中老鐵路橋梁樁基巖溶處理的施工技術(shù)

李 強， 秦 余 順

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

中老鐵路是國家“一帶一路”倡議重點建設(shè)工程，沿線碳酸鹽巖廣泛分布，巖溶弱-強烈發(fā)育，局部地段巖溶地面塌陷現(xiàn)象嚴重，其中易、極易塌陷區(qū)嚴重影響鐵路運營安全。施工過程中頻繁遭遇漏漿、塌孔、混凝土超方等系列問題，給施工帶來嚴重的困擾。本文結(jié)合拋填黏土片石筑壁和鋼護筒跟進處理措施在朋松楠松河特大橋的應(yīng)用，闡述了充填黏土片石和鋼護筒跟進處理措施的優(yōu)缺點及應(yīng)用效果，闡述了該兩種處理措施的優(yōu)缺點及適用性。

1 工程概況

朋松楠松河特大橋位于老撾萬榮，橋梁全長2 761.063 m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，下部結(jié)構(gòu)單線流線型實體墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.0 m和1.25 m兩種，樁長 6～47 m。橋址區(qū)不良地質(zhì)為巖溶、地震區(qū)砂土液化，特殊巖土為松軟土。地表溶溝、溶槽、溶蝕洼地等各種巖溶形態(tài)發(fā)育。 橋址區(qū)地質(zhì)勘探鉆孔316 孔，其中155個鉆孔總計揭示276個溶洞，鉆孔見洞率達 49%。 其中 72.5%為空洞，14.5%為流塑-軟塑粉質(zhì)黏土充填，7.2%為硬塑粉質(zhì)黏土充填，3.2%充填砂類土，1.6%充填圓礫土。 巖溶中等-強烈發(fā)育，最大溶洞高約 12.1 m。

橋址區(qū)地表水體以楠松河河水為主，楠松河為橋區(qū)最大的河流，水量較大，屬常年流水，受大氣降雨補給，流量隨季節(jié)及降雨量而變，旱季水質(zhì)清澈透明，雨季水量暴漲而渾濁，部分沿土層孔隙下滲補給地下水。地下水以土層孔隙潛水和基巖裂隙水、巖溶水為主?；?guī)r含較豐富的巖溶水，橋梁處于季節(jié)變動帶。

典型巖溶發(fā)育形態(tài)主要有以下四種：I型，高度2.5 m以內(nèi)小型空洞[圖1(a)]；Ⅱ型，2.5～5 m的全填充或局部填充溶洞[圖1(b)]；Ⅲ型，高度5 m以上較大溶洞、串珠狀溶洞[圖1(c)]；Ⅳ型，形成較大的地下水流通道，主要分布于楠松河兩岸。

圖1 典型巖溶發(fā)育形態(tài)圖

2 巖溶處理的技術(shù)措

巖溶地段鐵路橋梁樁基處理措施一般有拋填筑壁法、鋼護筒跟進法、超前注漿填充法、全回轉(zhuǎn)全套管法等。 鑒于老撾國內(nèi)機械設(shè)備缺乏，同時從全線巖溶的溶蝕程度、空腔的大小、經(jīng)濟成本等綜合分析，本工程采用了繞避法、拋填筑壁法、鋼護筒跟進法及后2種方法相結(jié)合的綜合處理措施。

2.1 工藝描述

2.1.1 拋填筑壁法

采用沖擊鉆正常成孔，當鉆穿溶洞漏漿時，迅速拋填黏土夾片石，沖孔擠壓并擠密溶洞內(nèi)填充物，反復(fù)回填沖孔，逐步將溶洞裂隙、空隙填充完全，直至孔內(nèi)漿液面穩(wěn)定，達到填充溶洞及擠密筑壁效果(圖2)。

2.1.2 鋼護筒跟進法

采用沖擊鉆正常成孔，待沖孔穿過溶洞底部后，再接護筒，并將其錘擊或振動下沉至已鉆成的孔內(nèi)或溶洞內(nèi)，用以阻斷溶洞內(nèi)流塑充填物或水的流動[1](圖3)。

