复杂地质条件下桩基施工关键技术研究

'ＷｕｈａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＯｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ硕±学位论文复杂地质条件下惦基施工关键技术研究类型／领域：建筑与±木工程研究生；罗建军指导教师：李杰培养单位：资源与±木王程学院二０—五年四月 分类号：学校代号：１０４９０公学号：Ｗ４沪仪密级：可武巧工程大学硕±学位论文复杂地廣条件下赃基施工关键技术硏究作者姓名；指导教师姓名、职称申请学位类别：学科专业名称；＾每研究方向：论文提交日期：论文答辩日期：六学位授予单位：学位授予日期；年月日＾之答辩委员会主席：少 ResearchonthekeytechnologyofpilefoundationconstructionundercomplicatedgeologicconditionsofhighwayreconstructionprojectWuxianAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterMajor：ArchitecturalandCivilEngineeringCandidate：LuojianjunSupervisor：lijieWuhanInstituteofTechnologyWuhan,Hubei430073,P.R.China 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名；２０《年了月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即；我校有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可Ｗ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可ｙｘ采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。０，在。保密＿＿年解密后适用本授权书本论文属于不保密＂＂（请在Ｗ上方框内打Ｖ）学位论文作者签名：罗建军指导教师签名：李杰３２０１５年１１月２１日２０１５年１１月２１日 摘要摘要随着我国城市化进程的逐年加快，车辆大幅度增加，城市道路中普通平交路口的通行方式已经不满足现代社会的发展需求，立体高架桥越来越多的出现在我国城市中。然而，由于各个城市的地理位置不同，所处的地质条件也千差万别。在已有的城市高架桥实施过程中，经常会遇到各种复杂的地质条件，使得高架桥的施工往往面临着很多难题，溶洞便是其中最为复杂的一种。本文通过实践与研究，总结出了一套成形的复杂地质条件（溶洞）下城市高架桥的施工关键技术，为后续的城市高架桥施工建设提供了有益的参考。由于岩溶的地貌特征破坏了工程地质条件的连续性，使得岩溶地层钻孔灌注桩的施工尤其困难。在通常的情况下，岩溶地层中的溶蚀、沟槽或溶洞，大多是呈水平方向发育的，它们的规模大小不同，形态各异，并且其断面的走势高低不同，宽窄不一，且多支洞；当岩溶发育完善时，钻孔灌注桩的施工是最难以掌控的。文章针对不同类型溶洞，一方面，采取抛填黏土或片石、止水帷幕或分层预注浆、钢护筒跟进等不同的技术处理措施，可以有效地解决岩溶地质条件下钻孔过程中易塌孔的难题，从而提高桩基的一次成孔率，节约成本，确保桩基施工质量；另一方面，传统的破桩头施工工艺需在混凝土强度达到70%方可施工。本文推荐的整体提升破桩头施工方法，即不需要等待桩身混凝土强度达到70%，在早期便将桩头切除，这种技术本身对桩身的完整性并没有影响，而且能减少施工时间，缩短工期。由于我国国土面积较大，各地区的地质条件不一样，因而各地方施工存在着各自不同的问题，尚无法形成一套全国通用的复杂条件下城市高架桥的施工关键技术，对其他复杂地质条件下的桩基施工，仍需继续探索和研究。关键词：钻孔灌注桩溶洞桩基础地质钻探法注浆I AbstractAbstractSincetheplannedeconomy,China"seconomicdevelopmenthasundergoneenormouschanges,especiallysincethereformandopeningup,urbanizationincreasedyearbyyear,asubstantialincreaseinthevehiclepopulationhasincreasedsignificantly,passagewaytheusuallevelcrossingdoesnotmeetthemodernsocietyhaslongdevelopmentneeds.Therapiddevelopmentofdomesticinfrastructure,thepaperfocusedontheproblemofurbanviaductconstructionproposedunderthecurrentcomplicatedgeologicalconditions,throughthestudyandpracticeofurbanviaductconstructionsummedupthekeytechnologiesundercomplicatedgeologicalconditionsofamoldingforthesubsequentconstructionofthebuildingofthecityviaductprovideafavorablereferenceanddirection.Karstfeaturesunderminethecontinuityofengineeringgeologicalconditions,difficultykarstformationsBoredconstructionwillbeinhere.Undernormalcircumstances,karstformationserosion,groovesorcave,mostlyhorizontaldirectionofdevelopment,it"sadifferentsize,shapesandsectionsofthetrendsometimespeaksandvalleyssometimes,orsuddenlywidesuddenlynarrow,winding,andmultivesselhole.Constructionofknowledgethroughpractice,karstcaveformationsperfectforthemostunfavorableBoredconstruction.Fordifferenttypesofcaves,takeclayorstonetabletswithfilling,sealingcurtainorlayeredpre-grouting,steelcasingfollow-uptreatmentmeasures,suchasdifferenttechnologiestosolvethedrillingprocessunderconditionsofKarstGeologyeasyholecollapseproblems,improveapileintotheholerate,costsavings,ensuringpileconstructionquality.Thetraditionalconstructiontechniquesneedtobreakthetrailercouplingstrengthofconcreteupto70%beforeconstruction,theoverallconstructionmethodstoenhancethebrokentrailercouplingwithoutwaitingpileofconcretestrengthof70%,intheearlytrailercouplingcanberemovedandforacompletepileofnoeffect,reducingIII 