“混凝土灌注樁+大管棚”在東山五標塌方處理中的實踐與研究

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 引言

東山供水工程施工五標為9#隧洞進口土洞段，上接輸水線路施工七標，標段分界點為9#隧洞進口(樁號YD7+205.92)，末端為9#隧洞進口土洞與巖石隧洞交接點(樁號YD9+478.86)，該標段主洞段長約2.273km，施工布置2條支洞(分別為9-1#豎井支洞和9-2#施工支洞)。分別在開挖掌子面樁號YD8+395.885和YD8+434.105時發(fā)生兩次塌方，塌方體淤泥充滿隧洞，完全將掌子面封閉，無法靠近掌子面施工，故剩余38.22m土洞段未開挖。根據(jù)開挖過程中揭露的地質(zhì)情況和施工期補勘孔柱狀圖，剩余土洞段從含砂低液限粘土層中穿過，洞頂存在一層厚度卵石混合土層和級配不良砂層，為主要含水層。卵石混合土層的特性：礫卵石為砂巖，粒徑在6cm～15cm，約占25%；礫石直徑0.5cm～5cm，約占20%；砂為粉細砂，約占30%；土約占25%。含砂低液限粘土層的特性：砂為粉細砂，含砂量約占20%。級配不良砂：結(jié)構(gòu)松散，以粉細砂為主，含砂為60%～80%，土為20%～40%，局部夾低液限粘土層。

地下水位線位于高程1055m左右，9#隧洞洞頂位于高程1019.78m。

2 塌方處理施工方案設計

為了確保洞內(nèi)施工安全，先在塌方段地表利用混凝土灌注樁進行塌方段加固處理，然后再進行洞內(nèi)塌方涌泥堆積體的清運、超前大管棚的支護施工和剩余土洞段的開挖支護施工。塌方處理采用“混凝土灌注樁+大管棚”的施工方法，塌方處理縱剖圖如圖1。

圖1 塌方處理縱剖圖

(1)塌方體洞段地表施工方法：在9-1#下游及9-2#上游塌方掌子面處，各設置一堵混凝土灌注樁止推墻，阻斷洞挖塌方松散體與洞內(nèi)的連接通道，然后進行洞內(nèi)塌方涌泥堆積體的清運。

(2)塌方段洞內(nèi)施工方法：為加快工期及確保清淤效果，分兩次洞內(nèi)清淤。第一次清淤與地表灌注樁同時進行，第一次清淤至不能再清時，立刻封閉掌子面，待混凝土灌注樁止推墻完成后，開始第二次清淤，清至止灌注樁推墻后，進行管棚施工，最后進行剩余土洞段開挖支護施工，直至土洞安全貫通。

具體施工步驟流程如圖2所示。

圖2 塌方處理施工流程

3 灌注樁施工研究

根據(jù)現(xiàn)場情況，在塌方體頂部高程1075m位置開挖面積為1300m2的施工平臺，平臺澆筑30cm厚混凝土做硬化處理。灌注樁施工平臺平面布置見圖3。

圖3 施工平臺平面圖

采用澆筑單排灌注樁的施工方法形成混凝土止推墻，寬度為10m，大于隧洞洞徑4.8m，長度為65m，深入隧洞底部5m。單根灌注樁直徑φ80cm，中心間距為1.0m。灌注樁底部20m為鋼筋混凝土，其余為素混凝土，鋼筋籠采用φ20和φ25鋼筋制成，鋼筋間距20cm。灌注樁設計施工剖面見圖4，平面布置見圖5。

圖4 灌注樁設計施工剖面

圖5 灌注樁設計施工平面布置

3.1 機具選型

因灌注樁施工部位為卵石混合土層和級配不良砂層，多為塌方松散體，土體可塑性差，樁孔深度達到65m。為改善土體情況選擇擠土樁，根據(jù)施工設計選擇塑性混凝土灌注樁，灌注樁造孔設備選擇烏卡斯CZ-6型鉆機，配備中空和實心鉆頭兩種鉆具。

