鐵路橋梁承壓水地層鉆孔灌注樁成孔方法的研究

張 琦

(黑龍江省龍建路橋第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

在鐵路橋梁的鉆孔灌注樁施工中，樁基礎(chǔ)位于承壓水地層的情況比較罕見，如果施工單位沒有足夠的經(jīng)驗，不對此情況予以特別的重視和準備，往往會造成樁基無法成孔的情況，即使勉強成孔，灌注混凝土?xí)r也會產(chǎn)生嚴重的超灌現(xiàn)象，且非常容易導(dǎo)致樁身混凝土質(zhì)量不合格的情況，從而造成廢樁，對工期、造價等產(chǎn)生巨大影響。目前國內(nèi)的相關(guān)研究成果并不是很多，比較有代表性的如王錦寶研究了承壓水地層采用旋挖鉆配合降水的方法進行施工[1]；胡志廣研究的高承壓水地區(qū)采用沖擊鉆鉆孔，配合拋填黏土、片石、碎石等對承壓水層進行封閉處理方法[2]。如果在富水量大的承壓水地層進行大規(guī)模降水，會引起地基的附加沉降，鑒于鐵路工程對地基沉降的高敏感性，采用降水的方法進行施工并不合適。本文依托北黑鐵路(龍鎮(zhèn)至黑河段)升級改造工程項目三蓮山特大橋的鉆孔樁基礎(chǔ)施工，根據(jù)試驗與理論計算，考慮工期、造價等因素，綜合采取處理措施進行施工，對前人的先進經(jīng)驗進行了補充與細化，并總結(jié)出相應(yīng)的施工方法。

1 工程簡介

北黑鐵路(龍鎮(zhèn)至黑河段)升級改造工程項目三蓮山特大橋為全線最長特大橋，為全線重點控制性工程，橋梁全長1 419.55 m，孔跨布置為43～32 m單線簡支T梁，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)408根。其中12#～21#橋墩位于承壓水地層范圍內(nèi)，共140根樁基。設(shè)計采用直徑1.25 m樁基，樁長36～44 m。設(shè)計單位給出的方案為提高地面護筒高度，通過提高孔內(nèi)泥漿高度與承壓水水頭相平衡的方法進行鉆孔施工。

1.1 地質(zhì)概況

橋址區(qū)的地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏土、中砂、礫砂，第四系上更新統(tǒng)坡洪積層粉質(zhì)粘土，下伏第三系孫吳組砂礫巖、泥質(zhì)砂巖。泥巖等。上部地層主要為黏土、中砂、礫砂，層厚約為12 m，其下間隔分布泥巖層、泥質(zhì)砂巖層。

1.2 水文概況

橋址區(qū)地表水主要為太陽河及小支流，地下水主要為承壓水，承壓水主要分布于下伏的多層泥質(zhì)砂巖層中，間隔的泥巖層為隔水層。承壓水初見水位埋深為20.5～27.6 m，主要接受大氣降水、地表水、側(cè)向徑流和越流補給。橋梁位于兩山夾一溝的地形中，太陽河河床兩側(cè)地形起伏較大，造成該層承壓水水頭較高，勘測期間水頭高于原地面6 m。

2 施工方法的研究

2.1 實測地層承壓水水頭

在確定穿越承壓水地層的樁基后，制作直徑10～20 cm，厚2～3 mm左右的鋼管作為測水頭管，同時制作反濾網(wǎng)并牢固地安裝在測管底部。在樁位附近利用鉆井機或其他設(shè)備將制作好的測壓管慢慢打入地層，并時刻觀測管內(nèi)水位，在打入過程中一旦觀測到測管內(nèi)水位迅速上升，立即停止打入并記錄穩(wěn)定后的管內(nèi)水位距原地面(工作平臺)的高度h1、與初見承壓水層位置距原地面的高度h2，同時記錄承壓水層上限的高程。

2.2 初步計算所需泥漿重度

本項目樁基施工以泥漿平衡法為核心方法，即將泥漿重度控制為

(1)

式中：γ′為所配置的泥漿重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；h1為穩(wěn)定后的測管內(nèi)水位距原地面的距離，m；h2為初見承壓水層位置距原地面的高度，m。

注：計算時另加上的2 m為安全富余高度。

圖1 測管示意圖

2.3 根據(jù)計算結(jié)果確定施工方法

(1)確定泥漿比重的上限值

同濟大學(xué)的朱棟文、趙春風(fēng)等的研究成果表明：泥漿比重增大加大了孔壁泥皮厚度，不利于樁身側(cè)摩阻力的發(fā)揮，且易導(dǎo)致樁基縮徑[3]。同時，如果泥漿比重過大，在泥質(zhì)砂巖與砂質(zhì)泥巖地層中非常容易造成泥塊懸浮在泥漿中，造成清孔困難，極易導(dǎo)致灌注混凝土后樁身有泥塊夾層，導(dǎo)致質(zhì)量事故。《鐵路橋梁鉆孔樁施工技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9212—2015)第4.4.1條第2款規(guī)定：沖擊鉆使用管型鉆頭鉆孔時，泥漿比重可為1.1～1.3[4]?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)第6.3.2條第3款規(guī)定：灌注混凝土前，孔底500 mm以內(nèi)的泥漿相對密度應(yīng)小于1.25[5]。故泥漿比重的上限值不能盲目根據(jù)計算值確定使用，必須控制在一定范圍內(nèi)，根據(jù)三蓮山特大橋現(xiàn)場樁基礎(chǔ)施工的成果經(jīng)驗綜合考量，泥質(zhì)砂巖承壓水地層鉆孔時的泥漿比重上限值宜定為1.35。