武汉工程大学硕士学位论文constructiontimeandshortentheconstructionperiod.BecauseofChina"slandareaislarge,thegeologicalconditionsofdifferentregionsanddifferent,andthereforethepresenceofvariousregionsoftheirdifferentconstructionproblems,yetunabletoformasetoftrialandundercomplexconditionsnationwideconstructionofkeytechnologies,hasnotbeenstudiedforgeologicalconditionsneedtocontinuetoexplore.Keyword:Bored;Cave;Pilefoundation;Geologicaldrillingmethod;GroutingIV 目录目录摘要..........................................................................................................IAbstract......................................................................................................III目录.....................................................................................................V第一章绪论..............................................................................................11.1研究的背景与意义........................................................................11.2国内外研究现状............................................................................21.2.1国外研究现状.......................................................................21.2.2国内研究现状.......................................................................31.3选题的重要性................................................................................61.4研究的主要内容............................................................................71.5研究方法及思路..........................................................................101.5.1研究技术路线.....................................................................101.5.2研究方法.............................................................................10第二章桩基础施工的关键问题...........................................................112.1工程概况.......................................................................................112.2桩基础施工的关键问题..............................................................12第三章施工区岩溶地质条件的预判...................................................153.1武汉市岩溶的分布......................................................................153.2岩溶地质条件的确定方法..........................................................173.2.1地质钻探法.........................................................................183.2.2施工探测法.........................................................................22第四章溶洞地质条件下桩基础施工技术研究...................................234.1不同地质条件下机械的选择......................................................234.2不同溶洞条件下施工技术的选择..............................................244.2.1抛填片石、黏土充填溶洞技术.........................................254.2.2溶洞预注浆处理.................................................................264.2.3止水帷幕注浆.....................................................................304.2.4钢护筒跟进.........................................................................324.3小结...............................................................................................34V 武汉工程大学硕士学位论文第五章蜂窝式桩头剥离技术研究.......................................................375.1蜂窝式桩头剥离原理...................................................................375.2蜂窝式桩头剥离施工技术...........................................................385.2.1桩基钢筋笼主筋顶端处理.................................................385.2.2桩头剥离标高测量.............................................................395.2.3桩头剥离.............................................................................405.3小结...............................................................................................42第六章结论与展望...............................................................................436.1结论...............................................................................................436.2展望...............................................................................................44参考文献....................................................................................................45致谢........................................................................................................49VI 第一章绪论第一章绪论1.1研究的背景与意义改革开放以来，伴随着国民经济的增长，人民生活水平有了质的飞跃。