客运专线桥梁岩溶发育地区钻孔桩施工技术

客运专线桥梁岩溶发育地区钻孔桩施工技术1、工程概述及地质描述本文以新建xx客运专线xx至xx段IV标七单元施工的桥梁为技术研究对象，来总结岩溶发育地区钻孔桩施工技术，本管段共有桥梁63座，全部位于郴州地区，其中50余座桥梁桥址位于岩溶发育区，涉及墩台600多个，钻孔桩基础5000多根。孔桩直径有1.00m，1.25m，1.50m，1.80m，2.00m五种，桩长自8m～76m不等。尤其是陈家湾特大桥、陈家湾大桥、仙岭特大桥、颜家特大桥、章水河特大桥、肖家特大桥最具有代表性，这些桥梁处于大面积岩溶发育区域，岩溶可见率达75%以上，溶洞范围广、深度发育不一，普通单个溶洞一般深度为1～8m，最深溶洞达29.3m，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;部分溶洞有地下水流。大部分桩基为糖葫芦串式溶洞，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，即使有钻探资料的，也不能完全确定钻探资料与实际地质状况相符。2、岩溶区钻孔灌注桩施工技术在发育的岩溶地层中进行钻孔桩施工，由于地质结构复杂，不可预见因素多，施工过程中漏浆塌孔、斜孔、掉钻、卡钻、埋钻现象常有发生，造成成孔困难；即使在水下砼灌注过程中，由于溶洞很发育也可能会导致砼流失严重，造成成桩困难。常常成为控制工期、威胁施工安全、影响工程质量的技术难题。本文目的在于总结岩溶地层钻孔桩如何解决施工过程中遇到的技术难题，为以后岩溶地区桩基施工提供参考。岩溶地区一般采用冲击钻成孔。应根据岩溶发育程度、溶洞顶板厚度及溶洞填充物情况分别采用不同的工程措施，如选择粘土加片石回填冲击、预注浆液、护筒跟进等以便顺利成桩。2．1、回填冲击处理2.1.1适用范围回填处理方法主要适用于以下两种情况：第一类:高度小于1m发育面积小的溶洞。第二类:地质软硬不均，岩石存在斜面或有探头石的溶洞。2.1.2施工准备根据溶洞大小备足水、粘土、片石等必备材料，确保在孔内泥浆突然流失时，及时补充孔内水头，不致发生塌孔。2.1.3施工过程在开钻前准备20m3左右的粘土块及部分小于25cm的片石。在施工中，钻孔进入岩溶地层时，投入大量潮湿的粘土块和片石并立即补水，利用钻头冲击粘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，处理方法为：（1）钻至离溶洞顶部1米左右时，准备足够的小片石（粒径为10～20cm）和粘土，粘土要做成泥球（15～20cm大小），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1米左右时，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的比例回填粘土和片石，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粘性土或淤泥的溶洞，进入溶洞后也应向孔内投入粘土、片石混合物（比例1：1），冲砸固壁。（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的比例回填粘土和片石至溶洞顶板0.5米以上，重新冲砸。按此方法顺利施工比较典型的如：肖家特大桥19#墩9#孔，章水河特大桥7#墩9#孔、9#墩2#孔、9#墩5#孔、19#墩6#孔、22#墩6#孔、22#墩7#孔、51#墩1#、4#及7#孔都顺利成桩。经西南勘察设计院对桩基进行超声波检测，判定桩基均为Ⅰ类桩。回填方法非常适合距地面较近的小溶洞或有填充物的中小溶洞的处理，此方法施工简单、快速，效果好。2.1.4施工中遇到的问题及处理方法在溶洞中钻进，由于孔桩进入溶洞范围内，溶洞不是整齐的，顶板和底板犬牙交错，高低不平，钻进溶洞顶板及底板都存在一个斜面开孔问题。因此必须采取相应措施。根据地质柱状图掌握钻进标高或冲击声判断，钻进接近顶板0.3～0.5m时应控制冲程在1.0m以内，空洞内钻进须分层面填粘土坯和片石块（边长10～15cm），经反复冲砸以形成泥壁，堵塞原洞内填充物的活动通道，防止孔壁坍塌和泥浆流失。钻头在洞内冲击高低不平的岩面时，或一面有岩，一面悬空时，容易造成卡钻或斜孔事故。纠偏方法仍然是抛填片石和粘土坯，用低冲程打密，反复循环多次，保证冲孔质量。如遇到以上问题，经过多次回填仍无明显效果时，可采取以下两种方法进行处理：1）如果遇到探头石，可在探头石一侧打眼放炮，将探头石炸掉，然后继续冲孔。2）灌注低标号砼至不均匀岩面以上1.0m左右，待3天后砼再继续冲孔。