3.2 施工順序確定

結(jié)合擠密樁施工原理，為改善施工段土體密實情況，保證樁孔成型效果，先施工5#、3#、7#、1#、9#樁，再施工4#、6#、8#、2#樁，以便于樁體周邊土體受擠壓，將松散土體擠壓密實，減少塌孔影響。施工順序見圖6。

圖6 施工順序

3.3 孔位及孔斜保證措施研究

灌注樁孔位及孔斜的施工質(zhì)量直接影響關(guān)乎洞內(nèi)是否能形成連續(xù)的混凝土止推墻，關(guān)乎塌方處理的成功與否，因此，灌注樁施工孔位孔斜的質(zhì)量保證為本次塌方處理的關(guān)鍵。

3.3.1 孔位保證措施

由測量人員采用萊卡802全站儀進行樁基軸線定位點和水準點放線，然后根據(jù)樁位平面布置圖，確定每根樁的位置，并在每根樁的中心打入木樁，并做好標記。施工前，樁位要進行檢查復核，以防被外界因素影響而造成偏移。

3.3.2 孔斜保證措施

3.3.2.1 偏孔發(fā)生的原因分析

樁孔偏斜主要表現(xiàn)為成孔后樁孔出現(xiàn)較大垂直偏差或彎曲，一般多發(fā)生在采用沖擊鉆成孔上，在沖擊鉆自護筒向孔底的下沉過程中觀察鋼絲繩與護筒位置相對變化可以判斷是否成孔偏斜。根據(jù)東山五標灌注樁造孔的施工經(jīng)驗，灌注樁施工造成偏孔的原因一般有：①孔底土質(zhì)不均，巖土層強度相差較大；②砂礫層面呈傾斜狀分布；③土層中夾有大的孤石或其它硬物等情形均會造成鉆孔偏斜；④成孔過程中樁錘遇到松散體或采空區(qū)，打空錘引起偏孔；⑤鉆頭偏心過大或掉齒；⑥樁機安裝就位穩(wěn)定性差，沖樁機架在施工中逐漸傾斜或枕木失衡，使樁錘中心偏離孔位[1]。

根據(jù)東山五標灌注樁施工情況，灌注樁埋深為65m，偏孔發(fā)生的部位主要為卵石層與黏土層接觸面。偏孔原因主要有：①由于孔底巖土層不均勻，呈軟硬相間，受力面強度相差較大而造成偏孔；②根據(jù)場地工程地質(zhì)剖面，砂礫層呈傾斜狀分布，沖進過程中樁錘遇傾斜巖面時受力不均，樁錘沿傾斜的巖面發(fā)生偏移，最終造成樁孔偏斜；③由于局部為松散體或采空區(qū)，當成孔過程中樁錘遇到土洞時，打空錘引起偏孔。

3.3.2.2 偏孔的預防措施

灌注樁成孔是依靠鉆頭的重力作用成孔，只要沖程合理，就不會出現(xiàn)孔道偏斜現(xiàn)象，施工前應做好預防措施：①施工前應詳細了解每根樁的地質(zhì)條件，找出可能發(fā)生偏孔的地層位置；②成孔過程中定時檢查鉆頭中心點，當成孔深度到達可能發(fā)生偏孔的地層位置附近時，應加密監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)偏孔情況；③根據(jù)實際地質(zhì)情況確定合理沖程，準確控制松繩長度，避免打空錘；④施工前對樁機進行檢修，確保樁機和樁錘處于正常使用狀態(tài)；⑤樁機安裝就位前先將場地夯實平整，枕木宜均勻著地，確保樁機安裝平穩(wěn)。

