深圳市美加达公路工程有限公司
摘要:桥梁桩基施工中的溶洞处理是桩基施工中经常遇到的难题。本文结合深圳市205国道屯梓河桥旧桥部分桥梁危桥改造工程溶洞处理的实例,概述了其技术措施,以供类似工程参考借鉴。
关键词:桥梁;桩基;溶洞;处治措施
在桥梁桩基础施工中,遇到溶洞的情况并不少见。作为地下隐蔽工程,给施工带来很大困难,如处理方法不当,往往会造成掉钻、卡锤、埋锤、梅花孔、漏浆、塌孔等事故发生,甚至威胁桥梁运营安全。因此充分了解桥区桩位所遇溶洞的发育规律、基本形态、规模大小、溶穴顶板岩层厚度、完整性、洞内充填物形状等,采取稳妥的防治措施,保证施工的顺利进行,十分重要。
1.工程概况
深圳东部地区大多处于石灰岩地区,地质构造上属于华南褶皱带的一部分,区域地质构造轮廓主要有NE向及EW向构造带。因此许多桥梁均通过岩溶区。
深圳市205国道屯梓河桥旧桥部分桥梁危桥改造工程桩基设计为嵌岩桩。设计地质资料显示有少量小溶洞。
但在施工中发现地质资料不准确,溶洞较为发育。为此,我们进行地质勘察补钻后,揭示该桥位于覆盖型岩溶分布区,基岩面起伏大,局部岩溶发育,依据变化的施工实际资料,按桩基溶洞处理原则采取相应防治措施。
2.工程处理实例
2.1岩溶地质勘察补钻
岩溶地区桥梁桩基施工,首先要逐桩勘察,在充分了解桩位溶洞分布规律等基本情况下,选择既能保证质量,又安全,同时尽可能降低成本的施工方案。
对溶洞区桩基础施工前一般采用物探,或其它如电磁波层析CT探测等方法探明溶洞的具体情况。因此,我们在施工首根桩时发现地质情况与设计资料出入较大后,选择逐桩超前钻探,并按设计桩尖标高在完整基岩内加深5m,确保桥梁的安全可靠性。根据物探资料显示,该灰岩地质情况如下:
(1)地层分布
灰岩地层岩性自上而下大致分布有3层:①人工填土层(Qml):素填土主要由回填砂与原旧桥墩花岗岩块石组成,各孔均见,层厚4.9~6.5m。②冲洪积土层(Qal+pl):中细砂,灰白色、浅黄色,很湿,松散至稍密,底部含卵砾石,层厚3~13.4m;粘土,浅黄、棕黄色,湿,可塑,层厚7~16.6m;含砂亚粘土,棕黄色、灰黄色,湿,软塑至可塑,钻进中漏水,孔壁坍塌严重,层厚1~7.4m。冲洪积土层呈软塑至可塑状态,孔隙潜水量大,渗透性能好。③石炭系下统基岩(C1):微风化白云质灰岩,浅灰、青灰、紫红色,2-2#孔35.2~36m,2-1#孔35~35.6m为紫红色含砾泥岩属极软岩,2-1#孔31~32.6m为破碎灰岩块夹砂砾石,1-1#孔19.5~20.5m、1-2#孔17.4~18.5m见溶蚀凹面,1-1#孔27.2~27.5m、1-2#孔28.8~29.1m、0-1#孔21.6~22m为半充填溶洞,充填物为软塑状含砂亚粘土,揭露厚度2.2~15.7m。石炭系下统基岩层呈流塑至可塑状态,与基岩的接触带部分由于潜水影响呈流塑状态;岩层基岩面溶沟溶槽等溶蚀现象严重。
(2)岩溶发育特征表现为:自上而下,由强变弱。基岩面上分布着溶沟、溶槽,浅部基岩岩溶发育较强,有的甚至呈串珠状自上而下分布,深部为古老溶洞,分布较少、暗河为古老溶洞连通而成。浅部溶洞充填物多,深部充填物少,充填物呈全充填一半充填一无充填,呈流塑一软塑状态。构造裂隙发育,地下水活动频繁地方溶洞较为发育。
(3)地下水特征
灰岩地区地下水按其赋存介质可分为三种类型,即:a.赋存于冲洪积及残积层的孔隙水,渗透性强;b赋存于下伏溶洞、溶蚀裂隙及暗河中的岩裂隙水,连通性好,水量丰富;c.赋存于构造断裂带中的裂隙水,连通性强。
通过本桥溶洞桩基的地质补钻,揭示浅层为第四系孔隙潜水,水量中等,深层为基岩岩溶裂隙水,富水性不均,岩溶裂隙带水量较丰富,地质情况及变化规律,连通性强。
