劉運思， 牟天光， 肖洪波， 周伏良， 趙俊逸

(1.湖南科技大學(xué)巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點實驗室, 湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201; 3.中國建筑第五工程局土木工程有限公司, 湖南 長沙 410075)

0 引言

巖溶地區(qū)廣泛分布于我國各地，橋墩樁基礎(chǔ)設(shè)計及施工中不可避免的遇到一系列巖溶工程地質(zhì)問題[1-3]。沖擊樁以其承載力高、適應(yīng)性強、成本適中、施工簡便等特點廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域，特別是在巖溶地區(qū)沖擊樁應(yīng)用更為廣泛[4-7]。巖溶地區(qū)沖擊樁施工時常采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)法確保施工順利進(jìn)行，特別對大溶洞和多層(串珠狀)溶洞可將護(hù)筒穿過溶洞，嵌套在巖壁上的鋼護(hù)筒能有效保證樁基成樁質(zhì)量[8-9]。

國內(nèi)外學(xué)者對巖溶地區(qū)樁基從設(shè)計、施工以及病害問題展開了大量的研究[10-12]，趙明華等[13]基于Griffith強度準(zhǔn)則對巖溶區(qū)樁基溶洞穩(wěn)定性進(jìn)行分析。鄭曉慧[14]在滿足承載力需求的情況下，調(diào)整設(shè)計樁長及勘探深度，進(jìn)而制定特定地區(qū)設(shè)計原則，優(yōu)化成樁工藝、節(jié)約工程造價。尹文斌等[15]對經(jīng)常發(fā)生漏漿、塌孔、卡鉆及埋鉆等事故的處理對策進(jìn)行了研究，并著重討論了多工藝復(fù)合成孔技術(shù)、護(hù)壁技術(shù)和泥漿技術(shù)。黃祥國等[16]以武漢市雄楚大街樁基施工項目為工程背景，分別分析溶洞被貫穿、樁底被包含、樁與溶洞隔離等3種不同病害下，樁基的變形與受力情況。

本文以大王山礦坑工程中橋墩樁基鋼護(hù)筒變形事故為研究背景，主要展開巖溶地區(qū)橋墩樁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒變形施工處治措施研究并對其處治過程中加固措施進(jìn)行力學(xué)分析研究。

1 工程概況

大王山礦坑工程中橋梁總體布置為(15+55.5+145+55.5+15) m連續(xù)剛構(gòu)梁，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁采用單箱雙室截面，橋面設(shè)1.5%的雙向坡。2、3號橋墩樁基采用?2200 mm的鉆孔灌注樁，1、4號橋墩樁基采用?1500 mm的鉆孔灌注樁，0、5號橋臺樁基采用?1800 mm的鉆孔灌注樁，樁基均采用C30鋼筋混凝土，樁基礎(chǔ)采用嵌巖樁，要求樁底進(jìn)入持力層，且為完整巖層≮5 m。其中3號墩8根樁基設(shè)計樁長依次為：47、48、54、39、49、51、39、55 m，加上樁頂7 m空樁部分最大鉆孔深度達(dá)到62 m。3號墩樁頂以下24 m區(qū)段采用隔離設(shè)計,隔離區(qū)段沖孔孔徑為2600 mm，下放內(nèi)徑2400 mm隔離鋼筒。

3-5號樁沖孔至37 m深度，在沖孔過程中遇溶洞發(fā)生了偏孔和漏漿現(xiàn)象，回填片石、粘土復(fù)沖后已順利穿過溶洞區(qū)域，沖孔過程中無異常情況發(fā)生，繼續(xù)沖孔至隔離區(qū)段底部后，安放隔離鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒長30 m、內(nèi)徑2400 mm、壁厚10 mm，安放完成后繼續(xù)對隔離區(qū)以下樁基進(jìn)行沖孔，沖孔至37 m時，孔壁溶洞內(nèi)巖石斷層坍塌，鋼護(hù)筒頂以下10～24 m段受擠壓往樁孔內(nèi)凸現(xiàn)1.2 m(見圖1)，錘頭卡在樁底位置無法提出，在抽排樁孔內(nèi)泥漿觀察孔內(nèi)情況時，仍有巖石掉落撞擊鋼護(hù)筒。在3-5號樁隔離鋼護(hù)筒安放至受擠壓變形期間，3號墩其他樁孔均未施工。

