白繼宏
(中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司,北京 100070)
近年來(lái),隨著我國(guó)鐵路建設(shè)飛速發(fā)展,已逐步形成“八縱八橫+城際鐵路”的高速鐵路網(wǎng)。當(dāng)高鐵橋梁穿越喀斯特地貌時(shí),由于巖溶發(fā)育空間分布的復(fù)雜性和巖溶充填物的多樣性,給地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)及施工作業(yè)帶來(lái)了很大困難[1-2]。其中,對(duì)橋梁樁基施工影響最大的是地下溶洞、溶腔、溶縫、暗河等。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究:蒙彥等認(rèn)為沖擊鉆成孔容易造成漏漿、塌孔、竄孔、偏心等質(zhì)量問(wèn)題[3];何鵬祥采用拋填片石、回填黃泥黏土、護(hù)筒跟進(jìn)、反復(fù)擠密等方法應(yīng)對(duì)漏漿、坍塌、孤石等問(wèn)題,并取得了較好的效果[4];楊富山給出了不同跨度、高度、頂板厚度溶洞的處理方法[5]。以下基于前人的研究,對(duì)山東平度地區(qū)高鐵項(xiàng)目的巖溶樁基處理方案進(jìn)行深入研究。
濰萊高鐵項(xiàng)目平度段位于膠東半島西部,該區(qū)域巖溶類(lèi)型一般屬于裸露型和埋藏型,以溶隙、溶孔及溶槽發(fā)育居多,局部揭露溶洞(單個(gè)溶洞最大可達(dá)12.0 m)。溶洞大部分為全充填-半充填,充填物多為軟塑狀粉質(zhì)黏土、砂類(lèi)土等;少數(shù)溶洞為無(wú)充填。結(jié)合巖溶狀態(tài)、地下水、連通性、遇洞率、線(xiàn)溶率等指標(biāo),判定巖溶發(fā)育程度一般為微弱-中等,局部為重度。原設(shè)計(jì)中多采用沖擊鉆成孔,反復(fù)回填擠密處理,效率極其低下。通過(guò)開(kāi)展多次QC小組活動(dòng),緊緊抓住施工關(guān)鍵要素,先后引入高精探測(cè)技術(shù)、雙護(hù)筒跟進(jìn)、全新套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、精準(zhǔn)端承位置終孔等方法,最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管控目標(biāo)。
首先,應(yīng)做好“三控三管一協(xié)調(diào)”專(zhuān)業(yè)策劃,詳細(xì)梳理關(guān)鍵工期節(jié)點(diǎn),對(duì)影響其他工序、質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)巨大、可能引起后期隱形成本劇增的復(fù)雜巖溶樁基必須給予足夠重視。在現(xiàn)場(chǎng)施工前,應(yīng)成立專(zhuān)項(xiàng)課題小組,必要時(shí)可邀請(qǐng)科研單位、高等院校的專(zhuān)家指導(dǎo)攻關(guān),并運(yùn)用先進(jìn)的物探設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)。在充分了解地質(zhì)構(gòu)造信息后,圍繞工程類(lèi)別(What)、環(huán)境條件(Where)、控制目標(biāo)(Why)、組織機(jī)構(gòu)(Who)、工序工期(When)、方法工藝(How)等“5W1H”要素,進(jìn)行施工方案優(yōu)化;并根據(jù)溶洞發(fā)育情況科學(xué)制定預(yù)處理措施、設(shè)備計(jì)劃、材料計(jì)劃等。
復(fù)雜巖溶樁基處理常用工法主要有:旋挖鉆(循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆)混凝土回填法、沖擊鉆加強(qiáng)護(hù)壁法、雙鋼護(hù)筒跟進(jìn)法、全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)法。以下從工期、質(zhì)量、成本目標(biāo)出發(fā),對(duì)工法與設(shè)備的選擇進(jìn)行對(duì)比分析[6-7]。
(1)旋挖鉆(循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī))-混凝土超方回填法
旋挖鉆工藝較成熟,在一般巖溶地區(qū),成樁效率為3~8 d/根,設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用為8萬(wàn)~12萬(wàn)元/臺(tái)次。采用旋轉(zhuǎn)取土出渣方式,既可以干成孔亦可泥漿護(hù)壁成孔,但護(hù)壁性能較差。濰萊高鐵項(xiàng)目大部分橋梁樁基采用360型或420型旋挖鉆施工,當(dāng)溶洞高<2 m時(shí),可采用普通施工工藝,視溶腔內(nèi)充填物選擇泥漿護(hù)壁法或干成孔法,一次性灌注成樁,溶腔內(nèi)超灌同等級(jí)混凝土(即形成大肚子樁)[8]。該方法對(duì)工期履約有利,但成本不可控,無(wú)法應(yīng)對(duì)地下超大溶空腔、暗河等復(fù)雜巖溶結(jié)構(gòu)。
