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摘 要:结合杭徽高速公路高架桥溶洞桩基施工的工程实践,对高架桥段不同溶洞地质情况相采用的不同成孔方法进行详细分析,提出了较为经济合理的桩基成孔方法并取得成功。
关键词:溶洞;破碎带;孔内水头;回填土石料
一、工程概况
杭徽高速公路是连接杭州、黄山两大风景旅游胜地的重要干线公路,是安徽省通往华东沿海港口的一条主要通道。高架桥段由杭州西起点至中泰乡,桥长约12.5KM,设杭州西和老余杭互通两处,是全省最长的高速公路高架桥,其中心线与正在改建的02省道一级公路中心线基本重合。高架桥段按四跨一联(4×25m)的连续刚构体系进行布设,设计行车速度100KM/h,整体式路基宽26.0M,桥涵与路基同宽;高架桥路段桥宽24M,路线极限最小半径400米,最大纵坡4%;设计荷载汽车—超20,验算荷载挂—120。
地质构造:高架桥段为平原微丘地貌,地质构造隶属扬子准地台钱塘江台褶带的余杭-嘉兴台陷,其基底大体构成一个复式向斜。区域性隐伏性断裂构造较为发育,主要为北东向及北西向断裂,有三大断裂:一是马金-乌镇深断裂,二是昌化-普陀大断裂,三是孝丰-三门大断裂。
二、高架桥段溶洞分布情况
高架桥共计桩基2700余根,桥墩890余座,有循环钻、冲击钻、人工挖孔等成孔方法,以冲击成孔方法为主,桩径有1.2m、1.5m、1.8m、2.0m四种。据地质勘察及补勘报告分析,高架桥范围内岩溶较为发育,溶洞数量多,空间分布极不规则,属强发育岩溶区。据各标段统计,在桩位处有溶洞的桩基共有1000余根,占总量的37%,溶洞分布在孔深13.6-40m之间;最大的溶洞厚度为6.10m,最小的溶洞厚度为0.2m;有多层(7层)溶洞,也有单层溶洞;有空溶洞,也有充填物溶洞。溶洞的充填物主要为细砂、中粗砂、泥质和少量圆砾。本桥地质情况由上至下依次分别为亚粘土、残积粘性土、弱风化石灰岩、微风化石灰岩。溶洞区桩底持力层微风化石灰岩厚度应大于5.0m。地下水类型以岩溶裂隙水为主,岩溶裂隙水主要赋存于石灰岩溶洞中,地下水补给来源主要为大气降水及地表水渗入,富水性强——中等,地下水对桩基砼无腐蚀性。 (图见 右)
三、不同溶洞、破碎地质条件及其成孔方法分析
1.不同溶洞地质条件下的成孔方法
由于岩溶地区的地质和水文情况较为复杂,桩基成孔方法要根据基岩覆盖层和溶洞或破碎带的情况进行选择。关键要一是保持不坍孔,二是如何合理穿过洞穴或破碎带。
对于地表覆盖层较薄,洞穴位置较浅的,以及洞穴发育、钻探洞穴位置较深而且溶洞较大的,一般采用钢护筒跟进穿的方法,在溶洞中形成一个柱体承受荷载,但此方案施工难度大。如洞穴底部倾斜角度过大或存在潜流等,护筒封闭困难;另外由于溶洞钢护筒跟进垂直度难以控制;用钢量大造成费用较高;如果是摩擦桩,摩力的损失也较大。此方案较少采用。
而洞穴位置较深,洞穴间较小的,可以采用低标号砼回填,将整个洞穴封闭,也可以采用砂浆及石块进行回填或者土石混合料(土石比在1:1左右,但具体要视情况定,适当时可加部分水泥)回填,此方案在实际施工采用较为广泛,效果也是明显的,但必须要标明洞穴分布的情况。
