和平大道立交桥桩基础施工处理方法

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　　摘要：和平大道立交桥钻孔桩施工时存在大量溶洞，在下部溶洞和上部松散土层情况下施工钻孔灌注端承桩是比较复杂的。该工程对溶洞采用静压化学灌浆法处理，对松散土层采用内外双层护筒法处理，使桩基础施工成功，取得满意的技术、经济、质量等效果。
　　关键词：溶洞；桩基；施工技术
　　中图分类号：U443.15 文献标识码：A
　　
　　1 工程概况
　　
　　武汉天兴洲公铁两用长江大桥公路引线工程和平大道立交，主线桥全长1426米；北起青山区建设十路东侧，南跨青山港、和平大道、止于戴家湖。全桥共有钻孔灌注端承桩624根，其中孔径有1.2米、1.5米、1.0米、1.8米四种。
　　戴家湖地段表层为冲填粉煤灰层，沉积时间短、结构疏松；场地内地下分布较多碳酸岩类岩石，该段碳酸岩类属石炭――二叠系厚层状白云岩，易为地下水溶蚀成溶洞，有大量溶洞存在，岩面起伏较大，根据施工勘察资料局部可见多层溶洞。
　　从地质剖面图可见：场地底层从上至下分别为：杂填土及粉煤灰，其下主要由第四系全新统冲湖积亚粘土，上更新统冲洪积亚粘土、上更新统残破积亚粘土夹碎石，下第三系白垩钙质砾岩等，下伏基岩主要是三叠系白云岩、二叠系砂岩、石炭系白云岩、泥盆系石英砂岩及志留系泥质页岩。
　　
　　2 本地域溶洞及断层破碎带特点
　　
　　2.1 本地域溶洞特点
　　经由地质勘察及其它有关资料，得知本地域溶洞有如下特点：
　　（1）戴家湖内覆盖层较厚，达10～18m，承台位于粉煤灰层底部，空桩长。上部地质为冲填粉煤灰层，中部为软、硬塑亚粘土，承载力、孔壁自稳能力差；地表为湖水、热电厂冲填粉煤水，水位高，粉煤灰孔隙比大，因溶洞造成突然失浆，桩孔内外水头差过大，施工不采取措施预防，极易造成塌孔。
　　（2）土溶洞少，大部分为基岩中溶洞，分布面广、大小不等、充填物各异；存在多层溶洞。
　　（3）含粘性土夹碎石充填物的溶洞内，碎石含量少，硬塑状填充物易遇水膨胀，导致混凝土浇注后缩径。软塑、流塑状填充物易流动失稳坍塌，造成坑壁空洞，成孔困难；混凝土浇注过程中，由于混凝土对侧壁压力，会导致填充物失稳、剥落，漏浆，造成桩基混凝土离析、夹层。
　　（4）空溶洞，钻孔时易突然严重漏浆，孔内水头压力失衡，造成塌孔、埋钻、护筒下沉倾斜、地面下陷，危害最大、处理最困难。
　　（5）溶洞发育不规则，底板多数为斜面，钻进过程中，导致偏孔倾斜、卡钻、掉钻、扩孔严重，处理工效低，作业时间长。从溶洞分布看，同一水平高度，存在相邻桩位溶洞贯通可能。
　　2.2 本地域断层破碎带特点
　　经地质勘察及相关研究发现，本地域断层破碎带有如下特点：
　　（1）粗碎裂隙带：裂隙发育，钻进过程中，会造成大量失浆，坑壁失稳，破碎裂隙物剥离，严重扩孔，甚至塌孔，灌注时，水下混凝土超方严重，桩基轮廓突变，减弱实际承载力。
　　（2）断层泥：断层泥易遇水易散、吸水不断膨胀，在灌注混凝土过程中，造成缩径，减弱实际承载力，对成桩质量有严重影响。
　　
　　3 溶洞的处理方法
　　
　　3.1 采用静压化学注浆直接充填法处理溶洞
　　戴家湖内共有基础桩（均为钻孔灌注端承桩）512根，通过施工勘察发现154根桩下存在溶洞，其中有143根桩基的溶洞高度在0.5米～3米之间，由于工期紧，为了在3个月内完成全部的桩基础，选择了静压化学注浆直接充填的方法处理溶洞。
