承压水地层钻孔灌注桩施工技术研究

2022-06-28谢阳阳赵成毅徐光普

西部交通科技 2022年4期

谢阳阳赵成毅徐光普

【摘要：】承压水地层钻孔灌注桩在一般的桥梁桩基施工中很少见，尤其是在地表覆盖层为卵石土、砾石土等工程地质条件下。文章结合工程实例，阐述了桩基在钻孔过程中，遇有承压水地层导致孔内涌水、塌孔而无法成孔的技术难题，以及为解决这一难题采取的相关措施，可为类似工程提供参考。

【关键词：】承压水地层;钻孔灌注桩;施工;措施

U443.15+4A551813

0 引言

承压水地层是指上下两个隔水层之间的含水层，承受一定的静水压力。当钻孔打穿上层隔水层进入含水层时，桩孔中的水受地层压力影响，便向上涌出，上升到一定高度才会停止。钻孔灌注桩施工中遇到承压水地层时，若不能及时有效地处理，不仅会严重影响桩基成孔质量和混凝土灌注质量，也会耽误工程进度，从而造成较大的经济损失[1]。因此，有必要对承压水地层钻孔灌注桩施工工艺进行研究、总结，为以后类似工程提供借鉴和参考。

1 项目概况

国道314线布伦口至红其拉甫公路建设项目位于新疆维吾尔自治区喀什地区塔什库尔干县境内，地形主要有山间谷地、冰水冲积扇、河流阶地、高山区等。覆盖层主要为粉砂、细砂、砾石土、卵石土等，工程地质条件总体较好。

麻扎尔一桥位于路线K1834+245处，斜跨塔什库尔干河，下部结构采用柱式墩、桩基础、肋板式桥台，上部结构采用4～16 m预应力混凝土矮T梁。其0#、4#桥台位于河流两岸，1#、3#桥墩位于河流边部，2#桥墩位于河流中央。全桥共计21根桩基，其中桥台桩基12根，直径为1.2 m，桩长为15 m;桥墩桩基9根，直径为1.4 m，桩长为16 m。工程地质勘察报告中反映，桥址区地层从上至下依次为粗砂、卵石、粉土、圆砾，不存在承压水地层。

2 工艺选择

根据桥梁桩基数量以及地质条件，项目采用冲击钻成孔水下灌注混凝土施工工艺。

3 施工中遇到的问题

根据施工组织计划，先开始4b#-0桥台桩基施工。按照设计桩底标高和护筒顶标高计算，4b#-0樁基需钻孔至17.72 m。在钻孔过程中，4b#-0桩基冲孔至6 m位置时，发现孔内向外涌水，并随着钻孔深度的增加，涌水量越来越大;当4b#-0桩基冲孔至12 m时，孔内涌水量达到最大，最终导致塌孔。塌孔后，为确保桩孔周边地层稳定和避免安全事故发生，采用大卵石回填处理。处理过后，桩孔处一直有水源源不断向外流出。

项目部将该情况上报监理单位、设计单位以及建设指挥部，并组织专家现场踏勘和查阅地勘资料。地勘资料反映，地表以下0.6 m为粗砂，0.6～4.3 m为卵石土，4.3～5.6 m为粉土层，5.6 m以下为圆砾。当冲击钻打破粉土层时，承压水失压出现涌水，并带动周边土体涌向孔内，造成孔壁坍塌，与现场钻孔情况基本吻合。因此，分析得出结论：4#桥台原地面以下6 m左右有承压水地层。

4 采取解决的方法和措施

桩基在钻孔过程中遇到承压水地层时，一般解决方法有两种：（1）平衡水头压力;（2）降水井泄压。经各方专家共同研究论证，决定先采用第一种方案，若失败再采用第二种方案，并作为试验性方案，若实施成功及时总结相关技术经验，指导后续桩基施工。

4.1 平衡水头压力

4.1.1 泥浆平衡法

其原理是提高泥浆相对密度，使孔内泥浆形成的压力大于承压水压力[1]，从而使泥浆压住承压水头，并有一定的安全距离，确保钻孔顺利进行。即：

H×ρ浆≥（H-h2+h1+1.0）×ρ水（1）

式中：H——地面至承压水层深度（m）;

ρ浆——泥浆密度（g/cm3）;

h1——承压水水头高度（m）;

h2——施工平台高度（m）;

ρ水——水的密度（g/cm3）;

1.0——安全距离（m）。

将泥浆相对密度提升至规范允许最大密度1.4 g/cm 当钻孔至12 m时，孔内泥浆无法压住承压水头，出现塌孔，钻孔失败。

4.1.2 填筑围堰法

抬高孔口位置，使孔口位置高于承压水水头高度，从而使孔内泥浆压住承压水头，使之成孔。

（1）承压水水头高度量测。利用4b#-0桩孔，采用直径为700 mm、长5 m的钢护筒埋入原地面以下1 m，护筒四周用掺拌水泥的卵石土封堵夯实，以防止漏水，获取与施工工况一致的承压水水头高度。根据现场观测，承压水水头高度为原地面以上3.5 m左右。

（2）填筑施工平台。根据测量的承压水水头高度以及4#桥台桩基分布情况，施工平台填高为4.7 m，长为15.1 m，宽为32.2 m。

（3）埋设钢护筒。现场采用长3 m、直径1.5 m的钢护筒2节焊接而成，埋入地表以下1.0 m，露出原地面5 m。在施工过程中，先埋入1节钢护筒，逐层填筑施工平台至钢护筒顶约30 cm时，再对接焊接第2节钢护筒，然后逐层填筑施工平台至钢护筒顶30 cm处。

