高速铁路跨西江桥深水岩溶超长桩基快速施工技术*

朱志钢,张应红,孙 军,吴小杰,杨景新,杜焕坚

(中铁广州工程局集团有限公司,广东 广州 510000)

1 工程概况

1.1 项目概况

广湛高铁佛山特大桥西江桥上跨西江Ⅰ级航道,位于广明高速富湾特大桥上游,河面宽约1.2 km,航道常水位水深约20 m。桥跨布置(49+2×100+49)m连续梁桥+主桥(109+2×200+109)m钢-混混合连续刚构桥+引桥(49+2×100+67)m连续梁桥,有9个桥墩基础位于水中,如图1所示。其中主桥主墩478～480号墩为双薄壁墩,每个承台桩基础34根,桩基直径2 m,设计为柱桩,有效桩长60～101.5 m;考虑20年一遇洪水影响,栈桥平台顶标高10.500 m,实际桩基施工孔深达88.5～130 m;主墩桩基施工为避开洪水期,施组工期安排为9个月。

1.2 水文条件

主墩桥位一般冲刷深度为-13.731 m,局部冲刷深度为-16.058 m。20年一遇的水位为8.750 m,10年一遇的水位为8.320 m。西江的汛期为4月—9月,洪水一般出现在6月—8月,往往由几次连续暴雨所形成,非洪水期水深一般为19～20 m。

1.3 地质条件

设计钻探揭示,桥区河床底部下伏基岩主要为灰质砾岩、角砾状灰岩、灰岩,为隐伏岩溶发育地段,钻探揭示出露十多个溶洞,溶洞高0.5～18.6 m,多数为半充填溶洞,部分为空洞,充填物一般为软塑状黏土、细砂,局部含灰岩碎块石。

其中478号墩钻孔见洞率为100%,为岩溶强烈发育地区,岩溶主要集中在上部灰岩岩层,溶洞直径0.9～4.5 m;479号墩钻孔见洞率为58%,为岩溶强烈发育地区,岩溶主要发育于页岩与中下部灰岩接触带,溶洞直径0.7～6.6 m;480号墩为岩溶极发育地区,岩溶呈串珠状分布,充填软塑状黏土、细砂等,钻孔见洞率为100%,溶洞直径0.8～18.6 m。

1.4 重难点分析

1)桩基直径大,水深20 m、栈桥平台离水面9 m,最大孔深达130 m,施工周期长,安全风险高。

2)地质条件复杂,岩溶极发育,溶腔大,存在斜岩且裂隙发育,容易造成漏浆、卡锤、埋锤。

3)岩溶桩基施工周期一般1.5～2.5个月,工期紧,机械选型、设备安排组织协调管理难度大。

2 总体施工方案

479号墩位于西江中心,为不影响西江航道的通航,基础施工需搭设独立钢结构平台,孔深较浅且溶洞较小的桩基拟采用金泰SH60旋挖钻一次性成孔,孔深较大或溶洞较大的桩基钻孔时先使用金泰SH46型旋挖钻进行钻进,挖除桩孔上部软弱底层和强度较低的岩层,钻进至强度较高的岩层或接近溶洞1～1.5 m时改用冲击钻进行钻进。独立平台施工中使用的材料、泥浆、混凝土等使用专用的货船、泥浆船、混凝土运输船运送。

478号墩、480号墩均为西江主桥主墩,桩基施工使用与水中钢栈桥相连的施工钢平台,478号墩溶洞较小,部分桩长较短,直接采用SH60大型旋挖桩一次性成孔;480号墩溶洞极发育,桩基钻孔时先使用SH46型旋挖钻进行钻进,挖除桩孔上部软弱底层和强度较低的岩层,钻进至强度较高的岩层或接近溶洞1～1.5 m时改用冲击钻进行钻进。施工中使用的材料、泥浆、混凝土等,通过栈桥使用平板运输车、泥浆车、混凝土运输船车运送。