(2)方案的確定

當計算的泥漿比重小于上限值時，可直接在原地面直接施作施工平臺，嚴格按照計算值配制泥漿。鉆進前應(yīng)配制足夠數(shù)量的泥漿，如在鉆進過程中泥漿有損耗，應(yīng)及時補充。同時，每隔30 min檢查泥漿指標一次，如指標不合格應(yīng)立刻調(diào)整泥漿指標，且鉆孔時必須保證孔內(nèi)水面時刻高于計算時采用的高度。當鉆孔至大約承壓水上限高程時，向孔內(nèi)投入黏土加小塊石進行側(cè)壁封堵，采用小沖程反復(fù)進尺，越過承壓水層時可恢復(fù)正常沖程進尺。在鉆孔深度達到設(shè)計深度，確認鉆孔合格后，即進行清孔作業(yè)，最終成孔、灌注混凝土。

當計算的泥漿比重大于上限值時，必須綜合采取提高筑島平臺高度、提升護筒高度的方法來加大孔內(nèi)泥漿的高度，并以本文第2.2條所述的計算原則進行計算，直至孔內(nèi)泥漿自重不小于承壓水測管壓力，經(jīng)經(jīng)濟比選后確定筑島高度與孔內(nèi)水面高于筑島平臺面的高度。施工前應(yīng)按照泥漿比重上限值配制泥漿，護筒應(yīng)埋設(shè)在較堅硬密實的土層中至少0.5 m，在鉆孔深度接近至承壓水層上限時，應(yīng)適當增加黏土及小塊石的拋投量。

2.4 關(guān)于鉆機類型的選擇

項目部前期在承壓水地層分別采用旋挖鉆機、反循環(huán)鉆機按照上述方案進行了試鉆，在富含承壓水的泥質(zhì)砂巖地層中鉆進時均出現(xiàn)了不同程度的坍孔，后改用沖擊鉆進行鉆孔，結(jié)果表明：采用沖擊鉆配合上述方案進行鉆孔，可以比較順利地進尺和成孔。故在泥質(zhì)砂巖承壓水地層進行鉆孔灌注樁施工，采用沖擊鉆進行鉆孔是最為合適的。

3 結(jié) 論

(1)在泥質(zhì)砂巖承壓水地層中進行鉆孔作業(yè)前，施工單位需要先對地勘資料進行仔細地閱讀，確定分布在承壓水地層內(nèi)的樁基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場樁位附近的勘察，充分掌握樁位所在地層的承壓水分布情況，從而進行泥漿重度的初步計算。根據(jù)計算結(jié)果、施工場地條件等綜合采取提高筑島、提升護筒、沖擊鉆配合拋投黏土及小塊石進尺等方法進行鉆孔作業(yè)，鉆孔時應(yīng)著重檢查泥漿參數(shù)的變化并及時進行調(diào)整。

(2)本文所述的綜合處理方法在砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖地層中進行鉆孔作業(yè)實施效果較好，與在場地進行大面積打井釋放承壓水水壓、在橋址區(qū)大面積提升筑島高度、全程鋼護筒跟進等方法相比較，極大程度地降低了質(zhì)量事故風(fēng)險，同時減少了工程造價和最大限度地節(jié)約工期。

(3)本文研究內(nèi)容普遍適用于砂巖或泥質(zhì)砂巖的承壓水地層鉆孔灌注樁施工，對于鐵路工程、公路工程等其他高水頭承壓水地層鉆孔灌注樁施工亦有借鑒價值。

(4)在承壓水地層中進尺時，向孔內(nèi)拋投黏土及小塊石的方法對孔壁進行隔離封堵是有效的，但在試驗及施工中，向孔內(nèi)拋投的黏土及小塊石的數(shù)量及配比并無具體控制要求。本項目在承壓水地層鉆孔過程中，發(fā)現(xiàn)向孔內(nèi)拋投的黏土及小塊石的數(shù)量、配比對孔壁封堵效果有較大影響，但本次研究內(nèi)容未對以上兩種數(shù)據(jù)進行歸納總結(jié)。若對以上內(nèi)容進行系統(tǒng)研究，總結(jié)出不同水頭、不同承壓水層深度的地層所需的黏土、塊石的配比及投量，會對此類施工更具指導(dǎo)意義。