岩溶地区桥梁桩基础施工技术探讨
2016-09-26
随着西南地区高速公路建设的迅速发展，西部山区交通条件大为改善，但限于地形条件，桥梁在线路里程上占有较大比例。西部大通道之一的渝湘高速公路，穿越了湖南省西部和重庆市的东南部。而岩溶地貌作为重庆东南部主要地质特征给该地段桥梁的施工，尤其是桩基础施工带来了较大难度；工程进度和成孔、成桩质量受到很大影响。本文就观音阁大桥的桩基础施工过程做出简要的技术总结，以期为该地质条件下的桥梁基础施工和竞价投标积累资料。
一、工程概况
本大桥位于重庆市秀山县，全长311m，本桥平面分别位于主线R=2500的圆曲线和其缓和曲线上；桥上纵坡为-2.2%；墩台径向布置。全桥先简支后结构连续，分为2联：5*30m+5*30m；下部构造桥台采用轻型桩柱式和重力U型台；桥墩采用柱式墩；桩基础：原设计为人工挖孔施工，但由于地下水丰富，裂隙溶洞分布，考虑作业安全，改为机械成孔进行施工。
桥位区斜跨河流，总体地貌属构造剥蚀，溶蚀山丘地段，河流形态弯曲，左岸地形陡峭，自然坡脚在35-50度，局部呈陡崖，I、II级阶地发育，以陡坡相连，相对高差在45m左右，地表5米左右分布粘土或砂粘土。经地质测绘和勘测，桥位范围存在隐伏溶洞、象鼻危岩和溶蚀洼地，地下水多为碳酸盐类岩溶裂隙水和松散岩类裂隙水。桥位为地下水的排泄区。桥址内结合实际条件，采用高密度电法和地质雷达分别探测。多处桩基处于裂隙位置，不排除溶洞存在可能性，设计桩底岩层或顶板完整。实际施工过程中基本与地勘相符，但裂隙广布。对桩基施工有较大影响。
二、施工工艺和出现的问题
本桥桩基础施工采用应用普遍的方法施工：冲击成孔、正循环泥浆护壁、清孔、滤砂器滤砂、下笼、导管二次清孔、导管法水下混凝土灌注成桩。在该桥建设中，我们选用了操作工人经验丰富、钻机完好程度较高、拥有原装钻锤的施工班组，但由于桥址范围内裂隙广布，隐伏溶洞，成孔甚至成功灌注都非常困难，进度一度缓慢。遇到的主要问题有：
1）漏浆频繁。冲击过程中遇到裂隙或溶洞顶部，泥浆迅速流失，孔壁侧压力失去水头平衡，护壁极易坍塌。在右5-2号钻进中就出现因泥浆流失，护壁垮塌而造成的埋钻、机架前段塌陷事故，处理非常困难，历时13d，方恢复正常作业。右9-1位于坡地陡崖上，为提供施工场地，工区创造条件进行了小爆破加机械开挖形成作业平台，约16米桩长的桩基，成孔、下笼历时近一月，临近灌注前10分钟，泥浆面迅速下沉见底，泥浆由陡崖下约50米的缝隙渗出，灌注被迫中止。另有护筒下较浅深度便遭遇裂隙，一开钻便漏浆不得不重新进行护筒埋设的事件发生。
2）时发偏孔。钻进过程中时常遇到探头石，排除河道附近桩位可能为漂石沉积的可能外，其他桩位多为岩溶不规则发育的岩石露头，粘土局部填充空隙所致，钻头下落，软硬不匀，钢丝绳大幅摆动，非常容易发生偏孔甚至卡钻事故。其中左10-2、右4-1为纠偏先后处理6次和4次之多，耗时误工巨大。
3）混凝土面非正常上升或下沉。在右8-1灌注过程中，混凝土灌注至孔底6米高度后，14车混凝土约33.6方混凝土仅提高灌注高度1.4m，如不频繁量测混凝土面高度，核算导管埋深，极易拔脱导管而造成断桩事故。另有桩基按要求超灌桩头高度后，临近结束，发现混凝土面有较明显下沉，后再补灌；也有个别桩基在地系梁开挖时，桩头标高和灌注时停灰面不一致的现象发生。
三、处理措施和技术保障
考虑工程造价和工期要求，结合现场情况，选择确定了针对上述问题的处理预案。主要方法有：预先钻孔注浆、及时回填处理、长钢护筒甚至结构钢护筒等。由于地下水丰富，裂隙分布，注浆效果难以保证，同时考虑施工成本，采用了改为预防为主、及时处理的方法。
