某橋溶洞處理方案

一、工程概況
深圳市鹽田至壩崗高速公路（以下簡稱鹽壩高速公路）位于深圳市東部沿海地區，全長約7km。鹽壩高速公路是深圳市東部路網的重要組成部分，是深圳市的重點建設項目。我部本次施工B段第八合同段，即：葵涌西互通式立交主線1#橋及C-C、E-E匝道橋。葵涌西互通式立交地處葵涌鎮和葵涌小平原的西南緣，該立交與坪山至西沖一級公路十字交叉，并同時上跨葵涌至南澳現有公路和葵涌鎮的金業路。它還與預留葵涌東互通式立交（深圳市規劃6#高速公路）共同完成其交通流的轉換。
全橋共計樁基101根，根據地質勘測資料，在樁中心處表明有溶洞的點位共有30個。其具體布置情況及溶洞發育程度詳見《樁基地質勘探平面布置總圖》。
本橋地質情況由上至下依次分別為雜填土、粘土、粉質粘土、含碎石粉質粘土、弱風化結晶灰巖及微風化結晶灰巖，灰巖溶巖發育。溶洞大概可分為4類，即空溶洞（12個）、多層溶洞（9個）、大型溶洞（H＞4m的8個）、有充填物溶洞（21個）。類型主要以有填充物溶洞為主，其充填物主要有半充填淤泥質土、砂礫、碎石、卵石、粘土等。最大溶洞為左3#－３孔，高19.4m。右2#－3孔為6層溶洞。多層溶洞一般高度較小。C匝道9#墩、10#墩、11#臺；主線1#橋5#墩均處在巖溶較發育地區。
地下水主要為第四系沖洪積層的孔隙潛水和弱風化結晶灰巖中的裂隙水，地下水以接受大氣降水補給為主，一般見溶洞孔的水位均偏低。葵涌鎮南部中冠公司至高圳頭一帶河谷之下及其兩側隱伏著下石炭系灰巖、大理巖，巖溶比較發育，巖溶水賦存于巖溶之中。本橋址地下水對樁基有中等腐蝕，樁基混凝土應采取二級防護措施。
二、施工方案
（一）方案的選擇
根據以上工程概況及施工特點，有溶洞的樁基主要采取如下方案：
1、挖孔樁施工
當有溶洞的樁基地層中無較厚砂礫層或砂層，且溶洞水位較低時采用挖孔樁的方案較為適宜。
2、鉆孔樁施工
當地層中有較厚的中粗砂層、風化嚴重的礫石、碎石；地下涌水量較大時采用鉆孔樁施工。
3、護筒跟進法
當溶洞上方有較厚的砂礫層時，采用護筒跟進的方法，以防止坍孔。
4、挖鉆結合法施工
主要針對挖孔法施工，當對地質情況難以掌握及地下水情況難以判斷，挖孔難以進行下去時，采取鉆孔樁的施工方法。
㈡施工方法
1、適宜鉆孔作業的有溶洞的施工
⑴ 鉆前準備工作
①詳細掌握溶洞出現的位置，并推斷其范圍大小。
②對有溶洞的樁位地質、水文地質資料進行分析研究，制訂適當的施工方案和施工技術保障措施。
③每個孔位的地質柱狀圖和施工方案都單獨列出，發給有關人員，讓具體操作者、技術人員、作業隊長都知道溶洞的位置、大小、充填情況以及應采取的施工方案。
④備足成孔用水、粘土、片石、碎石等必備材料，確保溶洞鉆穿時迅速補水、補漿，預防坍孔，并及時拋填粘土、片石，以恢復正常鉆孔作業。
⑤要有處理施工故障的備用機具設備，如打撈、急救以及不同性能的其他鉆機、鉆具等。
