溶洞地区灌注桩施工工法--工法内容材料

1、溶洞地区灌注桩施工工法1、前言岩溶地区曾被称做建桥“禁区”，主要有两方面的原因：一是成桩质量难以保证；二是桩基础施工过程易发生坍孔事故，施工安全难以保证。岩溶地质在我国分布广泛，在广东的粤西、粤北也较普遍。在这些地区，在桥梁工程施工过程中因未能对溶洞采取有效的处理办法而塌孔，导致机毁人亡的情况屡见不鲜，使得工程的成本大大增加，工期严重延误，甚至工程实施中断。因此，随着交通基础设施建设的发展，要完全避开这些“禁区”是不可能的，惟有通过工程实践，不断探索，积累经验，总结出切实可行的施工技术，才是解决问题之根本。本项目是中交四航局自选研究项目，主要以其承建的肇庆大桥、广和大桥等工程的施工实践为基础，

2、经过在富湾特大桥工程的施工过程中的进一步探索、实践，通过补充、完善，总结出在此种条件下优质、安全、高效地进行钻（冲）孔灌注桩施工的施工技术，即“溶洞地区钻孔灌注桩施工技术”，同时形成了“溶洞地区钻孔灌注桩施工工法” ，该工法的关键技术成果于2008年1月通过了中国港口协会鉴定。本项目研究过程中公开发表科技论文3篇，中港集团科技进步奖一项，国家级、省级优秀QC成果各一项。2、工法特点2.1、质量保证本工法对各工序的操作要点和质量控制作了详细的阐述，实践证明，对成孔、成桩的质量均有保证。2.2、施工安全性本工法避免溶洞桩施工过程中出现的漏浆、或者产生漏浆但不发生坍孔等现象，确保施工安全。2.3、进

3、度保障性因本工法能有效避免塌孔现象，从而节省了反复钻（冲）孔的时间，避免了重复劳动，缩短了成孔时间，能有效保障施工进度。2.4、成本低本工法所需的材料大部分为粘土、水泥等廉价材料，所用的机械设备为工程常用机械，故成本较低。3、适用范围适用于岩溶地区的公路桥梁、铁路桥梁及房屋建筑的钻（冲）孔灌注桩的施工。4、工艺原理溶洞桩基施工需要解决的关键技术问题就是如何保证成孔过程中不漏浆，或者产生漏浆但不发生坍孔，保护桩孔、人员及钻（冲）机的安全，保证桩孔顺利成孔。本工法的原理就是采取：“超前钻”技术、全护筒、静力注浆、覆盖层注浆固结等技术措施克服上述关键技术问题，在实际施工过程中根据溶洞的具体分布情况及

4、特点采用其中的一种或综合采用多种方法和措施。5、施工工艺流程及操作要点5.1、施工工艺流程详见图5.1-1：施工工艺流程图。施工准备工作施工平台搭设（水上桩）或场地平整（陆上桩）护筒沉放钻机钻（冲）进桩位复核泥浆循环钻至设计标高监理工程师验收合格终孔、清孔接长下放钢筋笼安装导管、二次清孔灌注水下砼检测验收砼拌制测量放样不符合要求钢筋笼制作试件制作图5.1-1：施工工艺流程图5.2、施工要点5.2.1、施工平台设计及施工桩基施工平台的设计应综合考虑桥墩所在场地的地质与水文情况、成孔设备等因素，水深较大的水域处施工平台一般采用钢管桩平台或双壁钢围堰等水中固定钢结构平台；靠岸边水深较浅处可采用筑岛形

5、成施工平台。钢管桩施工平台是以钢管桩作承重基础，桩顶架设型钢作纵、横梁，面铺钢板。钢管桩直径大小根据地质情况、水深、荷载大小等而定，在内河，一般采用50cm100cm，壁厚610mm。钢管桩可用振动锤施打和拔除。双壁钢围堰施工平台有钢板桩围堰、钢套箱围堰等。施工平台顶面高程应大于施工水位34m，以保证护筒中的泥浆水头，防止塌孔。对于陆上桩，将地表清理、平整，即可钻机就位。5.2.2、钢护筒选用及埋设构造：桩基钢护筒设计内径为D+2050cm（D为桩径），水中长桩宜取上限值。钢护筒可采用单壁或双壁结构：直径小于3m的采用单壁钢护筒，壁厚根据护筒的直径、长度而定，若钢护筒直径较大且较长时，应在外壁