3.3.2.3 偏孔的處理措施

在灌注樁施工作業(yè)中，操作人員為了提高進尺，在沖孔過程中不管實際地質(zhì)情況如何，都采用大沖程，這樣就容易造成樁孔偏斜。若發(fā)生樁孔偏斜，應及時采取有效的糾偏措施。根據(jù)我部偏孔處理經(jīng)驗，總結(jié)出沖孔樁偏孔的一般處理措施如下：①在地質(zhì)條件復雜情況下進行沖孔樁施工時，開始時宜小沖程不間斷造孔，進入不均勻地層或遇到孤石時，則宜大沖程造孔；②發(fā)現(xiàn)樁孔偏斜超過規(guī)范要求時，及時向樁孔內(nèi)回填塊石和粘土塊至偏孔位置以上至少0.5m，保持沖斗的作業(yè)面強度均勻，然后采用低錘密沖，反復校正，直到將偏孔校正好；③當采用回填塊石進行糾偏后，應及時清理泥漿池沉碴，以避免影響正常反碴，造成持力層誤判；④糾編前應修復已損壞的樁錘，補焊好鉆頭齒頭。

3.4 鉆孔施工技術(shù)研究

土體多為塌方松散體，含水豐富，成孔難度大，本工程通過調(diào)整泥漿濃度，改善塌孔現(xiàn)象。

3.4.1 泥漿制備

根據(jù)該段地質(zhì)特點，施工中采用砂率為3.2%、塑性指數(shù)為25.7的黏土作為造漿原料。

3.4.2 鉆進過程中的泥漿控制

泥漿主要有三個作用：護壁、浮渣及固孔?？刂颇酀{相對密度的大小取決于樁基地質(zhì)構(gòu)造特點。在施工過程中，進行了多種泥漿相對密度情況下的鉆進試驗，當泥漿濃度控制在1.20以下時，孔壁時常有掉塊現(xiàn)象，極易塌孔，不利于施工；當泥漿濃度控制在1.20～1.35之間時，固壁效果好轉(zhuǎn)，但泥漿中砂率過大，不易帶出浮渣；當泥漿濃度控制在1.4～1.45之間時，泥漿砂率明顯降低，固壁效果良好。為保護護壁，不造成塌孔，在清孔完成后泥漿濃度不易太低，控制在1.2～1.35之間，粘度25～35，砂率控制在10%以下。

3.4.3 高濃度泥漿對灌注樁的危害及解決辦法

(1)危害：降低灌注樁的側(cè)摩擦力。清孔后泥漿濃度相對較高，稠度大，在孔壁上形成的泥皮厚，澆筑時無法有效清除，則會減小樁基與孔壁間的摩擦力。在洞內(nèi)灌注樁鑿除后，會因摩擦力小于灌注樁自重導致下滑，造成洞內(nèi)施工危險[2]。

(2)解決辦法：在灌注樁施工過程中，在可塑性較差地質(zhì)段會有局部掉塊現(xiàn)象，形成灌注樁設計斷面外的空腔，該空腔可作為灌注樁“抗滑槽”，此時停止鉆孔施工，在該位置澆筑高度為3m的混凝土，澆筑完成后的混凝土在“抗滑槽”內(nèi)形成“齒墻”，在施工過程中形成的一個個“齒墻”，解決了灌注樁下滑的難題。

3.5 地水位線位置施工技術(shù)研究

根據(jù)地質(zhì)剖面圖所示，在埋深20m～26m處為地下水位線位置，該段含水比較豐富，施工到該位置后，泥漿被部分地下水稀釋，濃度不夠，部分泥漿通過原有的水系通道滲漏，造成孔內(nèi)泥漿高度不足，濃度不夠，泥漿無法達到設計的護壁效果，經(jīng)過長時間的浸泡，施工擾動易造成塌孔現(xiàn)象。在即將施工該位置時，向孔內(nèi)添加碎玉米秸稈和袋裝水泥，將原水通道堵塞，減緩漏漿速度，提高泥漿濃度。到達該位置時停止鉆進施工，向孔內(nèi)填入混凝土，確保高于地下水位線，等10h后混凝土成為整體，重新鉆進施工，同時加入棉絮和碎玉米秸稈，以堵塞混凝土被鉆機打裂的縫隙。

3.6 采空區(qū)施工技術(shù)研究

灌注樁45m以下部位為已開挖完成洞段，形成采空區(qū)。為防止施工至采空區(qū)頂部，泥漿急速涌入采空區(qū)，灌注樁孔內(nèi)形成負壓，導致泥漿護壁掉落，造成塌孔現(xiàn)象。該工程在灌注樁施工至45m位置前，在洞內(nèi)修筑磚砌止推墻，將洞子封堵，并向墻內(nèi)注漿，將采空區(qū)填充密實，從而解決泥漿涌入采空區(qū)，造成塌孔的問題。