2.2、岩溶注浆2.2.1岩溶注浆的目的及范围岩溶注浆处理是采用钻孔注浆的方式，把水泥浆液（可含粗砂、碎石）压入一定范围内的溶洞、岩溶通道、裂隙中，对岩溶地层进行加固和堵漏，将其填充密实，待其凝结硬化后,桩位处地层满足钻孔桩施工条件，使桥梁桩基础顺利成孔的一种基础处理方法。钻孔注浆一般用于空溶洞和糖葫芦串式溶洞，如章水河特大桥45＃墩桩基（见图2），对大的溶洞，一般采用注浆与护筒跟进联合措施进行溶洞处理，对裂隙发育但溶洞不大、溶洞位置较深，这类溶洞在成孔过程中可能能顺利成孔，但成桩过程中可能会出现混凝土挤入裂隙和溶洞导致流失的情况，一般也需要提前注浆处理。2.2.2施工准备研究设计图纸的钻探地质资料，判断是否需采取注浆措施，确定注浆孔网布置，注浆孔深度。根据实际钻孔地质资料确定注浆方法和注浆参数。2.2.2.1材料准备（1）注浆用水采用附近经检测合格的地下水或地表水。（2）注浆用的水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥强度等级为P.O32.5级，水泥出厂日期不超过3个月。水泥的各项指标符合国家标准，并附有水泥出厂报告。（3）水玻璃符合国家质量要求，波美度为38°～43°，模数2.4～3.0。对选购的水玻璃进行稀释直至符合要求的浓度备用。（4）当采用中粗砂或稀的水泥砂浆对溶蚀腔体进行充填，采用粉煤灰水泥浆液注浆时，其砂、粉煤灰材料的要求为：a砂：其粒径小于2.5mm的中粗砂，含泥量及有机物含量小于3％。b粉煤灰：采用C50砼以下的粉煤灰级别，经磨细其细度不粗于同时使用的水泥。2.2.2.2机具设备（1）根据地质情况选择合适的工程地质钻机，以施工注浆孔，每根桩补充1—4个地质钻探孔，并补充详勘地质资料。（2）选择注浆机及相应注浆设备。注浆机的注浆压力一般在0.2～0.7MPa之间。表1主要机械设备配置表序号名称单位数量用途1钻机台1成孔2拌浆机台1制备浆液3搅拌式贮浆桶只2过滤杂质，储备备浆液4液压注浆泵台2压注浆液5流量计、压力表表台2显示流量压力和和总注浆量量2.2.2.3作业条件（1）施工场地预先进行平整，确保现场三通一平和临时排水畅通，并沿钻孔位置开挖沟槽和集水坑。（2）在注浆施工前，对钻机、注浆泵、搅拌机等机械进行检查、调试，使其保持良好的状态。2.2.3.注浆施工（1）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，布置四个注浆孔，即孔桩周边四个眼对称布置，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。注浆孔的深度一般空溶洞以穿过溶洞顶板即可;若有淤泥填充物,易钻至溶洞底0.5m以上为限。（2）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，设计资料显示的为单层溶洞的，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。（4）注浆①注浆管路系统的试运转：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。②注浆顺序：有地下流水的先注双液浆，然后根据溶洞大小采取以下顺序施工。大溶洞：溶洞内灌注中粗砂→插入注浆管→注浆。一般溶洞：直接注浆。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。2.2.4注浆的环保水保措施（1）水泥和粉煤灰等细颗粒散体材料，应遮盖存放，运输时防止遗撒、飞扬。减少对生产人员和当地居民造成危害，必要时进行洒水。（2）注浆施工前做好施工场地内的排水系统并确保畅通。工地废水排放前先经沉淀池沉淀，并采取必要的净化措施处理后方可排放。特别应避免浆液对地下水源及周围环境的污染。（3）废弃的砂料及水泥袋等包装物及时清理，不得随处抛撒。施工机具应采取降低噪声措施，减少扰民。（4）施工过程中及时清理现场垃圾，做到文明施工。2.2.5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的塌孔具有较好的效果，与护筒跟进工艺配合使用，对成孔所需时间能有一定降低，但对大的串通性溶洞，注浆范围、注浆量很难有效控制，超出量较大。部分溶洞注浆处理效果也难以达到预期，成桩扩孔系数虽有降低但与其它地质条件相比依然较大，平均扩孔系数达2。仍然无法解决偏孔问题。通过已经施工完的桥梁桩基看,岩溶注浆在岩溶地区桩基础施工中效果较好,施工工序安排合理,可大大加快孔桩施工速度。2.3、护筒跟进2.3.1钢护筒的作用及使用范围钢护筒有定位、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15米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15米以内的较大空溶洞，采用单护筒延长护筒工艺。