人口数量增加使得许多农村人口开始向城镇转移，城市人口密度越来越大，给城市带来经济繁荣的同时也对城市做出了考验，给城市的交通也带来了相当大的压力。如今，按照以前简单的十字分流交叉路口的通行方式，已经不能满足城市现代化发展的需求。交通量大幅度增加，造成了城市交通拥挤，事故频繁发生。各大城市政府都在寻求解决这些问题途径，如在交通流大的路段进行路面拓宽，在路网复杂的路段修建高架桥和城市快速路等一系列办法。城市立交桥的出现，从立体上更好的应用了城市空间，提高了道路的运行能力。然而，由于各个城市的地理位置不同，所处的地质条件也千差万别。在已有的城市高架桥实施过程中，经常会遇到各种复杂的地质条件，使得高架桥的施工往往面临着很多难题。因此，目前急需通过研究和实践，总结出一套成形的复杂地质条件下城市高架桥施工的关键技术，为后续类似工程的施工过程找到经验和可以依循的准则。武汉通往咸宁的武咸公路，是城市南部重要出城道路，高峰流量4740辆/小时。该公路沿线工程地质条件比较复杂。在施工过程中发现，公路沿线部分地段的基岩为灰岩或泥灰岩，并分布在地表下2m～15m之间的土层中。在公路沿线附近，一些现状道路在近几十年中出现过多处地面塌陷，直接影响到了沿线的交通和附近的建筑，给附近交通和居民带来了安全隐患。经过实际调查勘探，武咸公路全线共有105根桥梁桩基穿越大小不等的溶洞。桩基穿越的溶洞高度从0.3-18m1 武汉工程大学硕士学位论文不等，裂隙最高为18m穿越最多的层数多达5层。这些不同发育状况的溶洞，为本项目的桩基施工，带来了巨大的挑战。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状随着高层建筑和体型复杂建筑的发展，地基基础的不均匀沉降问题越来越凸现出来，传统的桩基础设计理念受到了前所未有的挑战，近年来随着一些相关学科的发展，桩基础设计思想有了很大突破[3]。后来随着业内人员对桩基础理论的进一步研究，在传统的桩基础之后相继出现减沉桩、复合桩、塑性支撑桩等通过控制总体沉降为控制指标的新型桩基础理论，来弥补因地基沉降引起天然地基承载力不能满足设计要求的问题[4]。2004年OswaldKlingmuller，FabianKitsch研究表明对严重的坍孔埋锥，在处理过程中，首先要将原锥上面的泥土和石块清除掉，待原锥上方清除干净之后，需要把直径比原锥直径略大一点的圆柱形空心冲击锤打到原锥底部的位置，达到原锥和孔壁分离的要求之后再将空心锥提出钻孔[5]。1996年G.G.Sehiefle与MohamadHussein在研究复杂地质条件的桩基中，桩基施工中扩孔比较多见，一般表现为局部的孔径过大。扩孔容易在当地下水为流体状态的时候或者在土著松散层以及当钻锥摆动幅度较大的时候发生，当这几种现象表现比较严重时就可能导致坍孔的发生。在桩基施工过程中，如果钻孔能达到设计的深度则不需要对扩孔进行处理，如果孔内发生坍塌，则需要加大混凝土的灌注量以保证孔的质量。如果扩孔后孔壁会继续坍塌，那么按照规定要按坍2 目录孔事故进行处理[6][7]。2004年GarlandLikins的研究表明，深基坑出现越来越多，为保障基坑施工以及基坑周边环境安全而进行的基坑监测工作日显重要，它可以及时发现施工过程中出现的异常情况，防止事故发生，同时可以为优化设计、改进施工方法提供可靠信息，这也是为了保证基坑的动态设计和信息化施工能够有序进行而采取的必要工作[8]。2005年HarryGPoulos在研究深基坑的变形特征中，通过对支护结构周围地面的沉降以及其水平位移和垂直位移的变化规律的研究，总结出了可能引起深基坑变形的因素及其相关应对措施[9]。2005年E．A．Sellountou与Ming-FangChang在研究中从研究钻孔桩的受荷机理出发，实际研究过程中，通过进行足够量的现场试验并对试验结果进行数据分析，根据统计学观点结合数据模型，总结除了在不同状态下桩长与桩径的相关关系，得出了超长钻孔灌注桩的界限判断方法以及进行大吨位桩基荷载试验的先进测试方法，并通过实例验证结论的准确性[10]。1.2.2国内研究现状20世纪50年代末，钻孔灌注桩技术才真正的在我国公路桥梁建设中开始使用，由于在那时处于经济欠发达时期，生产技术水平不高，如当时河南某工地施工人员采取人工转动钻头钻孔的方式进行钻孔，由于是人工操作，施工的效率比较低，而且只能对浅孔钻孔。随着技术的革新，后来冲抓锥、冲击锥、正反循环回转钻、潜水电钻等新设备的相继出现以及施工工艺的发展，应用范围及施工的规模都得到了长足的发展，所以到20世纪90年代初期的时候，钻孔技术已经可以进3 武汉工程大学硕士学位论文行直径2m以上，孔深80m以上的大直径超长灌注桩的桩孔施工[11]。2005年张书刚在《钻孔灌注桩质量控制要点与常见事故防治》一文中通过对在实际工程中出现的一些案例情况进行分析，因为在实际工程中，由于在进行测量放线产生的失误以及在进行桩位保护过程中保护不利导致的桩孔偏移等情况比较多，有的桩位由于偏差过大，导致承台断面宽度不能满足规范要求时，采用的是用扩大承台的方法处理，但是当钻孔的距离过大时，承受不了上部荷载时，需要用补桩的办法来处理[12]。此外，在施工过程中，如果桩顶标高不能满足规范要求的时候，可能会因为操作不当以及当地地质条件等因素等影响造成断桩，从而引发工程事故，因此在施工过程中应注意。1996年粱毅在《岩溶地区挖孔灌注桩的施工技术》文中表明，在岩溶地区，地质条件比较复杂，在这种地质条件中岩层的主要组成物质是石灰岩、石膏、岩盐等可溶性岩层，而且在岩溶地区地下水流较多，地下水流的侵蚀作用会对岩层造成溶蚀、崩塌等影响[13]。岩溶地区的地质特性，在岩层中经常会出现如土洞、岩溶等不良地质现象，由于地下水的作用还可能导致地下暗河通道的产生等。此外，文中研究人员还对岩溶地貌的特点和普通桩基的开挖技术进行了探讨，并且提出了在溶洞条件及地下水丰富时进行人工挖孔灌注桩施工的方法。2005年柯昌军在《钻孔灌注桩的施工质量控制》一文中提到了几种对施工过程中应对可能出现的问题提出了应对措施，当遇到小溶洞或裂隙并且伴随发生孔内泥浆缓慢下降的现象时，采取的方法时在泥浆中加适量水泥以达到增大泥浆比重的目的[14]，过程中遇到大溶洞，并且孔内泥浆下降速度很快的情况比较严重的情况下，应该采取的方法是用粘土或碎石回填后重新钻孔。以保证成孔的质量以及施工的正4 目录常有序进行。2004年罗大庆在《公路桥梁钻孔灌注桩施工质量控制》中提到，为了保证钻孔灌注桩成桩后的承载能力达到规范的设计要求，需要对桩孔进行质量检测，在此过程中通常采用的是静荷载试验方法[15]，对桩身的结构完整性进行检测，现在的施工过程中通常使用的是动测法、声波透射法或射线法等方法。2005年向群在《钻孔灌注桩质量控制的要点及适用方法》一文中提到在进行钻孔灌注桩施工前应该保持施工场地平整，如果施工场地为深水区或淤泥层较厚等地质条件时，为了能正常进行施工，应搭设相应的工作平台[16]，桩位进行放样调查，并在其它测站进行复核。在钻孔灌注桩的施工进程中，需要对泥浆的质量进行严格控制，因为泥浆质量对成孔的影响较大，这样才能保证成孔的质量。钻孔灌注桩用到的泥浆一般由水、粘土以及少量添加剂按适当的配比调配而成。施工中应该对泥浆的各项指标进行严格的检测，尤其是比重和粘度这两个影响最大的因素，此外还需在施工时对泥浆的指标进行实时监测。对导管的基本要求是，导管应满足混凝土灌注量并保证接头处密闭不漏水不漏气的要求。此外，为了满足导管与孔底的距离的最小距离保持在0.5m以内，在实际施工过程中需要设置0.5m，1.0m，1.5m等不同规格的长度小导管。2005年赵奎运在《钻孔灌注桩全过程管理及质量控制》中表明，在预埋防护筒时进行分层夯实的过程中应选用最佳含水量的粘土[17]，如果下沉或移位，需要重新安装护筒。在进行钻孔过程中当钻头从高处落下时，应该避免钻头与防护筒碰撞护筒造成钻头的损坏。