6、按一定间距设置加劲肋以保证足够的刚度，护筒底刃脚处应用钢板加厚以防卷曲；直径大于3m的采用双壁钢护筒，即由两层薄钢板（厚812mm）通过添加型钢作肋构成。埋深：护筒顶宜高出地面或平台面0.30.5m或高出施工水位34m。护筒应尽量埋入不透水土层内，且埋深约2m，当覆盖层无不透水土层时，应埋入不良土层68m。埋设：钢护筒埋设采用振动锤振动下沉，必要时配以护筒内用空气吸泥机吸泥下沉，或在护筒外壁辅以高压射水下沉，又或者采用钻埋法下沉，直至下沉到预定位置。当钢护筒埋置深度不足时，可在护筒周围吹填砂或抛填沙包人造覆盖层以加大护筒埋深。如无覆盖层时，可先用冲击钻机冲击岩面形成凹孔，再将钢胡同下放，并在护

7、筒四周抛填片石压注水泥浆固定，或先将钢护筒直接下放至岩面，然后在护筒四周灌注水下砼固定护筒并防止护筒脚漏浆。定位：钢护筒沉放必须全过程测量定位，保证护筒偏位和垂直度在容许范围内。测量定位除了用仪器观测以外，还需安设导向架，导向架内尺寸比护筒外径大5cm，长度不小于10m（=5cm0.5%）。5.2.3、成孔工艺要点采用钻冲结合工艺成孔，即：先用回旋钻机钻穿覆盖层，再换冲击钻机进行入岩施工。采用此法可充分发挥回旋钻机和冲击钻机的优点，选择回旋钻机施工覆盖层的优点是进尺快、效率高、成孔质量好；选择冲击钻机进行入岩施工主要优点有：a、由于冲机成孔对孔壁产生的挤压作用，使得其孔壁比较密实；b、由于冲击

8、成孔时，冲锤为自由落体运动，能保证桩孔的垂直度；c、冲机冲穿溶洞顶板时即使发生漏浆，能迅速提锤而有效避免埋锤事故的发生；d、一旦出现卡锤、掉锤等事故时，易于打捞。当覆盖层厚度不大时，可采直接用冲击钻机成孔。5.2.4、泥浆循环系统优质泥浆不但能增加孔壁的稳定性，还可大大提高循环效率，加快钻孔进尺。对于桩径较大、且设计对桩基成孔质量要求较高时，钻孔时应优先采用优质泥浆（PHP泥浆）进行施工，以加强护壁效果，并确保清碴满足设计要求。PHP泥浆以膨润土为主要材料，掺入一定量的纯缄，并加入少量的外加剂，该泥浆具有不分散低固相、低密度、高粘度等特点。施工时采用反循环清碴，利用泥浆船进行循环。成孔过程中要

9、保证泥浆性能符合要求，每天由试验人员检测孔内及返孔泥浆指标，随时调整泥浆的各项性能指标至合格，以保泥浆证循环系统的技术状态符合稳定孔壁、提高钻进速度、加快进尺的要求。5.2.5、岩层冲进及溶洞处理即使在施工前进行了地质情况勘察，但是仍无法准确把握基岩内溶洞具体情况。施工中最容易出现的问题是：a、施工时由于碰到溶洞或与桩位外溶洞相通的裂隙，引起的突然间大量泥浆漏失，并引发塌孔埋钻等事故；b、溶洞底板倾斜或遇到半边溶洞，施工时易造成斜孔、卡锤，进尺困难；c、进尺时遇到大溶洞，且填充物为软塑性土质或空洞时，若不控制进尺，冲锤一下可进尺数米，极易引起掉锤或卡锤等事故，且因进尺过快，导致护壁质量差，易发