另外,破碎裂隙主要是造成孔内泥浆流失,孔内水头骤降,因失去泥浆护壁,孔内外压力失去平衡而造成坍孔;或者在砼浇筑过程中水泥混凝土浆的渗流或地下水的渗入,造成局部离析现象,通常采用砂浆置换或早凝砼进行封闭。在实际施工中利用土石混合料回去填夯击也有明显的效果。
在岩溶地质条件下,成孔方案的选择关键还是探明地下洞穴或破碎带的基本情况,判定洞穴分布或空洞的大小、破碎带的位置等。
2.溶洞地质的判别
洞穴或破碎带的探明有多种方法,如地质钻探,电测法或探地雷达等,最直接的莫过于桩位地质钻探,可以基本判断溶洞的深度和高度,但无法判明溶洞的范围需要进行必要的电测、探地雷达或布点钻探进一步明确范围。如岩芯连续,而出现长时间不返水现象也可以确定存在着地质破碎带。通过对地质资料的分析,掌握详尽的桩位地质、水文资料,有利于制订适当的施工方案。
四、溶洞桩基施工的若干问题
冲击成孔工艺在溶岩地区的实际应用应注意以下几个问题。
1.溶洞、破碎带存在的情况下,备足一定数量的粘土、石块、水泥和泥浆及泥浆泵,确保发生孔内失水时可以即使抛填和补浆。
2.护筒埋深是取保桩基顺利成孔的关键之一,护筒埋设尽可能深,最好能穿越较为松散的覆盖层,以免坍孔造成大的事故。
3.在成孔过程中,应对于不同的地质层采用相应措施。一般在通过砂土层、卵石层等覆盖层时采用1.00-2.00m的冲程,加大泥浆比重,反复冲击使泥浆、石片挤入孔壁,必要时可加入粘土、片石进行冲击,形成结实的孔壁,防止坍孔;进入基岩后可加大冲程,加快进尺速度;但接近溶洞或破碎带时,应采用小冲程,小心击破洞顶或破碎带,避免快速失水造成坍孔。
4.由于冲击成孔的自身原因,加之岩溶地区地质的复杂性,在钻冲破洞穴顶层后,极易出现空锤情况,使钢丝绳或钻锤接焊处超负荷而产生断裂,而导致掉锤;另外,由于灰石强度较高,容易形成梅花孔,或钻头磨损严重,孔径变小,使冲锤被卡住。针对上述情况,应加强对钻锤焊接,钢丝绳的事前检查,在钻孔过程中经常检查钻锤的转向环或转向套,及钻头的磨损情况,加焊后,应对孔内进行适当的回填,而且应采用小冲程进行冲击。
5.遭遇洞穴或破碎带后,极易造成孔内水位下降,因失去泥浆护壁而造成覆盖层坍落,出现坍孔。操作中要随时注意孔内水头的变化情况,出现水头下降后要及时提升钻锤,探明失水原因后方可继续进行,避免出现埋钻的现象。坍孔的预防需要认真分析地质情况,合理采用泥浆比重、冲程大小和冲击频率。
五、杭徽高速公路高架桥桩基成孔的工程实践
(一)施工方案
根据工程地质勘察报告和施工特点,本桥有溶洞的桩基采用冲钻成孔和人工挖孔两种施工方案:
1.挖孔桩施工
桩基长度≤25米且桩径大于1.5米,溶洞水位较低条件下采用挖孔桩施工。
2.冲孔施工
桩基长度>25米且溶洞水位较高,地层中有较厚的中粗砂层时采用冲孔施工。
(二)施工方法
1.挖孔桩施工
根据地质勘察报告,本桥适合挖孔桩施工的桥墩主要位于第四标段,共35个桥墩,120根桩,桩径均为2.0m。挖孔桩护壁采用砼护壁,标号同孔桩砼,护壁砼厚度为20cm,其结构形式为内外齿型,砼采用机械拌制,用吊桶运输人工浇注。在亚粘土和残积粘性土地层中,采用短柄铁锹开挖,每掘进1m深时,及时立模浇筑护壁砼。当挖至溶洞顶面1m时,挖孔施工人员在孔底作业时应系安全带,安全带与井口上的安全绳接牢,然后手持风钻钻一个Φ10cm的孔,查看溶洞内是否有承压水,本桥溶洞内均为无压力水,溶洞内充填物均为细砂、中砂、泥质土及少量圆砾。