某桥溶洞处理方案
2009-09-28
一、工程概况 深圳市盐田至坝岗高速公路（以下简称盐坝高速公路）位于深圳市东部沿海地区，全长约7km。盐坝高速公路是深圳市东部路网的重要组成部分，是深圳市的重点建设项目。我部本次施工B段第八合同段，即：葵涌西互通式立交主线1#桥及C-C、E-E匝道桥。葵涌西互通式立交地处葵涌镇和葵涌小平原的西南缘，该立交与坪山至西冲一级公路十字交叉，并同时上跨葵涌至南澳现有公路和葵涌镇的金业路。它还与预留葵涌东互通式立交（深圳市规划6#高速公路）共同完成其交通流的转换。 全桥共计桩基101根，根据地质勘测资料，在桩中心处表明有溶洞的点位共有30个。其具体布置情况及溶洞发育程度详见《桩基地质勘探平面布置总图》。本桥地质情况由上至下依次分别为杂填土、粘土、粉质粘土、含碎石粉质粘土、弱风化结晶灰岩及微风化结晶灰岩，灰岩溶岩发育。溶洞大概可分为4类，即空溶洞（12个）、多层溶洞（9个）、大型溶洞（H＞4m的8个）、有充填物溶洞（21个）。类型主要以有填充物溶洞为主，其充填物主要有半充填淤泥质土、砂砾、碎石、卵石、粘土等。最大溶洞为左3#－３孔，高19.4m。右2#－3孔为6层溶洞。多层溶洞一般高度较小。C匝道9#墩、10#墩、11#台；主线1#桥5#墩均处在岩溶较发育地区。 地下水主要为第四系冲洪积层的孔隙潜水和弱风化结晶灰岩中的裂隙水，地下水以接受大气降水补给为主，一般见溶洞孔的水位均偏低。葵涌镇南部中冠公司至高圳头一带河谷之下及其两侧隐伏着下石炭系灰岩、大理岩，岩溶比较发育，岩溶水赋存于岩溶之中。本桥址地下水对桩基有中等腐蚀，桩基混凝土应采取二级防护措施。二、 施工方案（一）方案的选择 根据以上工程概况及施工特点，有溶洞的桩基主要采取如下方案：1、 挖孔桩施工 当有溶洞的桩基地层中无较厚砂砾层或砂层，且溶洞水位较低时采用挖孔桩的方案较为适宜。2、 钻孔桩施工 当地层中有较厚的中粗砂层、风化严重的砾石、碎石；地下涌水量较大时采用钻孔桩施工。3、 护筒跟进法 当溶洞上方有较厚的砂砾层时，采用护筒跟进的方法，以防止坍孔。4、 挖钻结合法施工 主要针对挖孔法施工，当对地质情况难以掌握及地下水情况难以判断，挖孔难以进行下去时，采取钻孔桩的施工方法。㈡施工方法1、 适宜钻孔作业的有溶洞的施工⑴ 钻前准备工作① 详细掌握溶洞出现的位置，并推断其范围大小。② 对有溶洞的桩位地质、水文地质资料进行分析研究，制订适当的施工方案和施工技术保障措施。③ 每个孔位的地质柱状图和施工方案都单独列出，发给有关人员，让具体操作者、技术人员、作业队长都知道溶洞的位置、大小、充填情况以及应采取的施工方案。④ 备足成孔用水、粘土、片石、碎石等必备材料，确保溶洞钻穿时迅速补水、补浆，预防坍孔，并及时抛填粘土、片石，以恢复正常钻孔作业。⑤ 要有处理施工故障的备用机具设备，如打捞、急救以及不同性能的其他钻机、钻具等。⑥ 钻孔前先对场地进行平整，清除杂物，再进行桩基定位放样。同时定位放线应注意：a. 依据已布设的平面控制加密导线控制点坐标和经复核计算无误的各钻孔桩中心坐标，利用全站仪精确测设各桩位的中心桩；b. 采用正交线法定出该桩位的法线方向线控制桩，供护筒安装及机具定位使用；c. 每个钻孔桩的护筒安装就位后，应测量护筒顶标高，供检测孔深度、桩底标高时使用。 