岩溶发育区毗邻地下重要构筑物大直径桩基成桩技术

冯远鹏

(广州市高速公路有限公司,广东 广州 510288)

0 引言

由于岩溶发育地区桩基施工的困难性和安全风险,国内外对岩溶区施工技术进行了全面深入的研究[1-4]。针对岩溶区桩基础周围有重要建(构)筑物的工况,相关学者研究了临近建筑物、铁路等岩溶区的桩基施工技术[5-6]。但目前针对临近地下构筑物(如地铁、地下综合管廊)岩溶区桩基施工技术的相关研究成果尚不多。

本文结合广东省某重点高速公路工程临近地下综合管廊岩溶区桩基施工的全过程,总结了岩溶勘察技术、溶洞处理技术和桩基施工技术,可为后续类似的工程建设及科学研究提供参考借鉴。

1 工程概况

广东省某重点高速公路里程桩号K5+349.75～K7+081.5段为长约1.7km的高架桥,与某市政道路共线。共线段高速公路桥梁为双向8车道,桥面宽2×20m。上部结构采用P.C.小箱梁,下部结构为三柱式框架墩盖梁,桩位布置于市政道路中央分隔带及侧分带上。桥梁桩基设计为直径2.2m、2.5m和2.8m的嵌岩桩。

该路段超前钻探共钻孔518个,其中352个钻孔存在大小不一的溶洞,平均遇洞率达到68%。约20%钻孔存在高度5m以上的大溶洞,其中最大溶洞高度为29.1m,最大土洞高度为18.7m,属岩溶强发育。溶洞一般为流塑、软塑全填充,部分为无充填或半充填。覆盖层内广泛分布流塑状的淤泥质粉质黏土和饱和砂土,典型的地质钻孔柱状图如图1所示。

图1 典型地质钻孔柱状图

市政路道路中央分隔带埋设有地下综合管廊,管廊顶面覆土厚度2m,横截面为4m×6m。管廊内110kV高压电力线已投产使用,远期规划敷设给水、通讯、电力、燃气等管线。管廊外壁距离拟建桥梁桩基净距约1.2～1.5m。桥梁桩基与综合管廊位置关系如图2所示。

图2 桥梁桩基与综合管廊位置关系

综合管廊中已投产使用的110kV高压电力管线为广州新白云国际机场运营用电。因管廊的基础为垫层基础,一旦在桩基施工过程中因溶洞影响出现塌孔,导致管廊底部基础脱空而开裂和沉降,可能造成难以估量的重大安全事故和经济损失。

地质情况差、桥梁桩基直径大及毗邻地下综合管廊等三个因素给桥梁桩基施工带来一定的安全隐患。

2 岩溶详查方案

根据前期地质钻孔情况,施工区域溶洞较发育。按照岩土工程勘察规范采用逐桩布置勘察点的方式,难以查明整个桩身范围内溶洞的空间分布情况,难以保证嵌岩桩持力层的完整性,存在桩基半边嵌岩、持力层中存在溶洞的风险和隐患。如采用成本高、工期长的一桩多孔的超前钻进行桩位勘察,虽然可以降低上述风险,但也不能完全避免。

为了查明岩溶发育情况,必要时可采用孔中物探作为一种勘察手段。孔中物探可分为跨孔法(如跨孔地震测井、跨孔透射、跨孔层析成像(CT)等)和单孔法(如弹性波测井、放射性测井、电测井、孔中电视、电磁测井、管波探测等)。相对而言,跨孔法成本高、周期长,但可探明区域整体地质情况;单孔法相对成本低、周期短,但探明范围有限。

经综合对比各种探测方法后,本工程采用一桩一孔的地质钻探,再利用该钻孔采用管波探测的方法详查地质。该方法工期短、费用低、效率高,勘察成果可靠性较好。经现场工程实践,管波探测的方法可探测到约φ2 600mm直径范围的岩溶,基本可覆盖整个桩基断面范围的岩溶发育情况,从而可针对性地制定施工措施,避免单个钻孔勘探不足导致桩基出现半边嵌岩、持力层中存在溶洞的情况。此外,也为施工期间采取相应的施工安全防护措施提供了依据。