3 西江桩基溶洞的判别及分类

3.1 溶洞判别

岩溶地基钻孔灌注桩施工的关键是如何保证成孔过程中不漏浆,保证桩孔顺利成孔、成桩并满足承载力要求。施工前对照设计提供的地质钻孔柱状图来判识岩溶地层情况,提前预防。因此根据溶蚀发育状况、空洞大小、溶洞填充物情况,采用不同的处理方法。

1)工前判断(资料判别) 依据地质勘查报告和超前钻资料,可明确判定桩位存在溶洞的位置。

2)施工过程中判断(泥浆液面判别) 钻进成孔作业过程中,出现了浆液面较大幅度的下降,地质勘查报告和超前钻资料中显示无溶洞存在时,可能存在较大裂隙和邻近溶洞击穿的情况。

3.2 溶洞分类

溶洞主要有全填充、半填充、无填充3类,根据地勘资料中溶洞的揭示情况,可将溶洞分为以下几种不同类型。

1)小型溶洞 单个高度H≤2 m的填充式溶洞或虽显示不只1个溶洞,但都小于2 m且间隔距离大于2 m。

2)中型溶洞 单个溶洞高度2 m

3)大型溶洞 单个溶洞高度4 m

4)特大型溶洞 单个溶洞高度H>6 m,或单个小于6 m但属多溶洞间距较小,其累加溶洞达到6 m以上。

4 钻孔桩施工工艺

4.1 成孔工艺及设备方案比选

4.1.1冲击钻特点

1)用冲击方法破碎岩土尤其是破碎有裂隙的坚硬土和大的卵砾石所消耗的功率小,破碎效果好,同时冲击土层时的冲挤作用形成的孔壁较为坚固。

2)在含有较大卵砾石层、漂砾石层中施工成孔效率较高。

3)设备简单操作方便,钻进参数容易掌握,设备移动方便,机械故障少。

4)钻进时孔内泥浆循环的作用使得悬浮钻渣循环至地面排除,并保持了孔壁稳定,泥浆用量少。

5)利用钻杆或钢丝绳牵引冲击头进行冲击钻进时,大部分作业时间消耗在提放钻头和掏渣土上,钻进速度较低。随桩孔加深,掏渣时间和孔底清渣时间相对较长,尤其是水上溶洞桩基,单根桩成孔时间长达1.5～2.5个月,无法满足工期要求。

6)容易出现桩孔不圆的情况,扩孔率较高。

7)遇地层不均匀时容易出现斜孔、卡锤和掉钻等事故。

4.1.2旋挖钻特点

1)旋挖钻适用于各种土层地质,砂类土、砾石、卵石、软白～中硬基岩,但在砂类土地层中施工时桩基扩孔率较高。

2)旋挖钻自动化程度高,能精确定位钻孔、自动校正钻孔垂直度和自动量测钻孔深度,最大限度地保证钻孔质量;其工效是冲击钻的5～6倍以上,可以大幅缩短工期。

3)在中软弱地层中施工效率高,可以节省成本和缩短工期,性价比较高;在坚硬岩层中钻进效率大幅下降,虽然仍比冲击钻高,但钻头磨损、油料等消耗较多,费用高昂,性价比低。

4.1.3成孔方案比选

结合以上两种施工工艺特点,选用冲击钻无法满足施工进度要求,工期不可控;选用旋挖钻施工对钻孔深度有局限性,虽然SH60旋挖钻机(回转扭矩600 kN·m,自重180 t)6节臂钻杆理论最大钻孔深度达120 m,但超过115 m深度后转杆扭矩动力明显不足,钻杆易断裂,成孔效率低,容易偏孔。478～480号墩桩基设计最大孔深达130 m,为保证桩基施工节点工期、安全及成桩质量,综合比选后根据不同地层、不同孔深、不同溶洞大小,灵活选用单独冲击钻、单独旋挖钻或“旋挖+冲击钻组合”等工艺实施,如表1所示。