护筒跟进视情况采用单一护筒跟进工艺或护筒跟进与钻孔注浆一起使用的工艺。2.3.2施工过程2.3.2.1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。2.3.2.2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米、8米、10米；如果是旱地施工，一般为2-4米。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，但仍免不了发生孔壁坍塌的情况，由于施工中很难作到随钻进护筒随跟进，一般均差1米左右，也常发生孔内泥浆突然流失造成塌孔情况。如仙岭特大桥28#墩4#孔，钻孔至141m高程，护筒跟进至142.4m高程，发生孔内泥浆突然流失，造成塌孔。3.成孔过程难点技术探讨3.1.泥浆造壁问题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（提高泥浆对孔壁的渗透能力）、木屑、草袋(在孔中起堵漏和孔壁固结作用)、片石或碎石(在溶洞孔壁中起骨架加固作用)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，这就既可以达到溶洞孔壁封闭环的形成，又能增强泥浆护壁的效果。3.2.岩溶区斜面偏孔问题偏孔是岩溶区孔桩施工中常见的问题，施工中主要采取了以下措施：在孔内回填片石和粘土块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。当斜面倾斜严重或桩位置于溶洞边缘时，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时，采用填充水下砼方法3d后重钻。以上措施是钻孔桩偏孔的常用措施，虽有一定效果，但处理时间太长，如陈家湾大桥、肖家特大桥、颜家特大桥、章水河特大桥都有多根孔桩发生因处理偏孔时间超过40d的情况。严重影响工期进度。3.3.穿越大溶洞顶板时卡钻，掉钻问题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。章水河特大桥56号墩8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3个月。为了避免或者减少这种事故的发生，利用缓冲原理来攻克这个难关。既是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。这个办法效果明显，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。3.4.岩溶区桩底嵌岩深度本桥为客运专线桥梁,按设计要求桩端最小嵌岩深度为1-3米,因此,设计院对终孔后桩端全岩面的正确判断成为本工程成孔质量的关键。影响全岩面判定的因素较多,而现有的桩基技术规范、规程等均未列出统一的判定标准,受地质条件复杂的影响,全岩面的判断往往意见不一,成为质量控制的一大难题。本桥实际施工中,根据岩溶地区地质条件的特殊性、复杂性及工程特点,主要从5个方面来进行全岩面的综合判断。（1）以桩孔实际入岩高程为主要依据,超前钻孔柱状图揭示的岩面高程只作为参考。（2）查阅钻孔施工记录,可将基岩进尺速度0.1～0.2ｍ/ｈ作为进入全岩面的控制速度,由此钻孔记录入岩后,必须按照小于或等于2小时记录一次;（3）可观察井口钢丝绳的摆动情况,锤头触岩面时会出现轻微晃动；（4）使用细目筛网捞取岩渣,岩屑含量50%～70%，且含泥、含砂量小于4%时,认为入岩完整。如出现特殊情况或判断标志不明显,意见分歧较大时,则采用钻探揭露的办法来证实,即在桩孔中心四周均匀布设4个～5个勘探孔,用地质钻机进行钻探,用触探到的各点岩面高程进行比较,判断出全岩面。（5）在孔桩出现偏孔的情况下不能终孔，这种情况下可能为倾斜岩面，出现一侧嵌岩深度满足，另一侧嵌岩深度不满足的情况。5几点体会5.1提前做好施工预案岩溶地层的岩面及各层溶洞的顶盖和底板高低不平，相差悬殊，溶洞有被充填的，也有空的，施工常常会发生泥浆急剧损失、坍孔、卡钻、埋钻、偏孔等现象。如在施钻过程中措施不力成桩十分困难，为确保钻孔时顺利通过溶洞，必须根据桩位的地质柱状图，经过分析，掌握桩基通过溶洞的层次、溶洞顶板厚度、溶洞的大小范围及填充物性质，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。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是