大孔径钻孔桩质量缺陷处理.doc

大孔径桩基缺陷的处理中铁十局集团西北公司 吴庭杰摘 要：结合广梧高速公路K34+537跨铁路大桥2A#桩基所出现桩身和桩底局部砼严重离析的缺陷处理简述了高压旋喷切割、气举联合清渣、缺陷段旋喷注压浆的处理方法，取得较好的效果。关键词：桩基 质量缺陷 旋喷切割 注压浆1 概述K34+537跨铁路大桥为广梧高速公路控制工程之一，该桥全长191.54m，左幅跨径组合为30m+238m+30m+225m,右幅跨径组合为2530m+228m+30+25m。大桥位于半径1330米的圆曲线和半径10000米的竖曲线上，该桥施工的最大难度在于跨越三茂铁路云浮支线及电厂专用线两条铁路，且大桥与铁路线交角不足27度；左幅于2、3跨跨越铁路，右幅于3、4跨跨越铁路。大桥上部结构采用预应力混凝土连续箱梁，箱梁横断面采用单箱双宝形式，按部分预应力混凝土A类构件设计，桥墩采用分离双柱和独柱桥墩，桥台采用柱式桥台,位于两铁路中间的2A#,3B#独立柱桩基因两铁路线轨顶标高相差大，无钻机场地，因此按挖孔桩施工，桩径为2m，桩基按嵌岩桩设计，桩尖嵌入微风化混合岩不少于3m。单桩轴向承载力为1200T，桩端持力层为微风化花岗岩。2A桩基距两铁路中线约为4米，在挖孔过程中原地面下11.97m进入了岩层，为了减少桩基爆破施工给铁路路基及行车安全带来的影响，桩基爆破采用了浅眼、松动控制爆破，多炮眼、少装药，施工中取得良好的效果。桩基成孔后，由于地下水丰富，采用了搭设钢支架安装钢筋笼和导管灌注水下砼，用卷扬机提混凝土斗；首次封底砼斗容量为4m3 ，砼运输采用输送泵。2 桩基缺陷检测情况该桩浇注完成后7天经超声波检测，反映在桩底范围内桩身有缺陷。为深入了解此部位的缺陷情况，采取超前（桩底往下50cm）钻孔抽芯取样。芯样结果显示该桩在8.14-9.83m混凝土芯样表面有小沟槽，桩底25.33-25.42m混凝土严重离析、芯样破碎，建议对桩补强处理。3. 缺陷处理方案的确定鉴于桩底局部出现水泥浆少、芯样破碎等意外因素，依照路桥施工计算手册第4.2.1条的公式P=（ULp+Ar）/2对桩基单桩受压容许承载力进行了复算。计算时，取清底系数=0.4，修正系数=0.7，并降低20%采用，桩嵌入完整岩层的实际深度（6.73m）。计算得知，桩底最大竖向力P为602 t，桩周摩阻力P2为2235t，根据嵌岩桩的受力机理，桩周摩阻力已能满足设计承载力的要求，况且桩底大部分基岩是完整的。经与桩检单位广东省公路质检站联系，该桩可定为合格桩，但为了保证本标所有工程均为优质工程，确保桩基的使用安全，决定对桩基高压注浆处理。4. 处理过程根据广东省地质物探工程勘察院的钻孔抽芯及声测资料分析，该桩主要缺陷在1号声测管附近，约占整桩面积的30%。根据以往桩基补强加固的经验，本次补强加固的施工工序有钻孔、埋设孔口管、缺陷段高压清水旋转喷射切割气举清碴、高压水泥浆液旋转喷射置换及孔口压浆。（1） 钻孔在该桩缺陷段方向范围内，均布6个钻孔，采用金刚石钻具进行钻进，钻孔直径=100mm，钻孔深度26.4m（2） 埋设孔口管为提高离析缺陷段的补强加固质量，方便孔口压浆保持孔内水泥浆液的压力，在每一抽芯钻孔上部，埋设一根可以安装开关的孔口管，待埋设孔口管的水泥砂浆有一定的强度后，并与桩身紧密胶结，方可进行下一工序。