張 琦

(黑龍江省龍建路橋第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

在鐵路橋梁的鉆孔灌注樁施工中，樁基礎(chǔ)位于承壓水地層的情況比較罕見(jiàn)，如果施工單位沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)，不對(duì)此情況予以特別的重視和準(zhǔn)備，往往會(huì)造成樁基無(wú)法成孔的情況，即使勉強(qiáng)成孔，灌注混凝土?xí)r也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的超灌現(xiàn)象，且非常容易導(dǎo)致樁身混凝土質(zhì)量不合格的情況，從而造成廢樁，對(duì)工期、造價(jià)等產(chǎn)生巨大影響。目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究成果并不是很多，比較有代表性的如王錦寶研究了承壓水地層采用旋挖鉆配合降水的方法進(jìn)行施工[1]；胡志廣研究的高承壓水地區(qū)采用沖擊鉆鉆孔，配合拋填黏土、片石、碎石等對(duì)承壓水層進(jìn)行封閉處理方法[2]。如果在富水量大的承壓水地層進(jìn)行大規(guī)模降水，會(huì)引起地基的附加沉降，鑒于鐵路工程對(duì)地基沉降的高敏感性，采用降水的方法進(jìn)行施工并不合適。本文依托北黑鐵路(龍鎮(zhèn)至黑河段)升級(jí)改造工程項(xiàng)目三蓮山特大橋的鉆孔樁基礎(chǔ)施工，根據(jù)試驗(yàn)與理論計(jì)算，考慮工期、造價(jià)等因素，綜合采取處理措施進(jìn)行施工，對(duì)前人的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了補(bǔ)充與細(xì)化，并總結(jié)出相應(yīng)的施工方法。

1 工程簡(jiǎn)介

北黑鐵路(龍鎮(zhèn)至黑河段)升級(jí)改造工程項(xiàng)目三蓮山特大橋?yàn)槿€最長(zhǎng)特大橋，為全線重點(diǎn)控制性工程，橋梁全長(zhǎng)1 419.55 m，孔跨布置為43～32 m單線簡(jiǎn)支T梁，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)408根。其中12#～21#橋墩位于承壓水地層范圍內(nèi)，共140根樁基。設(shè)計(jì)采用直徑1.25 m樁基，樁長(zhǎng)36～44 m。設(shè)計(jì)單位給出的方案為提高地面護(hù)筒高度，通過(guò)提高孔內(nèi)泥漿高度與承壓水水頭相平衡的方法進(jìn)行鉆孔施工。

1.1 地質(zhì)概況

橋址區(qū)的地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏土、中砂、礫砂，第四系上更新統(tǒng)坡洪積層粉質(zhì)粘土，下伏第三系孫吳組砂礫巖、泥質(zhì)砂巖。泥巖等。上部地層主要為黏土、中砂、礫砂，層厚約為12 m，其下間隔分布泥巖層、泥質(zhì)砂巖層。

1.2 水文概況

橋址區(qū)地表水主要為太陽(yáng)河及小支流，地下水主要為承壓水，承壓水主要分布于下伏的多層泥質(zhì)砂巖層中，間隔的泥巖層為隔水層。承壓水初見(jiàn)水位埋深為20.5～27.6 m，主要接受大氣降水、地表水、側(cè)向徑流和越流補(bǔ)給。橋梁位于兩山夾一溝的地形中，太陽(yáng)河河床兩側(cè)地形起伏較大，造成該層承壓水水頭較高，勘測(cè)期間水頭高于原地面6 m。

2 施工方法的研究

2.1 實(shí)測(cè)地層承壓水水頭

在確定穿越承壓水地層的樁基后，制作直徑10～20 cm，厚2～3 mm左右的鋼管作為測(cè)水頭管，同時(shí)制作反濾網(wǎng)并牢固地安裝在測(cè)管底部。在樁位附近利用鉆井機(jī)或其他設(shè)備將制作好的測(cè)壓管慢慢打入地層，并時(shí)刻觀測(cè)管內(nèi)水位，在打入過(guò)程中一旦觀測(cè)到測(cè)管內(nèi)水位迅速上升，立即停止打入并記錄穩(wěn)定后的管內(nèi)水位距原地面(工作平臺(tái))的高度h1、與初見(jiàn)承壓水層位置距原地面的高度h2，同時(shí)記錄承壓水層上限的高程。

2.2 初步計(jì)算所需泥漿重度

本項(xiàng)目樁基施工以泥漿平衡法為核心方法，即將泥漿重度控制為

(1)

式中：γ′為所配置的泥漿重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；h1為穩(wěn)定后的測(cè)管內(nèi)水位距原地面的距離，m；h2為初見(jiàn)承壓水層位置距原地面的高度，m。

注：計(jì)算時(shí)另加上的2 m為安全富余高度。

圖1 測(cè)管示意圖

2.3 根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定施工方法

(1)確定泥漿比重的上限值

同濟(jì)大學(xué)的朱棟文、趙春風(fēng)等的研究成果表明：泥漿比重增大加大了孔壁泥皮厚度，不利于樁身側(cè)摩阻力的發(fā)揮，且易導(dǎo)致樁基縮徑[3]。同時(shí)，如果泥漿比重過(guò)大，在泥質(zhì)砂巖與砂質(zhì)泥巖地層中非常容易造成泥塊懸浮在泥漿中，造成清孔困難，極易導(dǎo)致灌注混凝土后樁身有泥塊夾層，導(dǎo)致質(zhì)量事故?！惰F路橋梁鉆孔樁施工技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9212—2015)第4.4.1條第2款規(guī)定：沖擊鉆使用管型鉆頭鉆孔時(shí)，泥漿比重可為1.1～1.3[4]?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)第6.3.2條第3款規(guī)定：灌注混凝土前，孔底500 mm以內(nèi)的泥漿相對(duì)密度應(yīng)小于1.25[5]。故泥漿比重的上限值不能盲目根據(jù)計(jì)算值確定使用，必須控制在一定范圍內(nèi)，根據(jù)三蓮山特大橋現(xiàn)場(chǎng)樁基礎(chǔ)施工的成果經(jīng)驗(yàn)綜合考量，泥質(zhì)砂巖承壓水地層鉆孔時(shí)的泥漿比重上限值宜定為1.35。