探明溶洞后,每开挖掘进0.5m后立即立模浇筑护壁砼。挖穿溶洞顶盖后,用水泵将溶洞内水抽干,由于溶洞内充填物为松散体,开挖时孔径较大,护壁外围采用砂袋支护,然后立即立模浇筑护壁砼,溶洞内护壁砼应加设钢筋。穿过溶洞后进入微风化石灰岩,采用松动爆破的方式进行开挖,以免护壁被炸坏或振动开裂,造成坍孔,同时孔壁周围眼孔要加密,不装药,保证爆破后孔壁完整。
2.冲孔施工
在岩溶地区采用冲击钻机成孔,最重要的问题是如何解决在成孔过程中不发生坍孔,保障施工人员及钻机的安全。在实际施工中,我们采取以下几个预防措施:
⑴在钻机底座滚筒下加铺二根长18m的Φ30cm无缝钢管,防止坍孔时钻机下沉或倾斜。
⑵埋设的钢护筒用钢丝绳系在钻机底座上,防止钢护筒掉入孔中。
⑶在孔位附近备有大量粘土、片石和适当数量的袋装水泥,设置2个容量较大的泥浆池,保证桩孔一旦出现漏浆,能及时补浆和回填桩孔。
根据地质勘察报告,在接近溶洞顶板1m左右时,加大泥浆比重,小冲程冲击,逐渐击穿顶板,同时安排专人观察孔内泥浆面的的变化,发现孔内泥浆面下降,立即提起冲锤,及时补充泥浆,回填粘土、片石和袋装水泥(重量比1:1:0.2),停置一段时间(一般为一天),在停置期间若孔内泥浆继续下降,应随时补充泥浆和回填混合物,待孔内泥浆稳定后,方可继续冲孔,采用小冲程冲击投下的混合物,使其挤入溶洞中,堵塞溶洞通道。在冲击过程中,孔内泥浆还会多次下降,每次泥浆下降,都要及时提起冲锤,补充泥浆和回填粘土、片石,并停止冲孔一天,待稳定后继续冲孔,如此循环反复,直到桩孔不再漏浆为止,顺利穿越溶洞。穿越溶洞进入微风化石灰岩 ,冲击时冲程不宜过大,以免振坍溶洞已固结的护壁。清孔、下放钢筋笼及灌注砼同一般钻孔灌注桩施工方法相同,这里不再详述。
六、结语
1.杭徽高速公路高架桥溶洞桩基成孔施工方法,是经过一段时间的摸索总结出来的。施工伊始,由于对桩位处溶洞的大小估计不足,备用的片石、粘土及袋装水泥数量不够,打穿溶洞后,补浆和回填混合物不及时,造成二根桩孔坍孔,经过近三个月才处理成功;因此,岩溶地区成孔的预防措施非常重要。
2.地质勘探必须有足够的深度和代表性,以保证提供准确的地质资料。原先提供的地质资料不充分,勘探单位只在02省道附近取孔钻探,未逐桩勘探,且深度比桩基浅,有的桩基达到设计标高后,桩底还有溶洞。为确保安全,后来对每根孔桩进行补钻探重新调整桩底标高,确定桩底距溶洞顶不少于7m作为终孔条件。
3.有溶洞的桩基(1000根)施工完成后经专业检测机构现场检测并出具检测报告,I类桩995根,II类桩7根,优良品率99.3%;灌注后的桩基扩孔率为1.2-1.4,证明桩基的成孔方法是成功的。全段没有采用全钢护筒施工方法,节省了大量费用。
参考文献:
[1]中华人民共和国交通部.JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2000.
[2]中华人民共和国交通部.公路工程国内招标文件范本(2003年版).(下册).北京:人民交通出版社,2003.
[3]中华人民共和国交通部.JGT 80/-2004公路工程质量检验评定标准[s].北京:人民交通出版社,2004.