10、生塌孔；d、由于冲机自身的局限，易产生梅花孔及因机械故障（如钢丝绳断开）引起掉锤等等。其中溶洞漏浆是最容易发生也是最危险的，施工时应采取多种可靠措施来防止出现上述情况，确保施工安全，顺利成孔。1、首先必须加强对操作人员的管理，施工前对所有施工人员进行详细技术交底，使得每一位操作人员对溶洞处理方案、抢险措施及溶洞分布情况都心中有数，同时要求每一班操作人员在施工过程中须对冲机的钢丝绳、冲锤直径等各项指标进行详细检查。2、施工时漏水漏浆是不可避免的，也无法预测，其处理关键是：发生漏浆时要及时补浆补水，维持孔内水头，防止桩孔内外产生过大的水头差，并迅速堵漏。为做到这点，施工中应做好以下工作：1）、钻孔

11、前在平台上或用船准备适量的片石、块石、粘土砖及适当数量的袋装水泥，并在现场设置大容量泥浆池（船），准备好大量新鲜泥浆，保证水上桩基施工时一但桩孔出现漏浆，可以马上给予足够的填料和补浆。2）、应准备足够的补水补浆设备（如大功率泥浆泵等），以备急用；3）、施工过程中严格控制孔内泥浆质量，利用泥浆堵塞微小裂隙，尽量减少泥浆漏失量。3、在冲进过程中至离溶洞顶板1m左右时，加大泥浆比重，并选用小冲程进尺，逐渐将顶板击穿，防止卡钻。同时在击穿顶板之前，安排专人密切观察孔内泥浆面的变化，发现漏浆时应马上提锤、补泥浆，抛填片石、粘土砖混合料(重量比1111.5)，等泥浆面不再下降稳定后，小冲程轻打挤压形成泥石

12、孔壁成孔。若桩孔仍继续漏浆，则改抛片石、粘土砖、袋装水泥混合料（重量比110.2），采用冲锤小冲程继续轻打，慢慢将片石、袋装粘土、水泥挤压到溶洞中，堵塞溶洞通道，如此反复操作，直到不再漏浆为止，转入小冲程冲孔固壁成孔，顺利穿越溶洞。4、为防止出现卡锤、掉锤、梅花孔等问题，则应做好以下几点：a、在接近溶洞顶板及溶洞中冲进时，应严格控制冲程，以免不慎掉锤；b、遇到半边岩及斜面岩时，应在正常进尺前，先用块石及粘土回填至正常孔深以上约1米，再压实冲进，反复直至孔径正常后再进尺，施工中若出现梅花孔亦如此处理；c、施工时应经常检查桩孔孔径、垂直度、钢丝绳磨损等情况，一有异常立即停止进尺，纠正。2.5.6、

13、清碴清孔在溶洞地质地区，桩基一般设计为嵌岩桩，且成孔质量要求高，孔底沉渣厚度要求严。按常规清碴清孔方法较难达到设计及施工规范要求。为此，施工时应采用气举反循环进行清碴清孔，以提高清碴效率及清孔质量，加快施工进度。但由于气举产生的负压大，要求清碴过程中应及时补充泥浆，保持桩孔内水头压力和泥浆的比重，以维持孔内外的水头平衡，故在操作时宜利用泥浆船储浆进行补充。2.5.7、钢筋笼的制作及下放钢筋笼在加工场分节制作，然后由车或驳船运往现场采用船吊或汽车吊下放就位。安装时采用两点起吊，以防止骨架变形；钢筋笼竖直后，检查其竖直度，进入孔口时扶正缓慢下放，严禁摆动碰撞孔壁。钢筋笼边下放边拆除内撑。钢筋笼的连