钢护筒内径比相应的桩径大30cm，分节卷制，单节高度2m，埋设的深度根据不同地质情况分别确定，对埋深较浅的护筒，采用挖埋法，即先在桩位处挖出比护筒直径大80-100cm的园坑，然后在坑底填筑50cm左右厚的粘土，分层夯实，然后通过控制桩放样，把钻孔的中心位置标于坑底，再把护筒吊放进坑内，用十字线在顶部找出护筒的园心位置，移动护筒，使护筒中心位置与桩位中心位置重合，同时用水平尺或垂球检查，使护筒竖直，随后即在护筒周围对称，均匀回填最佳含水量的粘土，分层夯实，使其达到最佳密实度，夯填时要防止护筒偏斜，护筒顶面至少应高出地面0.3米，以防杂物，地面水落入或流入井孔内。 泥浆可用膨润土拌制，也可采用性能良好的其它粘土拌制，制浆池、储浆池、沉淀池均设在钻机周围，并用循环胶管连接，以形成良好的泥浆循环系统。⑵成孔采用冲击钻机成孔工艺。 钻机支撑点远离桩位，支点距离应根据可能造成坍塌范围进行估算，严禁将钻机直接支撑在孔口，同时钻机应用“八”字缆风绳拴拉。钻机安装就位后，底座和顶端应平稳，不得产生位移或沉陷。①当钻至溶洞顶1m左右时，首先准备足够的小片石或狗头石（直径10-20cm）和粘土，粘土要做成泥球（φ15-20cm），对于半填充和无填充的溶洞要组织足够的水源。其次在1-1.5m范围内变换冲程，逐渐将洞顶击穿，以防止卡钻。②根据钻孔的进尺情况，在击穿洞顶之前，要有专人观测护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，应迅速补水。击穿洞顶后，在溶洞内钻进时，根据填充物的不同，要采取不同的钻进方法。当充填物为软弱粘性土或淤泥时，应向孔内投入粘土、片石混合物（比例1：1），冲砸固壁；当为砂层、卵石层时还应提高泥浆的粘度和相对密度。只有当泥浆漏失现象全部消失后才转入正常钻进。如此反复使钻孔顺利穿过溶洞。③对于特大型溶洞或半充填的溶洞或溶洞上方有较厚的沙砾层时，为防止泥浆突然流失，造成孔壁坍塌，采取护筒跟进法施工。具体做法为：首先将φ1.5m的钻头扩大至φ1.7m，正常钻进至溶洞上方约1m处，将钻头提起，用振动锤将内径1.5m、壁厚6mm的钢护筒砸至孔底，再将钻头直径改为φ1.5m继续冲砸，直至击穿溶洞，然后回填粘土片石混合物（比例1：1），采用1—1.5m的冲程将洞内冲砸密实，再转入正常钻进。④对小型或多层溶洞，为防止其不与相邻孔窜孔或成孔后孔型有葫芦状，必要时可灌注低标号砼进行填充，等强后再钻进。⑤钻孔达到设计标高并清孔后，对孔径、孔深、孔形、竖直高和孔底地质是否与设计相符合，孔底泥浆沉淀厚度等进行检查，经监理工程师检查合格后，进行清孔。⑶第一次清孔 采用掏渣法进行清孔，要求用手摸泥浆无2mm~3mm大的颗粒为止，并使泥浆的相对密度减小到1.1~1.20。降低相对密度的方法是在掏渣后用一根水管插到孔底注入高压水，使水流将泥浆冲稀，泥浆相对密度逐渐降低达到所要求的清孔标准后，即可停止清孔。⑷钢筋笼制作与安装 钢筋笼制作采用箍筋成型法。制作后的钢筋骨架必须放在平整、干燥的场地上。存放时，每个加劲筋与地面接触处都垫上等高的方木，以免粘上泥土。每组骨架的各节段要排好次序，便于使用时按顺序装车运出。在骨架每个节段上都要挂上标志牌，写明墩号、桩号、节号等。尤其定位骨架钢筋，由与护筒顶面标高不同，其长度也不相同，因此更应标写清楚。没有挂标志牌的钢筋骨架，不得混杂存放，避免搞错，造成质量事故。存放骨架还要注意防雨、防潮，不宜过多。 钢筋骨架在钢筋加工场地分段制作，运至现场后吊入孔内，并在孔口进行焊接接长。焊接采用单面焊，焊缝长度须满足施工技术规范的要求，并将接头错开50cm以上。主筋接头采用搭结焊。为使钢筋骨架有足够的刚度以保证在运输和吊放过程中不产生变形，必要时每隔2m~2.5m在粗箍筋上设十字撑。 钢筋骨架用吊车起吊，第一段存入孔内后用钢管或型钢临时搁支在护筒口，再起吊另一段，对正位置焊接后逐段放入孔内至设计标高，最后将最上面一段的挂环挂在孔口并临时与护筒口焊牢，以防止在灌注混凝土过程中下落或被混凝土顶托上升。