如图3和图4所示,本工程采用“一桩一孔”和“管波探测”相结合的方式探测岩溶发育情况,能有效弥补一桩一孔无法揭示整个桩身范围内岩溶情况的不足,直观、准确地揭示桩位范围内岩溶发育情况,有效避免了桩基半边嵌岩、持力层中存在溶洞的风险,为岩溶处理和桩基施工的顺利实施提供了有力保障。且相对于其它常规的物探手段,具有工期短、费用低等优点。

图3 管波探测法工作装置

图4 钻孔柱状图和管波探测法探测范围对比

3 溶洞处理

3.1 溶洞处理目标

(1)保证地面稳定。地面稳定方能保证施工期间人员、机械以及桩基周边建(构)筑物的安全。

(2)保证溶洞段护壁稳定。护壁溶洞段稳定才能保证不漏浆、少漏浆,也是地面稳定的控制因素之一。灌注基桩混凝土时,护壁稳定才能保证基桩混凝土的质量,确保结构安全。

(3)保证管廊安全。管廊边桩基础施工的最大风险主要是:桩基础成孔过程中粗砾砂地层应力释放,容易出现垮塌,桩基穿过溶洞、土洞时容易漏浆、塌孔等,造成管廊沉降、开裂。保证管廊的安全,除了采用常规地质情况下桩基施工的措施外,还要结合管廊的实际情况,适当提高溶洞处理的力度。

3.2 溶洞处理方法

由于本项目地质覆盖层内大都存在流塑状的淤泥质粉质黏土和饱和砂土,在冲孔过程中一旦遇到溶土洞或溶蚀裂隙,泥浆下漏速度快,如补浆反应不及时,易出现因土层流失引起地面塌陷及管廊底脱空导致管廊结构下陷破坏,因此施工前应对覆盖层进行钢护筒全程支护。根据溶洞的大小、形态及填充物的状态,本项目采用以下方式进行溶洞处理。

3.2.1 溶洞填充

如果溶洞或土洞内的填充物为可塑状全填充,在桩基施工过程中采取回填片石、黏土处理溶洞;如果充填物为软塑或流塑状或无填充,可另加入适量的袋装水泥,以增加护壁的强度和稳定性,防止在冲击溶洞底部岩层时因护壁垮塌、土层流失造成管廊底部脱空开裂。

3.2.2 钢护筒防护

(1)对于高度<3m的溶洞或土洞,采用单层钢护筒穿过砂层进入黏土层,且保证钢护筒防护至管廊底以下3m。

(2)对于3m≤高度<5m的溶洞,采用单层钢护筒穿过砂层进入黏土层,且保证钢护筒防护至管廊底以下3m;对于3m≤高度<5m的土洞,采用单层钢护筒穿过土洞至岩面,且保证钢护筒深度达到管廊底以下3m。

(3)对于高度≥5m的溶洞,若覆盖层下有3m以上厚度的岩层,采用单层钢护筒穿过土洞至岩面,且保证钢护筒深度达到管廊底以下3m;对于高度≥5m的土洞,采用双层钢护筒防护处理。其中,外层钢护筒穿过砂层进入黏土层,且保证钢护筒防护至管廊底以下3m。对于里层钢护筒,土洞保证里层钢护筒穿过土洞至岩面,溶洞保证里层钢护筒穿过覆盖层至岩面。

典型的溶洞处理方法如图5所示。

图5 典型溶洞处理方式

钢护筒直径采用比桩基直径大20cm。当采用双层钢护筒时,外层钢护筒比内层钢护筒直径大20cm,钢护筒壁厚由钢护筒长度和桩基直径控制,具体关系见表1。

表1 钢护筒壁厚(单位:mm)

对于超大型溶洞,尽量通过改变基础形式,如单桩变成双桩或群桩、延长盖梁或横隔梁、改变桥跨等方式避开。部分桩基可避免穿越埋置较深的土洞、溶洞,可在其上厚度较合适的岩层终孔,然后压浆填充孔底的土洞、溶洞,以保证桩底岩层承载力的可靠性,确保桩基的承载力。