正、反循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆工藝成熟,在一般巖溶地區(qū),成樁效率為10~20 d/根,設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用為2萬(wàn)~4萬(wàn)元/臺(tái)次。采用泥漿泵循環(huán)出渣方式,遇巖溶時(shí)需在泥漿中摻入纖維、火堿、膨潤(rùn)土,以提高泥漿護(hù)壁能力與搬運(yùn)能力。但該方法也無(wú)法應(yīng)對(duì)地下超大空腔、暗河等復(fù)雜巖溶結(jié)構(gòu)。
(2)沖擊鉆機(jī)-加強(qiáng)護(hù)壁法
沖擊鉆具有工藝成熟、操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣的特點(diǎn),在一般巖溶地區(qū),成樁效率為20~40 d/根,在復(fù)雜巖溶地區(qū)成樁效率為30~90 d/根,設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用為2~3萬(wàn)元/臺(tái)次。
沖擊鉆機(jī)處理一般發(fā)育巖溶時(shí),通常采用“先長(zhǎng)后短、先外圍后中間”或“雙機(jī)同時(shí)對(duì)稱(chēng)施工”的順序;應(yīng)對(duì)發(fā)育范圍小、溶腔豎向高度不高、漏漿量不大的溶洞時(shí),一般采取直接回填黏土、片石、碎石、造漿材料的方式[9];回填物中可摻入纖維、木塊、水泥、火堿、膨潤(rùn)土等,以提高鉆孔護(hù)壁穩(wěn)定能力。出渣方式多為正循環(huán)。
當(dāng)遇到復(fù)雜巖溶時(shí),施工難度陡增,以跨海青鐵路特大橋、大白村特大橋?yàn)槔?,?1個(gè)橋墩溶洞呈罕見(jiàn)的豎向串珠狀、橫向腔連通的復(fù)雜巖溶構(gòu)造。若以“平行流水”方式組織沖擊鉆孔施工,單樁施工周期會(huì)超過(guò)120 d,將嚴(yán)重阻滯架梁通道的貫通,也給后期無(wú)砟軌道進(jìn)入冬期施工埋下隱患,工期目標(biāo)難以保證。
(3)雙護(hù)筒跟進(jìn)法
鋼護(hù)筒跟進(jìn)法適用于復(fù)雜巖溶地段,該方法具有施工難度大、操作要求高、配套設(shè)備多(需配備履帶吊、振動(dòng)錘等)、處治復(fù)雜巖溶效率高等特點(diǎn)。在一般巖溶地區(qū),成樁效率為10~20 d/根,復(fù)雜巖溶地區(qū)為20~40 d/根,設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用為25萬(wàn)~40萬(wàn)元/套次。在應(yīng)對(duì)串珠式巖溶時(shí),雙鋼護(hù)筒能夠在穿過(guò)上下間距較小的多個(gè)溶洞起到模筑效果。結(jié)合該地區(qū)巖溶發(fā)育的特點(diǎn),鋼護(hù)筒的直徑宜大于鉆頭15~20 cm;根據(jù)實(shí)際施工需要確定其長(zhǎng)度,分節(jié)段制作拼裝;鋼護(hù)筒壁厚應(yīng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)算,使之能承受較強(qiáng)地應(yīng)力而不變形。
在濰萊高鐵巖溶發(fā)育地區(qū),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備“1.4 m+1.2 m”雙層護(hù)筒作為應(yīng)急救場(chǎng)措施,如跨海青鐵路特大橋在孔深39~69 m區(qū)間內(nèi)發(fā)育有多個(gè)溶腔、裂隙(無(wú)填充物),在施工中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、泥漿流失等情況,回填黏土、片石及配料5~6次后,效果仍然不明顯。之后采用雙層鋼護(hù)筒跟進(jìn)法,先將1.4 m外鋼護(hù)筒用振動(dòng)錘下沉至溶洞頂板,再將1.2 m內(nèi)鋼護(hù)筒隨鉆孔跟進(jìn)至溶洞底板穩(wěn)定巖面以下50 cm,內(nèi)外護(hù)筒間注入砂漿,在護(hù)筒發(fā)揮穩(wěn)定護(hù)壁作用后正常鉆進(jìn),最終順利成孔。
(4)全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)法