14、接采用单面焊接或机械连接，并且保证各节钢筋笼在同一竖直轴线上。钢筋笼下到设计标高后，定位于孔中心，将主筋或其延伸钢筋焊接在护筒上，以防骨架在浇注混凝土时上浮及移位。2.5.8、灌注水下砼在灌注前应考虑扩孔及填充溶洞的需要，准备较多的材料。灌注时适当加大溶洞区埋管深度（埋管深度取610m为宜），以避免浇注砼时，因溶洞护壁塌陷，桩孔内砼充填溶洞，引起砼面急剧下降而使导管口露出砼面，从而产生断桩事故。另外，为减少灌注过程砼的流失，可在钢筋笼相应的位置周围包裹薄铁皮。同时应大力加强砼浇注过程的监控力度，及时发现出现的问题及时解决。水下砼配合比要求： a、坍落度1822cm，坍落度降至15cm的最小时间

15、不小于3h；b、砼初凝时间不小于预计整根桩的灌注施工时间的1.5倍；c、碎石宜用连续级配，粗骨料最大直径31.5mm。2.5.9、特殊的溶洞处理办法1、方法一：采用“超前钻”技术本工法所谓的“超前钻”技术不同于地质钻探的“超前钻”，两者的目的及所采用的设备不相同。它是指对于地质资料显示存在溶洞或土洞的桩孔，先用回旋钻机(SPJ300型)配小型钻头钻穿溶洞顶板直至终孔标高(对于多层溶洞则钻穿23层，不必全部钻穿直至终孔标高)，根据钻探地质资料分析溶洞大小及高度，然后补充优质泥浆以及用锯末和粘土加水拌成软塑状的混合物，使其填满溶洞，观察24小时后，若情况正常，再正式开始钻孔或冲孔。若溶洞漏浆较严重

16、，则可抛填袋装粘土、片石的办法处理。2、方法二：全护筒法若溶洞范围较大，漏浆严重时，一但发生漏浆，孔内泥浆液面迅速下降，泥浆护壁无法抵抗漏浆时产生的内外水头差所产生的压力，其后果会导致塌孔埋钻等恶性事故发生，而防止出现这种情况最有效的方法是采用全护筒施工。在实际施工中采用护筒跟进或双护筒施工两种方式。护筒跟进施工，即先按常规方法沉放护筒，钻机就位钻孔至一定深度后，移走钻机，再将护筒振动下沉，如此反复，直至护筒跟进至基岩面。双护筒施工采用“钻埋法”施工，即先按常规方法沉放外护筒，用冲击钻机钻至基岩面，然后移走钻机，下放内护筒至岩面，再进行入岩施工。具体方法：1）、吊放钢内护筒回旋钻机钻至岩面经验

17、收后，用起重船将内钢护筒吊放入孔内，焊接反向牛腿固定（双向经纬仪测量控制调整垂直度），吊放上一节后焊接接长，依次下放，焊接中严格控制顺直度，下放到钻孔底，测量定位后焊接固定，然后在内外护筒之间填充细碎石，必要时可通过压送水泥浆固结。吊放钢内护筒时如果阻力过大可以采用振动锤协助下放到位。2）、护筒刃脚固结处理内护筒下放至岩面后，钢护筒周边不可能与岩面完全接触，且岩面一般较为倾斜，内护筒与岩面之间往往会形成较大间隙，这些间隙仅由淤泥填充，易塌孔，特别是在溶洞漏水严重的情况下，若不加以固结，不仅无法进尺，还极易造成埋钻等事故。在施工中可采取两种方法进行护筒脚的固结：图2.5.9-1:内护筒脚处理示意

18、图、利用冲机成孔时对孔壁会产生挤压的特点，在钢护筒刃脚范围内抛填块石、粘土，用24m冲程进行冲压，使其密实造壁，反复多次，直至孔底平整才可以向下冲进（实际施工时要求为3个工作台班），处理同时可以冲平参差不齐的岩面，以免过护筒脚时产生偏孔或斜孔，留下质量隐患。整个过程需严格控制进尺及冲程，加强对操作人员的管理，才能达到预期的效果；、若上述方法不能奏效时，可在内护筒刃脚外，采用高压旋喷法将护筒刃脚与岩面周围的把粗砂与角砾固结成一个有一定强度的整体围幕，这种方法安全上较有保障，但工艺复杂、成本高、工期长。具体见图2.5.9-1：内护筒脚处理示意图。3、方法三：静力注浆法在成孔施工前，对溶洞进行静力注