（3） 高压旋喷切割气举清渣高压清水经喷射器产生高压射流，清水在高速旋转的情况下，其压力加大，对各缺陷段进行高压水旋喷切割清洗；切割时喷嘴对准缺陷段，为了提高切割清洗效果，旋喷泵压力控制在2830Mpa，旋喷速度18r/min，提升速度15cm/min，排量6070L/min采用自下而上，自上而下反复切割，缺陷段的上下部喷射长度各增加0.5m，以不留盲区为主。对于桩底的缺陷部位还实施定向切割，定向切割时间每个方向为1020min。通过对6个补强孔缺陷部份的切割清洗，使各孔互连通，对注浆非常有利。对连通的孔清碴时采取高压旋喷和气举排渣联合法，即一孔连续高压切割，与之相近的孔下放空气吸泥机反循环吹渣，其余孔注入清水，如此反复轮流进行，直至各孔返出清水。气举排渣风量取9m3/min，压力为0.7 Mpa。清渣初期从孔内有较多水泥砂砾和碎石喷出，之后水逐渐变清，证明切割清洗效果良好。（4）、高压水泥浆旋喷置换各个钻孔经高压清水彻底喷射清洗处理气举排渣后，再对每个缺陷段采用高压水泥浆液进行旋转喷射，用水泥浆液置换；换置出原缺陷段的清水和未被排出用高压清水切割削落的松散物质；为保证水泥浆的置换效果，各孔分别进行旋喷置换注浆，注浆时各出浆孔开关全部打开，待出浆孔返出的水泥浆与注入的水泥浆相同时（现场检测以比重作为衡量指标），观察所有的出浆孔全部注满纯浆液后，本孔不再排出混凝土块、碎石等，移置下一孔，即通过对各出浆孔的注浆管向孔内自下而上压浆，替出各孔缺陷段下部的混浆液和碎碴，至各孔旋喷置换注浆完成后，选择与其他各孔连通性最好的C孔作为憋浆孔。（5）、孔口压（憋）浆各孔经高压水泥浆液旋转喷射置换后，即关闭预埋在孔口管上装置的孔口开关，在C孔的外套管上安装压浆嘴，从外套管与注浆管的间隙补压浓水泥浆，以不断填满因浆液可能沉缩而出现的空隙，通过补压浆，使缺陷部份的“空体”更加饱满密实，补压浓水泥浆水灰比为0.5-0.6，此时压力为2.0Mpa，稳压30分钟后压浆过程完毕，补强结束、共耗用水泥48T。压浆工作结束后，注浆管作为传力杆留在桩身砼内一起参与受力。（6）浆液配置本次补强加固的水泥浆液，为了保证压浆达到设计要求，水泥浆强度按40Mpa以上配制。选用青州金膺42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为1.0-0.8之间，孔口憋压水泥浆液水灰比为0.5-0.6，掺加0.6%膨胀剂（康备100）、3%减水剂（FDNRY6）及适量缓凝剂来配制浆液，水泥浆的比重大于1.9g/cm3。此配方的水泥浆液膨胀效果好，多次模拟压浆实验中均能充满整个试验容器，与壁周紧密粘合，确保缺陷段压浆处理后与原桩身砼各界面紧密结合。5、高压喷射施工参数控制(1)、对于旋转压力的控制，对于本桩的砼标号为C25，为保证清水压力可切割清洗缺陷段离析混凝土，旋喷压力应不小于25Mpa，考虑切割效果，因此采用28-30Mpa。(2)、提升速度的控制，根根以往经验提升速度越慢切割果越好，本次桩基补强按15-20cm/min控制。(3)、液排量由高压泵控制，施工中浆液排量取60-70L/min(4)、施工设备控制，整个旋喷切割补强过程中设备要保持良好的状态，如果在高压水泥浆旋喷置换和憋浆过程中，设备出现问题，整个对桩的补强工作将功亏一篑；因此在补强桩基前要对所有机械进行检修，保证其优良的状态，整个过程中所用机械有。