城市橋梁樁基穿越溶洞預(yù)注漿施工技術(shù)
作者： 中國建筑第三工程局有限公司 張琨,劉建民,鄔歡,吳木平白沙洲大道改造項(xiàng)目地處武漢市南大門出口，道路兩側(cè)交通流量大。項(xiàng)目所在地局部路段經(jīng)過巖溶發(fā)育區(qū)，歷史上曾多次發(fā)生地面塌陷。因此，在保證交通不斷流的情況下，如何解決好狹窄工作面內(nèi)樁基穿越溶洞的技術(shù)問題，保證道路兩側(cè)構(gòu)筑物與交通安全，成為項(xiàng)目建設(shè)首要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
1工程概況
1.1設(shè)計概況
白沙洲大道改造工程高架橋全長6.9km，標(biāo)準(zhǔn)路段橋面寬26m，單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)路段下部結(jié)構(gòu)為雙柱墩，墩柱截面尺寸為1.7m×1.7m，下接3m高承臺，4?1.6m群樁基礎(chǔ)，箱梁加寬范圍內(nèi)增設(shè)邊墩，邊墩墩柱截面尺寸為1.3m×1.3m，下接2m高承臺，基礎(chǔ)為2?1.2m樁基礎(chǔ)。全線樁基共1 184根，其中灰?guī)r區(qū)368根，要求樁身全斷面進(jìn)入新鮮完整灰?guī)r≥2.5m，且樁端有≥6m厚的灰?guī)r底板，灰?guī)r區(qū)樁基長度29～86.5m。
1.2工程地質(zhì)條件
根據(jù)地質(zhì)勘察報告，工程沿線地層主要有第四系沖、洪積層、三疊系灰?guī)r及泥盆系石英砂巖，沿線古地形低洼地段灰?guī)r被白堊下第三系砂巖、泥巖及上第三系黏土巖覆蓋。其中K1+075—K1+250，K3+600—K4+935，K5+930—K6+200路段是灰?guī)r與泥灰?guī)r上直接覆蓋全新統(tǒng)沖積相飽和粉細(xì)砂、中砂及中粗砂夾卵礫石層，是引起地面塌陷的典型地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)逐樁超前鉆結(jié)果，灰?guī)r區(qū)溶洞特征為:①溶洞出現(xiàn)率高達(dá)40%;②溶洞洞高0.4～18.2m不等;③溶洞層數(shù)從1～5層不等，多層溶洞呈糖葫蘆串珠狀;④溶洞多為填充型，部分為半填充或無填充型(填充物多為可塑或硬塑黏性土及少量灰?guī)r碎塊);⑤石灰?guī)r巖芯表面均有不同程度的溶蝕;⑥裂隙較發(fā)育，多被方解石脈充填，膠結(jié)良好。典型多層溶洞地質(zhì)條件如圖1所示。
2施工原理
白沙洲大道改造工程樁基采用沖擊鉆成孔、泥漿護(hù)壁工藝，在樁基成孔過程中，溶洞危害主要為漏漿、塌孔和地面塌陷等。主要成因是當(dāng)樁基穿越溶洞時，樁位處隱伏有溶洞、灰?guī)r裂隙極易導(dǎo)致漏漿。因溶洞上直接覆蓋層為透水性強(qiáng)的粉細(xì)砂層，當(dāng)溶洞頂板巖層被擊穿時，若溶洞相互連通導(dǎo)致容積過大，樁基孔內(nèi)泥漿面將急劇下降，造成孔壁受力失衡，護(hù)壁泥漿卷帶粉細(xì)砂層迅速流失，導(dǎo)致塌孔，嚴(yán)重時造成地面塌陷。