3.7 第一、二次洞內(nèi)清淤施工

在盡可能穩(wěn)定的前提下進行第一次清淤施工，清淤施工時刻關(guān)注灌注樁施工進尺，在第一根灌注樁施工到達洞頂高程以前，將施工面用磚砌止推墻完全封閉，并回填黏土泥漿，確保墻內(nèi)填充飽滿。在地表混凝土灌注樁施工完成達到設計強度后，開始洞內(nèi)第二次清淤。在確保安全的情況下清至灌注樁位置。

4 管棚工作室施工

為了便于φ108大管棚的施工，在距灌注樁止推墻5m原開挖完成洞段進行擴挖，建造管棚工作室，工作室采用φ76管棚+I14工字鋼支護，具體支護參數(shù)為直徑D=φ76，δ=5mm，L=12m，間距0.3m，傾角12°，I14工字鋼每0.5m一榀，8根φ25，L=2m鎖腳錨桿。工作室頂部擴挖高于原洞頂65cm。管棚工作室開挖支護見圖7。

(a)管棚工作室開挖支護平面

(b)1-1斷面

(c)2-2斷面

5 大管棚施工

分別在樁號YD8+444.105和YD8+388.885頂拱邊墻位置設置兩組30m長大管棚，兩側(cè)管棚均穿過灌注樁，且在未開挖區(qū)中間位置搭接，從而保證超前支護強度，以便后續(xù)開挖支護施工的順利進行，管棚剖面見圖8。大管棚設計參數(shù)為：直徑D=φ108，δ=5mm，L=30m，間距0.3m，傾角5°，在D=108鋼管內(nèi)安裝1根φ76管棚和3根φ25束，以增強管棚的剛度，φ108管棚斷面布置參見圖9、圖10。灌漿采用純水泥漿，水灰比為1∶1和0.5∶1，φ76管棚灌漿壓力為0.3MPa～0.5MPa。注漿管制作加工見圖11。

圖8 管棚剖面

圖9 大管棚施工參數(shù)斷面

圖10 D108管棚結(jié)構(gòu)剖面

圖11 注漿花管

5.1 復雜地質(zhì)條件下鉆孔施工研究

根據(jù)現(xiàn)場情況，鉆具需穿過網(wǎng)噴混凝土、土層、混凝土灌注樁。穿越地質(zhì)復雜，若單采用沖擊鉆頭，在土層施工時不但施工效率低下，出渣時需要反復涌水沖孔，對土質(zhì)地段極為不利，特別容易引起塌孔現(xiàn)象；若單采用回旋鉆桿施工，則在網(wǎng)片噴射混凝土和灌注樁段施工時無法進行。該段需穿越塌方松散體，地質(zhì)條件較差，為富水含砂層，極易塌孔，不利于穿管作業(yè)。

大管棚鉆孔施工分別依次穿過鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土、砂層或土層、混凝土灌注樁和土層，從而影響成孔效果，面對不同介質(zhì)采用不同鉆頭及鉆具，采用SKMG40錨固鉆機，采取跟管施工并配備三個鉆頭(φ130沖擊鉆頭，φ110偏心鉆頭和φ125回旋鉆頭)。故我部先用φ130沖擊鉆頭將噴射混凝土鑿除，人工配合將網(wǎng)片割除，待造孔穿過噴射混凝土層到達砂層或土層后將鉆桿拔出更換φ125麻花鉆繼續(xù)造孔；待造孔遇到混凝土灌注樁后，將麻花鉆整體取出更換為φ130的沖擊鉆頭及與其匹配的鉆桿，繼續(xù)造孔；待穿越灌注樁后再次將整套鉆具鉆頭取出更換為φ125回旋鉆頭，繼續(xù)鉆進；待達到設計深度以后，最后更換φ110偏心鉆頭將跟管一次送入鉆孔中，從而完成鉆孔施工。