　　采用静压化学注浆直接充填施工方法如下：
　　在超前钻有溶洞的桩位四周均布3个灌浆孔，距离桩位中心1m～1.5m。孔径为110mm，孔深要求达到最深溶洞或断层破碎带底部。钻进过程中应注意观察地层变化，详细作好钻孔记录。钻孔完毕，进行清孔检查，在确认没有坍孔和探头石的情况下，方可下管。确定注浆管内无阻塞物后，即可进行注浆管安装，要求注浆管下到溶洞或断层破碎带顶板。注浆管外露的长度不小于30～40cm，以便连接孔口阀门和管路。注浆管安放好后，在注浆管管口加上孔口盖，以防止杂物进入，然后进行，压水试验，压水压力由小逐渐增大到预定注浆压力，并持续15min。压水试验合格后才开始正式的静压化学注浆。本项目采用的材料配比为采用普硅P.0.42.5水泥浆水玻璃浆液，水灰比0.8；水泥浆水玻璃体积比为1∶0.5。重量比（水泥：水：水玻璃：注浆剂=1000Kg：800Kg：700Kg：50Kg）采用双液灌浆系统进行全孔灌浆，少量多次、反复灌浆。注浆压力控制：岩层中为0.1～0.3MPa，土层中逐步加大到0.3～0.5MPa。
　　3.2 采用普通抛填片石、水泥、粘土处理溶洞
　　（1）溶洞施工前，在现场所施工的孔位附近备足块石、粘土、水泥包，并就近设置一个场地存放溶洞处理所需要的材料。
　　（2）当钻进到溶洞顶板时，改用Φ1000小钻头，冲击施工过程中应减小冲程，降低冲钻频率，缓慢的击碎顶板，同时回填块石、粘土、水泥包进行多次反复冲钻，将顶板击破。
　　（3）在进入溶洞区后，必须在孔边备好足量的块石及粘土，并接好水管至孔边，如溶洞漏浆，马上回填片石和水泥包，同时向孔内注水，避免塌孔。每次回填均需高出溶洞渗漏处2m以上，当溶洞内为半边溶洞时，首先应回填块石和水泥包，将半边溶洞全部充填，填筑高度以高出溶洞最高点2.0m左右，再进行冲钻，直至孔内泥浆面不再下降，锤头停止晃动摇摆，钻机进尺速度恢复正常为止。投石时要注意锤头倾斜的方向，锤头向哪个方向倾斜，就往哪个方向投石，以保证石头能顺利快速落到溶洞中。如果孔内泥浆面下降过大，必要时要补抽泥浆到桩孔内。片石直径不宜过小，一般在50cm～70cm之间。
　　到溶洞底板后，提高冲击锤的冲程，利用大冲程加大破岩能力。溶洞区段的钻进，应采用优质高粘度的泥浆护壁，切实有效的做到孔壁的防护。
　　3.3 内、外双层钢护筒处理溶洞
　　外护筒主要起支护上部易塌地层的作用，下至强风化层一定深度（具体视单桩地质柱状图而定），后在护筒支护坑壁的情况下，再钻进打入内护筒支护溶洞区。内外护筒外壁、内外护筒之间采用灌砂压浆填充。
　　本工程对3m以上空溶洞或半填充溶洞的钻孔桩，存在极大的安全隐患，主线S006#左幅2根桩基存在5米以上半填溶洞，右幅3根桩基存在5米以上半填溶洞，且在基本处于同一高度上，初步判定同一承台下的溶洞是相通的，击穿溶洞势必造成大量漏浆，孔壁失稳，可能引起大面积地面坍塌。根据实际情况对比方案，采取内外钢护筒进行防护，钢护筒采用钻埋法施工。
　　由于覆盖层较厚，主要由杂填土及软硬塑性亚粘土组成。一旦钻进过程中揭开溶洞顶板，泥浆将迅速流失，孔内水位将严重低于地下水位。护筒如不全断面入岩，将极易造成刃脚处穿孔塌陷，继而引发地基大面积沉陷，严重还会发生埋钻的危险。长护筒应进入岩层，入岩深度根据各桩溶洞顶板岩层厚度和岩性情况进行确定。钢护筒长度根据相关孔位地层标高确定，内护筒顶与外护筒平齐，底部根据各桩位处岩层顶的地质情况确定，施工时根据实际情况进行确定，初步确定进入强风化层不小于1.0m（覆盖层厚度按最低点考虑）。