全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)為應(yīng)對(duì)復(fù)雜巖溶的新型設(shè)備,該設(shè)備鉆孔工效為10~20 d/根,設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用80~100萬(wàn)元/套次。需要100 t履帶吊、沖抓錐、旋挖鉆等設(shè)備配合(如圖1所示)。該設(shè)備能夠較快穿越各種不良地質(zhì),對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)情況適應(yīng)性強(qiáng);全套管回轉(zhuǎn)鉆的鋼護(hù)筒可埋至巖面,減少了塌孔,保證了施工人員、機(jī)械的安全。另外,鉆機(jī)可以驅(qū)動(dòng)套管進(jìn)行360°回轉(zhuǎn),成孔垂向精度高,可有效避免溶洞區(qū)塌孔現(xiàn)象。
圖1 全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工示意
采用的DTR3205H型全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。先利用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)將φ2.0 m、壁厚8 cm的套管施工至土層和巖石層的分界處,再將φ1.5 m、壁厚6 cm的套管施工至設(shè)計(jì)樁深,施工過(guò)程用“履帶吊+沖抓斗”清除套管內(nèi)鉆渣。成孔后,在1.5 m套管內(nèi)放入φ1.2 m、壁厚2.0 cm的鋼護(hù)筒,再拔除φ1.5 m套管和φ2 m套管,回填完成后移動(dòng)鉆機(jī)至下一樁位。
表1 全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
以濰萊高鐵跨海青特大橋192號(hào)墩為例,對(duì)全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的施工過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹,該處的地質(zhì)情況如圖2所示。
圖2 跨海青鐵路特大橋192號(hào)墩樁基設(shè)計(jì)地質(zhì)資料(單位:m)
由圖2可知,192號(hào)墩共有10根巖溶樁基,樁長(zhǎng)分別為83 m(7根)、81 m(2根)和86 m(1根)。墩臺(tái)位置巖溶極發(fā)育,溶洞從地下22 m開(kāi)始串聯(lián)發(fā)育,呈串珠形分布,最大溶洞凈高10.5 m且無(wú)填充。該處巖性較硬,除22~26 m外,其余段基本處于1 500 kPa巖層上[10]。前期采用2臺(tái)沖擊鉆施工,210 d僅完成4根樁,且多次出現(xiàn)漏漿、塌孔等情況。之后,決定采用全套管全回鉆成孔,平均成孔速度為17 d/根,理論計(jì)算可節(jié)約鉆孔時(shí)間193 d,有效挽回了損失的工期。
現(xiàn)場(chǎng)采用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、高密度電法、跨孔電阻率CT等多種物探方法,對(duì)測(cè)點(diǎn)周?chē)鷰r溶進(jìn)行全面探測(cè),可以直觀、準(zhǔn)確、高效地掌握地質(zhì)結(jié)構(gòu)[11]。另一方面,運(yùn)用溶洞空腔類(lèi)災(zāi)害源精細(xì)化數(shù)字識(shí)別裝置對(duì)災(zāi)害源進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)[12],形成結(jié)構(gòu)面關(guān)聯(lián)算法;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合超前鉆探、物探、地質(zhì)編錄提供的結(jié)構(gòu)面信息,構(gòu)建地下工程多災(zāi)害源區(qū)域巖體三維模型,充分揭露巖溶區(qū)的巖溶裂隙形態(tài)、大小、充填狀態(tài),以及巖體的層理、節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面及空腔信息。
合理優(yōu)化方案有助于推進(jìn)工序無(wú)縫銜接,減少資源閑置與浪費(fèi)。通過(guò)跨海青特大橋串珠狀巖溶處理發(fā)現(xiàn),75~87 m段的下層溶洞頂板鉆進(jìn)困難,鉆進(jìn)速度僅為30~50 cm/d,且鉆機(jī)磨損嚴(yán)重、配套設(shè)備閑置。為了解決該問(wèn)題,經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)加強(qiáng)溝通,就此類(lèi)群樁硬巖厚頂板溶洞問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)算,根據(jù)巖溶影響范圍、結(jié)構(gòu)板厚度、物理力學(xué)性質(zhì)等參數(shù),運(yùn)用巖溶頂板穩(wěn)定性分析方法,分析驗(yàn)算其承載力與穩(wěn)定性[13]。研究表明,75~87 m段頂板可以作為樁基的持力層,經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算與專(zhuān)家論證,最終確定了精確的終孔高程[14-15]。