5.2 鉆孔角度保證措施研究

5.2.1 導向架安裝

根據(jù)現(xiàn)場情況進行測量放線，確定導向架實際尺寸，在鋼筋加工房放大樣確定導向架加工尺寸。導向架設計：I14工字鋼拱架縱向安裝3榀，間距50cm，縱向分布φ25連接鋼筋環(huán)向距1m。仰坡中預埋錨固筋要與工字鋼焊接，保證其穩(wěn)定性。在制定位置安裝大管棚導向管(φ140mm鋼管，壁厚5.5mm，節(jié)長50cm)?，F(xiàn)場施工時利用全站儀在工字鋼鋼架上測量定出平面位置，設定導向管的傾角、外插角，然后按設計要求焊接在套拱鋼拱架上，導向管與鋼拱架應焊成整體，防止套拱混凝土施工過程中產(chǎn)生位移。此外，導向管靠近掌子面端頭必須密貼作業(yè)面。

5.2.2 鉆孔施工保證措施

(1)鉆進過程中，由于鉆具受重力作用不斷下偏，致使鉆機上翹，鉆孔越長，此種現(xiàn)象越明顯，因此，鉆機就位時角度控制在7°～8°，略大于設計的5°傾角。

(2)跟管鉆具在施工前應逐一檢查沖擊器、偏心鉆頭、導正器、套管靴等，使之工作正常。偏心錘頭應能靈活轉(zhuǎn)動，連接銷及鎖緊機構(gòu)應牢固，鉆桿與潛孔錘和潛孔錘與偏心鉆具的連接應可靠，套管和套管靴無裂紋。

(3)跟管鉆進時，在確認鉆頭接觸到碎石土層后，先回轉(zhuǎn)，待正常后，再開風沖動鉆進。

(4)每鉆進一定距離應強風吹孔排粉一次，以保持孔內(nèi)清潔。

(5)當偏心頭回轉(zhuǎn)部分被巖渣卡住而不能收攏偏心頭時，應開動空壓機重新對鉆孔進行清洗，作短時間鉆進，然后再進行試提，如此反復，直至提出中形鉆具。

5.3 管棚注漿施工技術(shù)研究

5.3.1 注漿準備

大管棚施工前先將掌子面噴射厚度為10cm的C20混凝土，將掌子面封閉，不但能保證管棚期間掌子面的穩(wěn)定性，還能防止注漿時漿液滲漏。

5.3.2 施工順序

管棚注漿順序遵循“先兩側(cè)后中間、兩側(cè)對稱向中間靠近、漿液由稀到濃”的原則。為防止出現(xiàn)塌孔或注漿竄孔，可分序分循環(huán)施工，奇數(shù)孔為Ⅰ序孔，偶數(shù)孔為Ⅱ序孔，先進行Ⅰ序孔，再進行Ⅱ序孔施工，同一工序孔內(nèi)每4個孔分為一個循環(huán)，一個循環(huán)完成后再進行下一循環(huán)施工。I序孔施工完成后按此施工順序施工Ⅱ序孔。

5.3.3 管棚注漿

由于管棚長達30m，采取全孔一次灌漿法會使孔底灌漿壓力衰減，無法保證灌漿施工質(zhì)量。故采用自下而上分段灌漿法進行灌漿施工。由于塌體內(nèi)空洞大而多，這些空洞有的直接與塌空區(qū)相連，注漿時漿液在壓力作用下通過這些空洞泄流至塌空區(qū)，而不能在管棚附近均勻擴散，從而使注漿加固帶無法形成，為此，根據(jù)經(jīng)驗采用間歇注漿法，即當長時間注漿壓力上不來時，說明漿液順空隙泄流至塌空區(qū)，這時將漿液凝結(jié)時間調(diào)整至30s～50s，注漿1min～5min，停40s，待原注入漿液初凝變稠后再注，如此反復，則原先的泄?jié){通道逐漸變小并最終堵塞，漿液即在管棚周圍達到均勻擴散的目的。

