中的內(nèi)外水頭失去平衡，造成孔壁坍塌事故的發(fā)生。由于在此南引橋區(qū)域施工中上部覆蓋層為層厚10～12m的松散粉細(xì)沙層，中部為層厚16～18m的從稍密—中密—密實(shí)的卵礫石層，底部表層為錯(cuò)綜復(fù)雜的溶洞，表層以下，基巖完整，同時(shí)地下水位較高，一般在地表以下4～5m。因?yàn)橐坏┌l(fā)現(xiàn)溶洞而導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿迅速被泄露，在高地下水位的作用下，首先坍塌水位面以下的松散粉細(xì)沙層，同時(shí)在水位面以上的松散粉細(xì)沙層失去支撐作用后，隨即跟著坍塌，在上部的松散粉細(xì)沙層的坍塌沖擊作用力下，帶動(dòng)中部的稍密卵礫石層失去穩(wěn)定，進(jìn)而像解扣一樣帶動(dòng)中部中密卵礫石層坍塌，以前坍孔埋鉆的基本表現(xiàn)均為地表呈漏斗狀同時(shí)坍塌范圍又不廣泛就是這種情況。換一句話來(lái)說(shuō)，此南引橋區(qū)域的溶洞等不良地質(zhì)問(wèn)題包括本身存在兩大難點(diǎn)，然而，它主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1、無(wú)法保證孔內(nèi)水頭的穩(wěn)定。沒(méi)有地表水，所有的鉆孔用水必須采用地下水。通過(guò)幾次的坍孔情況看來(lái)，要至少保證每分鐘20m3的供應(yīng)水量，必須保證至少36臺(tái)60m3/h抽水機(jī)和30個(gè)左右的抽水井和120m3/h的造漿池，以及4臺(tái)30m3/h的造漿機(jī)，按照設(shè)計(jì)詳勘階段提供的地下水在卵礫石層中的滲透系數(shù)K=3.91×10-2～9.93cm/s進(jìn)行計(jì)算（取K=5.00cm/s），相鄰的兩個(gè)孔位之間的距離至少在20m，也就是說(shuō)供一個(gè)孔位施工需要1300m2的場(chǎng)地，這種場(chǎng)面在土地昂貴的地區(qū)顯而易見(jiàn)是不可能實(shí)現(xiàn)的。2、施工的周期較長(zhǎng)，原因有孔深度較大和由于該區(qū)域進(jìn)入溶洞后巖石的強(qiáng)度較高、穿過(guò)溶洞時(shí)需要反復(fù)地進(jìn)行堵漏等三個(gè)方面，尤其是后兩個(gè)方面是重要的影響因素。穿過(guò)溶洞需要人工造孔壁，人造孔壁的強(qiáng)度是不能持久的，尤其是在高內(nèi)水頭壓力和反復(fù)的震動(dòng)影響下，最為容易造成人造孔坍塌，另一方面巖石強(qiáng)度過(guò)高造成進(jìn)尺緩慢，這對(duì)人造孔壁在鉆頭帶動(dòng)的水流剪切作用下，容易消弱人造孔壁的斷面尺寸。3、無(wú)法保證孔壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。即使再濃的泥漿，在不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的施工中，它形成的孔壁不會(huì)超過(guò)2cm，僅不過(guò)是一層泥皮，就是這樣的護(hù)壁情況，在孔內(nèi)泥漿迅速下降時(shí)，高水頭壓力下談?dòng)泻畏N強(qiáng)度是天方夜談，再者，利用水泥來(lái)護(hù)壁，要它對(duì)松散的粉細(xì)砂形成相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和一定韌度也是不現(xiàn)實(shí)的。但是保證了孔壁的強(qiáng)度，孔內(nèi)的水頭高度也就不是重要的因素，因而，如何解決孔壁的強(qiáng)度是解決該區(qū)域溶洞問(wèn)題的最為關(guān)鍵的因素。二、解決方案根據(jù)以上地質(zhì)特點(diǎn)和施工技術(shù)中存在的難度，我們提出五種施工方案，下面進(jìn)行比較分析。方案一，管柱沉井的方案其施工基本思想就是利用水泥護(hù)筒形成孔壁的強(qiáng)度，避免因?yàn)樗^的迅速喪失而造成上部松散的粉細(xì)砂層坍塌而出現(xiàn)坍孔事故。