⑥ 鉆孔前先對場地進行平整，清除雜物，再進行樁基定位放樣。同時定位放線應注意：a. 依據已布設的平面控制加密導線控制點坐標和經復核計算無誤的各鉆孔樁中心坐標，利用全站儀精確測設各樁位的中心樁；b. 采用正交線法定出該樁位的法線方向線控制樁，供護筒安裝及機具定位使用；c. 每個鉆孔樁的護筒安裝就位后，應測量護筒頂標高，供檢測孔深度、樁底標高時使用。
鋼護筒內徑比相應的樁徑大30cm，分節卷制，單節高度2m，埋設的深度根據不同地質情況分別確定，對埋深較淺的護筒，采用挖埋法，即先在樁位處挖出比護筒直徑大80-100cm的園坑，然后在坑底填筑50cm左右厚的粘土，分層夯實，然后通過控制樁放樣，把鉆孔的中心位置標于坑底，再把護筒吊放進坑內，用十字線在頂部找出護筒的園心位置，移動護筒，使護筒中心位置與樁位中心位置重合，同時用水平尺或垂球檢查，使護筒豎直，隨后即在護筒周圍對稱，均勻回填最佳含水量的粘土，分層夯實，使其達到最佳密實度，夯填時要防止護筒偏斜，護筒頂面至少應高出地面0.3米，以防雜物，地面水落入或流入井孔內。
泥漿可用膨潤土拌制，也可采用性能良好的其它粘土拌制，制漿池、儲漿池、沉淀池均設在鉆機周圍，并用循環膠管連接，以形成良好的泥漿循環系統。
⑵成孔
采用沖擊鉆機成孔工藝。
鉆機支撐點遠離樁位，支點距離應根據可能造成坍塌范圍進行估算，嚴禁將鉆機直接支撐在孔口，同時鉆機應用“八”字纜風繩拴拉。鉆機安裝就位后，底座和頂端應平穩，不得產生位移或沉陷。
①當鉆至溶洞頂1m左右時，首先準備足夠的小片石或狗頭石（直徑10-20cm）和粘土，粘土要做成泥球（φ15-20cm），對于半填充和無填充的溶洞要組織足夠的水源。其次在1-1.5m范圍內變換沖程，逐漸將洞頂擊穿，以防止卡鉆。
②根據鉆孔的進尺情況，在擊穿洞頂之前，要有專人觀測護筒內泥漿面的變化，一旦泥漿面下降，應迅速補水。擊穿洞頂后，在溶洞內鉆進時，根據填充物的不同，要采取不同的鉆進方法。當充填物為軟弱粘性土或淤泥時，應向孔內投入粘土、片石混合物（比例1：1），沖砸固壁；當為砂層、卵石層時還應提高泥漿的粘度和相對密度。只有當泥漿漏失現象全部消失后才轉入正常鉆進。如此反復使鉆孔順利穿過溶洞。
③對于特大型溶洞或半充填的溶洞或溶洞上方有較厚的沙礫層時，為防止泥漿突然流失，造成孔壁坍塌，采取護筒跟進法施工。具體做法為：首先將φ1.5m的鉆頭擴大至φ1.7m，正常鉆進至溶洞上方約1m處，將鉆頭提起，用振動錘將內徑1.5m、壁厚6mm的鋼護筒砸至孔底，再將鉆頭直徑改為φ1.5m繼續沖砸，直至擊穿溶洞，然后回填粘土片石混合物（比例1：1），采用1—1.5m的沖程將洞內沖砸密實，再轉入正常鉆進。
④對小型或多層溶洞，為防止其不與相鄰孔竄孔或成孔后孔型有葫蘆狀，必要時可灌注低標號砼進行填充，等強后再鉆進。
⑤鉆孔達到設計標高并清孔后，對孔徑、孔深、孔形、豎直高和孔底地質是否與設計相符合，孔底泥漿沉淀厚度等進行檢查，經監理工程師檢查合格后，進行清孔。
⑶第一次清孔
采用掏渣法進行清孔，要求用手摸泥漿無2mm~3mm大的顆粒為止，并使泥漿的相對密度減小到1.1~1.20。降低相對密度的方法是在掏渣后用一根水管插到孔底注入高壓水，使水流將泥漿沖稀，泥漿相對密度逐漸降低達到所要求的清孔標準后，即可停止清孔。