綜合考慮工程所在地區(qū)域交通條件、安全與技術(shù)經(jīng)濟(jì)等多方面因素，確定樁基成孔穿越多層溶洞采用以預(yù)注漿處理為主，輔以對粉細(xì)砂層固化處理的技術(shù)措施。其主要工藝原理是在巖溶發(fā)育區(qū)域樁基施工前，在橋梁墩臺范圍對溶洞進(jìn)行預(yù)注漿處理，填塞溶洞內(nèi)空腔，固化溶洞內(nèi)填充物，防止樁孔與溶洞、溶槽連通，避免樁孔內(nèi)護(hù)壁泥漿流失導(dǎo)致塌孔，并在土層及巖體界面形成隔水帷幕，阻隔上層滯水與巖溶水的聯(lián)系，同時對巖體上覆蓋砂層進(jìn)行水泥漿固化處理。
3施工工藝
3.1工藝流程
溶洞預(yù)注漿處理主要工藝流程為:根據(jù)超前鉆探報告、樁基樁位圖布置注漿孔→放點(diǎn)→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)成孔→下注漿管(套管)→分層注漿→結(jié)束移孔。
3.2注漿布孔
在橋梁樁基設(shè)計階段，需要對巖溶發(fā)育區(qū)的樁位進(jìn)行逐樁超前鉆探，并根據(jù)鉆探結(jié)果適當(dāng)增加鉆孔以滿足為設(shè)計提供樁底持力層厚度的設(shè)計參數(shù)的要求。在溶洞預(yù)注漿布孔前，充分熟悉超前鉆資料，根據(jù)溶洞發(fā)育的洞高、標(biāo)高、填充情況等，初步判定溶洞發(fā)育形狀，針對性布孔，同時在注漿鉆孔過程中抽取巖土芯樣對溶洞發(fā)育情況進(jìn)一步判定和復(fù)核，以便及時調(diào)整鉆孔布置。
3.3注漿鉆孔
注漿鉆孔采用XY-100型地質(zhì)鉆機(jī)，鉆孔直徑91～108mm，采用泥漿護(hù)壁、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、全孔段取芯的鉆進(jìn)方法，具體工藝如下。
1)開孔開孔前先了解有無地下管線，確認(rèn)無誤后采用直徑108mm巖芯管開孔鉆進(jìn)，直接鉆入基巖0.5m，鉆進(jìn)過程中對土層和砂層采用泥漿(循環(huán)水)護(hù)壁工藝進(jìn)行孔內(nèi)護(hù)壁。
2)下套管鉆入基巖0.5m后，下入直徑110mm套管，并嵌入基巖，套管出露地表0.2～0.5m。用水泥砂漿固結(jié)套管，并將孔口套管四周搗實(shí)封閉，防止?jié){液從套管周圍流出，影響注漿效果。
3)基巖鉆進(jìn)待固結(jié)套管水泥初凝后，改用直徑89mm金剛石鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。循環(huán)水應(yīng)采用清水，如遇巖層破碎或構(gòu)造帶鉆進(jìn)困難時，可采用泥漿循環(huán)，但終孔前用清水沖洗，直至返清。鉆進(jìn)時注意防范巖溶空洞出現(xiàn)掉、卡鉆具的問題。
4)鉆孔沖洗鉆進(jìn)至設(shè)計孔段注漿深度，在注漿前均進(jìn)行鉆孔沖洗，清除鉆孔中殘留的巖粉、鉆屑和巖石裂隙中充填的黏土雜物。對于采用清水鉆進(jìn)的孔段，同時又漏水的鉆孔，灌漿時則不進(jìn)行長時間沖洗。
5)終孔鉆至溶洞后入完成巖層≥1m。
6)鉆孔質(zhì)量控制鉆孔過程中，應(yīng)詳細(xì)記錄地層變化，確保較高的巖芯采取率，每孔殘留巖芯<20cm，以便對溶洞情況進(jìn)一步判別，調(diào)整注漿布孔。
3.4注漿施工
3.4.1注漿材料
注漿材料一般采用P·O32.5普通硅酸鹽水泥，水泥的細(xì)度要求為通過80μm方孔篩的篩余量不宜大于5%。采用雙液注漿時選用的水玻璃模數(shù)為2.4～3.4，濃度宜為30～45波美度。
3.4.2注漿方法
樁基穿越多層溶洞預(yù)注漿主要采用套管分層注漿法。注漿設(shè)備選用BM150型注漿泵，注漿壓力控制在0.2～0.6MPa，注漿速度為15～20L/min。
