特殊地质桩基施工关键技术研究

宋雅萍，刘 斌

(济南海河建设项目管理有限公司,山东 济南 250002)

随着现代建筑工程的不断发展,岩溶发育的地区桩基成孔技术已成为关键技术之一。该技术具有施工难度大、技术要求高等特点,对于保证工程质量和安全性具有重要意义。因此,结合实际工程案例开展特殊地质桩基成孔综合施工工艺技术研究,对于提高工程建设水平具有重要意义[1]。

1 工程概况

济南工业北路东延工程位于济南市历城区、高新区,工程西起现状工业北路高架终点(郭店立交以西),东至大正路以东,全长 12.667 km。施工内容包括高架桥梁、地面桥梁、人行天桥工程等。其中高架桥梁工程包含:K0+000—K10+425,K11+874—K12+336主线高架桥,地层主要为第四系全新统人工堆积层、第四系沉积层、燕山期侵入岩浆岩、石炭-二叠系泥岩、砂岩、奥陶系灰岩等,钻孔时极易发生坍塌。地下水大致分为两类:基岩裂隙水、岩溶水,济南名为泉城,地下水量非常丰富。

根据钻探及物探揭示,主线高架桥区岩溶发育,完成的24孔有13孔揭示溶洞和裂隙,全充填为主,局部无充填,充填物以粉质黏土及碎石类土为主;揭示溶洞高0.5 m～2.4 m;钻孔遇洞率48.9%。钢护筒直径为2.2 m,采用Q235钢板制作而成。采用激振力为400 t的振动锤将桩基护筒振入。

2 岩溶发育区桩基施工技术

本标段采用冲击钻孔或旋挖钻孔施工进行桩基的成孔,工艺流程见图1。

2.1 现场施工

每个桥墩下伏基岩均有溶洞发育,溶腔多为串珠型多层溶腔分布,全填充和半填充,少部分溶腔无填充,填充物以黏土为主,主线桥29号墩桩长55 m,于2023年6月开钻施工,由于墩位处于回填土、杂土范围内,开钻后出现塌孔现象,遇到半边岩半边土地质时,冲击钻平均每天进尺不足0.2 m,需要回填片石、黏土再钻进,进尺缓慢,为提高施工进度,后来采用旋挖钻进行施工,由于29号墩桩基属于大直径长桩基, 使用传统泥浆护壁很难保证桩基成孔的稳定性,经常出现塌孔、埋钻头现象,后来经过研讨,决定钢护筒跟进(如图2所示),很好的防止了塌孔、埋钻头现象,有效的提高了钻进速度[2-4]。

部分桩基采用冲击钻,冲击钻施工进度快慢的关键点在锤头的强度,通过工地试验,采用4边钻头并在牙齿处帮焊钢筋和在钻头四周焊一圈钢板,加强钻头的耐磨性,且有效防止了“梅花桩”的出现,减少了更换钻头的频率,大大提高了桩基施工进度[5-7]。

2.2 施工难点分析

1)由于岩溶裂隙的特点是多呈串珠状分布且溶洞体积大、连通性强,当钻孔至岩溶裂隙或溶洞时,孔内的泥浆会沿着岩溶通道大量流失,导致上部泥浆护壁容易坍塌,甚至引发地表地陷以及埋钻等事故。

2)弱风化岩具有坚硬的岩质,且出露面呈现凹凸不平的特点。在钻探过程中,不仅钻进速度缓慢,而且很容易因受力不均导致钻头破裂、卡住或钻孔偏离等问题,从而延长了工期[8-10]。

3)不同地质发育造成的桩位类型各异,有些是半土半岩的,有些是斜坡状的灰岩岩面,钻孔进入斜坡面时容易发生偏孔问题。

4)在混凝土灌注过程中,成孔后,由于混凝土压力巨大,护壁被冲破,混凝土反向进入溶腔,导致混凝土面下降,甚至使管底脱出混凝土面,引发断桩事故[11-13]。

2.3 应对措施

1)斜坡岩面处理。解决施工中斜坡岩面问题的主要方法是利用回填片石和黏土,并通过反复冲击来解决。对一些难以调整的倾斜孔,会选择灌注低标号的水下混凝土,并采用小冲程打紧锤的方式反复冲击以形成孔洞。