如果在施工过程中，如果出现防护筒出现冒水的现象是，应立即停止施工，5 武汉工程大学硕士学位论文并采取适当的措施进行加固后以确保工程的安全进行。另外，在松散易坍的土层中进行施工时，应该适当增加护筒的埋置深度，并且要对护筒周围进行填筑，达到保证护筒的安全的目的，并且要控制孔内的水位比地下水位高防止地下水内渗。在安装钢筋笼的过程中，为了保证钢筋笼的形状要求，吊装时应该对准孔位，并且避免和孔壁摩擦碰撞造成对孔壁和钢筋笼本身的破坏。此外，还需对钻孔完成后的灌注过程进行严格的时间控制，通常情况下，为了缩短工期，在能保证工程质量的前提条件下，时间越少越好。桩基工程的施工特点是施工技术复杂、隐蔽工程多，为了保证工程质量，在施工过程中需要事前控制和事中控制，如果施工马虎，则事后补救措施一般不能达到设计施工要求，因此，工程技术人员在整个施工过程中就要事先提出质量控制和检验标准，指导并监督施工方严格遵守和执行；调动有关各方同心协力，相互合作把好质量关[18]。钻孔灌注桩基础在建筑行业的应用正在逐渐向更广的范围发展，并且在道路桥梁等基础工程中更是占据着相当重要的地位。钻孔工艺水平不断提高，特别是引进了许多国外先进的大功率全液压钻孔机械，对国内钻机进行研制改进，基本上适应了大直径深水基础桩基施工的需要。1.3选题的重要性基桩穿越溶洞时的施工是本工程桩基施工的难点与关键，相当多的工程在穿越溶洞施工时遇到各种各样的困难，若事先准备不足或应对方案不合理，则可能导致施工困难，甚至无法完成。有些桩基施工尽管勉强完成，但成桩质量存在缺陷，导致补桩的情形也时有发生，6 目录甚至还出现大批桩基不合格，全部报废，桥位移位等严重事故。因此，基桩施工在穿越溶洞时要特别小心，事先应有详细的施工组织设计和技术交底。因此有必要对桩基穿溶洞区施工进行研究，为施工提供借鉴。1.4研究的主要内容岩溶地区地质形态异常复杂，现有地勘手段无法完全摸清。从实际已完工程项目的施工情况来看，岩溶地区成孔有六大难关。1）成孔过程中漏水漏浆按有无填充物，溶洞可划分为部分填充溶洞、填充溶洞或空溶洞；按是否渗漏，溶洞可划分为漏水溶洞与不漏水溶洞。由于溶洞的大小、分布、走向等地质资料不十分准确，施工中常常是“摸着石头过河”。在钻进过程中，因漏浆导致孔内水头迅速下降，从而使护筒挤压变形或塌孔、垮孔、埋钻，甚至地面大范围沉降，危及水上钻孔平台安全及陆上埋钻机等重大安全事故发生。故弄清溶洞是否漏水及漏水量的大小、速度等，对施工有重大的指导意义。2）在复杂地质构造情况下成孔，浇注混凝土（1）多层溶洞单桩穿越溶洞层数多。（2）岩面复杂孔内有石笋、溶沟或溶槽、大块孤石、半边洞等，岩面呈斜面、陡坎、异形等复杂情况。3）孔内涌砂在穿过覆盖层至钢护筒刃脚接合段时，易发生大量砂土涌入护7 武汉工程大学硕士学位论文筒、危及钻孔平台安全、无法钻进成孔的复杂情况。施工时采用常规的清孔、浇注水下混凝土封堵工艺，不易成功，分析主要有两种情况:（1）岩面倾斜较大，一般情况下钢护筒直径较大，加之因溶蚀产生溶槽、溶沟或有大块孤石等情况，绝大部分护筒只有部分着岩，有些护筒因强行施打而产生刃脚卷口、变形;（2）表层岩石裂隙极为发育、破碎，如同有2-vim的抛石层，回转钻机无法钻进。4）成孔事故多成孔过程中出现塌孔、埋钻、卡钻、掉钻、斜孔、弯孔等事故较普遍。5）清孔难度大当采用冲击钻机冲击成孔工艺，特别是2500mm以上大直径桩孔成孔后，怎样清孔，使沉渣厚度及泥浆性能同时符合规范要求是非常关键的环节。有时，灌浆符合规范要求时，由于泥浆比重降低、粘度下降，又重新发生渗漏、塌孔的事故。6）混凝土灌注过程中超方或塌孔由于溶洞大小、分布、走向不清，无法预估超方量。当溶洞高度过大，在混凝土压力作用下，还易引起造壁充填物失稳坍塌造成断桩。针对上述6大难题本文从以下几个方面进行了研究：1）地质条件的预判及分析复杂地质条件下，在进行桩基施工之前，对沿线地质条件进行调查预判，并进行分析，从而增加后继施工的安全性和可靠性，并保证下构的施工工期和节省工程造价。2）机械设备的合理选型8 目录不同的不良地质条件，需要有不同的处理措施。通过上述地质条件的预判与分析，在施工桩基之前，进行必要的技术措施处理，确保桩基施工顺利进行。3）针对溶洞等不良地质采取的处理措施针对因溶洞穿孔、粉细砂流失而引发的的塌孔、地面沉陷等问题，对每一个不良地质区域的桩基施工，有针对性的采取技术措施，确保桩基施工质量。4）针对传统桩头破除存在的弊端进行研究一般传统的破桩头施工采用手提气动式风镐进行破桩头。这种施工方法必须在桩基混凝土强度达到一定要求后方可实施（一般要求达到混凝土最终强度的70%），而且在破桩过程中，容易引起钢筋变形，从而易损坏桩头的完整性；另一方面，大块混凝土桩头外运困难，噪音大，并且工人的劳动量大，在施工周期、成本上均有一定的浪费。本文研究出一种蜂窝式桩头剥离技术克服了传统破桩头技术的弊端，能快速、高效、环保、便捷的剥离桩头。9 武汉工程大学硕士学位论文1.5研究方法及思路1.5.1研究技术路线武咸公路改造工程复杂地质条件下桩基施工关键技术研究文献对比理论分析与研究调研勘察类似工程实例分析研究法武咸公路改造工程岩溶地质条件下桩基施工技术成孔孔内混凝旋冲旋过程涌砂、土灌钻击挖中漏清孔注难机钻钻浆、成难度度大、冲机孔事大、塌反复击故多；孔；回填；钻机措施解决措施适用范围结论与展望1.5.2研究方法研究的基本方法如下：（1）技术提炼、总结、整合工作贯穿工程的全过程；（2）既有技术的移植利用、多种技术的融合、综合运用，即成套技术的开发和应用；（3）与专业公司或科研单位的技术合作。（4）开发和推广应用城市高架桥工程的新工艺、新技术、新设备、新材料。10 第二章桩基础施工的关键问题第二章桩基础施工的关键问题2.1工程概况武咸公路改造工程是以梅家山立交为起点，终点与武汉市三环线青菱立交相交。改造工程的内容是以主线快速高架加地面辅道的方式，路线终点与青菱立交相接处采取地面主辅断面道路的模式修建。工程改造项目线路总长为7.5km，其中高架全长7.2km，主线地面段长约0.3km，红线宽度从50到70m。道路结构主要采用六车道双向高架，高架桥梁的标准宽度为26m，终点地面辅道处采用双向六车道，如图2-1所示。工程全线在起点和终点设置交接点，另外设置3组匝道供车辆进出该线路。图2-1武咸公路改造工程标准断面结构示意图武咸公路改造工程，高架桥的桩基础采用的是钻孔灌注桩，全线总桩数1024根，桩的直径从1.2m至1.6m不等，桩长最短的为73m，最长达106m，现属武汉地区最长。在工程中，唯一地表水为巡司河；地下水来源主要是上层滞水、承压水和岩溶水等；地表滞水静止水位11 武汉工程大学硕士学位论文深度为1.10～7.30m，持力层为下伏中风化、中-微风化基岩，工程场地所处的地质环境复杂，全线7.5km范围内存在单层或多层溶洞。2.2桩基础施工的关键问题武咸公路改造工程7.5km长路段内位于溶洞区，105根桩基穿越单层或多层溶洞，施工过程中曾因溶洞未完全探明钻孔过程中漏浆引起2次路面大面积塌陷，导致地面下沉、给水管道断裂、道路交通被迫中断的事件。武咸公路改造工程中，按照要求设计桩长73～106m，设计桩的直径1.6m。改造工程之前的地质探测得到的结果，本线路沿线岩层地质为灰岩和泥灰岩，其中（K1+075～K1+250、K3+600～K4+935、K5+930～K6+200）路段的地质条件更加复杂，在灰岩和泥灰岩的上层直接覆盖着饱和粉细砂层。工程桩基存在溶洞和超长桩两大特征，施工过程存在较大困难。正因如此复杂的地质条件，在施工过程中，钻孔、成孔以及混凝土灌注过程中，曾多处出现漏浆、塌孔现象以及路基塌陷，严重的地方甚至还会危及两侧行车道和建筑物的安全。灰岩区的逐桩超前钻探结果如图2-2显示，以此来显示灰岩区溶洞特征。12 第二章桩基础施工的关键问题图2-2竖直方向注浆顺序依据地质勘查资料显示，溶洞是本工程所在地的主要地质特点，桩位溶洞区达50.4%，溶洞高度为0.2m～18m，位于溶洞区的桩位大部分存在多层溶洞，最多层数达6层，其中大部分为粘性土或者砂性土填充的填充型溶洞，只有少数为半填充或者没有填充的类型。桩基是灌注桩的主要承重结构，为了确保工程质量以及在投入运营后的安全性，施工过程中，必须对溶洞进行处理到位，这是本工程中的重难点。13 武汉工程大学硕士学位论文14 第三章施工区岩溶地质条件的预判第三章施工区岩溶地质条件的预判岩溶地区施工的特点，在于岩溶对该地区的工程地质条件的连续性有了不同程度的破坏，也正是钻孔灌注桩在岩溶地区施工的困难所在。