圖1鋼護(hù)筒變形示意圖

Fig.1Schematicdiagramofsteelcasingdeformation

3-5號樁鋼護(hù)筒變形處理擬采用氣切割鋼護(hù)筒法和千斤頂孔內(nèi)校正變形法。由于在溶洞內(nèi)巖石塌方量較大，任何局部性的加固措施都存在較大風(fēng)險，都不能夠保證鉆孔樁的施工安全，故在切割護(hù)筒變形部分前，須對鋼護(hù)筒外側(cè)采用C30高流態(tài)混凝土填充、注漿加固辦法，切割后，進(jìn)行補注漿，使鉆孔施工不漏漿、不塌孔。

2 鋼護(hù)筒變形區(qū)內(nèi)支撐設(shè)置

2.1 鋼護(hù)筒變形區(qū)段內(nèi)撐設(shè)置施工方案

鋼護(hù)筒外側(cè)承受壓力較大，為防止鋼護(hù)筒進(jìn)一步變形，并確保鋼護(hù)筒切割過程的施工安全，首先將孔內(nèi)泥漿采用泥漿泵抽送至泥漿罐車?yán)鍪┕がF(xiàn)場，在鋼護(hù)筒變形部位從上往下設(shè)置型鋼內(nèi)撐，型鋼內(nèi)撐采用80 mm×80 mm×2.5 mm矩形鋼管，環(huán)向布置分為3個三角形，豎向設(shè)置間距為0.5 m，如圖2和圖3所示。

圖2 鋼護(hù)筒變形處治示意圖

圖3 鋼護(hù)筒變形部位型鋼支撐示意圖

2.2 巖土物理力學(xué)特性

根據(jù)巖石試驗結(jié)果，場地內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計見表1。

2.3 計算模型

Mohr-Coulomb模型一般適用于松散或膠結(jié)的顆粒狀材料、土體、巖石分析，根據(jù)本區(qū)間詳勘資料，選取模擬的區(qū)段地層較適應(yīng)于本模型的地層條件。因此，地層的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型，鋼管和鋼板采用的則是彈性模型。模型取洞直徑的5倍范圍內(nèi)巖土體進(jìn)行計算，其模型示意圖見圖4。

表1 材料物理力學(xué)特性

圖4 模型示意圖

2.4 鋼護(hù)筒變形區(qū)段內(nèi)撐力學(xué)行為

通過數(shù)值分析方法，本文研究了鋼護(hù)筒變形區(qū)段混凝土填筑溶洞內(nèi)部時鋼支撐的軸力和變形，如圖5所示。

圖5 鋼支撐變形和軸力圖

由圖5所示可知，鋼支撐最大變形為3.4 mm，軸力為143 kN，且鋼支撐越接近樁頂?shù)奈恢米冃卧酱?。這主要是上部為粉質(zhì)粘土，其粘聚力和內(nèi)摩擦角較小，土體自穩(wěn)能力較差，對鋼護(hù)筒產(chǎn)生的土壓力較大，則導(dǎo)致鋼支撐變形較大。而粘土以下為灰?guī)r，其粘聚力和內(nèi)摩擦角相對土體較大，巖石具有一定的自穩(wěn)能力，對鋼護(hù)筒產(chǎn)生的圍巖壓力相對小，則鋼支撐變形相對小。

為了確定鋼支撐最優(yōu)間距，分別對鋼支撐豎向間距0.25、0.5、0.75、1.25、1.5 m進(jìn)行了數(shù)值分析，獲得了鋼支撐和鋼護(hù)筒的內(nèi)力和變形值，見表2。

表2 不同間距下鋼支撐和鋼護(hù)筒最大內(nèi)力及變形

由表2分析可知，當(dāng)鋼支撐豎向間距≯1.25 m時，鋼支撐變形<10 mm，而間距>1.25 m時，鋼支撐變形>10 mm。當(dāng)鋼支撐豎向間距≯0.5 m時，鋼護(hù)筒變形<10 mm，而間距>0.5 m時，鋼護(hù)筒變形>10 mm，變形較大。為了確保鋼護(hù)筒安全穩(wěn)定，建議變形≯10 mm，鋼支撐豎向間距0.25和0.5 m均滿足需求，但從經(jīng)濟效益出發(fā)，鋼支撐豎向間距選取0.5 m最佳。

