岩溶地区冲击钻孔桩施工控制技术

摘要本文通过岩溶地区武广客运专线黎溪特大桥钻孔灌注桩施工介绍了岩溶地区钻孔桩施工中可能出现的问题及处理方法

关键词岩溶 钻孔桩 施工问题 处理方法

武广客运专线黎溪特大桥位于华南华夏系构造带与南岭纬向构造带的交接部位，以频繁和大规模的燕山期岩浆活动为特征；主要构造有：飞来峡弧形断裂、龙塘墟断层。本桥地下岩溶极为发育，主要为充填型、半充填型溶洞，填充物大多为黏土，部分溶洞为水洞甚至为空洞。溶洞深度发育不一，一般溶洞为地下30m左右，最深的溶洞在地下将近60m处，而且呈糖葫芦状分布；全桥采用钻孔桩基础，钻孔桩分为直径1.25m 和1.5m的嵌岩桩和摩擦桩,桩长从17m到70m不等，成孔工艺为冲击钻。施工过程中，针对不同类型的溶洞，设计、施工、监理共同研究分析，制定了岩溶注浆、溶洞填充、溶洞穿越等一系列处理方法，顺利完成了岩溶地段钻孔桩施工。现将施工要点和溶洞处理措施总结如下，供同行们参考。

1施工前准备工作

岩溶地区地质条件复杂，溶洞结构不明，盲目处理不仅造成无谓的经济损失，还会加大后续处理的难度。因此，钻孔前应做好充分的准备工作。

1．1认真审核设计图，调查地形地貌，查阅设计地质钻孔资料（要求每桩必钻，缺省时必须补勘），掌握溶洞分布情况。

1．2根据设计地质资料，对每根桩揭示的溶洞进行归类分析，按溶洞的类型制定专项施工方案。

1．3钻孔前，技术负责人要向钻孔作业人员进行全面交底，规范操作流程，明确溶洞处理程序。

1．4做好溶洞处理的应急预案和应急物质的储备，确保溶洞处理有序、及时。

2溶洞的处理

根据地质钻探资料揭示，黎溪特大桥2＃墩、3＃墩处于溶洞群区，溶洞可能相互贯通，裂隙发育，溶腔呈半填充状，施工中采用了注浆加固；5－4＃、7－3＃、13－5＃、16－1＃、16－5＃等桩处均有独立溶洞，且溶腔不大，呈半填充和填充状态，施工中采用抛填填充；8－3＃、11－2＃桩处溶腔较大（3～7m不等），充填物少，充填物呈流塑状，施工中采用钢套管穿越。几种处理方法均取得了预期效果。

2．1溶洞注浆

溶洞注浆，适用于溶洞分布密集，岩质破碎，裂隙发育，溶洞相互贯通的区域，通过注浆填充溶洞或固结溶腔充填物，阻隔溶腔通道。注浆前，应仔细核对地质资料，确定注浆孔位和注入深度。钻孔孔径一般采用Φ108mm，注浆孔钻进时必须在钻杆上标注尺度，以便于深度控制在穿过溶洞顶板位置。注浆孔口用水泥砂浆封闭，仅留一个注浆口及排气孔。注浆时从孔底开始连续注浆，压浆管根据注浆压力的大小逐步外抽，直至孔口，抽拔速度不得过快，防止水泥砂浆不连续，影响注浆质量。注浆过程中压力逐渐上升，拔出注浆管前注浆压力达到0.6~0.8Mpa，进浆速度为开始进浆速度的1/4左右，且稳压10min。注浆原材料采用P．O42.5硅酸盐水泥、中粗砂，砂浆配合比按M20#，一般为水泥：砂：水=1：2：0.5。当溶腔较大，且无填充物时，可先用压缩风将砂送入溶洞填充，再注浆固结。当注浆流失较严重时，应放慢注浆速度，必要时采用化学浆液快速加固（双液注浆），化学浆液一般采用水玻璃。