a) Y-1A改型钻机b) 成孔钻具一批c) XPB-90高压泵一台套d) 空压机 压力0.55-0.7Mpa 排量6-9m3/mine) 高压喷射器f) 高压胶管（D4-1949Mpa）g) 泥浆搅拌机两台套6 、处理效果在上述处理工作完成之后，对该桩进行了复检，超声波检测结果为B类桩，补强效果良好，达到了优良桩的要求。7 、结语广梧高速公路（马安至河口段）K34+537跨铁路大桥2A#桩的施工实践，为处理大直径桩身存在大范围质量缺陷提供了一些成功的经验，供同行借鉴。7.1 缺陷部位的切割、清洗工作是桩身注压浆质量的关键，处理时根据缺陷情况，确定合理的施工工艺和有关技术参数，以保证切割清渣完全彻底。通过模拟试验来检查所选浆液的压浆效果，亦不失为一种质量控制手段。7.2 由于桩身切割、清洗、旋喷压浆工作均在一定的压力下进行，采用旋喷压浆使缺陷段混凝土与原桩紧密结合，有效地保证了质量。7.3 大直径桩基础由于设计承载力大，缺陷处理更应格外慎重。2A#桩处理时的传力杆设置，对提高桩基的承载力安全储备、加强桩基与承台的整体性有着非常积极的意义。7.4 对缺陷桩基处理在保证了工程质量的前提下，确保了工程进度，避免了经济上过多的损失。参考文献：1 路桥施工计算手册 北京: 人民交通出版社， 2002 周水兴 何兆益 邹毅松 等编著2王中文等 . 旋喷法修补大直径钻孔桩 . 公路，1995（7）.3 中国建筑科学研究院 . 建筑地基处理技术规范（JGJ7991）. 北京：中国计划出版社，1992.4 交通部公路规划设计院 . 公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ02485) . 北京: 人民交通出版社，1985.不良地质隧道洞口段的施工技术中铁十局集团西北公司 俞建屏提要 山区铁路隧道洞口段偏压、岩堆、浅埋软弱围岩等不良地质明显。以往不良地质的洞口段施工，从施工准备到洞口段建成，常需36个月时间，主要原因是对地质情况认识不清，施工方法不当，支护不及时、不到位，以致造成洞口段坍方，进洞困难。本文以内昆线两座隧道为实例，对几种不良地质洞口的进洞和洞口段的施工提出了切实可行的施工技术方案。关键词 浅埋 岩堆 偏压 洞口施工 一、前言 山区铁路隧道洞口段多是采用先拱后墙的施工方法。这种施工方法有几大缺陷，首先是拱圈易下沉开裂或受侧压开裂，其次是为了让拱圈自然下沉需提高开挖1520cm，第三是围岩变形大，不利于隧道稳定。而现在隧道施工利用新奥法原理采取对地表预加固措施，增强洞口段围岩自稳能力，洞口段开挖后加强施工支护控制围岩变形，采用先墙后拱的衬砌方法避免衬砌下沉并有效抵抗侧压力，以使不良地质的隧道洞口段能够稳定、安全、优质地建成。 二、工程概况 内昆铁路属低山河谷地貌，地形陡峻，河谷成U形或深切成V形，基岩大多裸露，地层出露较多，地表覆盖较差，分别为砂粘土，块、碎石土。自然坡度在2080之间，而且多数坡度已达极限，很不稳定，每年雨季（5月9月降雨量1000mm1200mm）都有落石、崩塌、泥石流的出现。线路逆横江而上并多次跨越横江。地震基本烈度为VII度。 内昆铁路工程地质较差，不良地质现象较多，主要有断层、溶洞、古滑坡、煤系地层及采空区等。洞口段不良地质主要是：危岩落石、偏压、滑坡堆积体、顺层滑移、浅埋等。 内昆铁路隧道占线路总长的42%，可以说内昆线施工成败的关键就是隧道施工的成功与否，且线下工期仅两年，开工时又正逢雨季，隧道洞口边仰坡及围岩自稳能力极差，这种情况下，如何迅速、安全地进洞，搞好洞口段施工，防止坍塌，就成为了内昆铁路隧道施工的一大课题。 