⑷鋼筋籠制作與安裝
鋼筋籠制作采用箍筋成型法。制作后的鋼筋骨架必須放在平整、干燥的場地上。存放時，每個加勁筋與地面接觸處都墊上等高的方木，以免粘上泥土。每組骨架的各節段要排好次序，便于使用時按順序裝車運出。在骨架每個節段上都要掛上標志牌，寫明墩號、樁號、節號等。尤其定位骨架鋼筋，由與護筒頂面標高不同，其長度也不相同，因此更應標寫清楚。沒有掛標志牌的鋼筋骨架，不得混雜存放，避免搞錯，造成質量事故。存放骨架還要注意防雨、防潮，不宜過多。
鋼筋骨架在鋼筋加工場地分段制作，運至現場后吊入孔內，并在孔口進行焊接接長。焊接采用單面焊，焊縫長度須滿足施工技術規范的要求，并將接頭錯開50cm以上。主筋接頭采用搭結焊。為使鋼筋骨架有足夠的剛度以保證在運輸和吊放過程中不產生變形，必要時每隔2m~2.5m在粗箍筋上設十字撐。
鋼筋骨架用吊車起吊，第一段存入孔內后用鋼管或型鋼臨時擱支在護筒口，再起吊另一段，對正位置焊接后逐段放入孔內至設計標高，最后將最上面一段的掛環掛在孔口并臨時與護筒口焊牢，以防止在灌注混凝土過程中下落或被混凝土頂托上升。骨架最上端定位，必須由測定的孔口標高來計算定位筋的長度，并反復核對無誤后再焊接定位。鋼筋骨架在下放時應注意防止碰撞孔壁，如放入困難，應查明原因，不得強行插入，同時要注意觀察孔內水位情況，如發生異常，馬上停止，檢查是否坍孔。鋼筋骨架安放后的頂面和底面標高應符合設計要求，其誤差不得大于±5cm。
聲測管采用內徑57mm，壁厚3mm的鋼管，對接時采用內徑為65 mm，壁厚3 mm，長為10cm的鋼管接頭，內部加入麻絲并將接頭與聲測管焊密實，以防砼漿漏入管內，聲測管的底口用鋼板焊嚴實，頂口也用鋼板焊接，進行密封，以防砼漏入。檢測管在樁基橫斷面上的布置，當直徑小于1.5m時，采用等邊三角形布設；當樁直徑大于1.5m時，采用正方形布設。聲測管直接焊接在鋼筋籠內側，并使檢測管之間基本保持平行。
⑸第二次清孔
由于在下鋼筋籠和導管的過程中，沉淀厚度可能會增大，因此必須采取二次清孔。具體方法是以導管作為作為吸泥泵的吸漿管進行抽漿法清孔。
⑹水下混凝土的配制及灌注
①灌注水下混凝土是鉆孔樁施工的重要工序，應特別注意。鉆孔應經成孔質量檢驗合格后，方可開始灌注工作。
②水下混凝土的塌落度以18～22 厘米為宜，并有一定的流動度，灌注水下混凝土的工作應迅速，防止塌孔和泥漿沉淀過厚。灌注前，對孔底沉淀層厚度應再進行一次測定，如超出規定厚度（設計厚度），可用一根水管插到孔底注入高壓水3min~5min，使沉淀懸浮再立即灌注首批混凝土。
③水下砼灌注采用導管法。導管使用前均應調直、試拼組裝，并做水密承壓試驗，準確記錄試壓編號及自下而上標示尺度。將首批混凝土灌入孔底后，立即測探孔內混凝土面高度，計算出導管內埋置深度。漏斗和儲料斗需有足夠的容量，即混凝土的初存量，應保證首批混凝土灌注后，使導管埋入混凝土的深度不小于1m。