1）处理漏浆、塌孔、泥浆比重的控制是预防此类事故发生的关键，对于岩溶地段的钻孔作业，可适当加大泥浆比重，钻进过程中可控制到1.4左右，泥浆粘度在20s为宜，必要时添加活碱以改善泥浆性能。灌前泥浆比重适当调轻，可取规范上限，防止灌前泥浆比重偏小，而造成泥浆渗漏或塌孔，但要保证泥浆匀净、防止沉淀超标。钻进过程中，处理漏浆和塌孔，回填是常用而有效的方法，其中回填材料是影响处理效果的主要因素。为保证泥浆比重和粘度。我们采用的是优质粘土夹杂小片石进行回填。继而进行小冲程钻进，钻头挤压粘土包裹小片石，挤入孔壁，直至缝隙被封堵，水头稳定，便能够正常进行作业。对于本桥施工未发现大体积溶洞，实践证明，该方法简单可行。
2）偏孔和螺旋孔。许多裂隙和岩缝岩石突出而局部由土或者随水流冲刷沉淀而来的强风化石填充，这种情形便容易发生偏孔，发生偏孔可通过不定时护桩量测中心和目测钢丝绳摆幅确定。发生偏孔仍可采用回填纠偏的方法进行处理，不同的是片石和粘土的掺配比例和处理漏浆不同，为了让钻锤平衡垂直下落，需要制造一个具有一定强度的垫层，较多的掺配片石夹杂粘土可以达到这一目的，片石强度往往高于受蚀的岩体，很快，岩体被磨耗平整，能够实现正常作业。如该方法处理无效或效果不明显，甚至可采用灌注少量水下混凝土的方法用于处理加强。螺旋孔是指采用十字冲击锤时，由于孔壁出现高强度探头石影响冲击锤自由转动或其他原因导致的冲击锤旋转角度极小，锤牙反复冲击在几乎同一位置，围绕钢丝绳轴线旋转成为螺旋孔，一旦发生这种情况，大部分冲击功用于克服摩擦，虽有进尺但非常缓慢，进尺量测困难，无法顺利到达设计标高和估算灌注参数。遇到这种情形，可通过更换大质量不同形状冲击锤来纠正；出现螺旋孔的概率极小，可用多幅冲锤进行施工，同时施工过程中应做到勤循环、多刷孔来避免此类现象发生。
3）混凝土灌注过程中上升缓慢或下沉。经常量测，计算导管埋深是根本的技术保障，切不可在岩溶地区依据灌注方量估算混凝土上升高度，凭感觉进行导管拆除。临灌注完毕，一定要仔细反复量测，待混凝土面稳定后才能拔出剩余导管，避免日后接桩带来的质量及工期、工费影响。适当超灌是保证桩头质量的有效方法，若出于防止混凝土下沉、方便量测控制等考虑，可统一计算，申请地系梁标高提升变更，对保证成桩质量以及实现工程经济效益都有较好的效果。
4）卡钻。在左3-2、右10-1钻进过程中，由于类似偏孔的原因，分别发生过一次卡钻事故，处理卡钻通常使用的是水下爆破的方法松动钻锤，实时起吊的方法；在岩溶地段进行该项处理时要量好卡钻位置，精准下放药包到卡钻位置；操作时尤其需要注意控制药量，防止过震而影响孔壁稳定、造成裂隙延伸，加大加深继而发生漏浆甚至埋钻事故。若发生埋钻事故，无有效方法则可考虑抽浆后，下放长钢护筒或者粘土夹石分层回填，人工护壁开挖，清理取锤，但处理成本和施工风险巨大。
综上所述，应对岩溶地段的桥梁桩基础施工，根据本桥施工经验，总结施工注意事项如下：
1）认真熟悉地质资料和设计图纸，不可迷信钻探资料，结合实际情况，确定是否终孔，是否加长桩长，更变桩基类别，以保证桩基承载力。
2）加强预防，详细交底并做好预案；孔边备料，保障造浆粘土、处理用片石供应，保证机械及时使用。
3）经常关注孔内水头高度，不同地层采用适当冲程，注意护筒埋设质量，护筒底部用粘土夯实，外围可用砂浆封堵。
总之，采用正确有效的方法对事故进行及时处理，对于本桥的桩基施工是有所保障和促进的。全桥桩基40根，平均桩长21米，4台钻机施工，包括2008年春节前后冰雪影响，历时5个月，完成基础施工，但混凝土超灌现象普遍，有90%的桩基超方，总超方方量接近100立方，原本较能产生利润的桩基施工，由于岩溶地质的原因，加上采取各种措施而耗费的工时、机械、材料费用，处于低盈利水平。结合施工经历，也希望为经营部门提供参考依据，客观分析提出合理的单价，用于投标活动。