一般而言，岩溶地层中的溶洞等基本上都是沿着水平方向发育，另外的溶蚀以及沟槽都呈现此类发育态势，它们的大小以及发育程度不尽相同，形态千差万别，而且在断面上的走势大多高低不齐，宽窄不一断面上支洞的数量较大。溶洞的发育程度对施工的影响是：发育越完善的溶洞，其桩基施工环境也就相对越复杂，对施工来讲越不利。溶洞地质条件复杂，在溶洞内部通常分布着大量的钟乳石笋，石柱等，而在大部分溶洞内部通常都分布着不同量的地下水以及泥砂等填充物，由于此类溶洞地区的地质的分布，导致在进行施工钻孔过程中，经常出现钻孔的柱状剖面呈现出地质分布不均匀等情况。当钻孔直接施工至溶洞的空洞处时，则会出现局部断层。此类溶洞的存在会严重影响灌注桩的施工质量甚至是造成中断施工等情况发生。因此，在岩溶区进行灌注桩的施工过程中，必须要有充分的技术准备、设备储存等来克服在施工过程中可能出现的难题，以此保证施工质量。由此看来，在岩溶地区进行的灌注桩施工与在普通地质条件下的施工过程相比，前者的施工条件更为苛刻，要求更高，施工难度更大，也是对施工工艺以及施工技术都是一项新的考验。3.1武汉市岩溶的分布岩溶即喀斯特地貌，这种地貌一般是在可溶性岩石地区才能出现的自然景观。岩溶的形成原因是因为碳酸盐岩、硫酸盐岩以及卤素岩15 武汉工程大学硕士学位论文等可溶性岩石在水流的作用下经过水流的侵蚀、沉积等物理作用以及溶蚀、沉淀等化学作用。这种地区的地貌条件受该地区的水文条件的影响较大，一般而言，碳酸盐岩石的这种可溶性岩石的分布范围比较广，另外的硫酸盐岩以及卤素岩的分布范围较小，而且这种可溶性岩石的发育状态通常也不是很典型，形成的岩体比较小。岩溶按照其地貌形态分成岩溶堆积地貌形态和岩溶侵蚀地貌形态两种。即岩溶堆积地貌形态的几种典型地貌有石钟乳、石笋、石柱等，而岩溶侵蚀地貌的几种典型的有溶沟、溶洞、暗河、溶蚀盆地等。此外，还可以按照埋藏条件将岩溶分为埋藏型、覆盖型以及裸露型三种岩溶。对于武汉市而言，通过地质条件的探测，埋藏型和覆盖型两种岩溶在武汉的分布较多，而裸露型岩溶在该地区基本上没有什么分布。埋藏型和覆盖型的区别，即埋藏型的特点是碳酸盐岩的上方有白垩一下第三系岩层覆盖，而覆盖型岩溶的特点是碳酸盐岩之上直接覆盖第四系松散堆积物。此外，覆盖型岩溶的空间分布主要控制因素是该区域的地质构造。在武汉市的覆盖型碳酸盐岩的分布情况主要是从北到[26]南呈3个近似东西向的条带分布。第一条带分布的碳酸盐岩条带地处武汉市的北面，起点从岱家山开始，中途经过天兴洲、蒋家墩一直到武汉钢铁公司为止，全长约为17公里，宽度最窄的地方有0.5千米，最宽的地方达到2千米之宽。这条带中的地质分布主要是白云质灰岩，其中的矿物成分主要是碳酸镁，因此不易发生溶蚀，不易形成较大的溶洞，因而在这条带上至今没有明显的岩溶地面坍塌等地质灾害的发生。第二条带也就是中间的碳酸盐岩条带以汉阳的七里庙为起点，经过龟山南边的莲花湖一带，穿过万里长江，经过蛇山和凤凰山两山之16 第三章施工区岩溶地质条件的预判间一直到洪山区北部的水果湖一带，也是呈现近似东西走向，其南北宽度范围从1.5km到2km不等。在这条带中，溶洞的发育情况比第一条的发育相对较完善，但是也没有大规模的岩溶地面塌陷的地质灾害的出现。第三条带则是靠南边的两个亚条状的碳酸盐岩分布带。其中的一条压条带地处关山向斜核部，从西边的汉阳三里坡，经过鹦鹉洲，跨过万里长江，进过阮家巷一直到武昌站。在这条亚条状中，南北宽度在2km左右，局部宽度可达到3km。其中在鹦鹉洲至陆家街一段是岩溶地貌塌陷的多发地带，地面塌陷较为常见。这条带中只有少部分覆盖着比较密实的老粘土，另外的主要是被一些松散的沉积物覆盖，所以容易导致塌陷的发生。而第二条压条带处于狮子山向斜核部，从永安寺起一直到武昌牛奶厂一带结束，也就是基本上沿南湖分布，其上方被一层厚度超过30m的松散沉积物覆盖着，所以在这一带中也时有地面塌陷的发生。而且一旦发生，塌陷的面积还比较大，影响范围比较[26]广。在武汉市内，埋藏型的岩溶的分布在汉阳一带，从墨水湖以南，然后与上述的覆盖型第三条岩溶在鹦鹉洲相接，全长在2km左右，南北最大宽度达到3km。另外，在武昌的分布主要是在南湖与白沙洲之间，宽度可达3km，全长约9km，而且在该区域的碳酸盐岩的埋藏深度较大。埋藏型岩溶与覆盖型最大的不同之处在于埋藏型碳酸盐岩的分布区的岩溶不会发育，所以不会导致地质灾害的发生。3.2岩溶地质条件的确定方法在进行岩溶地层钻孔灌注桩的施工过程中，前期需要的准备工作17 武汉工程大学硕士学位论文和进行常规桩基础的施工所需的准备工作基本相同，均需要在施工之前通过地质探测得出施工区域桩基础所在的地质构造以及溶洞在该地域的发育情况。因此，为了保证工程的质量以及保证施工作业的正常进行，需要对溶洞的位置以及大小尺寸以及分类要有准确的掌握和判断。目前在国内通用的两种探测地质条件的方法，即地质钻探法和施工探测法。下文中将详细介绍这两种探测方法的特点。3.2.1地质钻探法地质钻探法是一种在工程地质中用来探测某地域的岩溶的溶沟溶洞在需要进行施工区域的发育及分布情况，这也是在进行桥梁工程的施工过程中进行桩基础的施工的必要前提条件。因此在桩基础的钻孔成孔过程中，必须对每根桩周围所在的周围地质环境要有比较准确的掌握，判断是否有溶洞的存在，然后根据桩所在的实际情况制定各自的实施方案。如果在实际施工过程中遇到的情况特别复杂，而且需要进行施工的工程量较大，就必须掌握每一根桩所处地段的实际地质情况的资料以保证施工的质量和安全。地质钻探法适用于深孔的钻孔探测，深孔施工与浅孔对比而言，在深孔的施工过程中，地质的钻探施工所需要的设备，施工技术以及施工工艺甚至操作方式都不尽相同。1．工程地质钻探特点和适用条件在工程地质勘测用到的方法中，钻探法是最常用的一种。不同的勘测方法适用的工程地质条件是不同的，但是钻探法因为其适用范围较广的特点在实际施工过程中，只要设置了地质勘探的地段，通常情18 第三章施工区岩溶地质条件的预判况下都可以采用钻探法进行地质勘测。而地质钻探法与地质找矿钻探的区别如下[27]:(1)在进行施工之前的地质勘探时需要考虑的因素比较多，首先应该结合当地所在的自然地质条件，此外还要结合实际工程的类型及其特点等。在普通工民建的建筑过程中，需要用到建筑物的外轮廓来设计探孔的位置。(2)地质钻探法在探测地质的实际过程中，在一般的工程当中所需的钻进深度都不需要特别大，一般只需要建议钻探法和轻型钻机即可实现目的。但是在一些大型水利工程中，则需要钻进较大的深度对地质条件有比较深入的了解才能保证工程的质量以及安全问题。(3)在使用地质钻探法探测地质的时候，为了查明所在区域的水文地质条件、地质结构等地质特性，就需要进行钻孔来探测，此外还需要对钻孔得到的土样进行各种试验并进行长期观测了解地质的实际情况。(4)因为地质钻探法在使用时不易受地质地形条件的限制，在各种复杂的环境中基本上都能正常使用，而且这种方法的精准度高，可以对岩层有比较直接的观察，而且这种方法钻进深度较大，不易受到地下水的限制，在施工效率及进度上都有着比较高的水平。2.钻头的选择和使用按照目前对金刚石和一般坚硬岩石硬度的对比水平来看，金刚石的硬度可达到普通坚硬岩石硬度的数十倍，因此从理论上来看，使用金刚石钻头在一般的地质钻探中应该有着较高的钻进效率和速度。但是从实际的工程实践中得到的结论是：金刚石钻头虽然有着强大的硬度，但是只有运用科学的方法和科学的钻进工艺才能提供效率，真正19 武汉工程大学硕士学位论文的节省时间，如果只是一味的追求进度，不注重方法则可能造成事故，不仅容易破坏设备，反而会拖延工期。因此要采用合适的方法在保护钻头寿命的前提下提高效率[28]。3.金刚石钻头选择原则在选择金刚石钻头的过程中，应该首先对当地的岩层性质有一定程度的了解，要选择与当地岩层性质相适应的钻头。只有做到性质相适合才可以有很好的效果，反之，如果选择的钻头与岩石的性质差异较大，则有可能引起各方面问题的发生。因此，在选择钻头的过程中，应该按照以下原则：(1)在硬度大、研磨性较强的岩层但是地层完整度差甚至是破碎的地层中就应该选择孕镶金刚石钻头来进行钻探[29]。(2)在硬度比较低，但是完整性较好的岩层中时宜选用表镶金刚石钻头进行钻探[30]。(3)在中硬及中硬以下岩层中进行钻探时，选用强度较低的聚晶(PCD)或复合片(PDC)钻头即可。针对该施工地区地层特点，结合根据上述金刚石钻头的选用原则，在正式钻探之前，我们选择了其中的几种钻头进行了试验，并根据试验的结果选采取用圆弧形人造孕镶金刚石钻头来进行钻进。因为金刚石替代硬质合金钻进的这种方法的使用，使并结合科学的钻进方法，使得钻探效率提高30％以上[31]。4．