馮遠(yuǎn)鵬

(廣州市高速公路有限公司,廣東 廣州 510288)

0 引言

由于巖溶發(fā)育地區(qū)樁基施工的困難性和安全風(fēng)險(xiǎn),國(guó)內(nèi)外對(duì)巖溶區(qū)施工技術(shù)進(jìn)行了全面深入的研究[1-4]。針對(duì)巖溶區(qū)樁基礎(chǔ)周圍有重要建(構(gòu))筑物的工況,相關(guān)學(xué)者研究了臨近建筑物、鐵路等巖溶區(qū)的樁基施工技術(shù)[5-6]。但目前針對(duì)臨近地下構(gòu)筑物(如地鐵、地下綜合管廊)巖溶區(qū)樁基施工技術(shù)的相關(guān)研究成果尚不多。

本文結(jié)合廣東省某重點(diǎn)高速公路工程臨近地下綜合管廊巖溶區(qū)樁基施工的全過程,總結(jié)了巖溶勘察技術(shù)、溶洞處理技術(shù)和樁基施工技術(shù),可為后續(xù)類似的工程建設(shè)及科學(xué)研究提供參考借鑒。

1 工程概況

廣東省某重點(diǎn)高速公路里程樁號(hào)K5+349.75～K7+081.5段為長(zhǎng)約1.7km的高架橋,與某市政道路共線。共線段高速公路橋梁為雙向8車道,橋面寬2×20m。上部結(jié)構(gòu)采用P.C.小箱梁,下部結(jié)構(gòu)為三柱式框架墩蓋梁,樁位布置于市政道路中央分隔帶及側(cè)分帶上。橋梁樁基設(shè)計(jì)為直徑2.2m、2.5m和2.8m的嵌巖樁。

該路段超前鉆探共鉆孔518個(gè),其中352個(gè)鉆孔存在大小不一的溶洞,平均遇洞率達(dá)到68%。約20%鉆孔存在高度5m以上的大溶洞,其中最大溶洞高度為29.1m,最大土洞高度為18.7m,屬巖溶強(qiáng)發(fā)育。溶洞一般為流塑、軟塑全填充,部分為無(wú)充填或半充填。覆蓋層內(nèi)廣泛分布流塑狀的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和飽和砂土,典型的地質(zhì)鉆孔柱狀圖如圖1所示。

圖1 典型地質(zhì)鉆孔柱狀圖

市政路道路中央分隔帶埋設(shè)有地下綜合管廊,管廊頂面覆土厚度2m,橫截面為4m×6m。管廊內(nèi)110kV高壓電力線已投產(chǎn)使用,遠(yuǎn)期規(guī)劃敷設(shè)給水、通訊、電力、燃?xì)獾裙芫€。管廊外壁距離擬建橋梁樁基凈距約1.2～1.5m。橋梁樁基與綜合管廊位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 橋梁樁基與綜合管廊位置關(guān)系

綜合管廊中已投產(chǎn)使用的110kV高壓電力管線為廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)用電。因管廊的基礎(chǔ)為墊層基礎(chǔ),一旦在樁基施工過程中因溶洞影響出現(xiàn)塌孔,導(dǎo)致管廊底部基礎(chǔ)脫空而開裂和沉降,可能造成難以估量的重大安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

地質(zhì)情況差、橋梁樁基直徑大及毗鄰地下綜合管廊等三個(gè)因素給橋梁樁基施工帶來(lái)一定的安全隱患。

2 巖溶詳查方案

根據(jù)前期地質(zhì)鉆孔情況,施工區(qū)域溶洞較發(fā)育。按照巖土工程勘察規(guī)范采用逐樁布置勘察點(diǎn)的方式,難以查明整個(gè)樁身范圍內(nèi)溶洞的空間分布情況,難以保證嵌巖樁持力層的完整性,存在樁基半邊嵌巖、持力層中存在溶洞的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。如采用成本高、工期長(zhǎng)的一樁多孔的超前鉆進(jìn)行樁位勘察,雖然可以降低上述風(fēng)險(xiǎn),但也不能完全避免。

為了查明巖溶發(fā)育情況,必要時(shí)可采用孔中物探作為一種勘察手段。孔中物探可分為跨孔法(如跨孔地震測(cè)井、跨孔透射、跨孔層析成像(CT)等)和單孔法(如彈性波測(cè)井、放射性測(cè)井、電測(cè)井、孔中電視、電磁測(cè)井、管波探測(cè)等)。相對(duì)而言,跨孔法成本高、周期長(zhǎng),但可探明區(qū)域整體地質(zhì)情況;單孔法相對(duì)成本低、周期短,但探明范圍有限。