骨架最上端定位，必须由测定的孔口标高来计算定位筋的长度，并反复核对无误后再焊接定位。钢筋骨架在下放时应注意防止碰撞孔壁，如放入困难，应查明原因，不得强行插入，同时要注意观察孔内水位情况，如发生异常，马上停止，检查是否坍孔。钢筋骨架安放后的顶面和底面标高应符合设计要求，其误差不得大于±5cm。 声测管采用内径57mm，壁厚3mm的钢管，对接时采用内径为65 mm，壁厚3 mm，长为10cm的钢管接头，内部加入麻丝并将接头与声测管焊密实，以防砼浆漏入管内，声测管的底口用钢板焊严实，顶口也用钢板焊接，进行密封，以防砼漏入。检测管在桩基横断面上的布置，当直径小于1.5m时，采用等边三角形布设；当桩直径大于1.5m时，采用正方形布设。声测管直接焊接在钢筋笼内侧，并使检测管之间基本保持平行。⑸第二次清孔 由于在下钢筋笼和导管的过程中，沉淀厚度可能会增大，因此必须采取二次清孔。具体方法是以导管作为作为吸泥泵的吸浆管进行抽浆法清孔。⑹水下混凝土的配制及灌注①灌注水下混凝土是钻孔桩施工的重要工序，应特别注意。钻孔应经成孔质量检验合格后，方可开始灌注工作。②水下混凝土的塌落度以18～22 厘米为宜，并有一定的流动度，灌注水下混凝土的工作应迅速，防止塌孔和泥浆沉淀过厚。灌注前，对孔底沉淀层厚度应再进行一次测定，如超出规定厚度（设计厚度），可用一根水管插到孔底注入高压水3min~5min，使沉淀悬浮再立即灌注首批混凝土。③水下砼灌注采用导管法。导管使用前均应调直、试拼组装，并做水密承压试验，准确记录试压编号及自下而上标示尺度。将首批混凝土灌入孔底后，立即测探孔内混凝土面高度，计算出导管内埋置深度。漏斗和储料斗需有足够的容量，即混凝土的初存量，应保证首批混凝土灌注后，使导管埋入混凝土的深度不小于1m。④灌注开始后，应紧凑、连续的进行，严禁中途停工。在灌注过程中，要防止混凝土拌和物从漏斗顶溢出或从漏斗外掉入孔底，使泥浆内含有水泥而变稠凝结，致使测探不准确。应注意观察管内混凝土下降和孔内水位升降情况，及时测量孔内混凝土面高度，正确指挥导管的提升和拆除。导管埋入混凝土的深度一般控制在2m～4m，特殊情况不得小于1m或大于6m。导管提升时应保持轴线竖直和位置居中，逐步提升。 当导管提升到接头露孔口以上有一定高度，可拆除1节或2节导管。此时暂停灌注，先取走漏斗，重新系牢井口的导管，并挂上升降设备，然后拆除，同时将起吊导管的吊钩挂上待拆的导管上段的吊环，导管拆除后吊起拆除的导管徐徐放在指定位置，然后将漏斗重新插入井口的导管内，校正好位置，继续灌注。每根桩灌注时间不应太长，尽量在8小时内灌注完毕，以防止顶层混凝土失去流动性，提升导管困难。 在灌注过程中，当导管内砼不满，含有空气时，后续砼要徐徐灌入，不可整斗地灌入漏斗和导管，以免在导管内形成高压气囊。⑤当砼面接近钢筋骨架底部时，为防止钢筋骨架上浮，采取以下措施：a.尽量缩短混凝土总的灌注时间，防止顶层混凝土进入钢筋骨架时混凝土的流动性过小，可采取掺加缓凝剂、粉煤灰等措施增大其流动性；b.当混凝土面接近和初进入钢筋骨架时，应使导管底口处于钢筋笼底口3米以下和1米以上处，并徐徐灌注混凝土，以减少混凝土从导管底口出来后向上的冲击力；c.当孔内混凝土进入钢筋骨架4m~5m以后，适当提升导管，减小导管埋置深度，以增加骨架在导管口以下的埋置深度，从而增加混凝土对钢筋骨架的握裹力。当孔内混凝土面进入钢筋骨架1m～2m后，适当提升导管，减少导管埋深，增大钢筋骨架下部的埋置深度。⑥为确保桩顶质量，在桩顶设计标高以上应加灌一定高度，一般桩顶加灌0.5m～0.8m高度。