　　在桩位处埋设φ2000mm的短护筒，采用反循环钻机钻φ1800mm的孔，穿透岩面以上覆盖层并钻进至强风化岩面1.0m以下，清孔后在孔内利用吊车下放内径为φ1650mm的钢护筒。
　　为确保钢护筒下沉时的平面位置与垂直度满足施工要求，需要设置接长拼装平台，平台经测量人员抄平后，直接立于孔位上方，其中心与桩基中心重合。下放时应控制好整体的垂直度及平面位置，测量人员现场全过程控制，随时进行调整，待垂直度及平面位置符合要求后，上口可考虑依靠外护筒焊接定位。

　　当钻进到溶洞顶板时，改为φ1000mm小型钻头，减小冲程，降低冲钻频率，缓慢地击破顶板，密切关注水头的变化，一旦水头下降，立即向孔内注水，同时回填块石、粘土和整包水泥，直至水头稳定后，再改为φ1460mm的钻头进行正常冲钻，并投放适量的块石粘土回填物。
　　成孔后在水下混凝土灌注过程中，随着浇筑高度的上升，新鲜混凝土对孔壁产生的侧向压力将不断增大，再加上岩溶充填物以流塑状粘土残块为主，有可能临时稳固的孔壁在新鲜混凝土的侧向压力下发生坍塌，引起孔中砼大量流失，继而引起断桩等现象发生。为避免该情况发生，在下放钢筋笼时，拟采用δ4mm外径1.5m的钢套筒对岩溶区段孔壁进行防护，钢套筒与钢筋笼保护层钢筋采用竖焊连接，其上、下端分别引入溶洞顶、底板1m，这样，将有效地保证孔壁在混凝土侧向压力下不发生坍塌，继而确保成桩的质量。
　　
　　4 溶洞处理施工紧急预案
　　
　　由于地质情况复杂，岩溶及断层破碎带地段桥梁每根桩基仅依靠一个勘察孔无法完全探明地质状况，施工桩基时，启动本预案。具体措施如下：
　　（1）在有溶洞的桩基开钻前，对现场作业人员进行施工交底，并检查本预案的准备情况。
　　（2）为防止在溶洞洞顶打穿后，孔内泥浆突然损失，造成孔内水头下降过大造成塌孔，必须在泥浆池内备注桩孔的1.5倍泥浆。
　　（3）正常采用抛片石、粘土及水泥处理方法的小溶洞，孔口护筒较常规加长，长度为4～5m。
　　（4）现场储备一定量的粘土、片石及水泥，防止压浆处理不完善。
　　（5）溶洞及断层破碎带冲孔时，必须采用小冲程冲进。
　　（6）为防止孔壁倾斜，回填和冲击反复进行。
　　（7）钻进过程中，加强检测泥浆的性能指标，每隔四个小时检测一次，泥浆性能的指标测定方法和范围为：A相对密度可用泥浆相对密度计测定（1.3～1.4）；B粘度可用标准漏斗粘度计测定（18～22S）；C含砂率可用含砂率计测定（<4%）；D失水率（20ml/30min）；E酸碱度用PH试纸读出（8～10）。泥浆的检测以孔中部泥浆为准，穿越溶洞加大对溶洞区段的检测频率。
　　（8）冲击钻在冲击过程中，由于钻头自身的质量或反复冲击形成疲劳，容易出现钻头掉角或钻头吊杆断裂而掉钻，钢丝绳磨损而掉钻。为此，应加强钻头、钻具的检查工作，如发现问题及时处理。
　　（9）冲击钻施工时，防止钻头倾斜。冲击钻在冲钻破碎岩面、倾斜岩面时，冲击钻头常常会发生倾斜，在该地层应于倾斜面上回填粘土和块石，填筑高度以高于倾斜面最高点0.5m左右，用冲击钻反复冲钻、回填，直到不再发生倒钻情况为止。
　　
　　参考文献
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