④灌注開始后，應緊湊、連續的進行，嚴禁中途停工。在灌注過程中，要防止混凝土拌和物從漏斗頂溢出或從漏斗外掉入孔底，使泥漿內含有水泥而變稠凝結，致使測探不準確。應注意觀察管內混凝土下降和孔內水位升降情況，及時測量孔內混凝土面高度，正確指揮導管的提升和拆除。導管埋入混凝土的深度一般控制在2m～4m，特殊情況不得小于1m或大于6m。導管提升時應保持軸線豎直和位置居中，逐步提升。
當導管提升到接頭露孔口以上有一定高度，可拆除1節或2節導管。此時暫停灌注，先取走漏斗，重新系牢井口的導管，并掛上升降設備，然后拆除，同時將起吊導管的吊鉤掛上待拆的導管上段的吊環，導管拆除后吊起拆除的導管徐徐放在指定位置，然后將漏斗重新插入井口的導管內，校正好位置，繼續灌注。每根樁灌注時間不應太長，盡量在8小時內灌注完畢，以防止頂層混凝土失去流動性，提升導管困難。
在灌注過程中，當導管內砼不滿，含有空氣時，后續砼要徐徐灌入，不可整斗地灌入漏斗和導管，以免在導管內形成高壓氣囊。
⑤當砼面接近鋼筋骨架底部時，為防止鋼筋骨架上浮，采取以下措施：
a.盡量縮短混凝土總的灌注時間，防止頂層混凝土進入鋼筋骨架時混凝土的流動性過小，可采取摻加緩凝劑、粉煤灰等措施增大其流動性；b.當混凝土面接近和初進入鋼筋骨架時，應使導管底口處于鋼筋籠底口3米以下和1米以上處，并徐徐灌注混凝土，以減少混凝土從導管底口出來后向上的沖擊力；c.當孔內混凝土進入鋼筋骨架4m~5m以后，適當提升導管，減小導管埋置深度，以增加骨架在導管口以下的埋置深度，從而增加混凝土對鋼筋骨架的握裹力。當孔內混凝土面進入鋼筋骨架1m～2m后，適當提升導管，減少導管埋深，增大鋼筋骨架下部的埋置深度。
⑥為確保樁頂質量，在樁頂設計標高以上應加灌一定高度，一般樁頂加灌0.5m～0.8m高度。同時指定專人負責填寫水下混凝土灌注記錄，在灌注到接近設計標高時，要計算出還需要混凝土數量，通知拌和站按需要數拌制，以免造成浪費。
⑦在灌注將近結束時，由于導管內混凝土柱高度減小，超壓力降低，而導管外的泥漿及所含渣土稠度增加，相對密度增大。如在這種情況下出現混凝土頂升困難時，可在孔內加水稀釋泥漿，并掏出部分沉淀土，使灌注工作順利進行。在拔出最后一段長導管時，拔管速度要慢，以防止樁頂沉淀的泥漿擠入導管形成泥心。
⑧在灌注混凝土時，每根樁應至少留取兩組試塊，樁長20米以上不小于3組。
㈡挖孔樁施工
1、施工準備工作
①詳細掌握溶洞出現的位置，并大致推斷其范圍大小。
②對有溶洞的樁位地質、水文地質資料進行分析研究，制訂適當的施工方案和施工技術保障措施。
③每個孔位的地質柱狀圖和施工方案都單獨列出，發給有關人員，讓具體操作者、技術人員、作業隊長都知道溶洞的位置、大小、充填情況以及應采取的施工方案。
④施測墩臺十字線及其護樁，定出樁孔準確位置。
⑤在孔位處安裝提升設備，為防止孔口坍塌，在井口周圍用現澆砼進行護壁，厚度20cm，高3m。
2、孔壁支護的設計和施工