經(jīng)綜合對(duì)比各種探測(cè)方法后,本工程采用一樁一孔的地質(zhì)鉆探,再利用該鉆孔采用管波探測(cè)的方法詳查地質(zhì)。該方法工期短、費(fèi)用低、效率高,勘察成果可靠性較好。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐,管波探測(cè)的方法可探測(cè)到約φ2 600mm直徑范圍的巖溶,基本可覆蓋整個(gè)樁基斷面范圍的巖溶發(fā)育情況,從而可針對(duì)性地制定施工措施,避免單個(gè)鉆孔勘探不足導(dǎo)致樁基出現(xiàn)半邊嵌巖、持力層中存在溶洞的情況。此外,也為施工期間采取相應(yīng)的施工安全防護(hù)措施提供了依據(jù)。

如圖3和圖4所示,本工程采用“一樁一孔”和“管波探測(cè)”相結(jié)合的方式探測(cè)巖溶發(fā)育情況,能有效彌補(bǔ)一樁一孔無(wú)法揭示整個(gè)樁身范圍內(nèi)巖溶情況的不足,直觀、準(zhǔn)確地揭示樁位范圍內(nèi)巖溶發(fā)育情況,有效避免了樁基半邊嵌巖、持力層中存在溶洞的風(fēng)險(xiǎn),為巖溶處理和樁基施工的順利實(shí)施提供了有力保障。且相對(duì)于其它常規(guī)的物探手段,具有工期短、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 管波探測(cè)法工作裝置

圖4 鉆孔柱狀圖和管波探測(cè)法探測(cè)范圍對(duì)比

3 溶洞處理

3.1 溶洞處理目標(biāo)

(1)保證地面穩(wěn)定。地面穩(wěn)定方能保證施工期間人員、機(jī)械以及樁基周邊建(構(gòu))筑物的安全。

(2)保證溶洞段護(hù)壁穩(wěn)定。護(hù)壁溶洞段穩(wěn)定才能保證不漏漿、少漏漿,也是地面穩(wěn)定的控制因素之一。灌注基樁混凝土?xí)r,護(hù)壁穩(wěn)定才能保證基樁混凝土的質(zhì)量,確保結(jié)構(gòu)安全。

(3)保證管廊安全。管廊邊樁基礎(chǔ)施工的最大風(fēng)險(xiǎn)主要是:樁基礎(chǔ)成孔過程中粗礫砂地層應(yīng)力釋放,容易出現(xiàn)垮塌,樁基穿過溶洞、土洞時(shí)容易漏漿、塌孔等,造成管廊沉降、開裂。保證管廊的安全,除了采用常規(guī)地質(zhì)情況下樁基施工的措施外,還要結(jié)合管廊的實(shí)際情況,適當(dāng)提高溶洞處理的力度。

3.2 溶洞處理方法

由于本項(xiàng)目地質(zhì)覆蓋層內(nèi)大都存在流塑狀的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和飽和砂土,在沖孔過程中一旦遇到溶土洞或溶蝕裂隙,泥漿下漏速度快,如補(bǔ)漿反應(yīng)不及時(shí),易出現(xiàn)因土層流失引起地面塌陷及管廊底脫空導(dǎo)致管廊結(jié)構(gòu)下陷破壞,因此施工前應(yīng)對(duì)覆蓋層進(jìn)行鋼護(hù)筒全程支護(hù)。根據(jù)溶洞的大小、形態(tài)及填充物的狀態(tài),本項(xiàng)目采用以下方式進(jìn)行溶洞處理。

3.2.1 溶洞填充

如果溶洞或土洞內(nèi)的填充物為可塑狀全填充,在樁基施工過程中采取回填片石、黏土處理溶洞;如果充填物為軟塑或流塑狀或無(wú)填充,可另加入適量的袋裝水泥,以增加護(hù)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,防止在沖擊溶洞底部巖層時(shí)因護(hù)壁垮塌、土層流失造成管廊底部脫空開裂。

3.2.2 鋼護(hù)筒防護(hù)