以上地质补钻情况说明桥址区由于岩溶作用,基岩起伏大,接近基岩处发育一层含砂亚粘土,软至流塑状,系岩溶产物,为不稳定土体,溶洞较为发育,洞内漏水,分布复杂。钻孔施工过程中较易出现漏浆、地面塌陷等事故,这些都增加了施工难度且影响进度。
2.2工程实施原则及工艺选择
2.2.1实施注意事项
根据地质揭示溶洞地质情况和规律,拟定以下施工注意事项
(1)每根桩必须用地质钻机钻探,详细记录地质状况、溶洞深度、高度、填充物类型,画图列表,为制定相应施工方案提供详实依据。
(2)对填充物进行土工试验,分析其物理力学特性,检测容重、含水量、孔隙率等,为注浆参数计算提供依据;
(3)根据地质钻探资料和填充物情况,对每根桩设计出相应的溶洞处理方案,成孔方法及施工措施;
(4)对每种处理方案,都要进行仔细的计算,施工前在桥位外进行溶洞注浆及钻孔试桩试验,取得经验数据,完善施工方案,指导施工。
(5)遇到大溶洞时,必须请监理工程师和设计单位核查,明确处理方案,并报监理批准后实施。
2.2.2实施工艺选择
施工中采取先易后难的策略,分期分批地组织安排施工,从中摸索经验,以便在比较复杂的溶洞区基桩加以改进并完善施工方法。施工中遵循堵洞护壁,重锤轻击的原则。
针对本桥,具体溶洞处理工艺为:
(1)基桩处于单层或层数不多的溶洞区,洞高较小,洞内有亚粘土、砂等填充物和无填充物等情况,为降低成本,采用常规方法施工:用4.5t冲击锤冲孔,循环泥浆将冲渣带出,平衡地层压力,保护孔壁防止坍塌,钻孔深度达到溶洞顶部时密切注视泥浆突然下降情况,根据泥浆下落高度和补给泥浆体积估算溶洞的体积,供灌注水下混凝土计算体积时参考用,待泥浆回升至护筒口形成循环流动后继续冲孔,冲至溶洞1~2m深,达到桩基嵌岩深度,经监理检验,下钢筋笼,清孔和灌注水下混凝土。
(2)对于溶洞高度较大的桩基,冲孔时冲到溶洞顶部,泥浆突然下降很大,补给泥浆不能回升,也不能保持循环流动,此时需要回填粘土、碎石,加5%~8%的水泥拌和料到钻孔内,其目的是使溶洞空间内形成一个圆锥体,在其中心钻孔,周围成为有一定厚度、有一定强度的护壁。
(3)对于基桩处在多层溶洞,洞高很大,洞内有填充物,但各层洞内填充物不同,或无填充物及半填充状况,基岩上层土质松软孔壁易崩塌,甚至洞内在相邻桩位形成串珠状的情况,采取钢护筒的方案。冲孔时先将溶洞顶部冲掉再将溶洞底冲平整,在溶洞底的孔径四周回填大约1m高粘土,再放入护筒,护筒插入粘土层内,使其不漏浆,护筒安放要求垂直,在护筒内灌入泥浆继续冲孔,冲至嵌岩深度和设计桩底标高,再浇注水下混凝土。
实施中根据工程实际,加强注浆防渗漏控制和成孔、岩面的检验等。
2.3桩基溶洞处理防治技术措施
2.3.1防止卡锤、掉钻措施
根据地质情况,不管溶洞上部采用人工挖孔还是冲击钻成孔,常规处理时,溶洞顶面以上部位的孔径按设计桩径加大20cm左右,冲孔时采用导向圈。钻至溶洞顶板岩层时,及时检测剩余厚度,做到抛了又冲,冲了又抛,不断循环,以小冲程,慢进尺进行。
2.3.2冲孔进度
冲孔过程中,冲击锤采取重锤轻击,进尺控制在80cm/h,提钻高度控制在50-80cm左右。
2.3.3漏水、漏浆处理措施
钻孔冲透溶洞时,注意保持孔内泥浆面水头。如发现泥浆面下降,立即提出冲锤,向孔内补浆或加水。漏浆严重时,采用片石加粘土、水泥回填,再冲击开孔,或用钢炉筒法。采用钢炉筒方案发生漏浆情况,则复打比上层护筒直径小的钢护筒,抛适量片石、粘土,用冲锤密击封堵钢护筒脚,以达到堵漏目的。
为保证堵漏目的实现,采用注浆法施工。
根据地质情况在每一根桩的中心位置或桥墩承台的四角钻注浆孔。钻注浆孔也是对地质情况的进一步斟探,通过取芯探明溶洞的高度及填充物的详细情况。