4 桩基施工方法

由于桩基距离管廊位置较近,为避免桩基施工过程中的震动导致管廊出现沉降或开裂漏水等问题,采用如下施工方法:

(1)管廊边桩基施工必须做到“一桩一设计方案、一桩一施工方案”,根据不同的地质情况采用不同的溶洞处理和桩基施工方案,施工前必须做好技术交底工作。

做好应急处理措施。在桩基础施工前,要准备充足的溶洞塌孔等抢险材料和机械,如泥浆、片石、黏土、水泥、吊车、装载车、运输汽车等。

(2)在管廊顶部埋设沉降和位移观测板,桩基础施工过程中进行沉降和位移观测,出现异常情况立即停止施工。

(3)禁止相邻桩基同时施工。一方面减小震动对管廊的影响,另一方面防止出现底部连通溶洞时同时施工造成窜孔漏浆,引发安全事故。

(4)因桩基础距离管廊太近,不适宜采用振动锤沉管方法打入防护用的长钢护筒。开孔后先安装比防护用长钢护筒直径大20cm的施工用钢护筒,采用震动较小的回旋钻机钻进至粗砾砂层底部进入粉质黏土层,且保证回旋钻钻进至管廊底以下3m,然后快速将钢护筒安装到位。再改用冲击钻进的方法继续成孔至防护用长钢护筒底标高处,继续跟进防护用长钢护筒。

在成孔过程中需采取适当的护壁措施,保证覆盖层的稳定。适当加大泥浆比重、严格控制进尺速度,穿过砂层时钻机进尺速度应不大于0.5m/h,保证钻进过程中形成稳定的泥浆护壁。

论坛开幕式由上海财经大学图书馆馆长朱为群教授主持。上海财经大学副校长刘兰娟、中国图书馆学会高校图书馆分会秘书长宋姬芳、上海市图书馆学会理事长周德明、上海市高校图工委常务副秘书长杜夏明先后致辞。与会领导专家对于论坛的国际化视野及主题内容给予高度评价，对论坛的成功举办及其对大学图书馆转型发展的促进作用提出了殷切的期望。

(5)施工至溶洞顶板以上1m时,冲击钻改用小冲程缓慢冲进,防止因冲程过大卡钻,同时避免突然击穿溶洞顶板导致大量漏浆,出现塌孔等问题。当顶板击穿时,先迅速提钻,避免卡钻和掉钻。一旦出现漏浆的情况时应迅速补浆,并回填片石和黏土的混合物。

5 专项技术处理

5.1 桩基漏浆

尽管在施工前已详细查明溶洞发育的情况,桩基施工穿过溶洞、土洞及岩石裂隙发育段时仍会发生漏浆问题。

根据已有研究结果及工程经验,在桩基施工过程中遇到土洞和溶洞漏浆,一般采用回填片石(70%)+黏土(30%)或片石(70%)+黏土(20%)+袋装水泥(10%)处理。

根据本项目现场处理溶洞漏浆的施工经验,由于溶洞发育的不规律性,该比例的回填材料并不一定适用于所有情况。一方面,穿过溶洞前应根据地勘资料中溶洞大小、填充状态准备好足够数量的片石、黏土和袋装水泥材料。另一方面,根据穿过溶洞时的漏浆速度调整片石和黏土的比例,若漏浆速度较快,说明溶洞缺口较大,应适当加大片石的比重;若漏浆速度较慢,说明溶洞缺口较小,可适当减少片石比重,加大黏土比例,避免片石投入过多浪费材料及重新冲进影响桩基施工进度。若地勘结果显示无溶洞而出现漏浆(此时一般为岩石裂隙,漏浆速度较慢),可主要采用黏土和适量水泥进行处理。