首先利用沉拔樁機(jī)將2.6m的水泥護(hù)筒沉入地下，穿過(guò)松散的粉細(xì)砂層和稍密的卵礫石層，進(jìn)入中密的卵礫石層到達(dá)巖石表面后，采用常規(guī)的方法成孔，遇到漏漿時(shí)，首先采取黃土、片石、水泥或澆筑低標(biāo)號(hào)的素混凝土進(jìn)行封堵，回填的高度以孔內(nèi)泥漿高度不在下降為止，然后重新沖擊鉆進(jìn)，以此反復(fù)直至成孔成功。該方案主要的施工進(jìn)度快不了，但施工相當(dāng)安全，即滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)能降低施工風(fēng)險(xiǎn)。方案二，采取大直徑群樁不穿越溶洞的方案其主要基于覆蓋層的厚度可能滿足不了摩擦樁的設(shè)計(jì)要求，具初步計(jì)算，采取直徑為2m的樁，扣除8～10m的松散粉細(xì)砂層，僅需要考慮四樁式的群樁時(shí)，卵礫石層厚度超過(guò)16m即可滿足設(shè)計(jì)要求，而且該方案施工的風(fēng)險(xiǎn)幾乎沒(méi)有，可以節(jié)省不必要的風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用。方案三，采用磨旋鉆機(jī)穿越溶洞的方案其關(guān)鍵在于溶洞以下完整基巖部分的巖石強(qiáng)度高達(dá)120MPa，它本身成孔過(guò)程中鉆頭的施工空間較小，使得鉆頭的重量滿足不了沖擊的要求，同時(shí)樁長(zhǎng)對(duì)于鉆桿的要求可能有點(diǎn)吃緊，另外一個(gè)方面就是進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用可能占到施工費(fèi)用的1/3。方案四，全護(hù)筒跟進(jìn)施工方案其首先采用大直徑鉆頭沖擊鉆進(jìn)之巖面以上60cm，然后在沉拔樁機(jī)的震動(dòng)下使鋼護(hù)筒下沉巖石表面，接著采用注漿的方式密實(shí)護(hù)筒周圍，最后進(jìn)行常規(guī)溶洞區(qū)域樁基礎(chǔ)施工方法進(jìn)行成孔施工。方案五，水下灌注管柱沉井方案其首先利用常規(guī)的方法在覆蓋層內(nèi)且距離溶洞頂有一定的安全距離后成大直徑的鉆孔灌注樁，然后澆筑25號(hào)水下混凝土，待混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，重新沖擊鉆進(jìn)，通過(guò)澆筑混凝土的方法進(jìn)行溶洞堵漏。下面對(duì)上述方案的特點(diǎn)進(jìn)行比較：方案名稱主要優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)備注管柱沉井方案1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)剛度大，滿滿足穿越離離散性的卵卵礫石層，承承受不良荷荷載能力好好。2、加工制作加工方便便，存放安安全，可以以就地施工工。3、材料采購(gòu)使用方便便，可以充充分利用現(xiàn)現(xiàn)有的材料料。1、加工周期長(zhǎng)，容容易引起工工期的浪費(fèi)費(fèi)。2、要大型吊裝機(jī)機(jī)具設(shè)備。3、施工進(jìn)度較為為緩慢，輔輔助施工費(fèi)費(fèi)用較高?？尚胁扇〈笾睆饺簶稑恫淮┰饺苋芏捶桨覆扇〕Ｒ?guī)施工方方案進(jìn)行，不不需要其他他的施工風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。需要靜動(dòng)載試驗(yàn)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)樁樁基礎(chǔ)承載載能力和安安全性可行采用磨旋鉆機(jī)穿穿越溶洞方方案1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)剛度大，滿滿足穿越離離散性的卵卵礫石層，承承受不良荷荷載能力好好。2、設(shè)備機(jī)械性能能完全適應(yīng)應(yīng)上部的覆覆蓋層。1、協(xié)調(diào)工作量最最大，輔助助進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)費(fèi)用可能高高大30～40萬(wàn)元。2、施工費(fèi)用較高高。3、巖石的強(qiáng)度較較高，施工工可能難以以為繼續(xù)。