2．2溶洞填充

对于溶腔不大（一般在3.0m以内），且独立存在的溶洞，可直接击穿溶洞及时填充。钻进施工时，根据设计地质柱状图掌握钻进标高（有经验的还可通过冲击声判断），当钻进接近顶板0.3~0.5m时，控制冲程在1.0m以内，采用低冲程进行钻进，并密切关注泥浆流失情况。对充填型和半充填型溶洞，一般泥浆流失较慢，只需及时补浆，必要时抛填水泥增加护壁强度即可。对于空洞型溶洞当钻孔进入空洞后泥浆流失较快，应迅速提起冲击锤，分层回填粘土和片石（片石边长控制在10~20cm），必要时掺加水泥，经反复冲砸以形成泥壁，堵塞原洞内填充物的活动通道，防止泥浆流失造成孔壁坍塌。当泥浆流失较大，一次回填难以有效控制时，应选择多次填筑：第一次打到溶洞漏浆处回填时，采用袋装水泥抛填，放锤入孔内反复轻击制造水泥混合浆液，再边加填片石、黏土边轻击形成水泥混合浆液填充体，回填至溶洞口上方约50cm～100cm后停止钻进1～2d，再小冲程冲孔（控制在1.0m左右）；当第二次出现漏浆时采用水泥填充作用不大，最好用黏土夹片石进行回填到溶洞上30cm到50cm,再反复冲填。当溶腔较大，多次回填泥浆仍不稳定时，可采用临时清孔灌注低标号混凝土至溶洞顶30cm～50cm处，3d后再冲击成孔。

2．3溶洞穿越

对于溶腔较大，多层溶腔串通，溶腔无充填或充填呈流塑状的溶洞，可通过下钢套筒穿越溶腔。先采用大于设计桩径的冲击锤成孔，当冲击至溶洞顶板30cm～50cm处时，锤击钢套管穿过溶洞区至溶洞底板。再改用设计直径的冲击锤冲击。当需要穿过多个溶洞时，采用下内钢套管的办法穿越。为便于操作，内外套管间应有3cm～5cm间隙。为确保终孔桩径符合设计，施工前，应认真审阅地质资料，确定钢套管套接次数，从而根据设计桩径控制内外钢套管的直径。

3施工过程中易出现的问题及处理

在岩溶极为发育的地区采用冲击钻成孔时，其成孔原理和其他地质条件成孔原理一致。但是，由于其地质情况特殊，成孔困难，期间将会产生坍孔、卡钻、偏孔等问题，必须从开孔到钻进制定一系列的预防和处理措施。

3．1孔口塌陷

冲击钻孔进入溶洞时，泥浆会突然流失，造成护壁局部失稳出现坍孔。当坍孔量较大，且离地表较近时，极易造成孔口塌陷，护筒下沉，严重会使钻架倾倒造成安全事故。以本桥桩基5-4#为例，此桩漏浆8次之多，其间孔口塌方3次，最为严重的一次孔口塌方面积近20m2，护筒被破坏。处理方法：清理从孔口冒出的泥浆，采用干粘性土回填钻孔及孔口，重新埋设钢护筒,并对钢护筒四边夹［30a槽钢和打入槽钢桩，用C20混凝土整体固结，确保了钢护筒的稳定性。为防止出现孔口坍塌，钻孔前应认真做好钢护筒的埋设，钢护筒必须穿过软弱层，周边用混凝土包裹，钻架周边应打入钢桩对钻架基座进行加固。

3．2埋钻或卡钻

冲击钻孔将近溶洞顶板时，若不控制冲程，锤头将顶板砸穿，孔内泥浆迅速下沉流失，导致孔内失去受力平衡而发生塌孔。坍方较大时，会深埋钻头致使钻头用外力无法顺利提升。处理方法：用高压吸砂泵清理孔内坍方。

当穿过溶腔钻头冲力过大，无下落高度限制制时，会使锤头沿不规则溶腔壁下落呈倾斜状陷入岩隙造成卡钻。处理方法：沿孔口四周不断调整锤头钢丝绳的提升角度和方向提升钻头，提升力不能过猛，以免造成钢丝绳拉断。当外力提升失效时，可采用小药量水下微爆破，必要时，通过潜水员配合水下作业。为预防此类事故的发生，施工前充分了解桩位地质情况和溶洞的具置，选择有处理溶洞经验的钻机操作手。有经验的钻机操作人员可通过地质资料和钻头敲击声的变化判断锤头到达溶洞顶板的大致位置，当钻头进入溶洞顶板上约50cm左右时，提钻回填片石和黏土混合物1.0m以上，然后以小冲程冲进。锤头冲击溶洞顶板时，应做好锤头下落距离的限制，防止锤头击穿溶洞后后自由下落冲击力太大，造成卡钻。

