旋挖钻孔工艺在岩溶地区的应用

第七届全国岩土工程实录集征文旋挖钻孔工艺在岩溶地区的应用侯英杰，魏海涛，王卫华，李宾（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）0 引言岩溶（又称咔斯特）是可溶性岩石在地下水的溶蚀作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称1 。在我国地域范围内该类地貌分布广泛，其中尤以贵州、云南、四川、江西以及广西所占面积最广。目前，针对岩溶地区的桩基础成孔施工，国内主要采取人工挖孔、冲击钻成孔及打眼放炮人工取渣的方式来进行基础桩施工2。但上述工艺施工效率极低，安全隐患也很大，已很难满足现代施工高效、安全和环保方面的要求。旋挖钻机作为公认的高效、环保的桩机设备被视为解决岩溶问题的首选现代化设备。但岩溶地区因其地质情况极其复杂，无疑为施工提出了巨大的挑战。本文结合贵阳旋挖钻孔灌注桩施工案例讨论了旋挖钻孔工艺在岩溶地区的应用及难点对策。1 工程概况拟建场地在贵州省贵阳市白云区，场地位于贵阳岩溶盆地以北的低中山溶蚀残丘、沟槽地貌区。本工程地基基础设计等级为丙级，基础桩共计338根，桩径为800 mm、1000 mm、1200 mm、1400 mm。依据“一桩一孔”布置勘察孔，钻孔入岩深度按预估桩端基底以下3倍桩径且不小于5 m控制。对存在溶洞裂隙的位置，在揭穿溶洞裂隙后控制可能的持力层深度亦不少于5.0 m。场地土层自上而下依次为：填土层（Qml）、可塑红黏土（Qel+dl）、1软塑红黏土、中风化石灰岩。已施钻的338个钻孔中，有95个钻孔遇溶洞（隙），钻孔遇洞（隙）率为28.1。遇洞（隙）率较高，且场区下伏基岩起伏较大，场地为岩溶强发育区。地下岩溶主要为隐伏型，岩溶形态以竖向发育的溶蚀裂隙、溶沟（槽）、石芽为主，岩体内以溶孔、晶洞、垂直溶洞（隙）、悬臂岩体等形式出现，溶蚀洞隙对地基岩体强度和地基稳定影响较大。场地地下水分为回填层及红黏土层的上层滞水和下伏基岩裂隙水。上层滞水主要由大气降水下渗补给，随季节气候变化较大。且由于场地下伏基岩节理裂隙较发育，具备地下水贮存的空间条件。通过终孔水位测量，水位位于地表以下2.506.10 m。 2 地层岩溶的工程特点根据现场勘察结合周边工程的地质情况分析岩溶地层的主要工程特点有以下几点：（1）基岩面起伏大，倾角大。个别相邻孔位基岩面落差达到10 m以上，给桩基施工质量控制带来了困难。（2）岩溶现象在土层中表现为“土洞”，它具有埋藏浅、分布密、发育快和顶板强度低等特点，对桩基稳定性的影响较大。（3）基岩面下215米范围内出现的溶洞为“浅层溶洞”3，浅层溶洞内的填充物一般为软塑流塑状态的粘土或者含砾粉质粘土等低承载力材料，溶洞发育形态非常复杂。这类浅层溶洞直接影响到基岩上桩基的安全。（4）岩溶发育及其复杂，有的甚至呈现“糖葫芦”状自上而下分布，部分溶洞存在水平贯通的现象。（见图1）（5）本区域可溶性岩石主要是石灰岩，呈灰色、深灰色，细晶结构，节理裂隙发育，岩质较硬，饱和单轴抗压强度平均值到达34.2 MPa，一般工艺成孔效率极低，若遇溶洞极易引起施工事故。（6）地下水比较丰富，同时灌注桩直径较大，钻孔时涌水量大，给桩基施工和混凝土浇筑都带来一定难度。综上所述，岩溶地区地质情况极其复杂，施工过程中极易出现漏浆、塌孔、卡钻、斜孔、沉渣厚度过大甚至引起地面塌陷等地质灾害等现象。图1 典型地质剖面图3 施工难点及重点分析旋挖钻机凭借环保、便捷的施工工艺，正在逐步取代人工挖孔、冲击钻及回旋施工。但在岩溶地区的施工难点主要在于地质条件复杂和施工中不可预见的因素太多，旋挖钻机也难免存在一些不足，如易出现漏浆塌孔、埋钻、卡钻、斜孔等问题。桩基成孔成为制约施工工期、威胁安全、影响工程质量的技术难题，具体体现在以下几方面：3.1 漏浆塌孔、埋钻场地内揭露土层为上覆素填土与红粘土，下伏基岩为石灰岩，且红黏土层为可塑软塑状，成孔后孔壁的直立性较好，因此在工程桩成孔施工时采用清水钻孔施工工艺，不采用泥浆护壁以减少泥浆对环境的污染。