淺談巖溶地區(qū)樁基設計和施工中的若干問題
2016-10-17
1、前言
貴陽繞城公路西南段涼水井大橋總長720m，設計樁基96根、樁徑基本為φ1.8m的嵌巖灌注樁，設計挖孔樁50根，鉆孔樁46根，總長2350m，挖孔樁最深25m，最淺12m，鉆孔樁最深52m，最淺20m。實際施工中，由于橋位區(qū)巖溶極為發(fā)育，溶洞多，分布廣，走向復雜，結構多樣，地下水豐富且埋藏淺等原因，設計10根挖孔樁在施工到一定深度后因無法繼續(xù)下挖而變更為鉆孔樁施工。雖然整個橋梁樁基每孔都進行了地質鉆探勘查，但因由于巖溶地質復雜，不可預知性，給樁底持力層的確認帶來很大難度。本文通過該互通立交橋樁基施工實踐對巖溶地基樁基設計與施工中的若干問題進行討論。
2、橋位區(qū)地質情況
本橋梁地處貴州高原中部山區(qū)，位于貴陽市小河區(qū)金竹鄉(xiāng)，橋區(qū)地貌類型屬構造溶蝕型低中山地貌，巖層結構基本是露地層為上覆殘坡積層（Qel+dl）亞粘土，下伏基巖為三疊系下統安順組(T1a) 薄～中厚層狀白云巖，大冶組(T1d)薄至中厚層狀灰?guī)r，層間夾泥線、鈣質泥巖。地層產狀為280°∠65°，呈單斜產出。該區(qū)為白云巖分布區(qū)，根據鉆探資料，白云巖存在不均勻風化，風化厚度變化差異很大，局部地段巖溶發(fā)育，鉆孔揭露溶洞較多，且橋區(qū)地下水豐富、埋藏淺。
2、關于樁位鉆探問題
施工鉆探勘探對設計及施工而言是非常重要的一環(huán)。有以下2個問題值得討論：
?。?) 鉆孔數量。設計要求施工鉆探為一樁一孔，即在樁位中心處鉆孔，根據《公路工程地質勘查規(guī)范》（JTJ064-98），對樁徑φ2.0m可采取一樁一孔。實際施工中，發(fā)現溶洞發(fā)育區(qū)多數樁基中心及樁圍1～1.5m的范圍補鉆1～2孔揭示的溶洞發(fā)育程度、高程情況各不相同，體現巖溶地質的復雜性。本人認為當樁位中心鉆孔揭示的白云巖或灰?guī)r為新鮮完整的微風化巖時，可以據此作為設計依據，若孔中心鉆孔揭示的巖石呈弱風化、裂隙發(fā)育、巖石破壞，或雖巖芯完整，但溶孔、溶槽發(fā)育時，應當沿樁周圍補鉆1～2孔，以查明樁周圍有無溶洞發(fā)育情況。
?。?）鉆孔深度。按照《公路工程地質勘查規(guī)范》（JTJ064-98），巖溶地區(qū)鉆孔深度為設計樁底以下整體巖層不少于5m，但由于樁基是邊勘查邊設計邊施工，建設單位及設計單位要求鉆孔入巖深度為樁底設計標高以下整體弱風化不小于5m。本人認為，地質鉆孔深度應探入連續(xù)完整弱風化巖層應不小于8m較為合適（因巖層溶洞發(fā)育差別很大），以探明樁底以下8m的完整持力層是更安全可靠。
3、關于樁基成孔工藝的選擇問題
由于巖溶地質的復雜性、不可預知性，結合該互通立交樁基施工實踐，本人認為沖孔工藝較回旋鉆孔工藝要好；在具備人工挖孔條件下，挖孔工藝較機械鉆孔工藝強。
涼水井大橋樁基采用了機械沖孔和人工挖孔兩種工藝。對于孔深小于20m的樁基，巖層完整，溶洞無填充物、涌水量較小的樁基均采用人工挖孔工藝，該工藝最大優(yōu)點是可全面開挖，工期快，對施工場地及用電量要求不高，同時能清楚洞察地基溶洞發(fā)育的真實情況，能與施工鉆探地勘資料能直接對照，確保終孔樁底基巖完整，樁基安全性有絕對把握。挖孔過程對于一般溶洞可采取澆注鋼筋砼護壁、或漿砌磚墻封堵，其處理方法簡單易行，若挖孔遇到大黃泥、流砂等流塑狀填充物溶洞，挖孔便異常艱難，此時應改為鉆孔，降低施工成本。