3 樁周溶洞填充及小導(dǎo)管注漿

3.1 樁周溶洞填充及小導(dǎo)管注漿施工方案

為防止樁周溶洞內(nèi)巖石斷層進(jìn)一步坍塌，對樁基成孔和成樁后樁身的穩(wěn)定造成影響，樁周溶洞采用C30高流態(tài)混凝土進(jìn)行填充，混凝土采用導(dǎo)管進(jìn)行灌注。灌注前，在樁周預(yù)埋8根注漿小導(dǎo)管，見圖6所示。小導(dǎo)管插入至鋼護(hù)筒底部，小導(dǎo)管頂部高出鋼護(hù)筒口50 cm，作為注漿口。在鋼護(hù)筒變形位置頂部切割預(yù)埋導(dǎo)管口，將注漿小導(dǎo)管向上傾斜插入溶洞內(nèi)，共設(shè)置4根，以便壓漿時漿液能將溶洞頂部破碎巖石固結(jié)。注漿小導(dǎo)管采用?50 mm×2.5 mm鋼管，鋼管底部10 m區(qū)段設(shè)置5 mm注漿孔，注漿孔間隔5 cm梅花型布置。小導(dǎo)管注漿孔外周采用土工布包裹，便于混凝土填充后水泥漿液能夠從注漿孔流出。

圖6 注漿小導(dǎo)管布設(shè)圖

混凝土灌注完成后，對鋼護(hù)筒外側(cè)夾隙進(jìn)行高壓注漿(水泥漿)。

水泥漿密度的控制：制漿采用機械拌制，水與水泥質(zhì)量比為1∶1。壓漿過程中根據(jù)吃漿量的變化，調(diào)節(jié)水泥漿密度，控制在1.50～1.60 g/cm3,吃漿量大時濃些，反之稀些。

漿液通過注漿小導(dǎo)管壓入鋼護(hù)筒外側(cè)破碎巖體及空洞內(nèi)，注漿由下至上進(jìn)行，根據(jù)注漿壓力及持續(xù)時間來確定注漿的飽和度。注漿由鋼護(hù)筒外側(cè)的1號注漿管開始至8號依次進(jìn)行，確保鋼護(hù)筒四周全部填充密實。

注漿壓力是保證壓漿質(zhì)量的關(guān)鍵，過低會降低灌漿效果，達(dá)不到預(yù)期目的，在施工時，注漿壓力為0.15～0.6 MPa。達(dá)到0.6 MPa時持壓3 min后壓力≮0.3 MPa即認(rèn)為注漿飽和。單次壓漿密實度如不能滿足要求，則需要多次壓漿。

3.2 注漿效果分析

為了研究注漿效果對巖土加固效果的影響，通過數(shù)值分析方法，獲得了鋼護(hù)筒變形區(qū)段注漿加固和未注漿加固處理的變形圖如圖7所示。

由圖7可知，未注漿加固鋼護(hù)筒最大變形為18.6 mm，注漿加固鋼護(hù)筒最大變形為6.7 mm，漿液有效的提高了巖土體自身強度，土體有一定的自穩(wěn)能力，作用于鋼護(hù)筒上的圍巖壓力變小，鋼護(hù)筒變形變小。

圖7 鋼護(hù)筒變形圖

4 鋼護(hù)筒變形段切割、封閉成環(huán)

