武咸铁路岩溶地区冲击钻机超长深桩技术初探

GXF360 2017-06-22

展开全文

武咸铁路岩溶地区冲击钻机超长深桩技术初探

赵京虎

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350）

［摘要］本文结合施工实践，介绍了岩溶地区钻孔桩的施工要点、溶洞处理工艺及施工中可能出现的问题及处理方法，并以此为基础，对不同的地质情况、溶洞大小、溶洞内的介质情况的桩基础施工方法进行研究比选，使实际施工进展较为顺利，取得了较好的社会效益和经济效益，为指导溶洞地区钻孔桩施工提供了借鉴。

［关键词］钻孔桩；溶洞；施工

武咸城际铁路土地堂特大桥桥址位于岩溶发育区，在桩基础施工时遇到溶洞，易发生坍孔、卡钻、泥浆流失等情况，造成成孔困难，混凝土灌注过程中，也可能发生混凝土流失问题，影响成桩质量。如何针对不同的地质情况、溶洞大小、溶洞内的介质情况确定适宜的施工方法，确保桩基质量是本课题研究的重点。

1 岩溶区桩基施工常见的问题

土地堂特大桥处于岩溶发育区域，岩溶可见率达75%以上，溶洞范围广，深度发育不一，普通深度为1～8m，最深溶洞超70m，基岩面相差悬殊，溶洞或为空溶洞，或为充填溶洞，填充物多为流塑状黏土；部分溶洞地下水流发育。大部分桩基位于糖葫芦串式溶洞区，还有一部分桩基处于半岩溶半填充物状态，有的桩基岩层斜面较大且有探头石。溶洞发育具有不规则无规律特性，即使有钻探资料，也不能完全确定钻探资料与实际地质状况相符。

岩溶地区的孔桩均采用冲击钻冲击成孔。其成孔原理与其他地质条件的钻孔桩一致。但由于岩溶地区的特殊性，成孔过程要困难的多，遇到的问题也多，如漏浆塌孔、偏孔、缩径等。

2 施工工艺与技术措施

针对岩溶发育区孔桩施工中常见的诸多问题，主要采取钻孔前的预处理、延伸护筒、护筒跟进二次成孔工艺、回填等技术措施。

2.1 钻孔顺序

按先长桩后短桩、先低位桥墩后高位上的孔桩，先周边后中间的孔桩，有利于后续孔桩的施工。相邻两个墩，长桩先施工，对截断溶洞通道有利，利于后面短桩的施工。一座桥，由于水流总是由高向低，先施工低位孔桩，可部分截断溶洞通道，利于高位桥墩的施工［1］。该桥梁孔桩的施工均是遵从这一原则安排钻孔顺序。

2.2 施工前的预处理

2.2.1 岩溶注浆

桥梁孔桩岩溶注浆的目的主要是充填空溶洞，利于顺利成孔，是岩溶区孔桩施工的重要预处理措施。采取注浆预处理，可部分降低孔内泥浆流失的风险。

（1）注浆条件。并不是所有的溶洞都需要注浆，根据溶洞发育情况选定注浆范围。溶洞极为发育且向四周延伸的，如不采用注浆预处理，成孔困难，且超灌混凝土方量较大。独立小溶洞贯通的可能性不大，一般考虑回填处理［2］。

（2）注浆施工。注浆孔的布设：注浆孔根据设计地质剖面图一般布置在钻孔桩桩侧四周一定范围内，对设计地质资料显示的孔钻全部穿过溶洞的，布置4个注浆孔，即孔桩周边4个眼对称布置；对钻探资料显示的部分溶洞深入孔桩内的，根据周边孔桩地质资料，判断溶洞发育方向，在溶洞发育侧加密钻孔。

确定注浆控制标准：孔桩溶洞注浆为充填性注浆，一般将注浆压力控制在0.3MPa以内。为控制注浆范围，对有地下流水、溶洞串通、溶洞规模大的采用双液注浆工艺，以确保注浆效果与控制注浆范围［3］。

钻孔：采用φ100地质钻孔，根据设计地质资料确定钻孔深度。设计资料显示为单层溶洞的，钻穿溶洞顶板即可；为多层溶洞的，需钻穿底层溶洞顶板。根据注浆钻孔所揭示的地质情况再次确认注浆方案。