1)注漿分段與順序注漿分段劃分原則為:①將裂隙相同的巖層劃分在同一個段長內(nèi)，力求使?jié){液均勻擴(kuò)散;②裂隙發(fā)育程度相差較大的含水層，不宜劃分在同一段長內(nèi)，以保證注漿質(zhì)量和減少浪費(fèi);③涌水量大、裂隙較寬時，注漿段長度較小，反之較大;④注漿段長度應(yīng)與注漿泵的供漿能力(泵量)相適應(yīng)，泵量小，則應(yīng)當(dāng)縮小注漿段長度，以保證漿液有足夠的擴(kuò)散半徑。
注漿順序?yàn)?①平面上從中心向四周;②豎直方向按先上層后下層的順序進(jìn)行溶洞內(nèi)注漿，完畢后提拔套管，自下而上注漿，先巖土交界面，再灰?guī)r上覆砂層，豎直方向注漿順序如圖2所示。
2)注漿壓力注漿壓力是漿液擴(kuò)散的動力，是檢測漿液在裂隙中充填擴(kuò)散過程是否正常的主要依據(jù)。注漿壓力系指注漿段所承受的全壓力，施工過程中將壓力表安裝在孔口回漿管路上。基層上覆蓋土(砂)層采用低壓注漿，孔口壓力控制在0.2MPa以下，同時應(yīng)觀察地面及周圍有無異常，控制注漿量;遇土洞應(yīng)采用低壓注漿，孔口和巖體上覆層壓力控制在0.2～0.5MPa以內(nèi);巖石與土層接觸處，壓力不小于注漿段靜水壓力的2倍，各分段之間間歇時間一般為24h，巖層內(nèi)間歇時間為漿液初凝以后，終凝之前。循環(huán)式溶洞內(nèi)注漿壓力采用下式計算。
式中:P為注漿壓力(MPa);P1為孔口壓力表壓力(MPa);P2為漿柱壓力(MPa);Pf為管路壓力損失(MPa)。
管路壓力的確定方法:當(dāng)工作管內(nèi)徑一致，且內(nèi)壁粗糙度變化不大時，管路壓力損失為:
式中:λ為摩阻系數(shù)，λ=2×10－4(MPa/m);Lp為工作管長度(m);d為工作管內(nèi)徑(m);V為管內(nèi)流速(m/s);g為重力加速度。
3)注漿漿液選擇注漿漿液一般采用先稀后濃、逐級加濃的原則進(jìn)行漿液濃度的變換，可采用水固比為1∶1，0.8∶1，0.6∶1三種配比濃度供注漿時選擇。一般在巖層中注漿連續(xù)灌注40min仍不起壓，則改用濃一級的漿液，當(dāng)加濃一級注漿壓力上升很快時，則應(yīng)更換原來較稀的漿液繼續(xù)灌注。當(dāng)采用最濃的漿液長時間灌注仍不起壓時，則應(yīng)采用間歇注漿，間歇時間為漿液初凝以后，終凝之前，必要時可采用其他的措施，如在漿液中加入速凝劑或采用加入水玻璃的雙液注漿。
4)大溶洞內(nèi)注漿方法若遇到高度超過1m的溶洞，應(yīng)縮小注漿段長度，作特殊情況下的注漿，主要措施有:以大溶洞底板作為注漿段的段底，采用壓力水沖洗鉆孔，盡量排出溶洞內(nèi)充填物中的細(xì)小顆粒，可適當(dāng)投入粗骨料，并同時注入清水，加速細(xì)粒擴(kuò)散，采用濃漿低壓，必要時加水玻璃速凝劑。若注漿壓力仍不升高，則限制注漿量或采用間歇注漿等措施。
3.4.3異常情況處理
注漿過程中較為常見的異常情況:①地面冒漿注漿過程中在一定的注漿壓力作用下，水泥漿從地面冒出，在對土層進(jìn)行加固的過程中尤為明顯;②沿套管冒漿在對土層采用套管注漿的方法時，在一定的壓力下漿液沿著套管從孔壁冒出;③鉆探中漏水嚴(yán)重在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)孔內(nèi)漏水嚴(yán)重情況。對于以上情況，注漿過程中應(yīng)采用間歇式注漿的施工方法，等待水泥漿液凝固后再注漿。