19、浆方法是十分有效的措施。根据地质情况在每一根桩的中心位置(几根桩穿过同一溶洞时) 钻注浆孔或在每根桩孔内钻23个注浆孔，通过注浆孔向溶洞内灌入砂或碎石（溶洞体积较大时），然后用注浆设备向溶洞内注入水泥浆或水泥砂浆将充填物固结，保证冲钻成孔时有足够的固结体。选用水泥浆，水泥浆配合比为水水泥=0.81.0；若选用水泥砂浆，则配合比采用水水泥砂=110.8。1）、若溶洞内的充填物呈松散或软塑状态时，可直接注浆固结即可提供成孔条件穿过溶洞 。2）、若洞内无填充物或填充物不满，则采取先填充碎石或干砂，然后注浆。具体做法为：选择一个合适的孔位，放入并固定钢套管，将注砂管与钢套管相连接，在注浆前灌砂。根据成

20、桩直径、围护体积的最小直径及堆积体成形规律，计算填砂量。用压风机将干砂压入，为防止洞内高压阻止灌砂，利用其它孔作为减压孔。待达到计算的填充体积，压力稳定时，即可停止。4、方法四：覆盖层注浆固结采用混凝土输送泵对岩面以上的砂砾、卵石等透水层，自下而上分段高压力进行灌注高强度水泥砂浆（M20），向砂砾、卵石层内的孔隙、通道充填，同时，通过高压力的砂浆灌注，在孔底形成浆泡，由浆泡向四周扩散，并对周围松散的砂土层进行挤压，使其密实、固结、稳定，达到加固的目的，可防止溶洞桩基施工漏浆、坍孔等事故的发生。具体施工流程及方法：1）、灌浆孔的布置：每根桩中心各1 孔，桩周布置68孔，孔位布置应根据桩径及处理面

21、积而定，施工时可根据实际灌浆情况对孔数、孔位作适当调整。2）、灌浆孔的钻孔：采用XY-150型地质钻机进行，127mm钻具成孔，钻孔终孔深度确定原则：钻孔穿过砂砾、卵石等透水层进入全风化岩面0.50m以上。 3）、下入127mm套管：钻孔完成后，在孔内下入127mm套管，套管要求止沉稳固。4）、水泥砂浆的配制：溶洞灌注的砂浆采用R32.5R水泥、中（粗）砂及清水配制，应保证其流动性，以利泵送。要求砂浆强度为M20，以试验室试配确定，每m3砂浆材料用量为：水泥（kg）：中粗砂（kg）：水（kg）=480：1200：348.8。5）、灌注水泥砂浆：采用混凝土输送泵在孔口进行灌注M20水泥砂浆，灌浆

22、初始，水泥砂浆含砂量应适当减少，或适当增加水泥量。灌注施工自下而上分段进行，分段以套管节长为单位，段长以2.53.0m为宜，向上起出一段套管则灌注一段，直至砂砾、卵石等透水层顶面深度为止。终止灌浆标准：a灌浆压力控制：灌浆泵送压力约1015MPa，达15 MPa时可终止；b吃浆量明显减少，或不大于0.05m3/min。施工中应多方面观察判断，综合确定终止标准。6）、孔口补浆：砂浆灌注结束，套管起出后应及时进行孔口补浆，直至孔口满浆为止。6、材料与设备6.1、成孔主要材料序号材料名称规格、型号备注1袋装水泥PO32.5R堵漏2粘土砖坯502515cm堵漏、造漿3粘土散粒（天然状）造浆4块石206

23、0cm堵漏6.2、主要机械设备序号设备名称规格、型号备注1回旋钻机SPJ300、GDJ2500超前钻、成孔2冲击钻机JK10成孔3泥浆泵22KW，3PNL泥漿循环4砼输送泵SHC57, 50m3/h砼灌注5砼运输车8m3砼运输6汽车式起重机QY25C， 25t下放钢筋笼等7龙门吊LM30/10, 60t下放钢筋笼等8起重船40t 60t搭设平台等9拖船1200匹拖船10方驳400 800t运输材料、泥漿等11振动锤45kw，90kw，377kw施打钢管桩、钢护筒等12泥漿净化装置ZX-200清碴清孔7、质量控制7.1、本工法执行的工程质量标准（1）公路桥涵施工技术规范 JTJ 0412000；