同时指定专人负责填写水下混凝土灌注记录，在灌注到接近设计标高时，要计算出还需要混凝土数量，通知拌和站按需要数拌制，以免造成浪费。⑦在灌注将近结束时，由于导管内混凝土柱高度减小，超压力降低，而导管外的泥浆及所含渣土稠度增加，相对密度增大。如在这种情况下出现混凝土顶升困难时，可在孔内加水稀释泥浆，并掏出部分沉淀土，使灌注工作顺利进行。在拔出最后一段长导管时，拔管速度要慢，以防止桩顶沉淀的泥浆挤入导管形成泥心。⑧在灌注混凝土时，每根桩应至少留取两组试块，桩长20米以上不小于3组。㈡挖孔桩施工1、 施工准备工作① 详细掌握溶洞出现的位置，并大致推断其范围大小。②对有溶洞的桩位地质、水文地质资料进行分析研究，制订适当的施工方案和施工技术保障措施。③每个孔位的地质柱状图和施工方案都单独列出，发给有关人员，让具体操作者、技术人员、作业队长都知道溶洞的位置、大小、充填情况以及应采取的施工方案。④施测墩台十字线及其护桩，定出桩孔准确位置。⑤在孔位处安装提升设备，为防止孔口坍塌，在井口周围用现浇砼进行护壁，厚度20cm，高3m。2、 孔壁支护的设计和施工 为保证施工安全，护壁采用钢筋砼护壁，其结构形式为内外齿型，φ6钢筋靠内径放置，厚度为15cm。现浇砼的施工一般采取自制的钢模板，每节段由三块拼装而成。浇注砼时，拆上节，支下节，自上而下周转使用。模板间用U型卡连接，上下设两道槽钢圈顶紧；钢圈由两半圆圈组成，用螺栓连接，不另设支撑，以便浇注砼和下节挖土操作。砼用人工或机械拌制，用吊桶运输人工浇注。3、 井孔开挖 挖掘时，要使孔壁稍有凸凹不平，以增加桩的摩阻力。挖掘方法视土层性质而定。根据地质勘测资料，地质情况由上至下主要分别为杂填土、含砾石卵石粉质粘土、弱风化结晶灰岩、和微风化结晶灰岩。粘土为不透水层，适合挖孔作业，采用短柄铁锹进行开挖，每挖掘1m深时就及时用钢筋砼护壁。含砾石卵石粉质粘土具有一定的渗水性，在此段地层作业要浅进尺，即每挖深0.5米~1.0米左右，就快速支护，以防塌孔。进入到砂层时,沿上层护壁外围每20cm打入φ20的钢钎,然后钢钎上绑扎草袋作为防护，抽完水后浇注护壁,每节最大高度0.5m。 当挖孔进尺到溶洞顶面1m时，挖孔作业人员必须系安全带,安全带要与井口上的挂梯或安全绳牢固联系，然后用风钻钻一个φ100mm的孔，查看溶洞内是否有承压水，若有，人员则应迅速撤到地面等其自然排除，水位稳定后再进行抽水，然后继续开挖。挖穿溶洞顶盖后，首先用水泵抽掉洞内的稀浆或水，然后将鸽子或活鸡放入空溶洞中，呆30分钟，若正常，方可将作业人员用钢吊笼放入空溶洞中。随后用砖砌外圈，且其要有足够的壁厚、刚度，以防止灌注砼时护壁被挤垮，然后立模浇注钢筋混凝土护壁。溶洞处理完成后，继续向下挖进。 若溶洞内无承压水，在挖穿顶盖前，作业人员身上的安全带必须与孔顶上的安全绳或钢爬梯相连接，以确保溶洞挖穿时作业人员的安全。下洞前将鸽子或活鸡放入溶洞中，呆30分钟，若正常，方可进行洞内作业。进入溶洞后，要根据溶洞内填充物的情况分别采取不同的措施：① 若为空溶洞，首先将积水抽干，用砖砌外围，然后立模浇注钢筋混凝土。② 溶洞内有填充物，则根据填充物的种类分别采取不同的措施a.填充物是中粗砂、粉细砂时，挖进时应浅进尺，强支护，沿上层护壁外围每20cm打入φ20的钢钎,然后钢钎上绑扎草袋作为防护,每节最大高度0.5米。b.填充物为软塑壮粘土、含碎石粉质粘土时，采用短柄铁锹进行开挖，每挖深1m左右就及时护壁。 挖孔穿越弱风化结晶岩和微风化结晶灰岩时须采用松动爆破的方式进行开挖。当进入爆破施工阶段，应让护壁砼有一定的强度后再进行另一个孔的爆破施工。