岩溶地区桩基施工溶洞处理技术

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  【摘 要】 为了提高桥梁在岩溶地区的稳定性,本文根据工程实例,并从桩基础施工难点及施工措施、溶洞处理措施,以及公路桥梁桩基施工中的溶洞处理技术分析这三个方面对岩溶地区桩基施工溶洞处理技术进行阐述。
  【关键词】 岩溶地区;桩基施工;溶洞处理;技术
  一、前言
  在岩溶地区施工桥梁之前,进行桩基础的施工是第一项施工环节,由于桩基础将承受上层结构的压力,所以桩基础施工是极其重要的一个环节。因此,我们需要对桩基础施工中的溶洞处理技术进行分析。
  二、工程实例
  1、工程概况
  乐昌至广州高速公路乐昌互通武江大桥起,终点桩号分别为AK0+425.2和AK0+820.8,桥跨布置为4×20m现浇连续箱梁+4×20m现浇连续箱梁+(40+70+40)m悬浇连续箱梁+4×20m现浇连续箱梁,桥全长395.6m,其中主桥(40+70+40)m采用变截面预应力混凝土连续箱梁,兩岸引桥采用预应力现浇连续箱梁。全桥共分为四联,主桥一联,后退岸引桥两联,前进岸引桥一联。全桥桩基础42根,桩径1.5米4根,桩径1.8米14根,桩径2米24根,其中最长桩56米。
  2、地质情况
  本桥设计为钻孔嵌岩灌注桩,要求桩基嵌入微风化石灰岩。桥梁经过岩溶特别发育地段,根据提供的钻探资料揭露,桩位地质条件主要为:第四系覆盖土层(Q4al+pl)为卵石土层;下伏基岩为D2d微风化灰岩。基岩溶洞发育规模较大,洞高较大,且呈多层或串珠状发育,洞内多为半充填或无充填。溶洞顶板微风化灰岩裂隙、溶蚀、溶槽、溶沟极为发育,且第四系卵石覆盖层与下伏溶洞有较强的连通性,在冲孔施工时易造成孔内严重漏浆,引起卵石覆盖层坍塌,影响桩基冲桩正常施工,甚至影响到桩机的作业安全或区域性塌陷等地质灾害。为了桩基施工的安全和正常进行,在桩基础冲桩施工前,需对钻探已发现溶洞的桩基础进行处理。
  三、桩基础施工难点及施工措施
  岩溶区地质复杂,多数孔位出现断裂带、土洞、溶洞,岩性在水平和垂直方向的变化较大。复杂的地质给桩基础施工造成很大困难,冲桩过程中容易造成偏孔、漏浆、塌孔。因此在施工过程中制定了下列施工措施:
  1、地质勘察时,采用一桩一钻的方法,同时采用声波探测,掌握溶洞出现的大概位置,推断其范围大小,并将同一墩台桩基的地质勘察资料进行比较,推断溶洞的发展状况。
  2、将每个孔位的地质柱状图印发给有关人员,让具体操作者、技术人员、作业队长都清楚溶洞的位置、大小、充填情况,对其做好技术交底及安全交底,使得现场所有人员认识到溶洞可能出现的危险,在出现溶洞抢险过程中首先要保证人员安全。
  3、备足成孔用水、粘土、片石、泥浆等必备材料,确保溶洞击穿时迅速补水、补浆,预防塌孔,并及时抛填粘土、片石,以恢复正常钻孔作业。粘土片石要在桩孔附近,冲孔遇到溶洞时能较快的回填。部分粘土用麻袋装好,遇到漏浆机械没开动前可先组织工人回填粘土、片石,遇到漏浆速度慢的小溶洞,工人可回填粘土、片石止住漏浆。
  4、地质资料显示有溶洞、断裂带的桩位,钢护筒振至岩面,如击穿溶洞、断裂带时,采用充填方法无法阻止漏浆造成塌孔,则钢护筒至少振至穿过溶洞1mm。对于无法振打钢护筒且经过多次堵漏都无法穿过的溶洞采取压浆处理。
  5、施工现场一定要有处理漏浆的备用机具设备,如挖掘机、铲车、泥头车、吊车等,以免发生险情无法实行溶洞处理措施,造成不必要的人员伤亡及财产损失。
  四、溶洞处理措施
  1、岩溶处理原则