(1)對(duì)于高度<3m的溶洞或土洞,采用單層鋼護(hù)筒穿過砂層進(jìn)入黏土層,且保證鋼護(hù)筒防護(hù)至管廊底以下3m。

(2)對(duì)于3m≤高度<5m的溶洞,采用單層鋼護(hù)筒穿過砂層進(jìn)入黏土層,且保證鋼護(hù)筒防護(hù)至管廊底以下3m;對(duì)于3m≤高度<5m的土洞,采用單層鋼護(hù)筒穿過土洞至巖面,且保證鋼護(hù)筒深度達(dá)到管廊底以下3m。

(3)對(duì)于高度≥5m的溶洞,若覆蓋層下有3m以上厚度的巖層,采用單層鋼護(hù)筒穿過土洞至巖面,且保證鋼護(hù)筒深度達(dá)到管廊底以下3m;對(duì)于高度≥5m的土洞,采用雙層鋼護(hù)筒防護(hù)處理。其中,外層鋼護(hù)筒穿過砂層進(jìn)入黏土層,且保證鋼護(hù)筒防護(hù)至管廊底以下3m。對(duì)于里層鋼護(hù)筒,土洞保證里層鋼護(hù)筒穿過土洞至巖面,溶洞保證里層鋼護(hù)筒穿過覆蓋層至巖面。

典型的溶洞處理方法如圖5所示。

圖5 典型溶洞處理方式

鋼護(hù)筒直徑采用比樁基直徑大20cm。當(dāng)采用雙層鋼護(hù)筒時(shí),外層鋼護(hù)筒比內(nèi)層鋼護(hù)筒直徑大20cm,鋼護(hù)筒壁厚由鋼護(hù)筒長(zhǎng)度和樁基直徑控制,具體關(guān)系見表1。

表1 鋼護(hù)筒壁厚(單位:mm)

對(duì)于超大型溶洞,盡量通過改變基礎(chǔ)形式,如單樁變成雙樁或群樁、延長(zhǎng)蓋梁或橫隔梁、改變橋跨等方式避開。部分樁基可避免穿越埋置較深的土洞、溶洞,可在其上厚度較合適的巖層終孔,然后壓漿填充孔底的土洞、溶洞,以保證樁底巖層承載力的可靠性,確保樁基的承載力。

4 樁基施工方法

由于樁基距離管廊位置較近,為避免樁基施工過程中的震動(dòng)導(dǎo)致管廊出現(xiàn)沉降或開裂漏水等問題,采用如下施工方法:

(1)管廊邊樁基施工必須做到“一樁一設(shè)計(jì)方案、一樁一施工方案”,根據(jù)不同的地質(zhì)情況采用不同的溶洞處理和樁基施工方案,施工前必須做好技術(shù)交底工作。

做好應(yīng)急處理措施。在樁基礎(chǔ)施工前,要準(zhǔn)備充足的溶洞塌孔等搶險(xiǎn)材料和機(jī)械,如泥漿、片石、黏土、水泥、吊車、裝載車、運(yùn)輸汽車等。

(2)在管廊頂部埋設(shè)沉降和位移觀測(cè)板,樁基礎(chǔ)施工過程中進(jìn)行沉降和位移觀測(cè),出現(xiàn)異常情況立即停止施工。

(3)禁止相鄰樁基同時(shí)施工。一方面減小震動(dòng)對(duì)管廊的影響,另一方面防止出現(xiàn)底部連通溶洞時(shí)同時(shí)施工造成竄孔漏漿,引發(fā)安全事故。

(4)因樁基礎(chǔ)距離管廊太近,不適宜采用振動(dòng)錘沉管方法打入防護(hù)用的長(zhǎng)鋼護(hù)筒。開孔后先安裝比防護(hù)用長(zhǎng)鋼護(hù)筒直徑大20cm的施工用鋼護(hù)筒,采用震動(dòng)較小的回旋鉆機(jī)鉆進(jìn)至粗礫砂層底部進(jìn)入粉質(zhì)黏土層,且保證回旋鉆鉆進(jìn)至管廊底以下3m,然后快速將鋼護(hù)筒安裝到位。再改用沖擊鉆進(jìn)的方法繼續(xù)成孔至防護(hù)用長(zhǎng)鋼護(hù)筒底標(biāo)高處,繼續(xù)跟進(jìn)防護(hù)用長(zhǎng)鋼護(hù)筒。