严禁用裸露药包，必须打眼放炮和严格控制装药量，以松动为主，以免护壁被炸坏造成坍孔，同时孔壁周围眼孔要加密，不装药，以保证爆破后孔壁完整。 挖孔时应视不同情况采取不同的排水措施。孔内渗水量不大时可用铁皮桶盛水，人工提引排走，渗水量大时，可用水泵排走。4、 劳动组织 为便于缩短工期，施工顺序为一个墩基础的所有桩孔同时开挖，组织四班制连续作业，即一个孔护壁完成后，在等强过程中进行另一个孔的挖掘工作。每班4~6人为宜，开挖1~2人，提升出土及排水3~4人，井上井下人员交替更换。五、测量控制 挖孔作业必须随时处于控制的状态，以免井孔空间几何尺寸超差造成质量事故。桩位轴线采取地面基线十字网控制，挖孔作业高程水准点由控制水准基点引致护壁顶面。轴线及高程须经常校核。护壁及模板中线线控制，系按第一节护壁顶面的十字线交点吊大线坠来控制。其后用尺杆找圆周，用钢尺在第一节护壁顶面的水准点上量高程（或深度），以保证桩位、孔深和截面尺寸始终保持正确。六、 终孔检查处理 挖孔挖到设计标高后，及时进行孔底处理，做到平整，无松渣、污泥及沉淀等软层。嵌入岩层深度应符合设计要求，并及时向驻地监理工程师报检。七、 筋骨架制作及安装 钢筋骨架在场外预扎后吊入孔内，为保证钢筋骨架的正确位置，主筋上安装砼保护层垫块，并在钢筋笼上口设撑拉装置，以防止钢筋笼在灌注砼过程中出现变位现象。八、 灌注砼 当孔底及附近孔壁渗入的地下水的上升速度较小时，采用在空气中灌注混凝土桩的方法。用导管灌注砼，其坍落度为7cm~9cm。开始灌注时，孔底积水深不能超过5cm，灌注的速度要尽可能加快，使砼对孔壁的压力尽快地大于渗水压力，以防水渗入孔内。桩顶2m以下灌注的砼，可依靠自由坠落捣实，不必再用人工捣实；在此线以上灌注的砼要以振捣器振实。砼灌注至桩顶后，要将表面已离析的混和物和水泥浮浆等清除干净。当地下水上升速度较大时，采用水下灌注砼的方法施工。九、安全保证措施1、挖掘时的安全技术措施⑴挖孔工人必须带有安全帽、安全绳。取土渣的吊桶、吊钩、钢丝绳、卷扬机必须经常检查。⑵为防止井口坍塌，必须在孔口用钢筋砼护壁。⑶挖孔深超过10m时必须采用机械通风。⑷挖孔工作暂停时，孔口必须罩盖。⑸井孔要设置牢固可靠的安全梯，以便于施工人员上下。⑹电工、爆破工必须持证上岗，井上、井下作业人员必须身体健康。⑺孔内照明须使用12V安全电压和防爆灯。⑻孔上与孔内人员必须保持有效联系，孔边设安全绳与孔下人员安全带连接，安全绳由孔上人员随作业面松长。⑼孔内作业人员连续工作时间不能超过4小时。⑽孔内爆破时应注意以下事项：①导火线起爆应有工人迅速离孔的设备；导火线应做燃烧速度试验，据以决定导火线所需长度；孔深超过10m时应采用电雷管引爆。② 必须打眼放炮，严禁裸露药包。对于软岩石炮眼深度不超过0.8m，对于硬岩石炮眼深度不超过0.5m。炮眼数目、位置和斜插方向，应按岩层断面方向来定，中间一组集中掏心，四周斜插挖边。③ 严格控制用药量，以松动为主。一般中间炮眼装硝铵炸药1/2节，边眼装药1/3节~1/4节。④有水眼孔要用防水炸药，尽量避免瞎炮。如有瞎炮时按安全规程处理。⑤ 炮眼附近的支撑应加固或设防护措施，以免支撑炸坏引起坍孔。⑥孔内放炮后必须迅速排烟，方法为采用高压风管放入孔底吹风。⑦一个孔内进行炮破作业，其他孔内的施工人员必须到地面安全处躲避。⑧爆破时孔口应覆盖安全网等防护措施，以防飞石飞出。㈣挖钻结合法施工 当在挖孔作业中遇到严重的流沙或严重涌水，挖孔作业难以继续时，就要改为钻孔桩的施工方法。具体方法为重新回填粘土片石混合物（比例1：1），采用1—1.5m的冲程将洞内冲砸密实，再转入正常钻进。