  根据地质钻探资料,对每根桩设计出相应的溶洞处理方案、成孔方法及施工措施。施工前,在桥位,对溶洞进行注浆处理,尽可能封闭溶洞间的联系及对充填物进行固结;减少泥浆和混凝土的流失。对小溶洞可先填砂(碎石),后注浆处理,也可用黏土掺小片石处理。对溶洞顶软弱土层或砂层,在开钻前先行打入钢护简。遇到大溶洞时,设置钢护筒跟进钻机施工。
  2、溶洞处理方法
  (1)对于封闭得比较小的溶洞,采取注浆措施,提供成孔条件穿过溶洞。若洞内无填充物或填充物不满,则采取先填充碎石或干砂,然后注浆;有的则直接填黏土块和小片石(比例1:1),小片石大小以15mm为宜。具体做法如下。
  ①施工中根据地质情况在每一根桩的中心位置或桥墩承台的四角钻注浆孔,钻注浆孔也是对地质情况的进一步勘探,通过取芯探明溶洞的高度及填充物的详细情况。
  ②用JYB一2型挤压或注浆机注浆,注浆压力不宜太大,控制在0.5MPa~1.0MPa,提升速度0.1—0.25m/min,具体压力值由现场试验确定。注浆速度为15-20L/min,其目的是使浆液渗透到填充物内(包含灌入的砂或碎石),然后固结。渗透最小直径定为3.0m,以保证冲钻成孔时有足够的固结体。注浆时注浆管必须插入填充物的底部,然后边注浆边缓慢上提,根据注浆速度确定,应使渗透半径控制在允许范围内。浆液选用水泥浆,用PO42.5级水泥,水泥浆配合比为水:水泥=1.0:1.5。若需用水泥砂浆,则配合比采用水:水泥:砂=1:1:0.8。
  ③单花管注浆,管头花管段长充100cm,孔眼直径和间距根据现场试孔后确定,注浆管外径为70mm,比钢套管内径要小。注浆时,通过注浆泵上的PQ仪分析确定注浆的速度和结束时间,压入量根据渗透半径、固结体积来计算。
  ④为防止浆液流失太多造成浪费,采用间歇注浆方式,使得先注入的浆液与砂子(或碎石)初步达到胶结后再注浆,循环注浆多次,直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值为止。
  ⑤注完1个孔后,继续对其余孔进行注浆,后注浆的压力必须调高,最后封孔。
  (2)溶洞内无填充物或填充物较少可向洞内填充砂子,选择一个合适的孔位,放入并固定钢套管,将注砂管与钢套管相连接,在注浆前灌砂。根据成桩直径、围护体积的最小直径及堆积体成形规律,计算填砂量。用压风机将干砂压入,为防止洞内高压阻止灌砂,利用其他孔作为减压孔。待达到计算的填充体积,压力稳定时,即可停止灌砂,开始注浆。   (3)溶洞内无填充物或填充物较少也可向洞内灌入碎石,先必须钻一个大孔(直径≤30cm)放入钢管并固定,钢管上置碎石料斗,碎石料径不大于2cm,投料时振动钢管,以防止堵塞,填充量控制与填砂控制方法相同。
  (4)遇到大溶洞时,可先用填黏土和片石的方法处理,在施工过程中最好配备1台ZL50C型装载机,当遇到溶洞漏浆时,迅速铲起片石和黏土填孔,同时集中水泵往孔内大量补水。当溶洞很大或溶洞连通时,因水土泥浆流失很快,采用这种方法有时难以成功,尤其当表层为松软土或沙土层时,易产生塌孔现象,此种情况最好不用。此时应设置钢护筒跟进钻机或先用振动锤打入钢护筒,以阻止或减少水和泥浆的流失,也利于后期防止灌注混凝土的流失。
  (5)对一些表层土较软弱或遇到沙层较厚时,則采用双层钢护筒施工方法,以5号墩为例。该墩高程在1m~9m为淤泥质土和细沙层,下覆溶洞较多。钻孔桩施工顺序遵循先长桩后短桩的原则,为防止淤泥质土层或沙层塌方,先用60kW振动锤打入直径2.2m的第1层钢护筒(护筒壁厚10mm,每3m一节),穿越淤泥质土层和沙层至第1层溶洞顶,然后用冲击钻冲击成孔至设计的孔底高程。为防止灌注混凝土时发生混凝土流失现象,打入第2层直径2.1m钢护筒至桩孔最底层溶洞底,采用高压空气正循环(结合泥浆泵)二次清孔,灌注水下混凝土。3天后拔出直径2.2m的第1层钢护筒。