表1 主墩桩基成孔方案Table 1 Hole forming plan for main pier pile foundation

4.2 钢栈桥及钻孔平台搭设

475～483号墩均位于西江中,需要搭设施工平台,其中479号主墩为独立施工平台,478号、480号主墩的施工平台均与栈桥相接,如图2所示。

图2 西江栈桥及平台布置Fig.2 Layout plan of Xijiang trestle and platform

栈桥和施工平台均为钢管桩、贝雷梁结构。栈桥考虑单孔80 t履带式起重机行走或单孔2台9 m3混凝土搅拌车作双向行走或80 t履带式起重机吊重20 t作静载。两岸主栈桥在航道中心处预留两处通航孔,栈桥下不考虑通航。平台考虑最多7台30 t冲击钻机与1台SH60旋挖钻同时作业或1台SH60旋挖钻与1台SH46旋挖钻同时作业,钻机分散布置,主墩平台在支栈桥上设置1台80 t履带式起重机。

4.3 钢护筒安装

钢护筒使用16～18 mm厚Q235钢板卷制而成,护筒内径比桩径大30 cm(对于有特大溶洞需跟进钢护筒的桩基,其首层钢护筒宜比桩径大40～45 cm),护筒长度根据地质情况确定,使用单节8 m长的钢护筒,在平台上焊接接长,接缝牢固、不漏水。钢护筒埋设利用施工平台和导向架辅助,使用200 t振动打桩锤将钢护筒沉入河床,通过细砂层或粉质黏土层,由于阻力过大,只能抵达粗砂或细圆砾土层部分深度,后续通过边钻进边跟进钢护筒,对于止住漏浆效果明显;护筒埋设过程中控制垂直度和偏位,顶面中心偏差不得大于5 cm,倾斜度不得大于0.5%。

4.4 钻前准备

1)岩溶地基地质复杂,在桩基施工前,为较详细掌握溶洞的相关位置,需要进行超前地质钻孔,地质钻机钻进时做好记录,以备后续施工参考。

2)桩基使用的片石、黏土、水泥等用于溶洞处理的材料,使用运输车直接运输至施工平台上,用于479号独立平台的片石、黏土、水泥等材料使用运输车运输至栈桥端部,卸装至货船上的专用料斗内,专用料斗容量5 m3,由货船运输至479号平台,直接使用履带式起重机整斗吊起,主、副钩配合将材料倾泻至孔内。

3)准备好需跟进的钢护筒、相关钻具、打捞设备及备用钢丝绳等。

4)主墩桩基使用变压器或发电机送电,478号墩小里程侧2台800kVA变压器;480号墩大里程侧1台800kVA变压器;479号墩利用过江电缆送电至独立平台上,并应急配置1台320kW柴油发电机。

4.5 旋挖钻成孔溶洞桩基

根据设计图纸及超前地质钻探资料,结合目前国内大型旋挖设备,综合考虑保证钻孔平台受力和节省成本,选择金泰SH60旋挖钻(更大机型要求钻孔平台,费用投入巨大)作为该桥主墩孔深小于115m的溶洞桩基施工设备。

4.5.1旋挖钻钻头选择

根据土层情况和钻孔方式选用钻头,黏性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土地层选用回转钻头;碎石土、中等强度的岩石及风化岩层选用嵌岩钻头;弱风化灰岩选用牙轮钻头。

旋挖钻机开孔施工应轻压慢进,钻头转速≤10 r/min,待主动钻杆全部进入孔后,方可逐步加速正常钻进;钻孔过程中应严格控制钻头升降速度,减小钻头升降对孔壁的扰动,避免造成塌孔事故。

4.5.2旋挖钻溶洞处理措施

从地层情况、溶腔大小及类型、漏浆位置、钻进深度等方面综合考虑,旋挖钻钻进过程拟采用抛填法、浇筑混凝土、钢护筒跟进等处理措施。

1)当溶洞高度小于2 m时(小型溶洞),旋挖钻缓慢穿过溶洞,若出现漏浆情况,向孔内抛填黏土、水泥(比例为7∶3),回填至溶洞顶2 m,然后再补充浆液,观察浆液面,若继续下沉,则为首层钢护筒底部漏浆,需继续接长插打振动钢护筒下沉4～6 m;若浆液面不下沉,则判断为溶洞处漏浆,用旋挖钻缓慢钻进,直至穿过溶洞层。