2.2 Ⅰ、Ⅱ型溶洞處理

圖2 拋填筑壁法處理示意圖

圖3 鋼護筒跟進法處理示意圖

對于此類小型空洞，中型全填充或局部填充溶洞，主要采取了拋填黏土片石筑壁法處理，由于不存在高速水流且溶洞孤立存在，拋填筑壁法可快速、高效、經(jīng)濟地完成溶洞處理[1]。根據(jù)實踐，反復(fù)充填2～5次，可將溶洞填充密實，同時不易塌孔，處理效果良好。另外經(jīng)與鋼護筒跟進法對比，工效相同，經(jīng)濟效益顯著。

2.3 Ⅲ、Ⅳ型溶洞處理

對于該類較大型、成串珠狀的溶洞，或存在地下水連通通道，拋填筑壁法工效低且易塌孔，處理效果不佳；鋼護筒跟進法伴隨跟進困難，易被擠壓變形等缺陷。經(jīng)反復(fù)對比優(yōu)化，本工程主要采取了兩者結(jié)合的處理方式。分析如下：

(1)拋填筑壁法具有如下特點：

①工效低、易塌孔。由于處理范圍大，需反復(fù)充填多次，水頭頻繁降低，同時頻繁沖擊振動影響，極易造成塌孔，或?qū)⑾噜徣芏幢谡翊?，甚至引發(fā)地表塌陷。本工程前期10根類似樁反復(fù)充填處理均達12次以上，49-1#樁達28次，頻繁塌孔，用時45 d，最后造成地表塌陷，成孔失敗。②后續(xù)混凝土灌注超方嚴重。由于黏土及片石自身流動性差，回填擴散范圍有限，同時鉆頭的擠壓力也有限，不能將回填料擠壓填滿整個溶洞,同時因為填充體不密實，后續(xù)鉆頭沖擊震動，會使孔口部分黏土、片石松動掉入孔內(nèi)，使回填區(qū)域上部形成通道。后續(xù)混凝土澆筑過程中，由于水下混凝土的高流動性，使混凝土在達到回填區(qū)域上部通道時，順通道繞過回填區(qū)流入未被回填到的空腔內(nèi)，因此就成混凝土的嚴重超方(見下圖4)。

圖4 混凝土灌注超方示意圖

(2)鋼護筒跟進法的特點：跟進困難，易變形。

①根據(jù)地質(zhì)勘探，本工程串珠狀溶洞居多，洞壁較薄，且伴隨斜面巖、凸起塊石，大部分鋼護筒只能跟進至基巖面頂部，鉆頭貫穿較薄洞壁及遇到斜面巖、凸起塊石時，碰撞造成鋼護筒變形。②由于空洞較大、未填充，易引發(fā)大范圍塌孔，鋼護筒受擠壓發(fā)生彎曲變形。

(3)鋼護筒跟進和拋填結(jié)合法的特點：結(jié)合鋼護筒跟進和拋填法的優(yōu)缺點，本工程主要采取了少量拋填黏土片石，無需擠壓密實，然后快速跟進鋼護筒的方法，取得了較好的效果。

①鋼護筒跟進前拋填黏土片石可鉆進沖擊磨平斜面巖，避免了鉆頭碰撞鋼護筒。②對空洞進了填充，降低了大范圍塌孔風險。③少量拋填黏土片石，充填1～3次，無需擠壓密實，既解決了鋼護筒跟進缺陷又避免了反復(fù)多次充填黏土片石周期長等缺陷；第四，對于IV型溶洞，拋填黏土片石時摻加部分袋裝水泥，擠壓覆蓋層與巖石接觸段，可快速固結(jié)阻斷流動水，同時鋼護筒迅速跟進徹底封閉地下水流通道[2]。

2.4 繞避法

合理繞避大中型溶洞，是最優(yōu)的巖溶處理措施。 朋松楠松河特大橋11#墩，鉆探表明該處巖溶強烈發(fā)育，而小里程側(cè)明顯巖溶不發(fā)育， 結(jié)合該橋跨越老撾 13#公路的情況，將32 m孔跨改為48 m連續(xù)梁，11#墩向小里程方向移動 16 m，調(diào)整后樁長由34.5 m優(yōu)化為18.5 m，有效繞避了巖溶強烈發(fā)育區(qū)，效果顯著[3]。

3 巖溶處理的的體會

綜上所述，通過拋填筑壁法、鋼護筒跟進及兩者結(jié)合方法對不同形態(tài)巖溶的處理效果的對比分析，從工效、成本等方面確定了巖溶處理措施的選定原則和施工注意事項。

