武广客运专线三河坝特大桥桩基承压水处理技术

Posted 2023-01-12 桩基

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武广铁路客运专线XXTJⅡ标三河坝特大桥桩基施工中，遇有较强的承压水。施工中根据具体的地质水文条件，采取了“堵"和“排"两种桩基施工方法并均获得成功；通过对两种施工方法的比选，优化施工方案，在桩基质量得到保证的前提下，使钻孔桩成孔效率大大提高。
文章编号：1003-1995(2009)09-0020-03
1.工程地质条件
三河坝特大桥位于垄岗平原岳阳至长沙段岳阳县境内，主要跨越丘间三河坝河，线路与三河坝河斜交角度41°18'。桥址沿线地层根据岩性特征自上而下分为两大层：①第四系覆盖层，包括粉质黏土、粉土、粉砂、中粗砂、砾砂、细圆砾土、粗圆砾土；②下伏基岩为泥质砂岩。因第四系地层覆盖厚度较大，无基岩出露。
桥址范围地下水类型为第四系孔隙水，埋深0～2m，局部范围钻探时钻孔涌水，其中14号墩80mm地质钻孔时涌水量达192t/d，表明该段含水层具有承压水。而此段承压水的处理成为桩基施工中的关键。
2.承压水情况分析及施工方案初步选定
2.1 承压水情况简述
2006年7月15日，三河坝特大桥4#墩第一根桩(8#桩)施工，施工方法采用旋挖钻机成孔法。当钻?a href='http://www.baiven.com/baike/224/298796.html' target='_blank' style='color:#136ec2'>字林小稚啊⒗安闶保⑾挚啄诔鱿钟克窒螅胄∈焙罂啄诔猎穸却锏?.5m，经实测涌水量为24m3/h。为避免出现塌孔及安全事故，经认真研究将该孔及时进行了回填。
2.2 承压水水压高度分析
准确测量出承压水的水头高度，是制定钻孔桩施工方案的关键。为此工程技术人员采用了一种行之有效、简单快捷的测量方法，即先期在距6#墩约150m山坡处采用旋挖机旋挖出一口水井，该水井与墩位处的地质情况相同，从上至下依次为粉砂、中砂、粉质黏土、中～粗砂、砾砂及粗圆砾土；根据地质分析，水井与桥址处的透水层相通。该水井水位稳定，经实测水井内的水位高程为36.95m，而6#墩处的地面高程为33.67m，表明承压水水头高度高出地面3.28m。2.3 钻孔方案的初步选定
1)采用冲击钻机成孔法；
2)泥浆相对密度适当增大至1.15～1.20；
3)墩位处筑岛至高出原地面1.0m以上；
4)冲击钻孔至中～粗砂层以上5m左右开始抛填片石及黏土，每钻进3m抛填1～1.5m厚的片石和黏土，直至钻孔至设计高程。
2.4 理论分析(以7#墩为例)
前述承压水距地面以上的水头高度为3.28m，由图1可知，距中～粗砂顶面的水头高度为：

护筒内泥浆的换算水头高度(仍以中～粗砂、砾砂顶面为基准)的计算：
护筒内泥浆顶高程h1=33.37+1.0=34.37
护筒内泥浆底高程h2=5.17
则泥浆换算水头高度
Δh泥=(h1-h2)×1.15=33.58(1.15为泥浆相对密度，取小值，偏于安全考虑)
泥浆换算水头高度与承压水水头高度之差为
Δh泥-Δh水=33.58-31.48=2.1m
以上计算表明：泥浆产生的压力大于承压水产生的压力，可以避免出现涌水现象。7#墩1#桩按照初步选定的钻孔方案实施过程可以顺利钻孔至设计高程，并成功灌筑了三河坝特大桥第一根桩基混凝土，成桩后经低应变检测，桩身质量良好，证实了该施工方案的可行性，为承压水处的钻孔桩施工探索出了成功之路。
3.对钻孔桩施工方案的进一步优化
上述冲击钻施工方案将增加泥浆相对密度、墩位处筑岛加高、抛填片石和黏土，其目的达到外界压力大于承压水压力，实现成功封堵的施工方法，其实质就是一种“堵"的强制方式。为了更有效地解决承压水问题，大桥局项目部及第二项目队有关技术人员通过进一步分析、研究，决定采用“排"的主动方式进行钻孔桩施工。即在墩位两侧(距墩中心线约16m)各旋挖一口降水井，井底高程至粗圆砾土层，井口高程低于钻孔桩护筒顶标高1m以上，让承压水从井口自动排出，然后采用旋挖钻机进行成孔的施工方法(示意图如图2)。