  (6)对于一些溶槽、溶沟、小裂隙等,冲孔时可采取投放片石、碎石夹黏土,甚至投入整袋水泥堵塞起到护壁作用,保证泥浆不流失,使钻孔顺利通过岩溶区。由于先对溶洞进行了处理,施工安全系数得到提高。
  五、公路桥梁桩基施工中的溶洞处理技术分析
  在有关公路桥梁钻孔灌注桩施工中的溶洞类型分析的基础之上,结合本文所举桥梁中溶洞高度、溶洞地下水活动情况以及溶洞洞内填充物的差异性,针对溶洞所采取的处理技术方式也存在一定的差异性。在当前技术条件支持下,可供选取的公路桥梁钻孔灌注桩施工溶洞处理技术方式包括抛填法、静压注浆法、混凝土填充法以及钢护筒跟进法等多种类型。具体而言,应重点关注如下几种处理技术方式。
  1、抛填法:溶洞范围小,溶洞高度小于1m,对照地质图,当钻至溶洞顶板1m左右时,减小冲击钻冲程,控制在1~1.5m,通过短冲程快频率冲击的方法逐渐击穿溶洞,溶洞一被击穿,孔内水头迅速下降,这时立即向孔内补充泥浆,同时提钻至孔口,并向孔内投入片石、粘土块和水泥,填充溶洞,当孔内水头稳定时,用测线测出回填厚度,当回填厚度大于lm时,使溶洞范围形成护壁后,再继续施工。发现异常情况及时采用以上方法,反复冲砸,填塞溶洞,挤密护壁,直至顺利穿过溶洞。
  2、静压注浆法:第一种情况:在钻遇有充填物、洞高5.0m以下溶洞,采用水泥浆静压注浆法,静压注浆法是一种较成熟又经济的地基加固技术,该法的原理是通过钻机成孔后,用注浆泵低压力将水硬性材料注入到岩土层中,加固体在岩土层空洞、裂隙中形成板根状骨架,从而提高岩土体的密实度,增加强度和水稳性,充填溶洞及岩溶裂隙,达到地基加固处理和溶洞处治的目的,为钻孔创造有利条件;第二种情况:在钻遇洞高5.0m以上无充填或半充填溶洞,采用压注水泥砂浆法。水泥砂浆对无充填物、规模比较大的溶洞进行充填灌注比较理想,可减低注浆材料成本,但水泥砂浆流动性、渗透性较差,对裂隙、溶沟、溶槽的封堵性能较差。灌注水泥砂浆是钻机成孔后,利用吊车下入φ89mm灌注导管至溶洞底板以上0.3m,通过输送泵把搅拌好的砂浆压入孔内,到孔口返砂浆为止。
  3、钢护筒跟进法:对于较大单层无填充溶洞,孔口钢护筒打入长度视灰岩顶板以上土层性质而定,如受钻孔内漏浆引起坍塌的砂层、饱和粘土层则钢护筒要穿过易塌地层,或打至溶洞顶板顶面。若为多层空溶洞或半空溶洞,采用多层单层钢护筒跟进,第一层钢护筒为孔口开钻段,根据孔口地质条件,确保穿过易坍层,第二层钢护筒待钻至第一层溶洞顶板时,停钻沉放第二层钢护筒,第三层钢护筒待钻至第二层溶洞顶板时再将钢护筒沉放至该层溶洞顶板。对于钢护筒用几层,在钻孔根据地质资料对溶洞各层标高、填充物情况做好开钻孔口直径和钢材备料,应尽可能避免坍孔后再采用多层钢护筒。
  六、结语
  在岩溶地区进行桩基础的施工时,将会面临着诸多的困难,同时施工环境相对比较的复杂。因此,在施工之前应掌握好相关的资料,保证施工可以顺利的开展,并且在施工时选择合适的技术手段可以最大程度的保障工程的质量。
  参考文献:
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  [3]张志跃.岩溶地区铁路桥梁桩基施工处理技术[J].《四川建筑》-2012年3期-
  作者简介:洪贵权(1986-),男,广东省开平市人,本科,助工。
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