為保證施工安全，護壁采用鋼筋砼護壁，其結構形式為內外齒型，φ6鋼筋靠內徑放置，厚度為15cm。現澆砼的施工一般采取自制的鋼模板，每節段由三塊拼裝而成。澆注砼時，拆上節，支下節，自上而下周轉使用。模板間用U型卡連接，上下設兩道槽鋼圈頂緊；鋼圈由兩半圓圈組成，用螺栓連接，不另設支撐，以便澆注砼和下節挖土操作。砼用人工或機械拌制，用吊桶運輸人工澆注。
3、井孔開挖
挖掘時，要使孔壁稍有凸凹不平，以增加樁的摩阻力。挖掘方法視土層性質而定。根據地質勘測資料，地質情況由上至下主要分別為雜填土、含礫石卵石粉質粘土、弱風化結晶灰巖、和微風化結晶灰巖。粘土為不透水層，適合挖孔作業，采用短柄鐵鍬進行開挖，每挖掘1m深時就及時用鋼筋砼護壁。含礫石卵石粉質粘土具有一定的滲水性，在此段地層作業要淺進尺，即每挖深0.5米~1.0米左右，就快速支護，以防塌孔。進入到砂層時,沿上層護壁外圍每20cm打入φ20的鋼釬,然后鋼釬上綁扎草袋作為防護，抽完水后澆注護壁,每節最大高度0.5m。
當挖孔進尺到溶洞頂面1m時，挖孔作業人員必須系安全帶,安全帶要與井口上的掛梯或安全繩牢固聯系，然后用風鉆鉆一個φ100mm的孔，查看溶洞內是否有承壓水，若有，人員則應迅速撤到地面等其自然排除，水位穩定后再進行抽水，然后繼續開挖。挖穿溶洞頂蓋后，首先用水泵抽掉洞內的稀漿或水，然后將鴿子或活雞放入空溶洞中，呆30分鐘，若正常，方可將作業人員用鋼吊籠放入空溶洞中。隨后用磚砌外圈，且其要有足夠的壁厚、剛度，以防止灌注砼時護壁被擠垮，然后立模澆注鋼筋混凝土護壁。溶洞處理完成后，繼續向下挖進。
若溶洞內無承壓水，在挖穿頂蓋前，作業人員身上的安全帶必須與孔頂上的安全繩或鋼爬梯相連接，以確保溶洞挖穿時作業人員的安全。下洞前將鴿子或活雞放入溶洞中，呆30分鐘，若正常，方可進行洞內作業。進入溶洞后，要根據溶洞內填充物的情況分別采取不同的措施：
①若為空溶洞，首先將積水抽干，用磚砌外圍，然后立模澆注鋼筋混凝土。
②溶洞內有填充物，則根據填充物的種類分別采取不同的措施
a.填充物是中粗砂、粉細砂時，挖進時應淺進尺，強支護，沿上層護壁外圍每20cm打入φ20的鋼釬,然后鋼釬上綁扎草袋作為防護,每節最大高度0.5米。
b.填充物為軟塑壯粘土、含碎石粉質粘土時，采用短柄鐵鍬進行開挖，每挖深1m左右就及時護壁。
挖孔穿越弱風化結晶巖和微風化結晶灰巖時須采用松動爆破的方式進行開挖。當進入爆破施工階段，應讓護壁砼有一定的強度后再進行另一個孔的爆破施工。嚴禁用裸露藥包，必須打眼放炮和嚴格控制裝藥量，以松動為主，以免護壁被炸壞造成坍孔，同時孔壁周圍眼孔要加密，不裝藥，以保證爆破后孔壁完整。
挖孔時應視不同情況采取不同的排水措施。孔內滲水量不大時可用鐵皮桶盛水，人工提引排走，滲水量大時，可用水泵排走。
4、勞動組織
為便于縮短工期，施工順序為一個墩基礎的所有樁孔同時開挖，組織四班制連續作業，即一個孔護壁完成后，在等強過程中進行另一個孔的挖掘工作。每班4~6人為宜，開挖1~2人，提升出土及排水3~4人，井上井下人員交替更換。
五、測量控制