[4]彭效援.最新公路与桥梁工程一级施工实用技术与管理[M].吉林:吉林人民出版社,2003.
关键词:溶洞;破碎带;孔内水头;回填土石料
一、工程概况
杭徽高速公路是连接杭州、黄山两大风景旅游胜地的重要干线公路,是安徽省通往华东沿海港口的一条主要通道。高架桥段由杭州西起点至中泰乡,桥长约12.5KM,设杭州西和老余杭互通两处,是全省最长的高速公路高架桥,其中心线与正在改建的02省道一级公路中心线基本重合。高架桥段按四跨一联(4×25m)的连续刚构体系进行布设,设计行车速度100KM/h,整体式路基宽26.0M,桥涵与路基同宽;高架桥路段桥宽24M,路线极限最小半径400米,最大纵坡4%;设计荷载汽车—超20,验算荷载挂—120。
地质构造:高架桥段为平原微丘地貌,地质构造隶属扬子准地台钱塘江台褶带的余杭-嘉兴台陷,其基底大体构成一个复式向斜。区域性隐伏性断裂构造较为发育,主要为北东向及北西向断裂,有三大断裂:一是马金-乌镇深断裂,二是昌化-普陀大断裂,三是孝丰-三门大断裂。
二、高架桥段溶洞分布情况
高架桥共计桩基2700余根,桥墩890余座,有循环钻、冲击钻、人工挖孔等成孔方法,以冲击成孔方法为主,桩径有1.2m、1.5m、1.8m、2.0m四种。据地质勘察及补勘报告分析,高架桥范围内岩溶较为发育,溶洞数量多,空间分布极不规则,属强发育岩溶区。据各标段统计,在桩位处有溶洞的桩基共有1000余根,占总量的37%,溶洞分布在孔深13.6-40m之间;最大的溶洞厚度为6.10m,最小的溶洞厚度为0.2m;有多层(7层)溶洞,也有单层溶洞;有空溶洞,也有充填物溶洞。溶洞的充填物主要为细砂、中粗砂、泥质和少量圆砾。本桥地质情况由上至下依次分别为亚粘土、残积粘性土、弱风化石灰岩、微风化石灰岩。溶洞区桩底持力层微风化石灰岩厚度应大于5.0m。地下水类型以岩溶裂隙水为主,岩溶裂隙水主要赋存于石灰岩溶洞中,地下水补给来源主要为大气降水及地表水渗入,富水性强——中等,地下水对桩基砼无腐蚀性。 (图见 右)
三、不同溶洞、破碎地质条件及其成孔方法分析
1.不同溶洞地质条件下的成孔方法
由于岩溶地区的地质和水文情况较为复杂,桩基成孔方法要根据基岩覆盖层和溶洞或破碎带的情况进行选择。关键要一是保持不坍孔,二是如何合理穿过洞穴或破碎带。
对于地表覆盖层较薄,洞穴位置较浅的,以及洞穴发育、钻探洞穴位置较深而且溶洞较大的,一般采用钢护筒跟进穿的方法,在溶洞中形成一个柱体承受荷载,但此方案施工难度大。如洞穴底部倾斜角度过大或存在潜流等,护筒封闭困难;另外由于溶洞钢护筒跟进垂直度难以控制;用钢量大造成费用较高;如果是摩擦桩,摩力的损失也较大。此方案较少采用。
而洞穴位置较深,洞穴间较小的,可以采用低标号砼回填,将整个洞穴封闭,也可以采用砂浆及石块进行回填或者土石混合料(土石比在1:1左右,但具体要视情况定,适当时可加部分水泥)回填,此方案在实际施工采用较为广泛,效果也是明显的,但必须要标明洞穴分布的情况。
另外,破碎裂隙主要是造成孔内泥浆流失,孔内水头骤降,因失去泥浆护壁,孔内外压力失去平衡而造成坍孔;或者在砼浇筑过程中水泥混凝土浆的渗流或地下水的渗入,造成局部离析现象,通常采用砂浆置换或早凝砼进行封闭。在实际施工中利用土石混合料回去填夯击也有明显的效果。