2)当溶洞高度为2～4 m时(中型溶洞),出现漏浆情况,回填黏土、水泥(比例为7∶3)至溶洞顶2 m,然后再补充浆液,观察浆液面,若继续下沉,则为首层钢护筒底部漏浆,需继续接长插打振动钢护筒下沉6～8 m;若浆液面不下沉,则判断为溶洞漏浆,用旋挖钻缓慢钻进,直至穿过溶洞层。如此反复几次,直至正常钻进。

3)当溶洞高度为4～6 m时(大型溶洞),旋挖钻缓慢穿过溶洞,出现漏浆情况,使用上述方法判断钢护筒底部是否漏浆并根据情况接长下沉钢护筒,溶腔反复2次填充不起来或溶腔为串珠溶洞,则采用浇筑水下低强度等级混凝土填充,待强度满足要求后,继续钻进。

4)当溶洞高度大于6 m时(超大型溶洞),采用大型旋挖钻施工不安全、不经济,此工况宜改为冲击钻施工。

4.6 冲击钻成孔溶洞桩基

冲击钻机自重小,转运灵活便利,占用场地小,岩溶桩基应用较为广泛和成熟。对于有大型溶洞或孔深大于115 m的桩基,采用冲击钻。根据不同地层和溶洞大小及类型,进行综合分析,冲击钻钻进过程采用抛填片石黏土法、钢护筒跟进等处理措施。

根据地质勘察资料及超前钻资料,冲击钻施工溶洞桩基时要配置专人密切注意桩机底盘水平、岩样和护筒内泥浆面的变化,熟记图纸、资料中标注的溶洞位置,在钻孔到击穿洞顶之前,采用小冲程逐渐将洞顶击穿,防止卡冲击锤,一旦发现泥浆面下降、孔内水位变化较大、泥浆稠度、颜色发生变化或钻进速度明显加快又无偏孔现象时,表明已穿越溶洞顶进入溶洞,首先应迅速用大功率泥浆泵补浆补水,同时及时提冲击锤,防止埋冲击锤;适当增加泥浆中的黏土数量,提高泥浆密度,泥浆黏稠度控制在20～28 s。

1)当溶洞高度小于4 m时(中、小型溶洞),迅速将施工前准备好的片石、黏土(比例7∶3)向钻孔中投入,回填至溶洞顶2 m以上,然后采用低提慢进的方法重新冲孔,通过冲孔堵住溶洞并重新造浆。当再次漏浆时,仍按上述方法处理,反复回填冲孔,填充溶洞及固壁,至设计桩底标高。

2)当溶洞高度为4～6 m时(大型溶洞),回填片石、黏土、水泥(比例6∶2∶2)至溶洞顶2 m,然后再补充浆液,观察浆液面,若继续下沉,则为首层钢护筒底部漏浆,需继续接长插打振动钢护筒下沉6～8 m;若浆液面不下沉,则进行继续冲进,反复回填直至设计标高。

3)当溶洞高度大于6 m(超大型溶洞),若腔内为全填充或半填充,可采用大型溶洞的处理方案;若腔内为无填充或为串珠状大溶腔,则采用两层钢护筒跟进的处理方案,此时桩基的首层钢护筒直径2.4 m,第2层钢护筒直径2.2 m,由于第2层钢护筒穿过了砂层和细圆砾土层,也保护了首层钢护筒底部不会漏浆垮塌,在后续冲进过程中采用回填法或者跟进接高下沉第2层钢护筒直至穿过溶洞层,最后达到设计标高。