(2)方案的確定

當(dāng)計(jì)算的泥漿比重小于上限值時(shí)，可直接在原地面直接施作施工平臺(tái)，嚴(yán)格按照計(jì)算值配制泥漿。鉆進(jìn)前應(yīng)配制足夠數(shù)量的泥漿，如在鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿有損耗，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充。同時(shí)，每隔30 min檢查泥漿指標(biāo)一次，如指標(biāo)不合格應(yīng)立刻調(diào)整泥漿指標(biāo)，且鉆孔時(shí)必須保證孔內(nèi)水面時(shí)刻高于計(jì)算時(shí)采用的高度。當(dāng)鉆孔至大約承壓水上限高程時(shí)，向孔內(nèi)投入黏土加小塊石進(jìn)行側(cè)壁封堵，采用小沖程反復(fù)進(jìn)尺，越過(guò)承壓水層時(shí)可恢復(fù)正常沖程進(jìn)尺。在鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度，確認(rèn)鉆孔合格后，即進(jìn)行清孔作業(yè)，最終成孔、灌注混凝土。

當(dāng)計(jì)算的泥漿比重大于上限值時(shí)，必須綜合采取提高筑島平臺(tái)高度、提升護(hù)筒高度的方法來(lái)加大孔內(nèi)泥漿的高度，并以本文第2.2條所述的計(jì)算原則進(jìn)行計(jì)算，直至孔內(nèi)泥漿自重不小于承壓水測(cè)管壓力，經(jīng)經(jīng)濟(jì)比選后確定筑島高度與孔內(nèi)水面高于筑島平臺(tái)面的高度。施工前應(yīng)按照泥漿比重上限值配制泥漿，護(hù)筒應(yīng)埋設(shè)在較堅(jiān)硬密實(shí)的土層中至少0.5 m，在鉆孔深度接近至承壓水層上限時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加黏土及小塊石的拋投量。

2.4 關(guān)于鉆機(jī)類型的選擇

項(xiàng)目部前期在承壓水地層分別采用旋挖鉆機(jī)、反循環(huán)鉆機(jī)按照上述方案進(jìn)行了試鉆，在富含承壓水的泥質(zhì)砂巖地層中鉆進(jìn)時(shí)均出現(xiàn)了不同程度的坍孔，后改用沖擊鉆進(jìn)行鉆孔，結(jié)果表明：采用沖擊鉆配合上述方案進(jìn)行鉆孔，可以比較順利地進(jìn)尺和成孔。故在泥質(zhì)砂巖承壓水地層進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，采用沖擊鉆進(jìn)行鉆孔是最為合適的。

3 結(jié) 論

(1)在泥質(zhì)砂巖承壓水地層中進(jìn)行鉆孔作業(yè)前，施工單位需要先對(duì)地勘資料進(jìn)行仔細(xì)地閱讀，確定分布在承壓水地層內(nèi)的樁基礎(chǔ)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)樁位附近的勘察，充分掌握樁位所在地層的承壓水分布情況，從而進(jìn)行泥漿重度的初步計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果、施工場(chǎng)地條件等綜合采取提高筑島、提升護(hù)筒、沖擊鉆配合拋投黏土及小塊石進(jìn)尺等方法進(jìn)行鉆孔作業(yè)，鉆孔時(shí)應(yīng)著重檢查泥漿參數(shù)的變化并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

(2)本文所述的綜合處理方法在砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖地層中進(jìn)行鉆孔作業(yè)實(shí)施效果較好，與在場(chǎng)地進(jìn)行大面積打井釋放承壓水水壓、在橋址區(qū)大面積提升筑島高度、全程鋼護(hù)筒跟進(jìn)等方法相比較，極大程度地降低了質(zhì)量事故風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少了工程造價(jià)和最大限度地節(jié)約工期。

(3)本文研究?jī)?nèi)容普遍適用于砂巖或泥質(zhì)砂巖的承壓水地層鉆孔灌注樁施工，對(duì)于鐵路工程、公路工程等其他高水頭承壓水地層鉆孔灌注樁施工亦有借鑒價(jià)值。

(4)在承壓水地層中進(jìn)尺時(shí)，向孔內(nèi)拋投黏土及小塊石的方法對(duì)孔壁進(jìn)行隔離封堵是有效的，但在試驗(yàn)及施工中，向孔內(nèi)拋投的黏土及小塊石的數(shù)量及配比并無(wú)具體控制要求。本項(xiàng)目在承壓水地層鉆孔過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)向孔內(nèi)拋投的黏土及小塊石的數(shù)量、配比對(duì)孔壁封堵效果有較大影響，但本次研究?jī)?nèi)容未對(duì)以上兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)。若對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)研究，總結(jié)出不同水頭、不同承壓水層深度的地層所需的黏土、塊石的配比及投量，會(huì)對(duì)此類施工更具指導(dǎo)意義。