在岩溶地质条件下,成孔方案的选择关键还是探明地下洞穴或破碎带的基本情况,判定洞穴分布或空洞的大小、破碎带的位置等。
2.溶洞地质的判别
洞穴或破碎带的探明有多种方法,如地质钻探,电测法或探地雷达等,最直接的莫过于桩位地质钻探,可以基本判断溶洞的深度和高度,但无法判明溶洞的范围需要进行必要的电测、探地雷达或布点钻探进一步明确范围。如岩芯连续,而出现长时间不返水现象也可以确定存在着地质破碎带。通过对地质资料的分析,掌握详尽的桩位地质、水文资料,有利于制订适当的施工方案。
四、溶洞桩基施工的若干问题
冲击成孔工艺在溶岩地区的实际应用应注意以下几个问题。
1.溶洞、破碎带存在的情况下,备足一定数量的粘土、石块、水泥和泥浆及泥浆泵,确保发生孔内失水时可以即使抛填和补浆。
2.护筒埋深是取保桩基顺利成孔的关键之一,护筒埋设尽可能深,最好能穿越较为松散的覆盖层,以免坍孔造成大的事故。
3.在成孔过程中,应对于不同的地质层采用相应措施。一般在通过砂土层、卵石层等覆盖层时采用1.00-2.00m的冲程,加大泥浆比重,反复冲击使泥浆、石片挤入孔壁,必要时可加入粘土、片石进行冲击,形成结实的孔壁,防止坍孔;进入基岩后可加大冲程,加快进尺速度;但接近溶洞或破碎带时,应采用小冲程,小心击破洞顶或破碎带,避免快速失水造成坍孔。
4.由于冲击成孔的自身原因,加之岩溶地区地质的复杂性,在钻冲破洞穴顶层后,极易出现空锤情况,使钢丝绳或钻锤接焊处超负荷而产生断裂,而导致掉锤;另外,由于灰石强度较高,容易形成梅花孔,或钻头磨损严重,孔径变小,使冲锤被卡住。针对上述情况,应加强对钻锤焊接,钢丝绳的事前检查,在钻孔过程中经常检查钻锤的转向环或转向套,及钻头的磨损情况,加焊后,应对孔内进行适当的回填,而且应采用小冲程进行冲击。
5.遭遇洞穴或破碎带后,极易造成孔内水位下降,因失去泥浆护壁而造成覆盖层坍落,出现坍孔。操作中要随时注意孔内水头的变化情况,出现水头下降后要及时提升钻锤,探明失水原因后方可继续进行,避免出现埋钻的现象。坍孔的预防需要认真分析地质情况,合理采用泥浆比重、冲程大小和冲击频率。
五、杭徽高速公路高架桥桩基成孔的工程实践
(一)施工方案
根据工程地质勘察报告和施工特点,本桥有溶洞的桩基采用冲钻成孔和人工挖孔两种施工方案:
1.挖孔桩施工
桩基长度≤25米且桩径大于1.5米,溶洞水位较低条件下采用挖孔桩施工。
2.冲孔施工
桩基长度>25米且溶洞水位较高,地层中有较厚的中粗砂层时采用冲孔施工。
(二)施工方法
1.挖孔桩施工
根据地质勘察报告,本桥适合挖孔桩施工的桥墩主要位于第四标段,共35个桥墩,120根桩,桩径均为2.0m。挖孔桩护壁采用砼护壁,标号同孔桩砼,护壁砼厚度为20cm,其结构形式为内外齿型,砼采用机械拌制,用吊桶运输人工浇注。在亚粘土和残积粘性土地层中,采用短柄铁锹开挖,每掘进1m深时,及时立模浇筑护壁砼。当挖至溶洞顶面1m时,挖孔施工人员在孔底作业时应系安全带,安全带与井口上的安全绳接牢,然后手持风钻钻一个Φ10cm的孔,查看溶洞内是否有承压水,本桥溶洞内均为无压力水,溶洞内充填物均为细砂、中砂、泥质土及少量圆砾。探明溶洞后,每开挖掘进0.5m后立即立模浇筑护壁砼。挖穿溶洞顶盖后,用水泵将溶洞内水抽干,由于溶洞内充填物为松散体,开挖时孔径较大,护壁外围采用砂袋支护,然后立即立模浇筑护壁砼,溶洞内护壁砼应加设钢筋。穿过溶洞后进入微风化石灰岩,采用松动爆破的方式进行开挖,以免护壁被炸坏或振动开裂,造成坍孔,同时孔壁周围眼孔要加密,不装药,保证爆破后孔壁完整。