3.1 新方案论证
采用“排"的方法需要解决两个方面的问题：
①钻孔过程中泥浆护壁是否遭到破坏从而发生塌孔现象；②泄水井不间断的泄水是否造成混凝土灌筑过程中发生“洗澡"现象。
这两种情况都与泄水过程中钻孔桩部位的承压水流量及水流对钻孔桩孔壁产生的压力有关，流量越大，产生的渗透压越大，反之越小，对此可按以下情况假定并进行计算：
①泄水井在泄水过程中沿四周相同半径的断面上流量相同；
②钻孔桩位于距泄水井半径为16m的周边上；
③处于承压水区域的钻孔桩部位与同一半径上的其它部位流量相同；
④出于最安全考虑，只有一口泄水井正常泄水，另一口被封堵。
距泄水井16m的圆周长L1=32×3.14159=100.531m
钻孔桩部位的弧长L2=(3.58/360)×100.531=0.9997m泄水井总流量为24m3/h，则钻孔桩部位的承压水总流量为
Q总=24×0.9997/100.531=0.2387m3/h承压水部位总厚度为4.8m，则钻孔桩部位每平米断面上的流量为
Q′=0.2387/(4.8×1)=0.0497m3/(h.m2)=0.83kg/(min.m2)
承压水在钻孔桩部位的水压计算(取平均值，即承压水层的中间部位)
P水=P泄+P渗
P泄=(33.37-5.17+2.4)×γ水=3.06×102kN/m2(为承压水层的中间部位在泄水井处产生的压力)；P渗为从钻孔桩至泄水井段的渗透压，由以上计算知，Q甚小，故可视P渗=0 则
P水=3.06×102kN/m2
钻孔桩内泥浆产生的压力计算(取平均值，即承压水层的中间部位)：
P泥=(33.37+1-5.17+2.4)×1.15×γ水=3.634×102kg/m2>P水
从上述计算可以看出，此流量为极弱流水，且钻孔桩内的泥浆压力大于承压水产生的压力，可以认为钻孔桩内的泥浆不会受到泄水井的影响，而只是钻孔桩泥浆护壁外周存在弱流水现象。
3.2 旋挖钻孔施工方案实施
1)核对图纸，确定透水层厚度及所处位置；
2)核实护筒顶高程及平面位置；
3)钻机就位钻孔，并采取如下措施：①加大泥浆密度；②护筒加高；③钻至透水层附近钻速减慢，并投入黏土块，反复不进尺旋转，进一步增强泥浆护壁效果；④钻至桩底后静置1h，若水位、沉渣厚度无明显变化，则下放钢筋笼、安放导管，为混凝土灌注作准备。
4)灌注水下桩身混凝土。为了了解旋挖钻结合泄水井法施工的成桩质量，在桩基施工时预埋了3根声测管，对桩基进行了无损检测。检测结果表明桩身质量良好，证明采用旋挖钻机结合泄水井的施工方案切实可行。
施工中采取的措施如图3所示。

4.两种施工方案对比分析
对上述两个方案进行分析评价如表1。

由于武广客运专线施工工期紧，质量要求高，所以存在承压水的桩基处理效果将直接影响到三河坝特大桥的施工进度及工程质量。经过两种不同的桩基施工方案比选，在后期的桩基施工中主要采取了施工速度较快的旋挖钻结合泄水井的施工方法。但在个别桩位地质条件特殊，如下伏基岩强度较高的情况下，则采取了基岩以上地层采用旋挖钻、下部则采用冲击钻成孔相结合的方法，使成孔效率明显提高。
总之，上述两种施工措施各有利弊，应根据不同工程的具体情况合理选择，取其所长，避其所短，才能使成孔质量得到可靠保证，使成孔效率得到进一步提高。当承压水水头高度及涌水量较大的情况下，可同时采用抛填片石、黏土块和泄水井相结合的施工方法。
5.结语
武广客运专线三河坝特大桥桩基共201根，通过采取上述有效措施，并经声测管及小应变检测，其中一类桩为200根，二类桩1根，桩基施工质量良好。实践证明这两种技术方案合理可行，且满足了三河坝特大桥的工期及质量要求。大桥局第二项目队通过对承压水地段桩基施工方案的研究和实施，一方面积累了宝贵的施工经验，另一方面，也为类似地质条件的桩基施工提供了有益参考。对于承压水地段的桩基施工，国内尚无这方面的技术资料加以借鉴，理论方面还需深入探讨。