沖孔工藝采用卷揚機加沖擊錐施工，該工藝對巖溶發(fā)育和巖層不均勻性有較好的適應性。由于溶洞發(fā)育極不規(guī)則，溶洞、溶槽、溶溝、溶穴、溶筍等形態(tài)存在，使得巖層均勻性極差，而不均勻地質對回旋鉆機而言是致命的弱點，采用沖擊鉆可避免回旋鉆卡鉆、斜孔、進尺困難、溶洞處理難等缺點。然而沖孔樁最大的缺點是孔樁經過反復沖擊后，孔徑變大，混凝土超灌量增加，因而沖擊鉆頭外徑經常采用比設計樁徑小5～10cm，具體數據取決于施工經驗或巖層強度，巖層強度大擴孔系數便小。
4、關于溶洞處理問題
溶洞處理方法有許多論述，這里結合本涼水井大橋樁基施工實踐，總結有以下幾點：
（1）利用地質勘探孔提前給空溶洞補水，以達到防止鉆孔過程中溶洞頂板被擊穿時孔內泥漿水頭突然下降而造成塌孔情況發(fā)生。理論上采取增加泥漿儲備以防水頭突然下降而塌孔的做法是可行的，但實際施工過程中，塌孔發(fā)生是很短時間內的事，補充泥漿往往是來不及，故個人認為利用地質孔補水仍是預防鉆孔過程突然漏漿的最好辦法。
?。?）遇到溶洞后回填片石黏土進行反復沖填，是處理溶洞、斜孔、卡鉆等問題最簡單適用可行的方法。本互通樁基沖孔施工過程中對溶洞處理基本采用該方法獲得成功。
（3）遇到溶洞裂隙發(fā)育，孔內漏水、漏漿嚴重，采用投片石和粘土往往不能解決問題，可采取投入袋裝水泥和粘土，然后反復沖擊使得水泥黏土拌和均勻，靜置7～8d讓膠體凝固后再沖擊施工，該方法是處理裂隙漏漿最簡單適用的有效方法。其原理是水泥與黏土經過充分攪拌后形成一種具有強度的復合體，后經反復沖擊而被擠入裂縫中起到封閉作用。
?。?）孔口地表塌陷處理。造成孔口地表塌陷原因主要有以下兩點：一是孔口覆蓋層中角礫層、砂質土等被洗空而形成“空肚皮”，在鉆機震動荷載作用下產生坍塌；二是因溶洞頂板比較破碎，原溶洞內充填物起臨時支撐作用，因沖孔施工泥漿循環(huán)作用把充填物清除出孔外，造成充填物支撐作用逐步消失而引起溶洞頂板坍塌。地表突然下陷是非常危險的安全隱患，唯一的預防措施是根據地質鉆探報告資料認真分析溶洞頂板厚度和巖層強度，在穿越溶洞階段，要放慢鉆進速度，或采用較小沖擊錐先破穿溶洞頂板，同時多投入片石、黏土反復沖填擠密溶洞?？卓诘乇砜刹捎没靥钇澎o置數天后再沖孔便可處理。
?。?）挖孔樁施工中，經常出現孔壁突然崩塌漏漿，或孔底剛發(fā)現甚至未發(fā)現的溶洞突然涌起泥漿、流砂，極大危及孔下施工人員的安全。遇到該情況時，不可盲目處理，應立即撤出人員、工具，待其涌漿或涌水穩(wěn)定后，再安排施工經驗豐富人員下孔清理，若清理順利，不再有泥漿涌起出現，可先對溶洞進行處理后再繼續(xù)往下挖孔，否則，最好選擇重新回填片石、黏土至孔口后采取沖孔。
（6）樁基砼灌注過程中，為防止砼超壓力過大擠垮由黏土和片石沖填維護溶洞孔壁，造成砼超灌或出現斷樁事故。故要求在灌注砼施工前，結合根據地勘報告資料和投入的片石黏土數量加以判斷溶洞孔壁牢固強度，為防止斷樁，建議灌注砼導管埋深最好選在4～6m。
5、關于樁底沉渣清除問題
對于嵌巖樁而言，規(guī)范允許的孔底沉渣厚度≤5cm，采用沖擊成孔工藝對孔底沉渣厚度控制顯得非常關鍵。一般而言，清孔階段置換泥漿濃度應由濃變稀，一旦清孔完畢驗孔合格后應立即下鋼筋籠進行砼灌注，避免靜置時間過長造成孔底沉渣可能超厚，初灌砼的沖擊力會沖起部分沉渣，并隨連續(xù)灌注過程，孔內泥漿水位上升而將部分沉渣帶出孔外。
實際施工中，灌注成樁的樁基不可能每根樁底沉渣厚度都能夠取芯檢查，經常利用樁基砼內預埋的3根超聲波檢測器進行質量檢查，一旦發(fā)現樁底沉渣過厚，可采用鉆機取芯成孔（一般施工3孔），再用高壓水從鉆孔口注入，另外孔口出渣的循環(huán)通路，直至將樁底沉渣清除干凈，再壓注水灰比1:0.5d的水泥漿進行處理。該處理方法投入小，簡單可行。