4.7 “旋挖+冲击钻”成孔溶洞桩基

冲击钻施工周期长,在细中砂层施工效率较低。考虑工期影响,结合地质条件,在软土、粉质黏土、细中粗砂、细圆砾土、粉砂岩等中软弱地层(孔深一般65 m以内),采用旋挖钻成孔,施工便捷,节省成本和缩短工期;中硬岩和大溶洞层采用冲击钻继续跟进成孔,溶洞处理措施同上述方法。

旋挖钻钻进深度不宜过深,避免影响孔壁垂直度,更换冲击钻后,及时进行补充造浆,然后采用较小钻头扫孔,顺利通过后,更换设计钻头。

冲击钻冲过溶洞过程中或之后,往往有斜岩,导致出现偏孔现象,采用强度略高于该灰岩的闪长岩回填,回填高度超过溶洞顶板或出现偏孔处2 m以上,反复填充。开始冲程要适当降低,待块石冲实后,冲锤冲击时受力均匀,换用较高冲程,如此反复多次,直至将岩面冲平为止。

4.8 清孔

清孔的目的是清除钻碴,降低泥浆密度,减少孔底沉淀厚度,满足设计及规范要求。西江地段河床砂层覆盖较厚,泥浆含砂率高,是否干净直接影响成桩质量,对于采用冲击钻施工的超长桩清孔有3个阶段。

1)冲孔深度超过50～60 m,或超过砂层5 m左右,此时泥浆砂率指标较高,开始进行第1次分砂,调低泥浆含砂率,以加快冲击钻的进尺效率;一般采用泵吸反循环进行,根据砂层清孔和泥浆含砂率判断是否进行第2次分砂。

2)桩成孔以后,进行第1次正式清孔,一般采用气举反循环清孔,在导管的0.6～0.7倍孔深位置焊插1根长约5 cm镀锌管将高压空气送入导管内,连续充气导管内形成压力差,孔底岩渣被高速泥浆携带从导管上返喷出孔口,该种清孔效率高,但需要使用大型空压机。

3)下完钢筋笼,安装导管后,进行第2次清孔,采用常规的泥浆正循环清孔,直至满足设计要求。

对于旋挖钻,过程中泥浆动态调整,在成孔后,一般采取泵吸反循环进行第1次清孔,第2次清孔采用常规的泥浆正循环清孔即可。

5 混凝土灌注工艺

钢筋笼在钢筋加工厂分节加工,平板车或驳船运输,采用履带式起重机起吊、安装,导管使用前进行水密承压试验和接头抗拉试验。478号和480号墩混凝土通过栈桥运输至平台灌注,479号墩通过水上混凝土运输船运料泵送。混凝土储料斗需有足够的容量,以保证首批混凝土灌注导管埋置深度。

对于桩基混凝土在灌注至溶洞附近时,密切关注导管埋置深度和混凝土顶面高度,适当加大导管埋置深度,降低混凝土下料速度,留意周围桩基孔内、平台水面有无泥浆等情况,以防灌注桩孔内混凝土压力大,导致孔内溶洞漏浆、混凝土面下沉并串孔至其他地方。

6 结语

广湛高铁佛山特大桥跨西江为钢混混合刚构连续梁桥,该种类型的大跨连续刚构在国内无砟高速铁路中首次采用。桥位地处地质断裂带,岩性复杂破碎,岩溶极发育,桩基最大孔深达130 m,位于深水急流航道内,施工难度大。受西江汛期洪水影响,施工工期紧,任务重。

针对上述困难,本项目因地制宜,结合大型旋挖钻和冲击钻的优缺点,结合溶洞类别,对于超大型溶洞、115 m以上超长桩基采用先旋挖后冲击的组合方式施工,其余桩基采用大型旋挖钻或冲击钻施工,不同大小溶洞制定对应的处理方案,不同孔深或不同设备成孔的桩基采用不同的清孔工艺,上述工装和技术既保证了安全又节省了工期和成本,提前1个月完成了主墩102根深水岩溶超长桩基的施工,经第三方单位检测,所有桩基均为I类桩。相关技术可以为类似工程施工提供参考和借鉴。