工艺参数在进行工程地质钻探法的实际使用过程中，钻头的钻进效率主要取决于钻压、钻头钻速和冲洗液量这三个参数。这三个参数不能只依靠人工的调节，还受当地岩层的性质的影响，以及所用设备，钻进的20 第三章施工区岩溶地质条件的预判深度等都会对这三个参数有着不同程度的影响。在进行金刚石钻头钻探工艺的合理性评价时，在一单位进尺为标准时，要根据金刚石的消耗量，总进尺以及钻头钻速这三个指标进行综合评价。(1)钻压通过实践经验，钻头的钻速在一定范围内与钻压成正相关，会随着钻压的增大钻速也会有一定程度的增加。然而，当钻头承受的压力超过金刚石本身的抗压强度时，就会将金刚石压压碎破损，钻头的破损导致的结果就是钻进效率会明显下降。因此，在钻探过程中，在选择最合适的钻头之后还要选择一个合适的钻压，这样才能保证钻进的效率。按照理论上来讲，这个压力值应该在所钻石头的抗压强度和金刚石的抗压强度之间，因为这个强度既能保证能够钻进，而且能够保护钻头不被破坏，才能维持一个比较稳定的钻进速度。(2)转速钻头的转速也是钻进效率的一个控制点，这是因为钻头的转速和钻头的磨损有着一定的关系，在绝大多数岩石层中，钻头的磨损量通常会随着转速的增加而增加。只是这种关系在不同的岩石层中的相关程度不尽相同而已，各种岩石对转速的敏感程度也不同，其中泥岩对转速的变化是最敏感的。因为在实际施工过程中，钻头转速的提高能够使进尺量有所增长，但是钻头的磨损量也会有所增加，所以，在实际施工过程中，不能一味追求进尺量而提高钻速，而应结合钻头、设备、钻具能力、钻孔等因素来综合考虑，选择合适的钻速。(3)冲洗液量金刚石钻进的里外一个参数就是冲洗液量，冲洗液的作用是用来冷却钻头以及排除岩粉，此外冲洗液的作用就是调节金刚石的磨损，21 武汉工程大学硕士学位论文软化岩石以及润滑减震的作用。岩粉细小，钻具与孔壁、孔底的间隙都很小使得冲洗液流经狭窄的通道的阻力很大，一般不需要大泵量，这是金刚石钻进一大特点。因为如果泵量太大，造成压力过大，还有可能对孔壁等造成冲刷破坏，容易造成岩芯堵塞的事故发生。相反，如果泵量太小，造成在进行排粉过程不顺，会加大金刚石钻头的消耗量甚至是造成烧钻事故的发生。因此，在钻进过中，需要选择合适所需的泵量常通过冲洗液才能保证钻进的效率。3.2.2施工探测法施工探测法与地质探测法的区别在于因为施工场地的原因导致桩基础的标高不在规定的范围内，而是有着大范围的波动，导致无法对溶洞的位置进定位，以及无法对溶洞的大小尺寸判断。而施工探测法就是施工人员在施工过程中，依据钻头在钻进时出现的反映来预测溶洞的位置的方法。所以这种方法必须由经验丰富的工程师依据相关图纸进行施工。由于这种方法的风险性较大，因为对实际施工过程中的风险预知性较差，还有很多的技术难题没有克服，鉴于此，针对本文所研究的特殊溶洞地质构造，不采用该探测方法。22 第四章溶洞地质条件下桩基础施工技术研究第四章溶洞地质条件下桩基础施工技术研究武咸公路改造工程地处武汉市四大岩溶发育区之一，地质条件非常复杂，场地沿线地段揭露的基岩为灰岩和泥灰岩，其中（K1+075～k1+250、k3+600～k4+935、k5+930～k6+200）路段，基本是包含沙砾和卵砾的石灰岩与泥灰岩，且灰岩上直接覆盖饱和粉细砂，覆盖层厚度在2m～15m之间，地质条件非常特殊。并且施工区附近，近年来多次发生地面塌陷灾害，对工程施工带来巨大安全隐患。本节通过对机械以及工艺的选择，并阐述了复杂地质条件下桩基施工的一般技术措施。4.1不同地质条件下机械的选择在施工现场回旋钻机、冲击钻机、旋挖钻机是较常用的机械。施工中必须依据施工现场的地质条件以及施工条件选择合适的施工机械，以追求最大施工效率[33]。三种钻机的施工特点如下：1）回旋钻机大桩径的超长摩擦桩大部分属于软土砂层，采用回旋钻机施工软土砂层可以取得又快又好的效果。此种机械适用范围广泛，但过程中需要大量泥浆护壁，清孔困难。回旋钻机适合于软土地质在遇到岩石地质时，施工效率就会大大降低。2）冲击钻机硬质岩层大多设计为端承桩，可以采用冲击钻机施工，遇到复杂地层如灰岩区域（有溶洞及裂隙等），采用冲击钻，成孔直、沉渣少。适合漂石，河床下，地质复杂的情况，适用于各种岩层施工[34]。23 武汉工程大学硕士学位论文3）旋挖钻机旋挖钻机直接通过旋挖钻斗挖土，通过膨润土静态无循环泥浆护壁。该机械施工是目前较为先进的施工机械，适应于软土、流泥、流沙和卵砾石等复杂的地质条件，该机械施工有成孔质量好、速度快、环保无噪、行走移位方便、桩孔对位方便准确等优点。干硬性粘土则可不用静态泥浆稳定液进行护壁，一般的覆盖层采用泥浆护壁，容易造成塌孔。主要适用的施工范围为地基承载力容许值在400Kpa（桥规）以内的土（岩）层。4.2不同溶洞条件下施工技术的选择武汉是一个岩溶地面塌陷严重和多发的地区。在溶岩地区的桩基施工过程中，前期地质不易探明，在钻孔时极易引发岩溶突水、突泥、涌砂等地质灾害。对于岩溶发育的地质，其地下水位上下的波动比较急骤，由于潜蚀、真空抽吸等各种作用，该地区易形成土洞进而发展成坍陷；或者由于地面建筑物的修建增加荷载致使溶洞的顶部发生内部坍塌，造成土洞。坍陷往往会危及路基的稳定性，影响道路行车的安全性，必须进行岩溶注浆的加固处理。武咸公路施工过程中，常常会遇见桩基施工漏浆、坍塌、以及地面沉降等地质现象。造成这些现象的原因主要是，当桩基施工作业时，在通过或者附近有溶洞和裂缝时，容易造成漏浆。武汉地区溶洞区的上部一般是透水性较强的粉细砂层，当桩基施工作业时，打破了溶洞附近的地质平衡，桩孔内的泥浆面就会快速的下降使得孔壁的受力失去平衡，粉细砂层将会迅速流失从而导致塌孔，甚至会造成地面的塌陷。考虑到工程区域交通的条件、安全和技术经济等因素，确定桩基24 第四章溶洞地质条件下桩基础施工技术研究成孔穿越多层溶洞时，主要采用以预注浆处理为主，以粉细砂层固化处理为辅的施工工艺。所以在溶洞地区的超长桩的施工过程中，必须提前做好预注浆处理工作，或者向溶洞内填充固化物，用以切断溶洞内部的通道，防止孔内的护壁泥浆流失造成受力不均衡，造成坍塌等危害，并对岩体上覆盖的砂层固化。对于岩溶地区较发育的施工作业区域，在桩基施工前必须要进行前期钻孔，勘察溶洞的基本情况，例如：大小，深度、漏浆情况等，并且钻孔数量在2个以上增加其准确性。依据现场勘查情况，结合施工处理措施进行施工处置。表4.1-1溶洞情况处理措施一览表序号溶洞情况技术措施溶洞洞高小于回填大量优质粘土、片石或水泥等，达11m到堵漏、堵塞小裂隙漏水的效果溶洞洞高为采用静压注浆或止水帷幕预处理法，防21m～3m止泥浆流失或坍孔溶洞洞高较大，采用前面两种方案无法解决时，可采用3积水较多套内护筒法。针对溶洞大小不同的情况，本文建议该工程桩基主要采取四种不同的施工技术，即抛填片石、黏土充填技术，溶洞预注浆技术，桩周帷幕注浆技术，以及钢护筒跟进技术。4.2.1抛填片石、黏土充填溶洞技术对溶洞深度小于1m的情况，建议采用抛填片石、黏土充填溶洞的技术。预先用黏土与片石按1：1的比例混合，装好土袋备用，并25 武汉工程大学硕士学位论文准备好漏浆时备用补浆的泥浆。小型的溶洞钻孔在施工至溶洞顶部一1—2米左右时时候，采小冲程（0.3m左右）钻机将洞顶击穿。击穿洞顶之前，要重点关注护筒内泥浆面的变化情况，一旦护筒内的泥浆面下降，应迅速补浆。洞顶击穿后，根据溶洞的大小，用土袋进行每层在3～5m左右的回填，当停止漏浆后转入正常的钻进。4.2.2溶洞预注浆处理当溶洞的深度在1~3m时，建议采用溶洞预注浆处理技术。溶洞预注浆处理技术的施工工艺一般为：布置注浆孔，放点，钻机就位，钻进成孔，下注浆管，分层注浆，结束移孔。在岩溶发育区，桥梁的桩基设计阶段，需要事先对桩位逐桩超前钻探，为桩底持力层的厚度设计提供相关的技术参数；而在注浆钻孔过程中，还需要抽样勘探，对溶洞发育的情况再一次的判定和复核，以便及时调整钻孔位置。注浆钻孔采用的是XY-100型钻机，采用泥浆护壁、回转钻进、全孔段取芯的方法，钻孔直径91～108mm。注浆材料一般采用32.5号普通硅酸盐水泥，双液注浆选用水玻璃浓度为30～45波美度，模数为2.4～3.4。具体工艺如下：1）在进行开孔作业之前，依据施工图纸以及施工报告，确认是否地下埋设有管网。在确认没有地下管网的情况下，使用岩芯管（108mm）进行开孔作业，开孔作业时必须将岩芯管钻入到岩基0.5m以下，并且在施工作业期间针对土层以及沙石层，必须采用泥浆护壁，以防止坍塌。26 第四章溶洞地质条件下桩基础施工技术研究2）当施工钻入基岩0.5m之后，使用套管（110mm）嵌入基岩，套管口突出于地面0.5m左右，套管必须用水泥泥浆进行固结，套管外部必须进行捣实封闭，以防止在注浆作业过程中，发生漏浆现象。