4.1 鋼護(hù)筒切割、封閉成環(huán)施工方案

鋼護(hù)筒變形部分切割采用氣切割法逐層切割，每層切割高度50 cm，環(huán)向劃分為3塊進(jìn)行切割，見圖8。護(hù)筒切割前，在型鋼支撐上焊接10 cm×10 cm的?25 mm鋼筋網(wǎng)為操作平臺，平臺上鋪設(shè)15 mm厚竹膠板，孔內(nèi)切割的鋼板和鑿除巖石掉落在平臺上，及時采用卷揚機吊運出孔口。鋼護(hù)筒切割后鑿除巖石，巖石鑿除面形成一環(huán)圓順孔壁；在鋼護(hù)筒切割部位，采用20 mm厚鋼板彎制成兩個半圓，焊接封閉成環(huán)，加強鋼板焊接前，采用千斤頂對鋼護(hù)筒進(jìn)行校正，校正過程中采用測量儀器進(jìn)行測量，確定鋼護(hù)筒中心位置，并保證鋼護(hù)筒的垂直度。護(hù)筒變形部位按50 cm一節(jié)循環(huán)處理，直至完成整個變形部位的處理。每環(huán)加強鋼板接縫采用單面焊接，焊縫要求滿焊，采用水平尺嚴(yán)格控制好各節(jié)鋼板連接的垂直度，以便于順利提出樁底錘頭。

錘頭提出后重新制備泥漿，繼續(xù)沖孔至設(shè)計樁底標(biāo)高。由于鋼護(hù)筒外周已采用高流態(tài)混凝土填充，鋼護(hù)筒與孔壁間的隔離間隙已失效，為滿足設(shè)計要求，成孔后在樁頂隔離區(qū)段安放內(nèi)層隔離鋼護(hù)筒，長31 m、內(nèi)徑2200 mm、壁厚10 mm，內(nèi)外兩層鋼護(hù)筒之間即可形成間隙100 mm的環(huán)形斷面，樁身混凝土灌注后采用爐渣將隔離間隙進(jìn)行填充。

圖8 鋼護(hù)筒切割示意圖

4.2 鋼板厚度驗算

對鋼護(hù)筒變形處采用內(nèi)支撐加固，在鋼護(hù)筒變形處使用混凝土填充溶洞，填充完畢后逐層切割變形的鋼護(hù)筒和填充的混凝土，并采用厚鋼板彎制成兩個半圓，加強處理。加強處受填充后的混凝土側(cè)向壓力，加強處理后是否滿足工程安全需進(jìn)行驗算。根據(jù)地勘資料得到的材料物理力學(xué)特性(參見表1)，距樁頂24 m處所受的側(cè)向壓力可近似根據(jù)下式獲得：

p=γHtan2(45-φ/2)

(1)

式中：p——側(cè)土壓力；γ——土體容重；H——埋深；φ——內(nèi)摩擦角。

護(hù)筒厚度根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計原理》可按下述公式計算：

t≥KDp/2fc

(2)

式中：K——安全系數(shù)，取1.65；D——鋼筒外直徑，本工程取2600 mm；p——土壓力；fc——鋼材的軸心抗壓強度設(shè)計值，取215 MPa。

根據(jù)研究可得鋼護(hù)筒厚度取大于2 mm為宜，本工程采用20 mm鋼板作為加強處理過于保守。

5 結(jié)論

本文針對巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒變形問題展開了處治方法和安全計算研究，其主要研究結(jié)論如下：

(1)3-5號樁鋼護(hù)筒變形處理采用氣切割鋼護(hù)筒法和千斤頂孔內(nèi)校正變形法。在切割護(hù)筒變形部分前，采用C30高流態(tài)混凝土填充、注漿加固辦法，切割后，進(jìn)行補注漿，使鉆孔施工不漏漿、不塌孔。

(2)型鋼內(nèi)撐采用80 mm×80 mm×2.5 mm矩形鋼管，環(huán)向布置分為3個三角形，豎向設(shè)置間距為0.5 m為最優(yōu)。

(3)樁周溶洞采用C30高流態(tài)混凝土進(jìn)行填充，樁周預(yù)埋8根注漿小導(dǎo)管以及4根小導(dǎo)管向上傾斜插入溶洞內(nèi)注漿。通過數(shù)值分析可知，注漿加固比不注漿加固巖土體穩(wěn)定性明顯提高，對鋼護(hù)筒擠壓變形小。

(4)鋼護(hù)筒變形部分切割采用氣切割法逐層切割，每層切割高度50 cm，環(huán)向劃分為3塊進(jìn)行切割。切割后采用2 cm厚鋼板彎制成2個半圓，焊接封閉成環(huán)，并用千斤頂對鋼護(hù)筒進(jìn)行校正。