在成孔過程中需采取適當(dāng)?shù)淖o(hù)壁措施,保證覆蓋層的穩(wěn)定。適當(dāng)加大泥漿比重、嚴(yán)格控制進(jìn)尺速度,穿過砂層時(shí)鉆機(jī)進(jìn)尺速度應(yīng)不大于0.5m/h,保證鉆進(jìn)過程中形成穩(wěn)定的泥漿護(hù)壁。

論壇開幕式由上海財(cái)經(jīng)大學(xué)圖書館館長(zhǎng)朱為群教授主持。上海財(cái)經(jīng)大學(xué)副校長(zhǎng)劉蘭娟、中國(guó)圖書館學(xué)會(huì)高校圖書館分會(huì)秘書長(zhǎng)宋姬芳、上海市圖書館學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)周德明、上海市高校圖工委常務(wù)副秘書長(zhǎng)杜夏明先后致辭。與會(huì)領(lǐng)導(dǎo)專家對(duì)于論壇的國(guó)際化視野及主題內(nèi)容給予高度評(píng)價(jià)，對(duì)論壇的成功舉辦及其對(duì)大學(xué)圖書館轉(zhuǎn)型發(fā)展的促進(jìn)作用提出了殷切的期望。

(5)施工至溶洞頂板以上1m時(shí),沖擊鉆改用小沖程緩慢沖進(jìn),防止因沖程過大卡鉆,同時(shí)避免突然擊穿溶洞頂板導(dǎo)致大量漏漿,出現(xiàn)塌孔等問題。當(dāng)頂板擊穿時(shí),先迅速提鉆,避免卡鉆和掉鉆。一旦出現(xiàn)漏漿的情況時(shí)應(yīng)迅速補(bǔ)漿,并回填片石和黏土的混合物。

5 專項(xiàng)技術(shù)處理

5.1 樁基漏漿

盡管在施工前已詳細(xì)查明溶洞發(fā)育的情況,樁基施工穿過溶洞、土洞及巖石裂隙發(fā)育段時(shí)仍會(huì)發(fā)生漏漿問題。

根據(jù)已有研究結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn),在樁基施工過程中遇到土洞和溶洞漏漿,一般采用回填片石(70%)+黏土(30%)或片石(70%)+黏土(20%)+袋裝水泥(10%)處理。

根據(jù)本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)處理溶洞漏漿的施工經(jīng)驗(yàn),由于溶洞發(fā)育的不規(guī)律性,該比例的回填材料并不一定適用于所有情況。一方面,穿過溶洞前應(yīng)根據(jù)地勘資料中溶洞大小、填充狀態(tài)準(zhǔn)備好足夠數(shù)量的片石、黏土和袋裝水泥材料。另一方面,根據(jù)穿過溶洞時(shí)的漏漿速度調(diào)整片石和黏土的比例,若漏漿速度較快,說(shuō)明溶洞缺口較大,應(yīng)適當(dāng)加大片石的比重;若漏漿速度較慢,說(shuō)明溶洞缺口較小,可適當(dāng)減少片石比重,加大黏土比例,避免片石投入過多浪費(fèi)材料及重新沖進(jìn)影響樁基施工進(jìn)度。若地勘結(jié)果顯示無(wú)溶洞而出現(xiàn)漏漿(此時(shí)一般為巖石裂隙,漏漿速度較慢),可主要采用黏土和適量水泥進(jìn)行處理。

本工程在處理漏漿過程中,片石和黏土的體積比例變化在1∶2至2∶1之間。實(shí)際處理時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)視溶洞發(fā)育、填充情況和漏漿情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

5.2 樁內(nèi)涌水

本工程大塘高架橋D8-B樁基和現(xiàn)代大道高架橋X4-A樁基在施工進(jìn)入中風(fēng)化巖層后,均出現(xiàn)了樁孔內(nèi)涌水的現(xiàn)象。樁孔內(nèi)涌水若不能得到妥善處理,可能在混凝土灌注過程中造成樁身混凝土離析、樁基質(zhì)量不合格的情況。

已有研究大多通過降水井降低地下水位或者止水帷幕止水的方法處理樁孔內(nèi)涌水的問題。但由于本工程覆蓋層存在較厚的富含水砂層,且地下水位較高,如貿(mào)然采取降低地下水位的方法,可能造成管廊底部砂土流失,存在管廊底脫空開裂的安全隱患。而在樁孔范圍外采用止水帷幕止水一方面費(fèi)用較高,另一方面由于巖溶發(fā)育的極其不規(guī)律性,在樁孔范圍外采用止水帷幕止水難以取得較為理想的效果。