挖孔作業必須隨時處于控制的狀態，以免井孔空間幾何尺寸超差造成質量事故。樁位軸線采取地面基線十字網控制，挖孔作業高程水準點由控制水準基點引致護壁頂面。軸線及高程須經常校核。護壁及模板中線線控制，系按第一節護壁頂面的十字線交點吊大線墜來控制。其后用尺桿找圓周，用鋼尺在第一節護壁頂面的水準點上量高程（或深度），以保證樁位、孔深和截面尺寸始終保持正確。
六、終孔檢查處理
挖孔挖到設計標高后，及時進行孔底處理，做到平整，無松渣、污泥及沉淀等軟層。嵌入巖層深度應符合設計要求，并及時向駐地監理工程師報檢。
七、筋骨架制作及安裝
鋼筋骨架在場外預扎后吊入孔內，為保證鋼筋骨架的正確位置，主筋上安裝砼保護層墊塊，并在鋼筋籠上口設撐拉裝置，以防止鋼筋籠在灌注砼過程中出現變位現象。
八、灌注砼
當孔底及附近孔壁滲入的地下水的上升速度較小時，采用在空氣中灌注混凝土樁的方法。用導管灌注砼，其坍落度為7cm~9cm。開始灌注時，孔底積水深不能超過5cm，灌注的速度要盡可能加快，使砼對孔壁的壓力盡快地大于滲水壓力，以防水滲入孔內。樁頂2m以下灌注的砼，可依靠自由墜落搗實，不必再用人工搗實；在此線以上灌注的砼要以振搗器振實。砼灌注至樁頂后，要將表面已離析的混和物和水泥浮漿等清除干凈。
當地下水上升速度較大時，采用水下灌注砼的方法施工。
九、安全保證措施
1、挖掘時的安全技術措施
⑴挖孔工人必須帶有安全帽、安全繩。取土渣的吊桶、吊鉤、鋼絲繩、卷揚機必須經常檢查。
⑵為防止井口坍塌，必須在孔口用鋼筋砼護壁。
⑶挖孔深超過10m時必須采用機械通風。
⑷挖孔工作暫停時，孔口必須罩蓋。
⑸井孔要設置牢固可靠的安全梯，以便于施工人員上下。
⑹電工、爆破工必須持證上崗，井上、井下作業人員必須身體健康。
⑺孔內照明須使用12V安全電壓和防爆燈。
⑻孔上與孔內人員必須保持有效聯系，孔邊設安全繩與孔下人員安全帶連接，安全繩由孔上人員隨作業面松長。
⑼孔內作業人員連續工作時間不能超過4小時。
⑽孔內爆破時應注意以下事項：
①導火線起爆應有工人迅速離孔的設備；導火線應做燃燒速度試驗，據以決定導火線所需長度；孔深超過10m時應采用電雷管引爆。
②必須打眼放炮，嚴禁裸露藥包。對于軟巖石炮眼深度不超過0.8m，對于硬巖石炮眼深度不超過0.5m。炮眼數目、位置和斜插方向，應按巖層斷面方向來定，中間一組集中掏心，四周斜插挖邊。
③嚴格控制用藥量，以松動為主。一般中間炮眼裝硝銨炸藥1/2節，邊眼裝藥1/3節~1/4節。
④有水眼孔要用防水炸藥，盡量避免瞎炮。如有瞎炮時按安全規程處理。
⑤炮眼附近的支撐應加固或設防護措施，以免支撐炸壞引起坍孔。
⑥孔內放炮后必須迅速排煙，方法為采用高壓風管放入孔底吹風。
⑦一個孔內進行炮破作業，其他孔內的施工人員必須到地面安全處躲避。
⑧爆破時孔口應覆蓋安全網等防護措施，以防飛石飛出。
㈣挖鉆結合法施工
當在挖孔作業中遇到嚴重的流沙或嚴重涌水，挖孔作業難以繼續時，就要改為鉆孔樁的施工方法。具體方法為重新回填粘土片石混合物（比例1：1），采用1—1.5m的沖程將洞內沖砸密實，再轉入正常鉆進。