三、浅埋隧道洞口段的施工 在浅埋隧道施工中应尽量少或不刷坡，超前支护后进洞，尽量采用人工开挖，施工支护采用格栅钢架、锚杆、钢筋网、喷砼组合的支护方式，先墙后拱进行衬砌。 由于浅埋隧道覆盖层很薄，隧道上方的岩土很难形成自承体系，而且围岩早期压力大，变形快，如果对隧道变形控制不当，围岩会很快松弛，产生张裂破坏，将导致直达地表面的塌陷。所以浅埋隧道开挖时应强调围岩变形的控制而不应强调围岩变形的释放，支护必须采用强度较高和刚度较大的初期支护，限制土体变形，以免破坏土体结构。 对需要控制地表下沉的隧道，为有效地减少围岩变形，二次衬砌应及时施作，不应等到围岩变形速率0.2mm/d或变形量达到允许变形量的80%以后。而对于采用正台阶法开挖，自下往上进行衬砌的隧道，如何及时进行二次衬砌呢？我们的办法是施作套拱，就是略为加大开挖断面，初期支护后在设计衬砌断面外施作厚度25cm的砼支护，这样就既保证了支护的刚度和及时性，控制了土体变形，又不必采用先拱后墙的影响衬砌结构的施工方法。在田坝子隧道进口，我们就是采用的这种施工方法。 1、地质地理概况 田坝子隧道进口覆盖层为砂粘土、块石土，草树丛生。进洞15m以后逐渐进入基岩为灰褐色泥岩夹砂岩，风化颇重。隧道洞口020m长度范围内埋深为24.5m，在1220m处下穿213国道（山区公路，泥结片石路面），埋深为4.5m。 2、施工方案和措施 除去地表的杂草后进行喷锚支护，然后在拱部衬砌轮廓外水平打入两排42小导管，间距40cm，长度4m，环向间距30cm，纵向3m一环，钢管上钻孔以进行注浆固结围岩，再开挖进洞。 隧道开挖采用台阶法，分拱部、中层、下层三部分，采用小导管超前支护，格栅钢架0.5m/榀，径向锚杆采用WTD25和普通砂浆锚杆两种，长度3m，环向间距1m，纵向间距0.5m，并挂网喷砼20cm。 每完成6个循环（3.0m）后施作套拱，即刚度较大的砼支护，开挖时已预加大断面25cm，使砼支护不致侵入衬砌断面。 下部开挖时为避免围岩暴露面过大，造成坍塌，分上下两层台阶开挖。开挖后依然设格栅钢架、锚喷支护及砼支护，支护参数同拱部，各层间格栅钢架必须焊接牢固。 衬砌紧跟掌子面，直到安全通过公路后施作仰拱，形成衬砌环，再进行拱部开挖。 3、对地表下沉的监测 213国道就在拱顶上4.5m，隧道开挖将会引起地表下沉，可能造成公路的开裂或塌陷，一旦公路坍塌，后果不堪设想。所以在田坝子隧道进口的施工中，还有一个要相当注意的问题就是地表下沉和拱顶位移。对于浅埋隧道，其稳定性应该由拱顶的垂直位移和地表的下沉值来判断，通常用以下条件作为它的稳定性判据： 在初期支护以后拱顶和地表下沉速率应该明显下降。最终支护后速率应趋近于零。 根据围岩类别的不同，拱顶和地表下沉值与跨度之比的允许值应该在0.1%0.6%之间。 支护表面无大量的明显的裂缝，允许出现的收缩裂缝无发展趋势。 田坝子隧道进口的地表下沉监测 监测情况见表1： 表1测点号对应洞口距离(m)测量时间衬砌前下沉速率（mm/d）总下沉量（mm）下沉值与跨度比值(%)18.78.2210.140.1316122148.3010.140.131351.73168.3010.140971.24188.3010.140650.85208.3010.1401161.5 表1中所列的五个点为线路中线上的测点，从下沉速率和时志曲线来看，衬砌前隧道已趋于稳定，支护和公路表面也未发现裂缝，说明所采用的施工方法和措施是安全、妥当的。