岩溶地区钻孔桩施工病害处理

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:AKDelphi
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  摘要:文章结合水任大桥桩基施工的实例,分析阐述了岩溶地区钻孔桩施工常遇到的几种病害的发生机理及处理方法,为今后类似工程提供了经验。
   关键词:岩溶地区;钻孔桩施工;病害处理
   桩基是桥梁施工质量控制的关键,而岩溶地区钻孔桩的施工因其施工环境特殊性、地质情况的复杂、多变性及桩底工程地质不可视性等,更是桩基施工的重中之重,稍有不慎就会留下严重的质量隐患。因此,它历来是桥梁施工控制的重中之重。
   一、工程概况
   水任大桥位于广西河池市河池镇水任村境内,跨越红沙河,河面宽12~16m,桥长167m,上下行分离式独立桥梁,单幅宽13m,2联4×20m先簡支后连续预应力混凝土小箱梁上构,下构桥墩为柱式墩,钻孔桩嵌岩基础0#、8#桥台为肋式桥台,承台接钻孔桩嵌岩基础,设计桩基共44根,桩径1.5m。该地区为典型的岩溶地区,地表为第四系冲积层,下伏石炭系中统基岩中风化灰岩,岩溶十分发育,裂隙和溶洞伴生,地下水丰富,地下水位高。根据地质钻探资料显示,共钻孔32个,遇溶洞11个,最大溶洞高1.5m,岩芯有溶蚀裂隙的5个,故桩基在选择持力层时,须穿过溶洞进入完整基岩2~3m,且基底持力层须有3m以上无不良地质(溶洞、裂隙等)。
   二、施工前的准备工作
   施工前,认真研究设计图纸及有关工程地质资料,了解设计意图;根据设计文件要求,对因设计方案调整增加的第0#、8#桥台1#、2#墩桥位进行工程地质勘察,取得详细地质资料;同时,在桩基施工中进行超前地质钻探,以确定终孔条件。选择适当的施工工艺:依据工程地质情况和施工场地现状,采取以冲击成孔为主,人工挖孔和钻孔为铺的施工工艺组合,主要为冲击钻孔成孔,部分地下水位低、覆盖层厚、桩长短的用人工挖孔成孔。其他准备:如人员、机械、材料的准备等。
   三、岩溶桩基冲击钻孔施工病害处治
   由于水任大桥地处岩溶地区,地层岩性软硬不一,裂隙发育,溶洞的位置、大小、深浅变化多,即使工程地质勘察钻探时一桩一探,一桩一分析,桩基施工时采取超前地质钻探,仍不能准确把握复杂的地质情况,因而在施工中遇到了各种各样的问题。对此我们虽做了充分准备并有针对性地采取了相应措施,但也难以防止各种施工病害的发生。如:漏浆、塌孔、埋钻、偏孔、卡钻、掉钻以及灌桩过程中混凝土流失和断桩,以下对其成因及处理措施分述如下:
   四、漏浆处理
   成桩过程中,注意控制漏浆等情况,如果这些情况控制不好,很可能导致情况进一步恶化,造成塌孔、埋钻等事故,甚至会出现地面塌陷,影响安全等。
   发生漏浆的主要原因,一是钻孔通过与地下水暗流相连的强透水性地层,如溶岩孔隙和洞、槽较多,孔壁不密实及遇到未填充的溶洞、溶穴、溶槽等。施工到溶洞或裂隙处,泥浆会顺着溶洞或裂隙的空隙大量流失,甚至孔内泥浆迅速漏光,造成施工事故。
   出现漏浆一般处理措施是:施工中采用中小冲程钻进;一旦发现漏浆则及时向孔内补充泥浆;加稠泥浆浓度,起到减少孔内外的压力差、有效护壁、延缓漏浆的作用,为处理漏浆争取时间。同时,向孔中回填粘土夹片石、块石等,反复冲击回填粘土以增加护壁的密实度和强度。此法对于小裂隙和小溶洞、孤立溶洞的堵漏效果较明显,但对于大溶洞、连通裂隙堵漏效果并不理想:因为当进行第二次冲击成孔时,会很快将堵住的地方冲通,又出现漏浆。或是孔内回填的粘土随地下岩溶水全部流走,无法堵住。
   在施工中,我们采用另外两类更有效的方法:一是用水泥粘土或混凝土浆固结堵漏;另一方法是采用护筒跟进护壁堵漏:
   (一)水泥粘土或混凝土浆固结堵漏法
   根据地质资料,在冲穿溶洞出现漏浆之前,准备好大量袋装粘土。对于大溶洞,一旦出现大量漏浆,就将整袋粘土抛入孔内。在抛填粘土代时,分层加入一定量的整包水泥包和片石分层加入一定量的整包水泥包和片石,回填高度超过漏浆位置,然后轻放冲锤挤压使之充填到溶洞缝隙,在用冲锤轻打使水泥与粘土混合成水泥土桨,使其挤进周围孔壁中并凝固,待桩孔壁水泥土浆护壁层具有一定强度后,在进行冲击成孔,使溶洞空间内形成具有一定厚度和强度的新护壁。