注浆的过程中常常会遇到的异常情况有以下三种：①地面冒浆。浆液在注浆压力作用下，从地面冒出。②沿套管冒浆。在采用套管注浆的方法对土层注浆时，浆液在一定的压力作用下沿着套管从孔壁冒出；③钻探中漏水严重。3）等到套管的固结水泥达到初凝之后，施工采用金刚石钻头（89mm）进行作业操作，施工中如果遇到钻进困难时，必须采用泥浆护壁，待施工作业成孔后，使用清水进行清理。4）当成孔作业完成后，使用冲洗钻进行孔内清洗，清除钻孔作业时遗留的粉状物、石屑、以及溶洞填充物等，如果在施工作业时，空洞发生漏水等情况则不能进行长时间的冲洗。5）清孔完成后下注浆套管。桩基在施工作业时，如遇到多层溶洞时，必须采用分层注浆的方式进行。注浆的速度控制为15～20L/min，压力控制在0.2～0.6MPa。为了有效的进行该类型溶洞处桩基的施工作业，一般在注浆工作开始前，依据溶洞的具体情况，将作业段细分成不同的区段，并依照这样的划分原则：①将裂隙相同的岩层划分一起，尽量让浆液均匀的扩散；②裂隙发育程度相差较大的含水层，为了保证注浆质量和减少浪费，不宜划分在同一段长内；③对于裂隙较宽涌水量大的注浆段，长度宜小，且注浆段长度要与供浆能力相适应，泵量小时，缩小注浆段长度来保证足够的浆液扩散半径。注浆顺序为：①平面上从中心向四周；②先进行上层注浆，再进行下层注浆。27 武汉工程大学硕士学位论文具体如下图4-1所示。图4-1竖直方向注浆顺序浆液扩散的动力来源于注浆压力。在检测裂隙中浆液充填和扩散的过程是否正常时，注浆压力是主要依据。循环式溶洞内注浆压力的计算见下式4-1。P=P1+P2+Pf(4-1)式中：P为注浆压力（MPa）；P1为孔口压力表压力（MPa）；P2为浆柱压力（MPa）；Pf为管路压力损失（MPa）。管路压力的确定方法：工作管的内径一致内壁的粗糙度变化很小，管路的压力损失则为公式4-2：Pf=λ×（Lp/d）×（V2/2g）（4-2）式中：28 第四章溶洞地质条件下桩基础施工技术研究－4λ为摩阻系数，λ=2×10（MPa/m）；Lp为工作管长度（m）；d为工作管内径（m）；V为管内流速（m/s）；g为重力加速度。进行注浆作业时的浆液浓度一般有1∶1，0.8∶1，0.6∶1三种，注浆的浆液是由稀到浓逐渐增加的。在施工作业期间，压力上升较平稳则采取这一浓度不变，如在连续注浆40min之后依旧没有起压，则可以按施工浓度较高的浆液进行作业；如果压力上升较快则应该改用原较稀的浆液。当施工注浆浓度达到最高，但是压力没有变化时，则需要采取间歇注浆作业，即在浆液在达到初凝之后，但未达到终凝期间进行多次灌浆。有必要时可以添加水玻璃以及速凝剂。现场压浆照片如图4-2所示。图4-2现场压浆照片当溶洞的高度超过1m后，必须适时的减小注浆段长度，依据特殊情况作业。采用较稀浓度的浆液进行注浆，注浆过程中可以使用速凝剂。如果效果不明显，压力不升高则可采取间歇注浆的方式进行。注浆过程中注浆段的单位时间吸浆量<10L/min，同时注浆压力均匀持续上升并达到设计终压的时候，稳压20～30min，即可结束注29 武汉工程大学硕士学位论文浆。4.2.3止水帷幕注浆止水帷幕注浆技术是一种物理改良技术。它通过物理的方法对桥梁墩台位桩基高度范围内的地基进行改良，即加固土层和溶洞内的填充物，保证饱水粉细砂层能够形成垂直的帷幕，使溶洞的填充物达到一定的强度，从而有效地解决钻孔桩施工时泥浆的流失和坍孔等问题。这种方法适用于所有需要预注浆处理的溶洞处桩基。为了保证加固后在桥墩的周边土层和下部的溶洞中能形成垂直的帷幕，宜用静压注浆法加固桥墩周边土层、充填下部溶洞。由于垂直止水帷幕可以承受一定外部压力，因而一定程度上能阻止流沙现象等的发生，最终保证一系列施工工序的顺利进行和完成。武咸公路采用该方法施工时基本技术参数如下：根据本工程地质条件和桥梁桥墩设计资料，拟按以下方式布孔，如图4-3、4-4：1）依据施工资料，沿着桥梁桩基墩台外侧，垂直距离为1.5m为溶洞注浆孔的第一排作业点，两个注浆孔的间距最大不超过2.8m。2）依据同样规则，在溶洞的外侧部位2.5m、以及5.0m再同样设置两排注浆孔。注浆作业后，其影响直径必须大于3.0m，具体要根据现场试验确定。30 第四章溶洞地质条件下桩基础施工技术研究图4-3注浆孔平面布置图图4-4注浆孔平面布置图3）浆液所采用的水灰比一般为(0.5-1)：1，水泥不得使用低于42.5#31 武汉工程大学硕士学位论文的普通硅酸盐水泥，注浆作业时压力为0.2～1.5MPa，且注浆的深度每增加1m，压力增加20～50kPa。在该注浆段最大设计压力下，注入率不大于3L／min，持续时间不小于30min时，可结束灌浆。4）质量检测a、可在拟施工的灌注桩中心布置压水试验孔，对不同注浆段进行分段注水试验，并观察有无漏水现象。b、采用随机抽芯检验注浆效果。4.2.4钢护筒跟进大型、特大型溶洞发育规模大、层数多，溶洞内充填物性能差。为避免溶洞顶板被击穿后泥浆突然流失而导致的塌孔现象，在这些深、大且发育完善的溶洞处，可采用钢护筒跟进工艺以保证桩基施工质量的可靠性。（1）工艺原理与流程设置内钢护筒主要是为了防止贯通溶槽的漏浆而造成砂质覆土层的塌孔，从而保证钻孔深度达到设计要求；同时内钢护筒的存在也避免了混凝土超灌或混凝土无法灌注至设计桩顶标高等情况。工艺流程：场地平整、定位→埋设外钢护筒→冲孔至溶洞顶（回填片石或C20混凝土）→溶洞顶部处理→下放内钢护筒→正常成孔至桩底标高（终孔）。（2）护筒钢板参数的选择孔深在10m以下时选用12mm厚的钢板，孔深在10～30m时选用14mm厚的钢板，孔深在30m以上时选用18mm厚的钢板。钢板统一由厂家使用机械集中加工制作，焊缝全部为双面坡口，每节钢板32 第四章溶洞地质条件下桩基础施工技术研究制作长度为4.5～7.5m。（3）钢护筒垂直度控制采用水平尺严格控制好各节护筒连接的垂直度，不得超过施工规范要求的1/200，力求钢护筒垂直入土。若一旦发现有偏斜的趋势，马上进行纠正，将可能发生偏斜的不利因素消除在萌芽状态中。下落过程中通过外部专门支架和预埋外护筒之间的卡具控制，并用经纬仪辅助控制垂直度，如图4-5所示。外钢护筒20mm调节空间20mm调节空间外部支架与外护钢筒锚接20调节空间下落钢护筒外部控制架外部控制架20mm调节空间120调节空间120mm调节空间22[20槽钢20调节空间钢护筒下部垂直度控制点2211图4-5钢护筒垂直度控制点及其剖面（4）两节钢护筒的焊接下部钢护筒用垫铁调平（用吊车调节），用水平尺检测达到水平要求后，在外部卡具范围内将上部钢护筒初步就位，接口对齐，用经纬仪测量垂直度。如垂直度超规范要求，则接口部位采用垫铁调平，然后将两节钢护筒点焊，初步稳定后，再进行满焊。在焊缝冷却后，进行钢护筒的下落施工，上述工序循环进行。（5）钢护筒下至溶槽前的处理施工处不良地质溶洞的深度较大，并且可能存在贯通的溶洞。因此对于此处的溶洞更应谨慎处理，若处理不当便可能出现卡锤的情况。首先应根据补勘探的地质资料详细了解各溶槽顶的准确标高，然后严格按照以下要求进行处理：内钢护筒下放至原成孔桩基已施工的33 武汉工程大学硕士学位论文标高位置处（或溶槽顶100cm处）；冲击锥锤冲至溶槽顶部时做到上下轻提慢放，缓慢的进尺至溶槽处形成一小的裂口。不得高提进行强烈的冲击，以防止卡锤的危险。（6）钢护筒进入溶槽后的处理进入溶槽后，孔内的泥浆势必全部漏失，因此需单独进行溶槽的处理，具体如下：孔内浆漏失完后，尽快用25T汽车吊将冲击锥锤吊开，并将拼装好的水下混凝土导管放入孔内，采用C20混凝土进行封堵。混凝土浇灌须分多次进行，且每次灌入的混凝土不宜过多，每次混凝土的浇灌需在前一次灌入的混凝土初凝后进行，其塌落度需控制在30～50mm范围内。待混凝土产生一定强度后，再用冲击锥锤进行重复回钻、跟进内钢护筒，也可采用回填片石进行反复冲砸。通过挤压旁边的溶洞空间，孔桩周围形成护壁，再跟进内钢护筒。同一桩孔内若有多层溶洞、溶槽或空洞，需分层按上方法处理、跟进下放内钢护筒。4.3小结武咸公路改造工程桩基同时存在多层溶洞上覆饱和砂层和桩长大两个特征，通过采取一系列技术措施处理之后，没有再发生漏浆等事故，工期缩短30天。34 第四章溶洞地质条件下桩基础施工技术研究根据桩基检测报告，灰岩区桩基中一类桩占99.3%，质量可靠有保证。35 武汉工程大学硕士学位论文36 第五章蜂窝式桩头剥离技术研究第五章蜂窝式桩头剥离技术研究钻孔灌注桩在混凝土灌筑过程中，桩头部分难免落入沉渣、泥土等杂质，导致钻孔桩桩头强度难以保证。