但遇到裂隙发育或溶洞地层时也极易发生塌孔现象。发生原因是由于地下水丰富，因此当旋挖成孔后孔内很快就会有大量积水，对旋挖钻机钻进过程是有利的。但如果在钻进过程中遇到溶洞，自造泥浆有可能急剧流失，导致孔壁内瞬间释压，在红粘土层与溶洞交界处就会出现塌孔现象，甚至出现埋钻事故。3.2 卡钻在溶洞地层施工过程中，当溶洞中无填充物时，提升钻具的时候钻具顶板极易和洞顶卡在一起，导致卡钻。发生的原因是由于设计勘探资料显示没有溶洞时，操作手意识疏忽，突然穿破洞顶板岩，溶洞孔壁内侧不规则，钻头倾斜而被卡住。3.3 斜孔在钻进过程中如果不注意勘察资料的分析很容易出现斜孔，导致孔壁塌方埋钻、严重超方、以及动力头漏油、磨损等设备故障。因此有效防止施工中的桩孔偏斜是旋挖钻机施工过程中的控制重点之一。一般来说，斜孔发生的主要原因可以归结为以下三个方面。(1)地层原因斜岩、半边岩在桩基土、石交界处，由于基岩表面不平整，凹凸不平或倾斜，旋挖钻斗钻到此处时，石质硬度高的一边进尺速度慢，硬度低的一边进尺快，从而形成偏向地层软的一侧的斜孔。当钻孔中遇到“半边岩”的溶洞或者孤石、漂石地层，软硬交替变换地层也容易出现斜孔。(2)设备原因旋挖钻机虽然可以自动调平，有时由于设备调试或者机手操作等原因，钻机的桅杆自动调垂功能并不能保证桅杆的垂直度，桅杆会有轻微的偏斜，或者因施工场地太软而造成钻机的轻微偏斜的现象。(3)操作原因操作机手由于操作习惯，在施工过程中，不能针对地质变化而采用不同的钻压与钻进速度，从而造成斜孔。或旋挖钻进过程中由于振动引起的底盘不均匀沉降等情况也会造成斜孔。3.4 桩端全截面入岩的判断施工前虽已进行了“一桩一孔”的勘察工作，但是在实际钻进过程中与勘察资料仍然有较大的出入。因此，正确判断桩端是否全部嵌入岩层是保证岩溶地区桩基质量的关键节点。我们常用以下几个方法判断：(1)如果施工情况与勘察资料基本一致，一般采用设计值终孔；(2)如果施工情况与勘察资料不同，应根据进尺快慢、岩样与钻杆振动情况进行分析判断；(3)必要时加补钻探孔确定，位置沿桩孔中心均匀布设3个触探点。桩端全岩面位置以岩面最深的钻孔为准。当加补钻探反映桩端支撑处有溶洞且厚度小于5 m时，必须穿越溶洞。4 异常情况处理4.1 塌孔事故的预处理(1)对于无填充物且较小的溶洞，可向溶洞内填入片石、粘土和水泥，使得填充物高出溶洞顶板1 m，钻机采用不进尺慢钻操作，将填充物挤入溶洞，从而封堵住可能存在的渗漏，以形成稳定的孔壁，且可防止偏钻4。(2)对于有填充物的溶洞，填充物为灰岩、碎石及软塑或流塑状的粘土，要保持泥浆液位，防止钻头在钻进底部灰岩时填充物坍塌，造成埋钻事故5。4.2 卡钻事故的预处理对常规的钻具，在钻头顶加焊三角导向装置（见图2），防止卡钻事故的发生。当钻进过程中若发现卡钻现象应采用桩机持续转动钻头，重新对中后慢慢提起钻头的方法。三角导向装置图2 钻具三角导向装置4.3 斜孔预处理(1)钻孔前准备1）平整施工场地，在软硬不均的桩位附近铺垫钢板或渣土，以消除底盘的不均匀沉降；2）检查油缸和标定桅杆，重设自动调垂功能；3）检测动力头与随动架的同轴度是否存在超差；4）检测动力头滑架与桅杆导轨间隙是否均匀。（2）钻具的选用针对不同的地层，旋挖钻机要选用不同的钻头，在岩溶地区钻头筒体要选用直筒型；在条件允许的前提下，尽量加大钻筒高度；钻头顶部再加焊导向结构，防止卡钻事故的出现。（3）合理的钻进方法1）针对不同的地质条件采用不同的钻进压力及钻孔速度。在钻进深度距离孤石、“半边岩”、软硬交互地层的平面处0.5 m时，开始减慢钻进速度，钻头由双底嵌岩捞砂斗更换为筒钻，加压时采用点浮动加压方式，控制动力头输出大扭矩、低转速，通过感受负载和振动情况，判断是否进入了岩石界面。如果进入了岩石界面，因为“半边岩”的存在，钻齿受力不均匀，钻机振动较大。