3．3偏孔

岩溶区钻孔施工中, 由于溶洞发育的不规则，钻孔过程中极易出现偏钻。判断偏钻一般根据钢丝绳不正常摆动及偏移确定。出现偏钻时，立即将钻头和泥浆管提出孔口，抛填不少于1.0 m的片石和粘土，然后放钻头用低冲程逐步打密，反复回填冲进，直至钢丝绳不出现摆动。如果按上述方法仍然不能纠偏，说明斜岩面岩石比较坚硬，可以用标号较高的混凝土进行回填，中间加一些短钢筋，使之成为钢筋混凝土，当混凝土达到较高的强度（一般不少于7d）后再采用小冲程进行冲进，慢慢纠偏。

4成桩质量控制及检测

岩溶区钻孔桩水下混凝土灌注和普通钻孔桩水下混凝土灌注工艺基本一致，但由于溶洞处理很难达到理想效果，水下混凝土灌注过程中，质量风险较大，应做好以下几方面的控制：

①严格遵循先长桩后短桩，先低位桥墩桩后高位桥墩桩的原则。在一个墩位上，先施工长桩和低位孔桩，可截断溶洞通道和部分相串联的溶洞有很大作用，利于后续短桩和高位桥墩桩的施工。

②提高清孔泥浆比重指标。普通水下混凝土灌注前清孔泥浆比重指标一般控制在1.1以内。为确保溶腔加固区泥浆壁的稳定，有溶洞的钻孔桩清孔泥浆比重指标可提高20%，泥浆原料应选用优质黏土，有条件时优先选用膨润土，泥浆中掺入烧碱或碳酸钠等添加剂改善泥浆质量，尽量减少泥浆含砂率（最好控制在1%以内）。

③加大混凝土的储备量。当溶洞位置充填效果不好，溶腔壁比较薄弱时，混凝土灌注冲击压力会冲开溶洞通道造成混凝土流失。此时，现场应有足够的混凝土跟进补充，加快混凝土的灌注速度，最大限度增加埋管深度（最好不要超过6m）。当混凝土超过溶腔1.0m以上，且趋于稳定后，再放慢灌注速度。灌注时，导管口应尽量避开溶腔处，减少导管上下提动。

④加强泥浆位的观测。混凝土灌注中，要派专人密切观测泥浆位的变化，出现泥浆下沉时，及时指令混凝土跟进措施。灌注达设计标高后，不急于拆管，继续观察孔口泥浆面的变化，约20min泥浆稳定无变化后，则慢慢提升导管拆除。观察期间应上下小幅度抽动导管，防止造成拔管困难。

溶洞区钻孔桩由于溶洞的处理，一般孔径比设计偏大，可能出现“大头桩”

（孔口钢护筒周边出现坍空）、＂大肚桩＂（坍方区或溶洞回填不密实区），但不影响桩身的受力性能。成桩后应对每根桩做无损检测，对灌桩过程中出现过混凝土流失的桩，应做抽芯检查，进一步检查桩身混凝土的密实性。通过对本桥有溶洞的钻孔桩检查结果看，I类桩达到91％，II类桩9％，合格率100％。

5结后语

岩溶地区地质条件复杂，钻孔地质资料不一定能完全揭示溶洞分布情况，因此，施工过程中应安排有经验的作业人员，密切注意地质变化，及时掌握溶洞情况，争取处理的主动权。通过本桥一系列溶洞处理效果看，笔者认为只要措施得当，处理及时，成桩均能达到设计要求。但由于溶洞结构的复杂性，可能会出现按常规处理办法进行处理效果不佳的情况，应及时与勘测设计单位联系，由设计部门出具处理方案进行处理，不能盲目施工将事故扩大化。