(1)用注浆泵注浆,注浆压力不宜太大,控制在0.5-1.0Mpa范围,具体压力值由现场试验确定。速度为15-20L/min,其目的是使浆液渗透到填充物内(包含灌入的砂或碎石),然后固结,渗透最小直径定为3.0m,以保证冲钻孔时有足够的固结体。注浆时注浆管必须插到填充物的底部,然后边注浆边缓慢上提,提管速度不宜太快,根据注浆速度确定,应使渗透半径控制在允许范围内。浆液选用水泥浆,用32.5级水泥,水泥浆配合比为水:水泥砂=0.8:1.0。若需用水泥浆砂浆时,水玻璃的含量根据现场试验确定。
(2)单花管注浆,管头花管段长度为100cm,孔眼直径和间距根据现场试孔后确定,注浆管外径为70mm,比钢套管内径要小。注浆时,通过注浆泵上的PQ仪分析确定注浆的速度和结束时间,压入量根据渗透半径,固结体积计算。
(3)为防止浆液流失太远造成浪费,采用间歇注浆方式,使得先注入的浆液与砂子(或碎石)初步胶结后再注浆,循环注浆多次,直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值为止。
(4)注完一个孔后,继续对其余孔进行注浆,注浆顺序由现场自行掌握。
2.3.4抛填物选择
冲孔到达溶洞时,针对洞内充填物的不同,需相应抛填不同材料护壁。如洞内填充物为亚粘土,则抛填片石和粘土(5:1),并适当加砖块和水泥,以便形成稳定护壁。如洞内填充物为砂,则主要抛填粘土和片石或砖块(1:4),防止塌孔埋钻,加强护壁效果。
2.3.5防止斜孔
冲击钻成孔过程中,有时出现岩面倾斜。简单处理是抛填质地紧硬的小片石浆岩面找平,以小冲程钻进,以免造成斜孔、卡钻。但如果孔位岩面倾斜度较大,或一半岩、一半土的情况,则直接灌注混凝土,待混凝土达到一定强度后,重新钻进。
2.3.6漏混凝土的预防
在对有溶洞的桩成孔灌注水下混凝土时,可能会出现混凝土的压力把已形成的护壁破坏,混凝土浆漏入溶洞的情况。因此,我们在施工中,溶洞顶板冲透并在洞内形成封闭护壁后,再抛填粘土、片石、水泥等充填物,并超过溶洞顶板高度,进行复打,重新冲击形成强度更好、厚度更大、稳定性更好的护壁。
斟察资料及实际施工表明,本地区属岩溶发育区,因此,全岩面的正确判断成为本工程孔施工的关健。影响全岩面判定的因素较多,而现有的桩基技术规范、规程等均未列出统一的判定标准,受地质条件复杂的影响,全岩面的判断往往意见不一,成为质量控制的一大难题。实际施工中,根据岩溶地区地质条件的特殊性、复杂性及工程特点,经过试桩检验,主要从4个方面来进行全岩面的综合判断。第一,以桩孔实际见岩高程时算起,至少进尺50cm后,可申报全岩面检验,超前钻孔柱状图揭示的岩面高程只作为参考。第二,查阅机台施工记录,可将基岩进尺作为参考。第二,查阅机台施工记录,可将基岩进尺速度0.1-0.2m/h作为进入全岩面的控制速度。第三,可观察井口钢丝绳的摆动情况,锤头触岩面时会出现轻微反弹。第四,使用细目筛网捞取岩渣,岩屑含量50%-70%。且含泥、含砂量小于4%时,认为入岩。
2.3.7地表沉陷的处理
地表沉陷实际上是溶洞塌陷,造成塌孔。这容易引起掉钻、埋钻,甚至造成安全事故。例如在进行1-1#桩施工时,就出现地表轻微下陷情况。经过分析判断该处出现的溶洞是相通的,故对1-1#桩孔用粘土加片石填至孔口,再将下陷地表用片石加粘土填平,重新冲孔,处理后未再出现下陷情况。
3.结语
由于切实做好实施工组织安排和加强现场的技术管理工作,并对各种问题及时采取对应措施,如上述采取的一系列施工工艺,故在施工过程中未发生过安全及质量事故,并顺利完成该桥所有钻孔灌注桩施工。
工程经质量监督部门检测,桩基检测优良率达99%。溶洞处理取得了较好的质量效果,这也进一步证明了桩基施工中溶洞处治措施的实用性。
参考文献
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