2.冲孔施工
在岩溶地区采用冲击钻机成孔,最重要的问题是如何解决在成孔过程中不发生坍孔,保障施工人员及钻机的安全。在实际施工中,我们采取以下几个预防措施:
⑴在钻机底座滚筒下加铺二根长18m的Φ30cm无缝钢管,防止坍孔时钻机下沉或倾斜。
⑵埋设的钢护筒用钢丝绳系在钻机底座上,防止钢护筒掉入孔中。
⑶在孔位附近备有大量粘土、片石和适当数量的袋装水泥,设置2个容量较大的泥浆池,保证桩孔一旦出现漏浆,能及时补浆和回填桩孔。
根据地质勘察报告,在接近溶洞顶板1m左右时,加大泥浆比重,小冲程冲击,逐渐击穿顶板,同时安排专人观察孔内泥浆面的的变化,发现孔内泥浆面下降,立即提起冲锤,及时补充泥浆,回填粘土、片石和袋装水泥(重量比1:1:0.2),停置一段时间(一般为一天),在停置期间若孔内泥浆继续下降,应随时补充泥浆和回填混合物,待孔内泥浆稳定后,方可继续冲孔,采用小冲程冲击投下的混合物,使其挤入溶洞中,堵塞溶洞通道。在冲击过程中,孔内泥浆还会多次下降,每次泥浆下降,都要及时提起冲锤,补充泥浆和回填粘土、片石,并停止冲孔一天,待稳定后继续冲孔,如此循环反复,直到桩孔不再漏浆为止,顺利穿越溶洞。穿越溶洞进入微风化石灰岩 ,冲击时冲程不宜过大,以免振坍溶洞已固结的护壁。清孔、下放钢筋笼及灌注砼同一般钻孔灌注桩施工方法相同,这里不再详述。
六、结语
1.杭徽高速公路高架桥溶洞桩基成孔施工方法,是经过一段时间的摸索总结出来的。施工伊始,由于对桩位处溶洞的大小估计不足,备用的片石、粘土及袋装水泥数量不够,打穿溶洞后,补浆和回填混合物不及时,造成二根桩孔坍孔,经过近三个月才处理成功;因此,岩溶地区成孔的预防措施非常重要。
2.地质勘探必须有足够的深度和代表性,以保证提供准确的地质资料。原先提供的地质资料不充分,勘探单位只在02省道附近取孔钻探,未逐桩勘探,且深度比桩基浅,有的桩基达到设计标高后,桩底还有溶洞。为确保安全,后来对每根孔桩进行补钻探重新调整桩底标高,确定桩底距溶洞顶不少于7m作为终孔条件。
3.有溶洞的桩基(1000根)施工完成后经专业检测机构现场检测并出具检测报告,I类桩995根,II类桩7根,优良品率99.3%;灌注后的桩基扩孔率为1.2-1.4,证明桩基的成孔方法是成功的。全段没有采用全钢护筒施工方法,节省了大量费用。
参考文献:
[1]中华人民共和国交通部.JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2000.
[2]中华人民共和国交通部.公路工程国内招标文件范本(2003年版).(下册).北京:人民交通出版社,2003.
[3]中华人民共和国交通部.JGT 80/-2004公路工程质量检验评定标准[s].北京:人民交通出版社,2004.
[4]彭效援.最新公路与桥梁工程一级施工实用技术与管理[M].吉林:吉林人民出版社,2003.