2)漏浆处理。遇到施工中漏浆现象时,可以采取以下预防和处理措施:a.钻头进入溶洞后,如果发现漏浆,应立即将钻头抽出,通过反复冲击回填片石和黏土,以填实溶腔,并确保孔内水压达到标准。b.在进行穿透溶洞时,如果出现漏浆的情况,应立即停止钻进,并将泥浆或水注入孔内,同时投入石片和黏土,以确保孔内的压力维持在正常水平。c.若岩溶裂隙导致漏浆,可增加泥浆密度、减缓钻进速度、使用小冲程和放慢打击节奏等方法来抑制漏浆对施工的负面影响。d.如果出现了钢护筒底部漏浆的情况,需要继续向下填充堵死钢护筒底部的缝隙,然后用片石和黏土进行回填,高出护筒底部1 m以上,并反复进行冲击,以确保其牢固稳定。

3)塌孔处理。遇到施工中轻微塌孔现象时,应立即通过增大泥浆的密度、提高泥浆水的高度、增加水压来解决。对于塌陷位置不太深的情况,可以选择使用钢护筒跟进或者将钢护筒埋入较深的地方,在护筒周围进行夯实处理,之后再重新开始钻探。如果在位置较深且塌孔程度严重的情况下,应立即采用片石回填或掺入不少于5%水泥砂浆的黏土回填来解决问题。必要时,需要将钻机移开,以避免钻机遭受损坏或埋藏。在回填稳定后,可以重新进行钻探。当回填后的片石岩面倾斜角度较大时,钻头容易摆动,可能导致偏孔、塌孔或卡钻等问题。此时,可以先使用小冲程进行冲击,穿过回填层后再切换到正常的钻进方式[14-16]。

2.4 溶洞处理方案

1)片石、黏土填充重复钻进。经过实践检验得出最有效最经济的一个施工方法,即将片石和黏土反复回填填充,这种方法施工简单、操作方便且成本可控。在冲击进入溶洞后,孔内泥浆可能会部分或全部流失,导致失去泥浆护壁的情况下容易出现塌孔,并且可能会发生漏浆。为了解决这个问题,我们可以使用1∶1体积比的片石加黏土进行回填处理,也可以在溶腔较大时加入部分水泥。回填的过程中,每回填一层就进行一次冲击,以确保片石和黏土混合物的密实性,直到回填的高度达到溶腔顶部的2 m～5 m。在溶洞回填完成后,我们将在孔洞内注入黏度较高的泥浆,并让其自然渗入石缝中。经过5 h后,我们将施加冲击力,使泥浆进一步填充石缝和黏土溶腔,形成泥夹石护壁。如果在孔内发现漏浆现象,可以多次回填并反复冲击,直到漏浆问题解决为止[17-18]。

2)钢护筒跟进。钢护筒主要用于岩溶发育复杂、单溶洞高度较大且溶洞性质为半填充、无填充或全填充流塑状土的情况;在钻洞过程中,对于存在较大溶洞和不稳定覆盖层的桩基,可以通过使用钢护筒紧跟在稳定层附近,实现保护孔壁的作用,同时有效避免地面塌陷因钻孔桩孔壁坍塌而引起的问题[19]。

3)回填低标号混凝土。处理大型溶洞时,尤其是半填充或无填充的溶洞,一种有效的方法是用低标号混凝土进行回填,以解决在使用填充片石和黏土的方法无法实现成孔或预防孔壁被挤垮的问题,从而确保浇筑混凝土时的稳定性。在进行钻孔时,如果遇到难以处理的斜岩或其他容易导致偏孔卡钻的情况,使用填充低标号混凝土的方法可以取得较好的效果。

2.5 注意事项

1)设置十字护桩。为确保钻孔位置准确,施工人员需在桩中心周围设置四个桩心控制点,再用木桩进行标记,完成浇筑后再进行拆除。示意图见图3。

2)泥浆调配。泥浆调配在岩溶区桩基施工中是关键步骤,尤其重要。保证泥浆在导管和钢筋笼下放时,满足要求,避免离析和沉淀,以确保桩基孔壁的稳定。施工时,必须合理控制泥浆的比重。对于含黏土和粉土的土层,泥浆比重应在1.02～1.6范围内。对于易塌陷的土层,泥浆比重应在1.06～1.1范围内。如果泥浆比重过高,会造成钻孔过程中的堵塞问题,并且会影响钻孔效率。需要加入适量造浆粘或跟进长护筒,以便钻入纯砂层[20]。

3 结语

通过回填、钢护筒跟进等综合措施,以及合理选择钻孔顺序、配套的施工机具,同时优化泥浆配置,通过多次改进不同地质和情况下选用不同钻机进行施工,成功改进了29号主墩桩基的成孔工艺,对于类似工程的施工提供了可借鉴的经验。