3.1 巖溶處理措施的選定原則

巖溶處理的措施選定原則見表1。

3.2 巖溶施工的注意事項

(1)在巖溶地區(qū)成樁宜選用沖擊鉆機，控制的沖能在2.5 t～5.0 t.m為宜。沖能過小對孔壁裂隙和孔壁周邊的溶洞槽擠壓能力小，孔壁不夠密實易于滲漏。同時沖能小破碎能力小，鉆孔速度進尺慢。但沖能過大，通過頂板的速度快，易于卡鉆，擴孔現(xiàn)象嚴重[3]。

(2)巖溶區(qū)溶洞、裂隙形態(tài)復(fù)雜且相互連通，根據(jù)巖溶裂隙走向，溶洞的大小、多少、頂板的厚度等地質(zhì)條件，合理選擇開孔順序。鉆孔時要做到先外后內(nèi)、先大溶洞后小溶洞、先長樁后短樁、樁位之間交叉施工的原則。

表1 溶洞處理措施的選定原則

(3)加強地質(zhì)勘探，要對每根樁基的地質(zhì)狀況用地質(zhì)鉆機進行實地詳細的了解分析，掌握樁基的地質(zhì)狀況、溶腔的高度、寬度、填充物等情況，經(jīng)過詳細的分析和處理，便于制定具有針對性的施工措施。

(4)對照設(shè)計地質(zhì)資料，當鉆至溶洞頂板1 m左右時，用小沖程(1～1.5 m)快頻率沖擊的方法逐漸擊穿溶洞。若孔內(nèi)無填充物，泥漿面會迅速下降，要迅速往孔內(nèi)加注泥漿，以保持水頭差，防止塌孔?？蛇m當增加泥漿中的黏土數(shù)量，泥漿密度提高至1.3～1.4 g/cm3，泥漿粘稠度控制在25～30 s。同時提鉆至孔口，以防卡鉆。

(5)黏土、片石提前備足，漏漿時馬上回填，以小沖程反復(fù)沖砸，形成泥壁，堵塞洞內(nèi)通道，防止孔壁坍塌和泥漿流失[4]。

(6)提出鉆頭后，用裝載機配合挖掘機及時將準備好的黏土、片石按1∶2的比例拋入。投入量按溶洞豎向高度加2 m以上，當孔內(nèi)水頭穩(wěn)定時，然后采用低提慢進的方法重新沖孔，通過沖孔擠壓并擠密溶洞內(nèi)填充物，堵住溶洞并重新造漿。使溶洞范圍形成護壁后，再繼續(xù)施工。

(7)提前加工好鋼護筒:每節(jié)高度 1. 5 m，護筒內(nèi)直徑比設(shè)計樁徑 +10 cm。鋼護筒的加工尺寸必須嚴格控制，護筒上下節(jié)的連接縫除焊接外，還在接縫處焊 5 cm 寬的加強鋼帶，護筒水平接縫所成平面與護筒豎向垂直，使整個鋼護筒的垂直度符合要求，振動錘與護筒頂面焊接牢固，無松動;并要求振動錘位居護筒頂面中，各節(jié)下沉的護筒必須嚴格控制垂直度。

(8)如黏土片石未能有效封堵住溶洞，為增加填充物固結(jié)強度，降低灌注樁施工時塌孔風險，需要在再投入黏土時分批投放袋裝水泥，水泥量以回填深度每米不少于3包，以整袋投入，然后用鉆頭將水泥袋擊破并與黏土片石攪拌均勻[5]。

4 結(jié) 語

巖溶地基的工程危害極大，因此，研究巖溶地基的施工問題具有較強的現(xiàn)實意義，本文根據(jù)中老鐵路巖溶發(fā)育情況，通過采用繞避法、拋填片石黏土筑壁法、鋼護筒跟進法以及與拋填片石黏土筑壁法相結(jié)合的施工措施，高效、經(jīng)濟地對不同發(fā)育形態(tài)的巖溶進行了處理。目前中老鐵路朋松楠松河特大橋巖溶地段樁基施工已全部完成， 經(jīng)超聲波檢測，樁身混凝土質(zhì)量均達到I類樁要求，所采取措施可行。