石武客运专线确山特大桥岩溶发育地区深长桩成孔技术

2010-03-22王坤友

铁道标准设计 2010年9期

王坤友

(中铁十八局集团第一工程有限公司,河北涿州 072750)

1 工程概况

新建石武铁路客运专线SWZQ-8标确山特大桥全长3 421 m,共有104个墩台,桩基859根,最大桩长80 m,最小14 m,其中0号～40号墩、99号～101号墩为嵌岩桩,位于复杂岩溶发育地区,桩基础施工经常遇到溶洞、断层,多次发生坍孔、斜孔,卡钻、泥浆流失等情况,造成成孔困难。因此在桩基施工中,如何制定有效的预防措施以及处理溶洞事故的方法,是确保成桩质量和控制工期的关键。

我标段施工的确山特大桥是位于溶洞发育区最具有代表性的桥梁,桥址内震旦系中统北大尖组泥质砂岩、灰岩、云母片岩、石英岩成整体接触。下伏有东西向压性和南北向张性断层,受其影响,岩体较破碎、节理发育;溶洞范围广、深度发育不一,一般深度为2～7 m,最深溶洞达76 m,基岩面相差悬殊,溶洞或为空溶洞,或为充填溶洞,填充物多为流塑状黏土;部分溶洞岩溶裂隙水发育,甚至形成大型的岩溶管道(洞穴)以及地下河流。

大部分溶洞为糖葫芦串式,一个接着一个。有的溶洞内无填充物或有少量流塑状黏土,有的溶洞岩层斜面较大且有探头石,溶洞发育具有不规则、无规律特性。有的又同时处于破碎带与溶洞上,给施工带来了很大的困难,虽有钻探资料,也很难反映实际地质情况。

2 岩溶发育地区钻孔桩成孔中的常见问题

岩溶地区钻孔桩均采用冲击钻冲击成孔。由于岩溶地区的特殊性,成孔过程要困难得多,遇到的问题也特别多,主要表现在以下几方面。

漏浆塌孔:当钻进过程击穿溶洞顶板时,孔内泥浆突然下沉流失,这样孔外压力大于孔内压力,造成孔壁坍塌。也可能造成临近地面塌陷,危及施工安全。孔内失水是溶洞区孔桩施工的最常见的问题,我们在桩基施工中均不同程度地发生过这类情况。

偏孔:由于溶洞发育的无规则性,溶洞顶板或穿过溶洞后的底板岩面常为倾斜的,或在溶洞中有岩石探入,造成空实、软硬相间,常发生偏孔现象。处理偏孔的过程一般需较长时间,严重影响施工的总体进度。

掉钻、卡钻:当溶洞为半填充或非填充,且溶洞较大时,易发生此类现象。

3 施工技术措施

针对岩溶发育区钻孔桩施工中常见的诸多问题,施工主要采取了延伸护筒、护筒跟进、二次成孔、回填等技术措施。

3.1 钻孔顺序

按先长桩后短桩、先低位桥墩上的钻孔桩后高位上的钻孔桩,先周边后中间的钻孔桩,这样有利于后续钻孔桩的施工。同一个墩,长桩先施工,对截断溶洞通道有利,利于后面短桩的施工;一座桥,由于水流总是由高向低,先施工低位钻孔桩,可部分截断溶洞通道,利于高位桥墩的施工,确山特大桥所有桥梁钻孔桩施工中均是遵从这一原则。

3.2 钻孔过程中特殊情况的处理

3.2.1 塌孔与漏浆

(1)泥浆制备

根据地质情况,合理选择泥浆指标。在一般地层进行钻孔桩施工,泥浆护壁的效果好坏是成孔的关键。泥浆一方面起到护壁,防止钻孔垮塌的作用,另一方面,起到浮渣作用,一般应选用塑性指数 IP＞10的黏性土或膨润土,不同的土层泥浆相对密度不同,对于岩溶地区钻孔,泥浆相对密度应取较大值。本桥在施工中采用泥浆比重1.3～1.5。

(2)回填

回填是处理溶洞塌孔的基本和较为有效的方法。根据溶洞大小备足水、黏土、片石等必备材料,确保在孔内泥浆突然流失时,及时补充孔内水头,不致发生塌孔,施工中应注意以下几点。

①当钻至溶洞顶部附近时,采用小冲程,逐渐将洞顶击穿。应准备足够的片石和黏土,黏土做成泥球,然后根据溶洞的大小按1∶1的比例回填黏土和片石。此时仍采用小冲程进行轻砸堵漏,让黏土和片石充分挤入溶洞内壁。若有漏浆时,应补充足量的水进行造浆,待黏土和片石充分挤入溶洞内形成稳定护壁后,并且泥浆漏失现象全部消失后正常钻进,如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。

②当漏浆严重,回填黏土和片石没有作用时,可采用直接灌注水下混凝土的措施。方法如下:按照灌注水下混凝土的施工方法下导管至已钻孔0.3～0.5 m,灌注水下混凝土,至溶洞填充完毕,判断标准以灌注混凝土面超过溶洞洞顶1 m左右且混凝土不再下降为准,待混凝土强度达到30%～50%后,重新钻进。29号墩3号桩即是采用此方法顺利成孔。

③钻头穿越溶洞时要密切注意大绳的情况,以便判断是否歪钻。若歪钻应按1∶1的比例回填黏土和片石至溶洞顶板2 m以上,重新冲砸。

(3)护筒跟进

钢护筒根据桩径大小、地层条件分别采用6～10 mm厚钢板卷制焊接成圆形,直径较桩径大50 mm,护筒长依据地质、水文情况选定,由单节或多节短护筒焊接而成。钢护筒在加工时焊接缝必须符合设计要求,不得漏水。护筒埋设第1节由人工埋设,使筒顶高出地面30cm,焊接第2节后,在护筒顶放置搭板(50 mm厚钢板制作),利用钻机提起钻头,将钢护筒冲击入土,然后冲孔,孔深达到护筒底后,再焊接第3节护筒,如此循环,直至达到需要深度。深度根据土层和溶洞发育情况确定。

