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桥梁桩基施工中溶洞处理方法

桥梁桩基础施工中,遇到溶洞的情况并不少见,作为地下隐蔽工程,给施工带来很大困难, 如处理方法不当,往往会造成掉钻、卡锤、埋锤、梅花孔、漏浆、塌孔等事故发生,甚至威胁桥梁运营安全。因而充分了解桥区桩位所遇溶洞的发育规律、基本形态、规模大小、溶穴顶板岩层厚度、完整性、洞内充填物形状等,采取稳妥的措施,保证施工的顺利进行,十分重要。京珠高速公路粤境南段大镇至广州太和段全长122. 34km ,路基宽3315m ,许多桥梁均通过岩溶区。其中第19 标段处于南岭中南段,地质构造上属于华南褶皱带的一部分,区域地质构造轮廓主要有NE 向及EW向构造带。3 座立交桥桩基设计为嵌岩桩,均处于石灰岩地区。设计地质资料显示有少量小溶洞,但在施工中发现地质资料不准确。通过地质补钻揭示溶洞发育,洞内漏水,分布复杂,最大洞高约5m ,溶洞层数多达5 层。钻孔施工过程中发生过漏浆、地面塌陷等事故,增加难度且影响进度。 工程勘察对溶洞区桩基施工前一般采用物探或其它如电磁波层析CT 探测等方法探明溶洞的具体情况。因此,在施工首根桩时发现地质情况与设计资料出入较大后,选择逐桩超前钻探,并按设计桩尖标高在完整基岩内加深5m ,确保桥梁的安全可靠性。

以对广和大桥主桥基础溶洞处理为例:

广和大桥位于广州市白云区石井镇鸦岗村的白坭河水道上,大桥全长791m,桥宽36m,最大跨径120m。其基础采用钻孔灌注桩,其中:φ150cm64根,φ200cm44根,共108根。施工总工期22个月。本桥位地质属于第四纪沉积层覆盖之下,基岩主要为石灰统壶天灰岩。这些石灰纪地层沉积成岩以后,经历了漫长的地质年代和多次构造运动,形成北东向褶皱,并有大致平行于褶皱轴向的纵断层和大致与之垂直的横断面层。后来经历了侵蚀和剥蚀作用,并在地下水的化学和机械作用下形成一系列岩溶地貌,最后在第四纪全新世珠江三角洲最后一次海侵中,形成以冲积相为主的第四纪松软沉积层。从地质资料分析,溶洞分布较广。主桥位溶洞分布广而多。在桥位方案论证中,第一方案,28个钻孔,有12个发现了溶洞;第二方案,28个钻孔,有17个发现溶洞;第三方案,28个钻孔,有11个发现溶洞,最大的溶洞约16m。溶洞按其填充状态可分为空的、半填充的和完全填充的三类:按其填充物的性质可分为粘性土、砂砾和稀土三类;按其漏水情况可分为漏水和不漏水两类。溶洞的走向与河流的流向相同。根据上述地质条件,从技术、经济等方面经过比较,选择了静压化学灌浆法、套内护筒法等施工技术配合使用处理溶洞,取得预期的效果,推介如下。

1主桥桩基对溶洞的处理:主桥桩基精确放样后,在桩基施工平台上用地质钻于桩中心进行超前钻,必要时增加钻位。根据超前钻的结果,确定护筒的打入深度。有溶洞的桩位,护筒沉至风化岩层,置于强风化岩面上,这样可穿过土洞。护筒的底部即为岩层或溶洞的顶部。没有溶洞的桩,护筒沉放要穿过淤泥质亚粘土、砂砾层,置于砂砾质亚粘土层至少2m深。根据溶洞的不同类型,最后决定兼用两种不同的施工方案。图1布孔平面及剖面示意方案a当溶洞内有填充物填满或有流砂的,或当溶洞为空洞或填充物不满(水洞)且深度在3m以内的,在钻孔桩施工前先进行预处理,采用静压化学灌浆法固填充物和流砂,或用此法填满溶洞,在固结体达到一定强度以后再钻孔施工。方案b当溶洞为空洞,且深度在3m以上的,拟用套内护筒法施工,即用内护筒穿过溶洞的施工方案。

2方案:a方案,b施工方法

2.1方案a(静压化学灌浆法)施工方法

2.1.1技术要求

溶洞预处理的目的是为了加固溶洞填充物和填满溶洞空间并达到一定的强度(20mpa以上),防止钻孔桩施工时泥浆流失、流砂及坍孔等情况的发生,保障成孔及水下混凝土浇注等一系列施工工序的顺利完成。溶洞预处理施工,在钻孔桩施工之前进行,相当于在桩基础施工过程中,于钻孔桩施工工序之前加入一道预处理工序,与桩基施工的各工序一起形成流水作业。

2.1.2施工方案

(1)处理方法选择由于溶洞埋藏较深,不能用爆破或填充混凝土等一般方法处理,有效的处理方法是灌浆法。而在众多的灌浆法中,因溶洞的不规则性,决定了其处理的最有效和比较经济的方法是静压化学灌浆法。因此,采用静压化学灌浆法,同时也可兼用喷射灌浆法,促进填充物强度的加强。