4、機(jī)械結(jié)構(gòu)本身身的缺點(diǎn)可可能導(dǎo)致鉆鉆頭的重量量適應(yīng)不了了地質(zhì)條件件的要求?？尚腥o(hù)筒跟進(jìn)施工工方案1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更改離散散性的卵礫礫石層為較較為均一的的粉細(xì)砂，可可以解決護(hù)護(hù)筒本身的的缺陷，摒摒棄不良荷荷載的存在在。2、加工制作加工方便便，存放安安全，可以以就地施工工。3、材料采購(gòu)使用方便便，可以充充分利用現(xiàn)現(xiàn)有的材料料。1、需要大型吊裝裝機(jī)具設(shè)備備。2、施工周期較短短，施工方方便優(yōu)先水下灌注管柱沉沉井方案1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)剛度大，承承受不良荷荷載能力好好。2、加工制作直接現(xiàn)澆澆而成。3、材料采購(gòu)使用方便便，可以充充分利用現(xiàn)現(xiàn)有的材料料。1、施工周期短，能能進(jìn)行工期期的合理安安排。2、施工進(jìn)度較為為較快，輔輔助施工費(fèi)費(fèi)用少。推薦三、詳細(xì)施工方案1、成孔施工方法1）先在樁位上下沉2.2m直徑的大護(hù)筒，護(hù)筒盡可能的穿過(guò)粉砂層。2）用沖擊鉆機(jī)成孔，孔徑2.0m，孔深鉆到巖層頂面。3）下1.7m直徑的大護(hù)筒，大護(hù)筒的底部盡可能地貼近巖層表面。4）清孔后灌注C25水下砼進(jìn)行封底，砼頂面進(jìn)入護(hù)筒50cm，待砼達(dá)到5MPa時(shí)，采用壓漿機(jī)壓漿，密實(shí)護(hù)筒周圍。5）穿過(guò)巖溶地層時(shí)，采用分級(jí)防護(hù)的原理進(jìn)行成孔，即首先采用1.2m直徑的沖擊鉆成孔。鉆孔過(guò)程中及時(shí)根據(jù)地質(zhì)勘探資料提供的情況和鉆進(jìn)過(guò)程取樣情況進(jìn)行對(duì)比，采用灌注水下砼的施工方法進(jìn)行溶洞的封堵，鉆到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，再用1.5m直徑的鉆機(jī)重新成設(shè)計(jì)直徑的樁孔，如遇到同樣漏漿情況，仍然采用水下混凝土施工方法進(jìn)行封堵。2、溶洞頂板的擊破鑒于該類樁位的的特性是：一旦擊破了溶洞或裂隙的頂板，發(fā)生的漏漿表現(xiàn)就相當(dāng)嚴(yán)重，為了施工的安全，全部采用落距為40cm的沖程進(jìn)行，而且盡量保證沖擊錘的橫向擺動(dòng)幅度，使其平穩(wěn)地運(yùn)行。頂板被擊破后，進(jìn)入下一步封堵程序。3、堵漏施工堵漏，也是成孔成功的一道關(guān)鍵工序，為了保證現(xiàn)澆管柱孔壁的安全，事先根據(jù)實(shí)際的進(jìn)度進(jìn)行預(yù)先估計(jì)堵漏的時(shí)間，提前安排混凝土拌和樓生產(chǎn)混凝土，布置好混凝土運(yùn)輸車的運(yùn)行路線，嚴(yán)格保證混凝土澆筑的連續(xù)性。堵漏混凝土采用樁基礎(chǔ)同標(biāo)號(hào)，直接利用混凝土運(yùn)輸車進(jìn)行灌注，堵漏混凝土的頂面標(biāo)高控制在現(xiàn)澆管柱底面以上1m左右，施工過(guò)程中及時(shí)觀測(cè)堵漏混凝土的表面下降情況，及時(shí)決定是否繼續(xù)灌注混凝土，待堵漏混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的40%，重新沖擊鉆進(jìn)，如果繼續(xù)發(fā)生同類漏漿情況，反復(fù)采用同樣的方法進(jìn)行封堵。4、樁基礎(chǔ)混凝土施工一旦成孔施工獲得成功，全部采用清水水下澆筑混凝土的方案確保樁基礎(chǔ)的實(shí)際受力性能和樁身質(zhì)量。四、結(jié)束語(yǔ)從2001年5月，我們著手施工超前鉆探揭示該南引橋復(fù)雜的巖溶地質(zhì)，截止于2001年10月全部完成該項(xiàng)工作，自此進(jìn)入巖溶樁基礎(chǔ)施工，歷時(shí)6個(gè)月的方案反復(fù)論證，通過(guò)四個(gè)坍孔埋鉆的沉痛事故積累的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)