   对于小裂隙的漏浆粘土可不必装袋,可直接倒入孔内,水泥须整袋抛入,操作方法同上目的是堵漏同时也为了造浆。遇到多层溶洞,当打穿下一层溶洞再次发生漏浆时,重复上述工作,直到完成一个桩孔为止。
   (二)钢护筒跟进法
   护筒跟进法适合在穿越大型溶洞或半填充溶洞时,即先用较大直径的钻头冲击至溶洞顶约1m处,下护筒至孔底隔离上部松软覆盖层,再换小钻头继续冲,直至击穿溶洞。然后回填粘土、片石混合物(比例1:1),反复冲击砸实洞内以造孔壁,再转入正常钻进。此法关键要掌握好:(1)护筒必须位置准确;(2)护筒须有足够的刚度;(3)击穿溶洞后及时回填粘土片石混合物,且如还有漏浆现象,边填边冲实。
   多层溶洞,根据溶洞层数、大小和填充物的情况,采用片石、多层护筒嵌套施工相结合的方法进行处理。开钻前,根据工程钻孔柱状图,确定哪层溶洞需埋设钢护筒及个数,开孔时根据埋设钢护筒的数量确定孔径,一般内套护筒比外层护筒小15cm,最内层护筒内径不小于设计桩径+0.15m;处理溶洞前,外层护筒应穿过砂层,以防塌孔。应根据不同护筒直径选用不同的冲锤。
   如水任大桥4#墩左外桩施工到18.5m时,遇到特大型溶洞。为防止漏浆造成孔壁坍塌,我们根据工程钻孔柱状图,采用套埋钢护筒的方法:首先,用较大直径的钻头(通过加焊合金钢加大)冲击至溶洞顶1m处后,下外护筒到孔底,再换小钻头继续冲,直至击穿溶洞,然后下内护筒至溶洞底回填混凝土堵漏,待其达到一定强度或继续冲孔,穿过溶洞后在转入正常钻进。
   五、塌孔处理
   塌孔是主要由于漏浆严重,补水来不及造成的,常引起钻机倾翻。开钻前,我们依据地质资料,在有溶洞发育的桩位处,在钻机位横向垫放6~8片12m长的320工字钢,并在钻机滚筒下密铺枕木,扩大钻机与地面的接触面积,减少孔口处的局部压力。也可采用护筒跟进技术防止塌孔事故,但由于投入费用较多,并非所有情况都适用。一般情况下主要预防措施是保持泥浆浓度和水头高度、采用中小冲程钻进、钻机和钻架安装稳定可靠。
   根据孔壁稳定原理,护筒内设置一定高度的超高水头以构成对孔壁的附加静水压力,这样静水压力连同孔壁土的圆环作用方能对水中的孔壁起到稳定作用。一般超高水头保持 2m ~2.5m 可以较好地满足护壁需要。
   当孔壁局部坍塌,孔内水头无明显损失时,向孔内抛粘土,加大泥浆比重,下沉内护筒进行处理。另外,当溶洞内压力过大导致溶洞充填物多次冲入桩孔内部时,应采用砼封堵或加长钢护筒跟进措施。
   当遇到溶洞、溶穴、溶槽,孔内水头突然损失造成塌孔时, 如是小面积塌陷,且护筒无位移,除下沉内护筒外, 可及时分层抛入片石、粘土块、袋装水泥、片石等,以填充和堵塞溶洞,回填至内护筒底部以上2~3m,然后采用中小冲程重新钻进。溶洞发育严重时,如连通特大型溶洞或连通地下河溶洞,上述处治措施均不能有效处理好,即使多次回填片石粘土等也不能成功阻止漏浆;或者护筒变形,有较大横向位移,无法纠偏时,可拔出钢护筒,用粘土回填,并采用内护筒跟进穿过溶洞。内护筒跟进时应先采用孔径大于25cm的大钻头冲击到岩层,然后下放比孔径大20cm的长护筒到底,再换用正常钻头钻进。目的是防止在施工中发生继续漏浆,造成土层再次塌孔。这种方法关键之处在于内护筒的位置放样必须准确。
   六、卡钻、掉钻、埋钻事故处理
   (一)卡钻、掉钻
   卡钻和掉钻二者时常有关联,因此要时常关注孔底地质情况,在溶洞区附近用小冲程轻打,避免卡钻。当钻头在孔内被岩石卡住时,不要强行提拉,若钢缆绳拉断或钻头转向鼻子断裂,就会掉钻。施工中要经常检查缆绳和钻头转向鼻子的情况,钻头使用前要桩保险绳。在施工过程中掉钻要以预防为主,经常检查机具设备,及时检修,遇到损坏的部分立即维修或更换,消除隐患。施工时严禁在溶洞内打空锤,应绷紧钢丝绳,采用小冲程进行低打紧击。一旦发现漏浆或异常情况,马上提锤至洞口,然后采取其他补救措施。