本工程在处理漏浆过程中,片石和黏土的体积比例变化在1∶2至2∶1之间。实际处理时在现场视溶洞发育、填充情况和漏浆情况进行适当的调整。

5.2 桩内涌水

本工程大塘高架桥D8-B桩基和现代大道高架桥X4-A桩基在施工进入中风化岩层后,均出现了桩孔内涌水的现象。桩孔内涌水若不能得到妥善处理,可能在混凝土灌注过程中造成桩身混凝土离析、桩基质量不合格的情况。

已有研究大多通过降水井降低地下水位或者止水帷幕止水的方法处理桩孔内涌水的问题。但由于本工程覆盖层存在较厚的富含水砂层,且地下水位较高,如贸然采取降低地下水位的方法,可能造成管廊底部砂土流失,存在管廊底脱空开裂的安全隐患。而在桩孔范围外采用止水帷幕止水一方面费用较高,另一方面由于岩溶发育的极其不规律性,在桩孔范围外采用止水帷幕止水难以取得较为理想的效果。

本工程大塘高架桥D8-B桩基在施工至43m孔深准备终孔时,桩内突然急剧涌水,地下承压水涌出钢护筒,承压水头高度在43m以上,承压水压大于护筒内的泥浆压力。至次日上午涌水已停止,护筒内出现明显分层,上层26m为清水、下层17m为泥浆,此时测得孔深为26m,由于泥浆承受上层水压力密度很大,探杆无法下沉。

大塘高架桥D8-B桩基地质及钢护筒防护如图6所示。由于根据桩孔内涌水情况无法判断孔内涌水是来源于孔底裂隙、孔壁裂隙还是来源于钢护筒和岩石之间的结合部位空隙,无法针对性地采取裂隙堵漏。

图6 大塘高架桥D8-B桩基地质及钢护筒防护

经分析研判后,采用孔内预埋陶瓷绣花管浇筑10m厚度C20砼后压注水泥浆(掺入一定比例水玻璃)的方法封堵孔底裂隙,如图7所示。

图7 大塘高架桥D8-B桩孔涌水处理方案

具体措施:

(1)将孔内泥浆比重重新调整至1.3左右,让孔底有20～30cm厚度的沉渣后,沿桩孔周围孔壁均匀安装6条陶瓷绣花管至孔底。绣花管长度约8m,上部采用钢管(或声测管)连接至孔口。绣花管采用弹性较大的钢筋作为内衬加强箍,并设置弹簧扣,便于绣花管安装后能尽量靠近孔壁,利于孔壁裂隙的注浆封堵。

(2)孔内浇筑C15砼至第二层钢护筒底标高以上0.5m左右。5～7d后,通过预埋的绣花管压注水泥浆液,水泥浆液需掺配一定比例的水玻璃,以达到更好的封堵裂隙效果。压注水泥浆前应压注清水疏通浆液通道。

(3)绣花管压注水泥浆后5～7d,重新采用冲锤成孔至桩底标高,孔内不再出现涌水现象,表明裂隙封堵效果良好,正常完成了桩基混凝土灌注。

现代大道高架桥X4-A桩基涌水较为平缓,承压水头压力较小,现场通过多次回填袋装水泥加大泥浆比重,再通过反复泥浆循环堵住了岩石裂隙,顺利完成了桩基混凝土灌注。经桩基检测,2条桩底涌水的桩基成桩后工程质量均合格。

6 结语

由于桩基地下工程施工的隐蔽性,岩溶区桩基施工相比较于普通桩基施工,一般有安全隐患大、施工难度大、施工成本高等特点,岩溶勘探技术和岩溶区桩基施工技术一直是地基与基础工程研究的重点之一。

本工程结合地质情况差、桥梁桩基直径大及毗邻地下重要构筑物的特点,采用适用的溶洞勘探技术、岩溶处理技术和桩基施工技术,有效解决了桩基施工过程中出现的卡锤、漏浆、涌水、塌孔等问题,安全、经济、高效地完成了地下综合管廊附近大直径桩基的施工,取得了较好的经济效益和社会效益。经施工过程的监测结果显示,地下综合管廊未出现沉降、开裂等问题。该工程施工过程中取得的经验和成果,可为后续类似工程提供参考借鉴。