本工程大塘高架橋D8-B樁基在施工至43m孔深準(zhǔn)備終孔時(shí),樁內(nèi)突然急劇涌水,地下承壓水涌出鋼護(hù)筒,承壓水頭高度在43m以上,承壓水壓大于護(hù)筒內(nèi)的泥漿壓力。至次日上午涌水已停止,護(hù)筒內(nèi)出現(xiàn)明顯分層,上層26m為清水、下層17m為泥漿,此時(shí)測(cè)得孔深為26m,由于泥漿承受上層水壓力密度很大,探桿無(wú)法下沉。

大塘高架橋D8-B樁基地質(zhì)及鋼護(hù)筒防護(hù)如圖6所示。由于根據(jù)樁孔內(nèi)涌水情況無(wú)法判斷孔內(nèi)涌水是來(lái)源于孔底裂隙、孔壁裂隙還是來(lái)源于鋼護(hù)筒和巖石之間的結(jié)合部位空隙,無(wú)法針對(duì)性地采取裂隙堵漏。

圖6 大塘高架橋D8-B樁基地質(zhì)及鋼護(hù)筒防護(hù)

經(jīng)分析研判后,采用孔內(nèi)預(yù)埋陶瓷繡花管澆筑10m厚度C20砼后壓注水泥漿(摻入一定比例水玻璃)的方法封堵孔底裂隙,如圖7所示。

圖7 大塘高架橋D8-B樁孔涌水處理方案

具體措施:

(1)將孔內(nèi)泥漿比重重新調(diào)整至1.3左右,讓孔底有20～30cm厚度的沉渣后,沿樁孔周圍孔壁均勻安裝6條陶瓷繡花管至孔底。繡花管長(zhǎng)度約8m,上部采用鋼管(或聲測(cè)管)連接至孔口。繡花管采用彈性較大的鋼筋作為內(nèi)襯加強(qiáng)箍,并設(shè)置彈簧扣,便于繡花管安裝后能盡量靠近孔壁,利于孔壁裂隙的注漿封堵。

(2)孔內(nèi)澆筑C15砼至第二層鋼護(hù)筒底標(biāo)高以上0.5m左右。5～7d后,通過預(yù)埋的繡花管壓注水泥漿液,水泥漿液需摻配一定比例的水玻璃,以達(dá)到更好的封堵裂隙效果。壓注水泥漿前應(yīng)壓注清水疏通漿液通道。

(3)繡花管壓注水泥漿后5～7d,重新采用沖錘成孔至樁底標(biāo)高,孔內(nèi)不再出現(xiàn)涌水現(xiàn)象,表明裂隙封堵效果良好,正常完成了樁基混凝土灌注。

現(xiàn)代大道高架橋X4-A樁基涌水較為平緩,承壓水頭壓力較小,現(xiàn)場(chǎng)通過多次回填袋裝水泥加大泥漿比重,再通過反復(fù)泥漿循環(huán)堵住了巖石裂隙,順利完成了樁基混凝土灌注。經(jīng)樁基檢測(cè),2條樁底涌水的樁基成樁后工程質(zhì)量均合格。

6 結(jié)語(yǔ)

由于樁基地下工程施工的隱蔽性,巖溶區(qū)樁基施工相比較于普通樁基施工,一般有安全隱患大、施工難度大、施工成本高等特點(diǎn),巖溶勘探技術(shù)和巖溶區(qū)樁基施工技術(shù)一直是地基與基礎(chǔ)工程研究的重點(diǎn)之一。

本工程結(jié)合地質(zhì)情況差、橋梁樁基直徑大及毗鄰地下重要構(gòu)筑物的特點(diǎn),采用適用的溶洞勘探技術(shù)、巖溶處理技術(shù)和樁基施工技術(shù),有效解決了樁基施工過程中出現(xiàn)的卡錘、漏漿、涌水、塌孔等問題,安全、經(jīng)濟(jì)、高效地完成了地下綜合管廊附近大直徑樁基的施工,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)施工過程的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,地下綜合管廊未出現(xiàn)沉降、開裂等問題。該工程施工過程中取得的經(jīng)驗(yàn)和成果,可為后續(xù)類似工程提供參考借鑒。