   掉钻后,要及时摸清情况,若泥浆太浓、泥渣太厚,导致埋钻。应先清孔吸泥,使打捞工具能接触钻锤。先用测锤等探明钻锤在孔底得情况,用打捞钩放入钩住钻锤保险绳再提起。或者派潜水员潜下用钢缆绳栓紧在提钻。
   若掉钻时已经到达设计孔深,打捞困难时可以考虑弃钻处理。弃置冲锤于孔底,清孔后,安装注浆管至孔底,抛入碎石,碎石顶面平冲锤后,对于上面的桩孔灌注成桩,再对下面的卡锤段碎石高压注浆固结,形成完整的桩。这种方法关键之处在于使高压注浆固结体完全包裹冲锤,以防锈蚀。若还不行,则视情况改用人工挖孔桩施工,当然要做好加固堵水等安全措施。
   (二)埋钻
   发生埋钻主要有两种原因: 一是孔内沉渣埋钻, 二是塌孔埋钻。施工时我们尽量使钻头不要长时间停留在孔底不动, 而要经常上下活动, 使得泥浆不停地循环,以防止沉渣埋钻的现象发生。如发生塌孔埋钻, 最主要的是要将主绳保住, 利用回旋钻机扫孔和 “反冲法” 将钻头提出。
   当上述方法均不能奏效时,为取出钻头,只能采用人工挖孔开挖成孔,同时取出钻锤。地下水位高地区还需结合帷幕注浆、加厚加固护壁、选择枯水期施工等其他措施处理,如图1所示。
  
   图1卡钻、掉钻处理过程
   七、混凝土流失及断桩处理
   钻孔桩成孔后,在灌注水下混凝土时,若长时间不见溢浆或灌注时泥浆面出现不上升甚至下降时,则有可能发生混凝土流失。混凝土流失是因为在冲击钻孔过程中,通过溶洞时,由于溶洞较高,冲击形成的护壁自穩性较差,在泥浆护壁作用下只是达到了临界平衡,当混凝土灌注时,孔内侧压力增大,导致这些存在隐患的护壁被破坏,混凝土涌入溶洞。若溶洞较大或相互连通,则大量混凝土将沿这些通道流失。混凝土流失后,护壁泥浆水位下降很可能继续引起塌孔或断桩。
   对于能预计的小溶洞,成孔后可直接灌注砼填充,有小量超方是正常的。但是当溶洞较高、体积较大时,若不采取任何措施,水下混凝土实际灌注的数量一般要大大超过设计数量。针对水下混凝土灌注过程中流失的现象及防止断桩发生,一般有以下施工措施:
   1.加大混凝土生产和运输能力,采用混凝土集中拌和站。
   2.加大混凝土初灌量,避免因首盘混凝土数量不够造成导管埋深不够而断桩;
   3.灌注过程中加大导管埋深, 混凝土灌至溶洞或裂隙处时,适当增加导管埋深,确认安全后,再提升导管。灌注混凝土过程中,在混凝土能下去的情况下, 导管下口埋入深度一般宜控制在4~6m。灌注时要勤测量混凝土面高程,对灌注过程中出现的缓慢下降要有准确的判断,防止混凝土面突然下降,导管悬空造成断桩事故;
   4.对漏浆严重或多次漏浆的个别孔,应做到心中有数,在灌注时应加大混凝土灌注高度,一般考虑要超过设计高程1.5~2.0m,尽量避免灌注完成拔出导管后,混凝土面下降造成断桩。
   5.遇到大的溶洞或溶洞失水现象严重的桩, 为防止浇注超方过多或发生事故,应准确计算溶洞高程后,灌注混凝土前先在钢筋笼上对应于溶洞的位置,附设钢护筒或薄铁板作包裹处理。以防止灌注混凝土时,护壁被挤破,造成混凝土流失。护筒上、 下端均应超过溶洞口0.5m, 从而避免混凝土流入溶洞。
   6.对于有比较大的溶洞的钻孔桩,混凝土灌注速度要尽可能地快一些,以免孔内护壁发生变化出现漏浆或坍孔等异常情况。
   若判断已经发生混凝土流失断桩,则应停止继续灌注,让流失趋于稳定,并待水下混凝土凝结形成一定强度,充填了桩孔周边溶洞,形成护壁后,重新冲孔或人工挖孔处理。
   八、结语
   由于冲孔桩施工过程中的病害处理关系到桩基的质量、施工安全、费用、工期等综合因素,而岩溶地区的工程地质又具复杂性、危险性和不可预见性。因此,施工中我们要小心谨慎,充分考虑了上述各因素,并综合采取多种措施,才能实现了质量、安全、费用、工期的最佳目标!
  
   作者简介:岑忠良(1974- ),广西八桂工程监理咨询有限公司,主要从事土木工程施工管理及监理工作;黄艳妮(1976- )壮族,广西都安人,主要从事土木工程施工管理及监理工作。
  
  
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