钢护筒埋设时，为减小承压水从孔口溢出时对施工平台基底的浸泡影响，确保冲击钻机平稳施工，在孔口位置呈放射状埋设不少于3根PVC排水管，排水管倾向河床方向，排水管上覆盖两布一膜防渗土工膜（见图1）。

（4）钻孔施工。钻孔泥浆采用黏土制备，先在泥浆池制备好，随着钻孔进尺，将制备好的泥浆抽入桩孔内，同时现场存放32.5袋装水泥以作备用。为提高钻孔成功率，泥浆相对密度控制在1.4～1.5之间。当4b#-0桩基冲孔至21.4 m时，孔内又出现向外涌水现象，现场及时向孔内添加袋装水泥，继续增大泥浆相对密度以平衡水压，但孔内浆液仍无法压住水头向外涌水，最终桩基塌孔，钻孔失败。

采用平衡水头压力的两种方案，虽有一定成效，但始终未能解决因承压水而塌孔的技术难题，遂决定采用降水井泄压的方案。

4.2 降水井泄压

在4b#-0桩孔钻孔失败后，以其为降水井，选择下游的4a#-2桩基施工。在降水井内放置2个4 kW水泵向外一直抽水泄压，为防止水泵向外抽水过程中塌孔，井内放置临时钢筋笼。

按照桩基正常施工工艺流程进行：场地平整→测量放样→埋设钢护筒→钻机就位→钻孔施工→安放钢筋笼→灌注水下混凝土。

场地平整后，由测量队按图纸设计放出桩位及保护桩位，并测量原地面标高。保护桩设置示意图如图2所示。

钢护筒采用10 mm厚的钢板卷制加工，钢护筒内径较桩径大20～30 cm。为加强钢护筒的整体刚度，在钢护筒上、下端和中部外侧各焊一道加劲肋。钢护筒采用挖孔埋设，中心竖直线应与桩中心线重合，顶高出施工地面0.3 m，埋置深度为4 m，四周用黏土分层夯实，表层10 cm厚范围用水泥砂浆抹平，以保证其坚固、不漏水，满足技术规范要求。

在施工过程中，先埋入1节钢护筒，然后逐层填筑施工平台至鋼护筒顶约30 cm时，再对接焊接第2节钢护筒，然后逐层填筑施工平台至钢护筒顶30 cm处。

钻孔泥浆采用优质的黏土制备，泥浆相对密度控制在1.35～1.45之间。制备好的泥浆使用前，按设计和规范要求测试泥浆性能指标，以满足施工需要。

钻孔时，应稍提钻杆，在钢护筒内打浆，并开动泥浆泵进行循环，待泥浆均匀后再开始钻进。进尺要适当控制，对钢护筒底部，应低档慢速钻进，使底脚处有较坚固的泥皮护壁。钻至钢护筒底部以下1 m后，则可按土质情况以正常速度钻进。在钻孔过程中，随着钻机进尺，采用泥浆泵及时将提前制备好的泥浆抽入桩孔内，不在孔内制备泥浆，以防孔内泥浆相对密度发生变化而造成塌孔。

以4b#-0桩孔为降水井，并配合水泵向外抽水降压，4a#-2桩孔顺利成孔。总结成功经验，根据现场地形情况，在4b#-0桩孔上游6 m位置，打1#降水井，降水井钢护筒采用2节长3 m、直径1.5 m的钢钢护筒焊接而成，按照钻孔施工工艺施工，降水井井深为16 m，直径为1.4 m，在井内放置临时钢筋笼和2个4 kW水泵不停向外抽水泄压，使4b#-0桩基顺利成孔。

5 水下混凝土灌注

将制作好的钢筋笼提前运至施工现场，待桩基成孔后，及时安装钢筋笼、安装导管、二次清孔、灌注水下混凝土。

5.1 安装钢筋笼

钢筋笼安装时采用吊筋下放进桩孔内，孔口处利用型钢将钢筋笼固定，以防偏位。

5.2 安放导管

导管安装前，根据钢护筒顶标高和孔底标高，考虑垫木高度，计算导管所需总长度[2]。先对导管进行编号，最上端采用单节长度较短的导管，最底节采用单节长度较长的导管，中间采用标准管节。安放时，将导管置于钢筋笼中心，然后稳步沉放，以防卡挂钢筋骨架。先将导管放至孔底，然后再将导管提起，使导管底口距孔底30 cm。

5.3 二次清孔

导管安装完毕后，检查孔底沉渣厚度并进行二次清孔。利用泥浆泵将制备好的泥浆压入导管内，使泥浆从导管底口进入孔内并将孔内带有沉渣的泥浆挤出孔外，从而达到清孔的目的。

5.4 灌注水下混凝土

水下混凝土灌注要一次完成，中间不能停顿。灌注前，根据桩孔和导管直径计算出首批封底混凝土量，以保证首批混凝土灌注后能将导管埋深在1 m以上。首批封底混凝土数量计算如下[3]：

V≥πD24（H1+H2）+πd24h1=πD24（H1+H2）+πd24×ρ1ρ2×HW （2）

式中：V——首批封底混凝土所需数量（m3）;

D——桩基直径（m）;

H1——导管底距孔底距离（m）;

H2——导管初次埋深（m），取1.0 m;

d——导管内径（m）;

h1——桩孔内混凝土达到埋置深度H2时，导管内混凝土柱平衡导管外（或泥浆）压力所需的高度（m）;

ρ1——泥浆密度（g/cm3）;