(2)静压化学灌浆的加固特点浆材可在几秒或在几十秒内瞬间凝固,可控制浆液灌注在一定范围内且不流失,材料的利用率高,比较经济。浆材的结石率为100%,即1m3体积浆材可得1m3结石体。对溶洞中的砂、砾等土体,浆液是通过渗透作用板结砂和砾的;对于溶洞中的稀土、亚粘土等土体,浆液是通过劈裂、挤密作用加固土体的;对于无填充物和半填充溶洞的空间,浆液是通过充填作用填满溶洞的。浆液在土体中的渗透扩散方向是往小主应力面方向,浆液固化后,小主应力面得到加固,而原次小主应力面变成小主应力面。这样,通过对小主应力面反复不断的加固,一方面渗透、挤密溶洞中的土体的空隙,充填溶洞的空间,在桩体周围形成防水帷幕,防止流砂和保证护壁泥浆不流失;另一方面,提高溶洞中土体的承载力和抗剪力形成挡土墙,防止坍孔。静压化学灌浆的关键在于浆材的配方和工艺。

2.1.3主要施工机械设备

主要机械设备有:bw250泥浆泵,bw150泥浆泵,100型钻机,泥浆搅拌机和贮浆槽,高压灌浆管及其配件。

2.2方案b(套内护筒)施工方法

2.2.1内护筒长度的确定护筒长度l=h+3(m)(h为地质超前钻确定的溶洞高度)

2.2.2内护筒内径的确定内护筒内径应大于φ220cm,同时外径应小于外护筒内径5cm左右,如果只下一次内护筒(一层溶洞),内护筒内径选用233cm,壁厚为1cm,则外径为235cm(主桥外护筒内径为240cm)。当遇到第二层溶洞时,第二层溶洞的内护筒(即第三次护筒)选用220cm内径。

2.2.3溶洞顶部冲孔

根据超前钻的资料,当钻孔施工接近溶洞顶部时,提起钻头、钻杆,移开钻机(gps-30),采用冲击钻机ykc-30冲孔,冲孔钻头外径235cm。用冲击钻冲孔时,要求轻锤慢打,使孔壁圆滑坚固,提升高度一般不超过50cm。所有卡扣及钢丝绳必须先经测试检查,其它施工工艺及注意事项与常规相同。

2.2.4内护筒的沉放方法

(1)当冲击穿过溶洞顶部时要反复提升冲锤,在顶部厚度范围上下慢放轻提,冲锤不明显受阻碍,说明顶部已成孔并且是圆滑垂直的,此时用钢丝绳活扣绑住内护管,用吊机(或冲机自吊)把内护筒放入外护筒内至孔底。到孔底后,内护筒不会靠自重沉到溶洞底部(因溶洞底有沉渣、沉淀物等)。此时,gps-30钻机重新就位。

(2)护筒沉设利用gps-30钻机进行,在钻机的钻杆上附加压架,利用钻机的钻进压力和钻杆、钻头的重量,使内护筒随钻头的钻进而下沉,直到溶洞的底部。

2.2.5内、外护筒间空隙及内护筒与溶洞底部间空隙的处理

(1)在内护筒底部及顶部100cm范围内回填砂、碎石,中部回填中砂。

(2)用高压喷射灌浆法(施喷法)对回填体进行灌浆处理。灌浆后,内护筒上下两端空隙被砂、碎石及浆液冲填固结,固结强度要求达到30mpa,其抗渗系数可达10-7m/s。灌浆处理后,即可重新冲孔。

(3)在内护筒顶部及底部100cm范围内回填小碎石素水泥混凝土,内护筒中部回填砂,同样能起到堵塞空隙的目的。(4)对于需要处理多层溶洞的桩基,一般仍采用上述灌浆法填充固结空隙进行施工。目的是为了增加溶洞底部(同时有可能是下层溶洞的顶部)附近填充物的密度和强度,并且增加内、外护筒间的胶合力。

(5)重新冲钻,直至嵌入完整基岩。当符合设计及规范要求时,经监理工程师同意即可终孔,此桩即成孔。成孔后的工序工艺与常规相同,并不赘述。

3结语

3.1根据溶洞的不同类型,用方案a、方案b进行分类处理,处理方法可靠,各项技术指标均能满足设计要求。

3.2化学灌浆法对溶洞的预处理达到预期目的,有效防止了钻孔桩施工时泥浆流失、流砂及坍孔现象,可保证成孔及水下水泥混凝土浇注等工序顺利完成。套内护筒法要求对施工过程的每个环节(从确定内护筒长度、内径到沉放方法乃至内外护筒间空隙、内护筒与溶洞底部间空隙的处理)都必须落实到位,便可顺利成孔。

3.3只要对其施工过程严格把好技术关,可有效缩短工期,保证了工程质量与经济效益的双赢。

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