注浆：注浆管路系统需进行试运转，用1.5～2倍于注浆终压对系统进行吸水试验检查，并接好水、电；检查管路系统能否耐压，有无漏水；检查管路连接是否正确；检查设备机况是否正常；使设备进行试运转，试运转时间为20min。有地下流水的先注双液浆，然后根据溶洞大小采取不同顺序施工。其中大溶洞注浆顺序为：溶洞内灌注中粗砂→插入注浆管→注浆。一般溶洞直接注浆即可。孔桩岩溶注浆要采用多次间隙注浆，压力不能过大，以免对环境造成污染。

2.2.2 岩溶注浆处理溶洞的效果评价

岩溶注浆处理溶洞对防止钻孔过程中孔内失水造成的塌孔具有较好的效果，与护筒跟进工艺配合使用，大大缩短了施工周期，但对大的串通性溶洞，注浆范围、注浆量很难有效控制，浆液超出量较大。尤其是对于部分岩溶与河流串通地段，即使采取了注浆、延伸护筒、回填等处理措施，但漏浆、塌孔情况仍难解决，成桩扩孔系数虽有降低，但与其他地质条件相比依然较大。

2.3 钻孔过程中特殊情况的处理

2.3.1 塌孔

塌孔的处理方法一般有两种：回填和护筒跟进。

（1）回填。

回填是处理溶洞塌孔的基本和较为有效的方法。根据溶洞大小备足水、黏土、片石等必备材料，确保孔内泥浆突然流失时，及时补充孔内水头，不致发生塌孔。钻孔进入岩溶地层时，投入大量潮湿的黏土块和片石并立即补水，利用钻头冲击黏土块和片石挤入溶洞及其裂缝中，堵住溶洞和岩溶裂隙，形成一个封闭的环形壁，完成钻孔桩施工成桩。施工中注意以下几点：

①钻至离溶洞顶部1m左右时，准备足够的小片石（粒径为10～20cm）和黏土，黏土要做成泥球（直径为15～20cm）。对于半充填和无充填物的溶洞要组织足够的水源。

②钻至离溶洞顶部1m左右时，在1～1.5m范围内变换冲程，逐渐将洞顶击穿，防止卡钻。

③对于空溶洞或半充填的溶洞，在击穿洞顶之前，应有专人密切注意护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，应迅速补水，然后根据溶洞的大小按1∶1的比例回填黏土和片石，进行冲砸堵漏，只有当泥浆漏失现象全部消失后才转入正常钻进。如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。

④对于溶洞内填充物为软弱黏性土、淤泥或砂砾的溶洞，进入溶洞后也必须向孔内投入黏土、片石混合物（比例1∶1），冲砸固壁。前期施工中，溶洞中充填砂砾，钻进过程中还较为顺利；但清孔时，发现越清孔，孔底沉碴越高的情况，经取样发现，沉碴为沙砾石，系溶洞内充填物。未清孔时，泥浆比重大，可稳定溶洞内沙砾；清孔后，泥浆比重降低，沙砾流出。经反复清孔，才满足要求。采取片石回填，有利固结沙砾，减少清孔时间。

⑤钻头穿越溶洞时要密切注意大绳的情况，以便判断是否歪钻。若歪钻，应按1∶1的比例回填黏土和片石至溶洞顶板0.5m以上，重新冲砸。

按此方法顺利施工比较典型的如：跨发展大道特大桥38号墩2号孔，在钻孔施工过程中，冲击钻冲击至地面以下3.6m时出现漏浆，通过补浆及回填黏土块、片石至不再漏浆后继续施工，顺利成桩。

（2）护筒跟进。

护筒跟进有定位、保护孔口、维持超压力的重要作用，其位置应埋设准确和稳定。钢护筒跟进是采用震动锤将钢护筒下沉穿过覆盖层而落到岩面。钢护筒跟进一般分为单护筒跟进和双护筒跟进，根据设计提供的地质钻探资料，对溶洞深度在15m以上且溶洞发育较大的空溶洞一般采用双护筒成孔工艺；对溶洞离地面较近，一般15m以内的较大空溶洞，采用单护筒延长护筒工艺［4］。

①单护筒下沉。钢护筒根据桩径大小、地层条件分别采用6～10mm厚钢板卷制焊接成圆形，直径较桩径大50mm。护筒长依据地质、水文情况选定，由单节或多节短护筒焊接而成。钢护筒的埋设过程为：第一节由人工埋设，使筒顶高出地面30cm；焊接第二节后，在护筒顶放置打板（50mm厚钢板制作），利用钻机提起钻头，将钢护筒冲击入土；然后冲孔，孔深达到护筒底后，再焊接第三节护筒；如此循环，直至达到需要深度。深度根据土层和溶洞发育情况确定。跨发展大道特大桥23号墩均采用护筒跟进技术，有效避免了孔口坍塌。