但从总下沉量可以看出围岩开挖暴露后刚性支护不够及时，管棚和喷锚支护不能完全抵抗围岩及来自公路上车辆通行产生的压力，以致围岩变形和下沉值较大，且地表下沉量绝大部分发生在该对应里程开挖后10天内，在施作砼套拱支护后，下沉量立即减小，也说明了唯有及时施作刚度较大的支护才能有效地控制围岩变形和地表下沉。 四、岩堆洞口段的施工 岩堆是岩体风化后由重力搬运到坡脚的，其内部多为较大碎石、块石乱叠而成，细颗粒的泥砂较少，碎屑物间无胶结，结构松散，处于“一触即溃”的极不稳定状态，而且坡度一般与堆积物的休止角大致接近，易坍塌。岩堆大多分布在近期构造运动强烈上升、物理风化盛行地区，我国西南地区正处在这种地带，而且岩堆大都处于发展增长阶段。横江两岸坡脚岩堆接连分布，斜坡上时有岩块滚落，尤其是雨季遭受雨水浸泡、冲刷后，堆积物的内摩擦角减小，更容易发生坍塌. 隧道洞口段通过岩堆时，施工中除了要加强施工支护以外，还要特别注意拦截地表水，排除岩堆体内地下水，并采用砼支护来抵抗巨大的侧压力。田坝子隧道隧道出口和打瓦隧道出口都是典型的堆积体洞口。 1、田坝子隧道出口 田坝子隧道出口90m均位于滑坡堆积体上，堆积物为砂页岩的碎屑物，粒径小于5cm，夹有孤石，下伏基岩为页岩夹砂岩，风化颇重，倾角较大。堆积体虽已稳定，但地下水较发育，洞口段40m地形又为偏压，侧压力很大。而且基底软弱，不能承受拱墙重力。根据该洞口的地质情况，我们认为施工时首要注意的是加固围岩、加强支护。具体施工方案如下： 做好天沟排水系统后对边仰坡刷方，进行钢筋网喷砼支护，网格间距2020cm，喷砼厚5cm。 在隧道靠山侧衬砌外缘1m采用3排76钢花管进行地表注浆加固，注浆深度在基岩下1m。钢管长13m，间距1m，梅花型布置。 洞口段40m开挖前采用42小导管注浆超前支护，小导管长5m，环向间距0.3m，纵向4m/环，外插角3和10，两种不同外插角的小导管间隔设置；洞口40m至90m范围不属偏压，拱部采用42小导管注浆超前支护，小导管长5m，环向间距0.4m，纵向4m/环，外插角2。 隧道开挖分拱部、中层、下部三层台阶开挖，拱部开挖进尺0.8m，设格栅，锚网喷，并加设25cm厚的砼支护，下部开挖后要把格栅以焊接方式与拱部格栅连接成环。 及时施作仰拱，形成全环封闭结构。 该段施工完毕一段时间后发现隧道衬砌靠山侧40m范围有纵、斜向裂缝产生，我们对裂缝和衬砌位移情况进行了观测，发现衬砌并无位移，裂缝在雨季后也停止发展，但裂缝最宽处已达6mm。根据分析，裂缝成因是由于衬砌未置放在基岩上，边墙基底承载力不足，在雨季堆积体顺基岩面向下滑移，使钢筋砼衬砌受挤压发生开裂。此隧道衬砌的开裂证明由于未采取措施控制堆积体的滑移，即使支护到位，也不能保证隧道安全。根据裂缝成因，我们的处理措施是在衬砌靠山侧增设锚固桩，控制山体位移，减轻衬砌单侧受挤压，并在衬砌基底注水泥-水玻璃双液浆加固围岩，增强承载力。然后继续观察，确认裂缝已停止发展，洞口段安全有了保障。 2、打瓦隧道出口 打瓦隧道出口拱部进洞开挖时除去表皮土后即为岩石，让人以为已进入基岩，实际下部开挖时发现该岩石实为山上滑下来的两层厚层砂岩，覆盖了整个拱部和靠河侧墙部（如图5），岩石倾角45，层间为泥砂，裂隙水较丰富，开挖截断后容易发生顺层滑移，对支护和衬砌产生很大的单侧压力，造成破坏性开裂，很难处理。砂岩下为堆积体块石土，而且富含地下水，侧压力极大，一旦开挖，泥夹石就发生坍滑。直到进洞60m以后才完全进入基岩。