工法必須為項(xiàng)目管理服務(wù),策劃階應(yīng)結(jié)合施工圖指導(dǎo)意見(jiàn),就常用設(shè)備與多種工法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比對(duì)。①基于巖溶復(fù)雜程度進(jìn)行分級(jí)分類(lèi)參考,以各種工法的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性、環(huán)保性、可靠性為基礎(chǔ)進(jìn)行定性分析,采用“優(yōu)選-較好-適中-較差-差”5級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。②重點(diǎn)考慮綜合效益,一般工程與關(guān)鍵工程對(duì)工期、質(zhì)量、效益等的側(cè)重點(diǎn)有所不同,需要在區(qū)分巖溶發(fā)育程度基礎(chǔ)上,結(jié)合單項(xiàng)定性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分,再加權(quán)計(jì)算出綜合評(píng)分,得出以下公式
綜合評(píng)分=(適應(yīng)性評(píng)分/5×35%+經(jīng)濟(jì)性評(píng)分/5×25%+安全性評(píng)分/5×10%+先進(jìn)性評(píng)分/5×15%+環(huán)保性評(píng)分/5×5%+可靠性評(píng)分/5×10%)
(1)
由式(1)可計(jì)算出巖溶鉆孔樁工法比選綜合評(píng)分,結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 巖溶鉆孔樁工法比選綜合評(píng)分
設(shè)備與工法比選分析應(yīng)遵循科學(xué)合理、統(tǒng)籌兼顧、因時(shí)因地制宜的原則。在應(yīng)對(duì)工期風(fēng)險(xiǎn)時(shí),一般巖溶工點(diǎn)宜優(yōu)先選用旋挖鉆機(jī)、循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī);復(fù)雜巖溶工點(diǎn)宜優(yōu)先選用沖擊鉆、循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆。在應(yīng)對(duì)成本風(fēng)險(xiǎn)時(shí),宜優(yōu)先選用旋挖鉆、循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆、沖擊鉆。綜上,應(yīng)根據(jù)工期、質(zhì)量目標(biāo)、設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)、后期可預(yù)見(jiàn)的隱形成本,對(duì)設(shè)備與工法比選進(jìn)行提前策劃與過(guò)程動(dòng)態(tài)管控,以確保實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理目標(biāo)。復(fù)雜巖溶設(shè)備與工法選擇建議見(jiàn)表3。
表3 橋梁巖溶鉆孔樁處理鉆機(jī)與工法選擇建議
復(fù)雜巖溶鉆孔樁施工組織模式應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目大局提前策劃,可分為保守模式、改進(jìn)模式與強(qiáng)配模式,都是爭(zhēng)取以最經(jīng)濟(jì)的措施來(lái)完成必須的目標(biāo)(見(jiàn)表4)。
表4 復(fù)雜巖溶鉆孔樁施工目標(biāo)趨勢(shì)對(duì)比分析
三種組織模式均針對(duì)既定進(jìn)度、質(zhì)量、成本、安全、環(huán)保、科研、協(xié)調(diào)等各項(xiàng)目標(biāo)進(jìn)行具體分析,在施工組織“準(zhǔn)備期、前期、后期”三階段實(shí)施動(dòng)態(tài)管理,定期分析比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)與計(jì)劃的偏差、趨勢(shì),分析各階段目標(biāo)(平穩(wěn)、提升或下降),以履約為目標(biāo),深入分析并提前預(yù)警風(fēng)險(xiǎn),從而提升施工企業(yè)綜合管理效益。
從精準(zhǔn)地質(zhì)預(yù)報(bào)、優(yōu)選工法設(shè)備、嚴(yán)控質(zhì)量安全、工期履約,均衡生產(chǎn)效率為出發(fā)點(diǎn),對(duì)復(fù)雜巖溶地區(qū)鉆孔樁的施工關(guān)鍵要素進(jìn)行深入分析。研究表明,根據(jù)巖溶發(fā)育情況、工期節(jié)點(diǎn)、工程數(shù)量、環(huán)境保護(hù)要求,抓住“人機(jī)料法環(huán)”中的關(guān)鍵要素,可以有效提高復(fù)雜巖溶地區(qū)橋梁鉆孔樁施工管理水平。