②双护筒下沉。施工先大钻头钻进，大护筒跟进，穿越溶洞后采用砂砾土进行回填，之后再采用与设计孔径一致的钻头钻进，采用相配套的较小护筒重新成孔的二次成孔工艺，确保成孔质量。钢护筒的直径及加工数量应根据设计桩径和地质钻探资料来确定；钢护筒分节长度根据吊装能力和条件确定；如果是深水施工，一般为6、8、10m；如果是旱地施工，一般为2～4m。同时钢护筒在加工时焊接缝必须符合设计要求，不得漏水。为保证钢护筒下沉位置准确，可安装导向架进行定位。当钢护筒在施工过程中出现倾斜，应立即停止作业，查明原因并进行纠偏。护筒埋设好后，护筒中心与设计桩位中心偏差不得超过50mm，斜度不得大于1%。

采用护筒跟进工艺很大程度上可降低塌孔风险，提高成孔效率，但由于护筒随钻跟进时存在一定的时间差，仍免不了发生孔壁坍塌的情况，实际施工中尽可能缩短二者的距离，确保成孔质量。

2.3.2 偏孔

在孔内回填片石和黏土块1.5m左右，同时调整钻机冲程于0.6m左右，然后继续冲孔，混合填料经反复冲砸在孔内形成高出顶板处有一个较坚硬的混合柱体，具有足够传递冲击能，达到破碎斜面的目的。同时形成坚实、圆顺的过渡孔口，为以下的钻孔作业起到良好的导向作用。

但是当斜面倾斜严重或桩位于溶洞边缘时，在钻进中钻头偏向软土一侧，用该法无法解决偏孔或弯孔的问题，需采用改进钻头型式或填充水下混凝土补填平实的方法与措施进行重钻。通过反复回填与重钻，一般可以解决偏孔问题，但是施工进展相对缓慢。

2.3.3 卡钻、掉钻

在施钻过程中由于施工不当，在穿越顶板厚度时经常发生卡钻头，或由于严重失浆，孔内失去压力平衡，引起塌孔埋钻头等现象。大桥5号墩6号孔桩施工时发生因塌孔埋桩事故，后采取下钢护筒人工清理至埋钻位置，取出钻头，重新钻孔，历时近2个月。为了避免或者减少此类事故的发生，利用缓冲原理来攻克这个难关。即当钻进接近穿越顶板进入溶洞前，在顶板已成孔段内回填混合材料1m左右。同时变为小冲程，先放小钻头冲击，然后再用标准钻头扩孔成桩。该办法效果明显，能起到缓冲作用，大大减少了因一锤击穿顶板造成卡钻和因失浆过急造成埋钻的现象发生，有利于施钻的顺利进行。

3 岩溶地区钻孔桩施工注意事项

（1）作好施工预案，确保顺利成孔。预先编制溶洞处理方案（预注浆、钢护筒跟进或预备泥球土及片石土等），且向每一位操作工人及现场管理人员清楚交底。并随着施工的进展，对地质情况进一步了解，随时修订技术措施，确保发生异常时能及时处理。

（2）根据地质情况，合理选择泥浆指标。在一般地层进行钻孔桩施工，泥浆护壁的效果好坏是成孔的关键。但在岩溶地区除在施工中加强泥浆护壁外，还存在一个通过溶洞的造壁问题。这是因为溶洞内填充物种类多且性质复杂，多为塑性或流塑性。因此，在配制优质泥浆护壁的基础上，对不同溶洞内土的不同性质，按一定的比例分别加入水泥、木屑、草袋、片（碎）石等混合材料。这些加入的材料经钻头的冲击捣动作用，将挤入溶洞周边和岩溶裂缝中，既可以促进溶洞孔壁封闭环的形成，又能增强泥浆护壁的效果。

（3）认真核对地质，作好终孔条件判断。由于岩溶发育的无规律性，可预见性差，设计的100mm地质钻眼与1000mm孔桩直径相比，不能完全真实反映孔桩的地质情况。如大桥22号墩桩基，虽有钻探资料，但实际施工中均发现了溶洞，设计再次补勘后做了加长处理。

（4）要认真分析设计钻探地质资料，以便制订有针对性的技术方案，如护筒跟进措施或二次成孔工艺。采取预先处理措施，如预注浆工艺。

（5）提前作好应急预案，确保一旦孔内失水能及时补充孔内水头，不致造成大范围的塌孔。