《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011规定，混凝土灌注时桩顶标高必须高出其设计标高500mm以上，超出的桩头后期由人工剥离。因此，为了保证桩身强度与质量，桩头剥离是桥梁施工过程必不可少的部分。合适的桩头破除施工技术对确保桩身质量至关重要。一般传统的破桩头施工采用手提气动式风镐进行破桩头。这种施工方法必须在桩基混凝土强度达到一定要求后方可实施（一般要求达到混凝土最终强度的70%），而且在破桩过程中，容易引起钢筋变形，从而易损坏桩头的完整性；另一方面，大块混凝土桩头外运困难，噪音大，并且工人的劳动量大，在施工周期、成本上均有一定的浪费。整体提升破桩头新技术克服了传统破桩头技术的弊端，能快速、高效、环保、便捷的剥离桩头。5.1蜂窝式桩头剥离原理蜂窝煤式整体提升破桩头施工方法，是利用松解泡棉等材料解除要剥离桩头部分混凝土与钢筋的粘结，即在桩基钢筋笼主筋顶端安装松解泡棉。安装高度为钢筋笼顶到桩头切割高度，上下端做好封闭；同时在钢筋笼内圈采用一圈钢筋骨架将松解泡棉连接固定。桩头剥离时利用混凝土抗拉强度低的特点，在切割标高沿垂直桩身周围采用机械或手工凿出一个预裂槽，使该槽内混凝土与桩基主筋完全分离；在预裂槽中打入6-8个簪子将桩基混凝土沿预裂面劈裂，再在桩头中间部位对称打入四根届时起反方向作用的起吊提扣，然后再用起吊锁链37 武汉工程大学硕士学位论文栓锁于起吊提扣上，开动起吊动力，最后将剥离的桩头整体吊装外运，即完成桩头剥离。这种施工工艺，可以在桩基混凝土强度不到其最终强度的70%就可以使用可以节省工期。5.2蜂窝式桩头剥离施工技术武咸公路改造项目有500余根桩基础采用了蜂窝式桩头剥离技术。蜂窝式桩头剥离技术的施工示意图如图5-1所示。提吊锁链松解泡棉或竹竿隔离层混凝土浇筑高度提吊锚钉桩头破除高度图5-1桩头剥离示意图5.2.1桩基钢筋笼主筋顶端处理桩基钢筋笼顶部应安装松解泡棉。松解泡棉的主要用途是解除桩38 第五章蜂窝式桩头剥离技术研究头混凝土与钢筋之间的粘结，因此安装高度为钢筋笼顶到桩头切割高度，上下端做好封闭。下图5-2所示：松解泡棉或竹竿隔离层钢筋笼主筋桩头破除高度图5-2松解泡棉隔离层安装示意图5.2.2桩头剥离标高测量将承台的土方挖到设计高程，然后再进行破桩头施工。首先应确定出桩头剥离标高，之后通过现场的水准点，用水准仪将它引至基坑之中，同时量出桩头位置，依据设计要求，计算出测量桩顶标高；找准桩顶标高后，用颜色鲜艳的物品在桩身上做出显眼的标记作为破桩39 武汉工程大学硕士学位论文头的控制点。5.2.3桩头剥离在测量标记的位置沿桩周手工钻出4-6个孔，钻孔方向垂直于桩径，再采用人工将该部位桩基主筋与混凝土剥离、形成预裂面（如图5-3所示）。松解泡棉或竹竿隔离层钢筋笼主筋断裂面（采用钻孔机将桩基砼与主筋在该断面剥离）桩头破除高度承台底标高图5-3桩头剥离断裂面示意图在桩基顶面下30cm-50cm位置沿垂直桩径方向对称打入四个提40 第五章蜂窝式桩头剥离技术研究吊锁链，打入深度20cm左右。在一侧打入6-8个簪子将桩身混凝土沿预裂面劈裂。利用吊车通过提吊锁链和提吊锚钉将桩头向上提出（如图5-4所示），完成桩头剥离。提吊锁链松解泡棉或竹竿隔离层混凝土浇筑高度提吊锚钉桩头破除高度图5-4桩头整体提升示意图4）桩头清运剥离的桩头用吊车吊出基坑，并用车辆将其运送至相应位置。41 武汉工程大学硕士学位论文5.3小结根据需要，武-咸公路溶洞处的多处桩基，采用了蜂窝式桩头剥离技术。从施工效果来看，该技术的采用，确保了桩基的整体性没有遭受任何破坏，后期桩基完整性检测均达到了一类桩的标准；从施工进度来看，由于蜂窝式桩头剥离技术可以在桩基混凝土强度较低时进行。42 第六章结论与展望第六章结论与展望本文以武咸公路改造工程为依托，针对城市内溶洞区等复杂地质条件下桩基施工的技术难题，总结出了一套成形的溶洞条件下城市高架桥桩基施工的关键技术，为后续城市高架桥的施工提供了相应的参考和借鉴。武咸公路改造工程穿越武汉市岩溶强发育区，为南向出城主干道，沿线环境复杂，交通压力大，被业内称为最难修高架桥。项目参建人员执力突破、勇于革新，研发总结的系列关键技术为工程建设提供了可靠的技术保障和支撑，既满足施工质量安全、工期、环保要求，又取得了良好的经济效益，建设过程受到了社会各界及主流媒体的广泛关注和高度赞誉。武咸公路改造工程创造了一次性通车高架最长、地质条件最复杂、高架桩基最长、单次混凝土浇筑方量最大的四项武汉市政桥梁建设之最。目前，成果部分技术已在武汉市杨泗港快速通道工程、四环线工程、长江大道改造工程得到应用，效果显著。6.1结论1、针对溶洞上饱和砂不良地质区域的桩基施工，首先通过地质环境超前评估技术，准确判定不良地质特征，再针对不同的溶洞状况，在武-咸公路上分别采用了抛填片石、预注浆、以及钢护筒跟进快速处理等技术，有效地解决了因溶洞穿孔、粉细砂流失而引发的的塌孔、地面沉陷等重大安全问题。2、提出了蜂窝煤式整体提升破桩头施工方法。该方法一方面提43 武汉工程大学硕士学位论文前了桩头剥离工序施工时机，提高了施工效率，另一方面实现了桩头整体剥离外运，节省了桩渣清运成本。6.2展望随着国民经济的飞速发展，城市内车辆的数量急剧增加，原有的市内交通体系以不再能满足现有的需求，交通堵塞现象频频出现，因此，大力发展城市高架桥已成为必然趋势。城市立交能使车辆在空间上相互分离，各行其道，互不干扰，使车辆较快通行，但由于其在市内施工，施工期内对市内交通的影响较大，因此如何缩短施工期将是一项长期的课题。另一方面，由于我国国土面积较大，各地区的地质条件大不一样，因而各地区施工存在着各自不同的难题，尚无法形成一套适用于全国范围内的复杂条件下施工的关键技术，这都有待进一步的探究。44 参考文献参考文献[1]王银刚.横琴二桥引桥长悬臂板计算与分析[J].国防交通工程与技术.2012年6期:54-58[2]韩帅,金常辉.针对桩基础施工技术的探究[J].世界家苑.2014年.[3]德强.关于桩基础的研究现状[D].活力.2012年12期:40-40[4]付文光,张兴杰,卓志飞.浅议有关复合地基技术标准中的几条规定.[J].广东公路交通.2012年3期(03):94-99[5]OswaldKlingmuller,FabianKitsch．AQualityandSafetyIssueforCast·In—PlacePiles[J]．AmericanSocietyofCivilEngineers，2004，(142)：202-221[6]MohamadHussein,BrentRobinson,GarlandLikins．ApplicationsofaSimplifiedDynamicLoadTestingMethodforCast—In-PlacePiles[J]．Geo—Support，2004.[7]GGSehiefle.QualityControlinSeismicDesignandConstruction[J].JournalofPerformanceofConstructedFacilities,2014,10(10)[8]HarryGPoulos．PileBehavior-ConsequencesofGeologicalandConstructionImperfections[J]、JournalofGeotechnicalandGeo—environmentalEngineering，2005(138).[9]E.A.Sellountou,M.W.O.Neill,C．Vipulanlanandan．ConstructionEffeOsonACIPPileBehaviorinTexasCoastalSoils[J]．AdvancesinDeepFoundations，2005，157(5)：1-17[10]Ming-FangChang，HongZhu．ConstructionEffectonLoadTransferalongBoredPiles[J].JournalofGeotechnicalandGeo-environmentalEngineering,2004,(130).[11]李仲玉.钻孔灌注桩施工中各种钻孔方法的优缺点.[J].科技信息.2011年10期.[12]张书刚.钻孔灌注桩质量控制要点与常见事故防治.[D].工程建设与设计.2005年8期:64-66[13]孙良倩.岩溶地区挖孔灌注桩施工技术[J].企业技术开发.200945 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