采用护筒跟进很大程度上可降低塌孔和漏浆风险,提高成孔效率,100号墩3号桩即是采用护筒跟进技术,有效避免了孔口坍塌;101号墩4号孔,钻孔至18.6m深,护筒跟进至16 m,避免发生孔内泥浆流失造成塌孔。

3.2.2 偏孔

在孔内回填片石和黏土块2 m深左右,同时调整钻机冲程于0.5 m,然后继续冲孔,混合填料经反复冲砸在孔内形成高出顶板处有一个较坚硬的混合柱体,具有足够的冲击能力,达到破碎斜面的目的。同时形成坚实、圆顺的过渡孔口,为以下的钻孔作业起到良好的导向作用。当斜面倾斜严重或桩位置于溶洞边缘时,在钻进中钻头偏向软土一侧,用该法无法解决偏孔或弯孔的问题时,可采用灌注水下混凝土,待2～3 d后重新钻孔。这样反复几次回填大片石或混凝土后,一般可以解决。

3.2.3 卡钻、掉钻

在施钻过程中由于施工不当,在穿越顶板时经常发生卡钻现象,或由于严重失浆,孔内失去压力平衡,引起塌孔埋钻头等现象。为了避免或者减少这种事故的发生,利用缓冲的方法。即当钻进接近穿越顶板进入溶洞前,在顶板已成孔段内回填混合材料2 m左右。同时变为小冲程,先放小钻头冲击,然后再用标准钻头扩孔成桩。这个办法效果明显,能起到缓冲作用,大大减少了因一锤击穿顶板后,造成卡钻和因失浆过急造成埋钻的现象发生,有利于施钻的顺利进行。但是一旦发生掉钻、卡钻可按以下方式处理。

(1)卡钻的处理方法

①采用2台钻机同时提钻,或滑轮组提钻。

②采用炸药振动提钻。

③对于掉块卡钻,采用钢轨等重物或特制重的空心笼钻冲击锤体,使钻头松动提钻。

(2)掉钻处理方法

①水下打捞钻头。水下打捞钻头,在钻头没有被渣土覆盖时,可以采用打捞钩和打捞活套打捞。

②浇筑水下混凝土进行人工挖孔打捞钻头。有时护筒底扩孔,无法实施水下打捞时,可以采用在护筒内浇低强度砂浆或混凝土封至护筒口以上,待形成一定强度后,人工挖孔,直至挖出钻头。此法施工时必需注意防止护筒内外压力差过大而发生穿孔,因此施工必须快速连续进行。如27号号墩6号孔、29号墩4号孔即是利用上述方法解决了多次卡钻、掉钻的问题。

4 结语

为保证复杂岩溶地区深长桩成孔质量及成孔效率,在桩基施工过程中笔者认为应做好以下几点。

(1)作好施工预案,确保顺利成孔。预先编制溶洞处理方案(预注浆、钢护筒跟进或预备泥球土及片石土等),且向每一位操作工人及现场管理人员清楚交底。并随着施工的进展,对地质情况进一步了解,随时修订技术措施,确保发生异常时能及时处理。

(2)根据地质情况,合理选择泥浆指标。在岩溶地区除在施工中加强泥浆护壁外,还存在一个通过溶洞的造壁问题。因此,在配制优质泥浆护壁的基础上,对不同溶洞内土的不同性质,按一定的比例分别加入水泥、木屑、草袋、片(碎)石等混合材料。这些加入的材料经钻头的冲击捣动作用,将挤入溶洞周边和岩溶裂缝中,这样既可以达到溶洞孔壁封闭环的形成,又能增强泥浆护壁的效果。

(3)提前作好应急措施。如果存在较大的溶洞可按如下方法处理:在孔口附近准备足够的小片石和黏土,最好配台ZL50型装载机,当遇到溶洞漏浆时,迅速铲起片石和黏土填孔,同时大量补水,确保一旦孔内失水能及时补充孔内水位,不致造成大范围的塌孔。

(4)不能忽视小溶洞的处理,20号墩8号孔桩,设计图揭示溶洞高度只有30 cm左右,实际施工中成孔也不是特别困难,但均发生了灌注完成后钻孔桩混凝土下沉的情况,经设计补充钻探资料表明,桩底没有地质方面的问题,混凝土从桩底上3 m位置发育的小溶洞周边流失。

(5)做好钻孔记录,为控制钻进速度和设计变更提供依据。

[1]吴跃梓,丁自林.岩溶地区桩基施工技术浅析[J].安徽建筑,2007,14(3):123-125.

[2]刘金良,谢军,李岩.复杂岩溶地区超长深桩成孔技术研究[J].铁道标准设计,2008(4):6-9.

[3]马俊,周刚.岩溶发育地区桥梁桩基施工技术研究[J].公路与汽运,2005(2):91-92.

[4]JT J160—2005,客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准[S].

[5]JT J041—2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[6]刘金良,谢军,李岩.复杂岩溶地区超长深桩成孔技术研究[J].铁道标准设计,2008(4).

[7]谢煜新,张凤成.岩溶发育地区桥梁施工[J].公路与汽运,2004(2):94-96.

[8]刘金砺.设计施工与检测[M].北京:中国建材工业出版社,2001.

[9]孙爱军,赵英爽.客运专线铁路岩溶地区钻孔桩施工技术[J].铁道标准设计,2008(10):46-48.