24、（2）公路工程质量检验评定标准 JTG F80/120047.2、技术及管理措施（1）落实技术交底制度，各分项工程施工前要进行详细的技术交底，明确施工要点和质量标准，做到人人心中有数。（2）严格执行“三检制”制度和隐蔽工程验收制度。对施工中的每一道工序经自检和监理现场验收合格后，方可进行下一道工序施工，使工程质量始终处于受控状态。（3）执行典型施工制度。典型施工有计划、有实施、有总结。（4）成立QC小组，开展QC活动，攻克技术难题，提高工程质量。8、安全措施8.1、建立以项目经理为首的安全生产责任制和安全保证体系，成立安全生产领导机构和三防机制，配备专职安全员。8.2、加强安全生产意识教育，贯

25、彻“以防为主、安全第一”的方针，定期进行安全大检查。8.3、建立重大危险源清单，对其风险进行评价，并制定管理方案。8.4、制定各分项工程的安全技术保证措施，开工前或特殊、关键工序开始前，组织有关人员进行详细的安全技术交底。9、环保措施9.1、施工过程中遵守环境保护法，施工废水、固体废弃物处理达到环保的有关要求，减少噪声、废气污染，防止油污染。9.2、对本工程的重大环境因素进行了辨识，建立重大环境因素清单，及时更新，并制定相应管理方案。9.3、加大环境保护的投入，确保环保措施落实到位。9.4、桩基施工的泥浆全部采有用泥浆船或车外运到指定的排放地点排放，严禁将施工污水直接排放。泥浆水产生处设沉淀池

26、，沉淀池的大小根据排水量和所需沉淀时间确定。10、效益分析若在溶洞地区采用常规的施工方法，成孔质量和施工安全都难以保证，因反复塌孔而导致成桩时间达数月的情况非常普遍，富湾特大桥工程桩基施工过程中通过本工法的运用，不仅克服了溶洞地区桩基施工易出现的塌孔埋锤事故，大大节省了施工成本，加快了施工进度，成孔率100%，且桩基施工质量良好，优良率达100%。 并且总结了一套针对溶洞桩的成熟的施工工艺，为我们今后在类似的工程施工积累了宝贵的经验。同时，因溶洞最复杂的56#墩桩基能按业主下达的节点时间完成，施工过程没出现质量、安全事故，赢得了业主嘉奖.。11、应用实例11.1、2001年竣工通车的肇庆大桥位

27、于肇庆市西江下游，南接建设中的广肇高速公路，北连市区端州一路。主桥为86+4136+86m连续梁，全长2529m，主墩为4根300/270cm钻孔桩基础，副墩为2根300/250cm钻孔桩基础。该桥桥址处于岩溶发育地带，溶洞层数最多达7层，顶底板大都倾斜，溶洞高度变化很大，最小的溶洞仅高2030cm，最高的溶洞则高达9.40m；溶洞形状各异，错落无序，互相连通。该工程在施工过程中采用了本工法的部分工艺，使得的溶洞桩施工能保质按期完成， 本工程的QC小组活动成果荣获1999年度全国工程建设优秀QC成果，“岩溶地区大直径钻孔桩施工技术”项目荣获2000年度中港集团科学技术进步三等奖。10.2、四航局一公司于1998年5月2000年12月承建的广东南海广和大桥，全桥长967m，其中主桥为(6612066)m连续刚构。该桥引桥桩基设计为1.70 m钻孔灌注桩，共78根桩，桩长从20多m70 m不等，大多数为嵌岩桩；主桥桩基设计为2.0 m钻孔灌注桩，共32根，为嵌岩桩，桩长从20.0 m50多m不等。该桥地处岩溶、裂隙强发育地区，地下水丰富，地质十分复杂，溶洞变化大，是典型的卡斯特地形。溶洞数量多，空间分布极不规则，整个大桥