6 破樁施工技術(shù)研究

混凝土灌注樁樁長65m，貫穿隧洞開挖斷面，破除段為侵占隧洞開挖斷面部分，為樁體埋深54.5m～58.4m段，該混凝土灌注樁摩擦受力，破樁施工若擾動過大，會導致受力情況變化，樁體失穩(wěn)，導致整體下滑，造成安全事故。因此，在破樁施工時，先人工鑿除洞頂20cm混凝土，配合氧氣焊將鋼筋割除，待將灌注樁完全鑿斷后，再用破碎錘鑿除以下部分。期間人工用氣焊對樁內(nèi)鋼筋進行割除，拆除混凝土及廢鋼筋采用扒渣機裝入5t自卸車內(nèi)運至渣場。在灌注樁完全破除后，用三榀I14拱架緊貼灌注樁支立，確保灌注樁受力穩(wěn)定。在施工過程中派專職安全員監(jiān)視洞內(nèi)情況，如有危險及時通知撤離。

7 富水含砂段開挖支護施工技術(shù)研究

該段土洞地質(zhì)條件差，土質(zhì)多為砂土且開挖期間滲水嚴重，開挖面砂土經(jīng)水浸泡極易造成塌方。

7.1 排水花管安設

針對該地質(zhì)情況，我部在管棚施工完成后，在管棚周邊增設3～5根φ108角度為30°長度為30m的排水花管，以減少土體內(nèi)壓力，并將土體內(nèi)大部分水引排，減少水對開挖施工的干擾。

7.2 開挖施工技術(shù)研究

采用“超前支護、分臺階、預留核心土、分部位、短進尺、勤支護”的方法進行開挖。

總結(jié)歷次塌方的經(jīng)驗，每次塌方前都是土體受水浸泡，變?yōu)榱魃?，導致下臺階或預留核心土坍塌流出，致使開挖掌子面形成反坡，隨著時間推移而擴大，在土體承載力不夠的情況下造成塌方。因此，開挖施工防止塌方要做到以下幾點：

(1)確保未開挖區(qū)的穩(wěn)定。隨著排水花管長時間排水，水流攜帶泥沙流出，造成未開挖土體內(nèi)部形成空腔，在水流的影響下，隨著開挖掌子面逼近，極易造成塌方。因此，在開挖施工前用噴射混凝土將掌子面封閉，并針對空腔區(qū)打2m長φ42超前小導管注漿，直至注滿為止。

(2)確保下臺階及核心土的穩(wěn)定。開挖上臺階時為減少下臺階的穩(wěn)定性，將袋裝水泥平鋪在下臺階作為施工平臺，為保證核心土的穩(wěn)定，用人工先掏槽支護再開挖其余土體的施工方法進行核心土的保護。

(3)確保上臺階開挖面的穩(wěn)定。在施工期間如有水流攜帶泥沙流出，及時用袋裝水泥將形成的反坡填實，并用噴射混凝土將掌子面封堵。然后對掌子面進行固結(jié)灌漿。待穩(wěn)定后重新破面開挖。

(4)確保邊墻穩(wěn)定。為爭取施工時間，下臺階開挖分兩個邊腿開挖支護和底板支護開挖三部進行。采用小挖機將邊墻位置鋼拱架支腿位置挖出，并安裝支腿，鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土，然后再進行另一支腿的開挖支護，最后待兩條支腿穩(wěn)定后再進行底板的開挖支護施工，最后進行底板混凝土的回填。

8 結(jié)語

本文通過對東山供水工程五標塌方處理施工過程中的經(jīng)驗總結(jié)，提出通過混凝土灌注樁形成阻擋塌方體向洞內(nèi)涌泥的止推墻，為清淤工作提供施工條件以便靠近施工掌子面，然后采用全斷面大管棚施工的方法將塌方體下方設計開挖洞段全斷面封閉，形成“大管棚+水泥漿的保護殼”阻斷涉及開挖線以外流沙對設計開挖段施工的干擾，阻斷外界淤泥涌入開挖區(qū)。在保證施工安全的前提下，塌方處理完成并做到了在富水砂層段的隧洞貫通，獲得高效率、低成本的施工工藝和施工方法，可以為以后此類工程提供借鑒。