针对这种情况，为确保洞口段稳定，施工中一定要加强支护，尤其是靠山侧的支护要加强，我们采用以下施工方案： 进洞前对洞顶上方自然沟进行浆砌铺砌，防止地表水下渗。 边仰坡用WTD25中空注浆锚杆加固坡面，锚杆长4m，间距2m，梅花型布置，加设8，4040cm钢筋网，喷砼10cm进行防护。再沿拱部轮廓线外缘40cm打入95、L=15m、环向间距0.5m的大管棚进行预注浆加固后开挖进洞。 下部开挖分上下两层台阶以减少围岩暴露时间和暴露面积。上层开挖一次性爆破成形，下层则分左右两部开挖，让靠河侧先行，为靠山侧开挖提供临空面，减少靠山侧开挖时对围岩的振动。 支护参数：采用格栅钢架支撑，钢架0.8m/榀，靠河侧22锚杆，锚杆长4m，间距1m，钢筋网10，网格2020cm，喷砼12cm支护。靠山侧循环进尺1m，格栅钢架0.8m/榀，与中层格栅焊接牢固，锚杆用69m22超长锚杆，间距0.8m，并安装好垫板，挂双层钢筋网，钢筋网10，网格间距1010cm，喷砼20cm支护。并作25cm厚的砼刚性支护以抵抗山体压力。 仰拱先行。支护完成后，以3m的循环进尺及时完成仰拱开挖、衬砌，形成全环封闭结构。 该洞口段60m施工完成后我们担心隧道衬砌因靠山侧岩石和堆积体的滑移而滑移或开裂，于是布点进行了观测，随时准备采取加强措施。在经过一个雨季的观测后，隧道没有发生任何变形问题，证明所采用的施工方法和支护手段是安全、可靠的。 五、偏压洞口段的施工 偏压隧道是指承受显著不对称荷载的隧道，形成原因有地形原因、地质原因或坍方造成的等原因。洞口段的偏压一般由地形原因造成，当洞顶覆盖层较薄、地面横坡较陡、围岩类别较低时，隧道将承受偏压，多见于傍山隧道。也就是隧道拱肩外侧围岩覆盖厚度t小于表2所列数值时，将引起洞顶上方岩体下沉，在岩体内形成两个非对称滑动面，使隧道承受显著不对称荷载，开挖时易坍塌，衬砌后易开裂。 表2 单位：米 t 值围岩类别 地面横坡（单线隧道）1:11:1.51:21:2.5III石544III土1086 5.5II18161210所以在偏压洞口段施工，要注意尽早将支护和衬砌形成环以抵抗靠山侧较大的土压力，有可能的情况下应在靠河侧加设辅助措施增强其抗压能力。 田坝子隧道进口为褐色砂岩夹页岩，节理发育，风化严重，洞顶横坡约为1:1，拱肩覆盖层厚度12m，洞口8m右侧（靠河）几乎成陡坎，从墙脚到拱肩覆盖层厚度为0.51.5m，如不采取特别措施，一旦开挖进洞，右侧必坍无疑。为确保顺利进洞，我们制定了以下方案： 1、做好天沟排水设施。 2、刷边仰坡，增设22锚杆，长3.5m，间距1.5m，梅花型布置，挂2020cm钢筋网，喷砼8cm进行地表加固。 3、在右侧施作钢筋砼挡墙护坡，挡墙厚1m，置于稳定地基上，高于拱顶2m。挡墙与边坡面用锚杆连接，锚杆长1m，间距1.2m，梅花型布置。 4、进洞前沿拱部开挖轮廓线设2排42超前小导管注浆，间距0.4m，小导管长4m，环向间距0.3m。 5、拱部开挖分左右两部进行，左侧采用炸药爆破，右侧用风镐辅助人工开挖成形，循环进尺控制在0.8m以内，及时支护。 该洞口施工难点是山体的偏压和靠河侧的覆盖层特别薄，进洞易坍塌，但在施作了钢筋砼挡墙护坡后进洞，围岩没有发生坍塌，支护也未无开裂，说明该挡墙对抵抗偏压和稳定围岩起了关键性的作用，是成功进洞的重要措施。 六、结束语现代隧道施工已有上百年的历史了，但由于地质地形的千变万化，对隧道受力分析没有一套统一的计算方法，尤其对不良地质、软弱