确定进入岩石界面之后，即振动减小后，停止使用加压，关闭浮动，使用主卷扬吊着钻杆进行钻进，尽量减小加压力，动力头转速控制在68 r/min。钻进入岩超过0.5 m以后，再使用点浮动加压方式钻进。2）对于溶洞高度小于筒钻高度的溶洞底层灰岩的钻进，穿过溶洞后采用双底嵌岩捞砂斗把填充物全部清理后钻进到溶洞底板时，钻进方法同上。在选用双底嵌岩捞砂斗钻进时，操作宜采用轻加压钻进，禁止大压力钻进，以防出现斜孔而卡钻。3）当溶洞高度大于筒钻高度时，由于底层可能遇到石笋、溶洞侧壁岩石、半边岩半边土等情况，也可以采取向溶洞内添加片石、粘土或者混凝土等填充物的方法填充物要高出溶洞顶板（石芽、斜面以上）1 m,然后采用特制的加长筒钻进行钻进即可。特制加长筒钻的高度需要加长到2.0 m以上，以加强导向和扶正作用，有效防止斜孔事故的发生。使用特制筒钻钻进1.5 m左右，再使用直筒双底嵌岩捞砂斗钻进1.0米。之后按照上述方式使用特制筒钻继续钻进。4.4 溶洞穿越方式根据地勘报告，在距离溶洞顶板0.5 m换筒钻采取研磨方式钻进，并减慢钻进速度，直至穿越溶洞顶板，以防卡钻。实际操作时还需要通过仔细观察钻渣以及观察旋挖钻机的振动情况来对地层进行研判。穿过顶板后采用双底嵌岩捞砂斗将溶洞内的充填物捞出或采用4.3，（3）3)的钻进方法继续钻进。4.5 特殊溶洞处理方法对于“糖葫芦”状溶洞或者相互连通的特大溶洞，为减少混凝土的灌注量，可以钻孔至大溶洞时，向孔内抛入片石、砾石，后采用灌低标号混凝土来处理，或者采用钢护筒跟进的方法来处理。(1)按先前采取的处理措施是回填片石、砾石加粘土等混合物，会因溶洞较高，溶洞侧向压力较大，自稳性差，在回填片石、砾石加粘土等混合物后，混合物会经常随流塑状填充物再次涌向桩孔，清孔困难，在施工混凝土灌注桩时质量也无法保证，且会因泥浆大量涌入桩孔或混凝土的大量流失而导致断桩。因此目前的措施是往孔内灌注C20素混凝土，填充至溶洞上方1 m处，24小时后再重新成孔。(2)“糖葫芦”状溶洞下设钢护筒施工中遇到5个孔为“糖葫芦”状（34层），溶洞空腔较大，钻孔护壁泥浆用量很大，回填时所用素混凝土量也很大，因此采用钢护筒跟进的钻进方法。钢护筒采用8 mm厚钢板卷制而成，为加强钢护筒的整体刚度，加工时钢护筒的换接头处应外加设8 mm厚、15 cm宽的钢带作为加强箍，护筒底加设12 mm厚、50 cm宽的钢带作为刃脚。护筒应分段制作，垂直度偏差不超过1 cm/m。其直径要比桩径大20 mm。为保证钢护筒能准确放入孔中，桩基开孔时采用比钢护筒直径略大5 cm的钻头钻进，在穿过易坍塌部位溶腔1.5 m以上时即可安装钢护筒， 钢护筒埋置较深时，采用多节钢护筒焊接使用，焊接时要牢固，同时满足刚度强度要求。 成孔灌注混凝土后观察2小时无异常情况后将导管拔出；再安排施工人员7小时内不间断观测桩顶混凝土情况，若发生下沉，应及时采取补救措施；5 解决效果通过对现场钻具的改进以及采用正确的操作方式，该工地溶洞地层钻进过程中没有出现漏浆塌孔、埋钻、卡钻以及斜孔等事故，且钻进效率较高，成功实现了旋挖钻机在溶洞地区的钻进，降低了原有人工挖孔的施工成本，更是极大地提高了施工效率。6 工法小结旋挖钻机在岩溶地区中施工困难重重，但是如果配合合适的工法指导，做好以下三点：充分的事故预防准备、合适的钻具配置、合理的操作方式，旋挖钻机就可以实现在岩溶地区稳定、高效的钻进。（1）施工前要收集地质资料， 做到对每根桩基的地质状况、岩溶洞的高度、宽度、填充物等情况，经过详细的分析和处理，制定具有针对性的施工计划。（2）针对不同的地质条件采用不同的钻具、压力及成孔速度。在易斜孔地层宜选用直筒加长加高钻具，避免使用锥筒钻头，慎用螺旋钻头。（3）合理的操作方式如下：1)对于偏岩、孤石、半边岩、软硬变化地层采用筒钻低压慢钻要采用浮动钻进甚至吊着钻杆钻进的方法，当钻具进入全断面岩层一段距离后再开始逐渐加压。2)硬质岩层使用脉冲加压，严禁单次钻进加压过大，时间过长，使钻机长时间被支起，加压后要及时释放，严禁在钻机被支起后进尺过大，过