岩溶地基桥梁桩基施工技术

.页眉.页脚..岩溶地基桥梁桩基施工技术中铁十二局集团公司第三工程有限公司冀瑞峰杨勇根摘要本文主要介绍水岩溶地基桥梁桩基施工作业前的技术准备、溶洞处理的方案操作要点和一些技改措施，通过在宁安铁路白浪湖特大桥桩基施工岩溶处理中的实践，总结经验，旨在指导施工。关键词岩溶桥梁桩基施工技术1、工程概况根据白浪湖特大桥地质设计资料，本桥7、8、16～20、30、33、35、43、45、48～55、63～68、73、74、78、79、93、97#墩均发育有溶洞，属于下埋藏型，除少量填充淤泥外，其余均为空洞，无充填，这些溶洞发育规模较大，以垂向发育为主，发育曾度为中等。本桥DK176+500～DK177+800段有断层发育。2、岩溶处理桩基施工要求2.1每根桩必须用地质钻机钻探，详细记录地质状况、溶洞深度、高度、填充物类型，画图列表，为制定施工方案提供依据。2.2对填充物进行土工试验，分析其物理力学特性，检测容重、含水量、孔隙率等，为注浆参数计算提供依据。2．3根据地质钻探资料和填充物情况，对每根桩制定出相应的溶洞处理方案、成孔方法及施工措施。2.4每种处理方案都要进行仔细的计算。施工前在桥位外进行溶洞注浆及钻孔试桩试验，取得经验数据，完善施工方案，指导施工。2.5遇到大溶洞时，必须请监理工程师和设计单位核查，明确处理方案，并报监理批准后实施。3、溶洞处理一般方案3.1对于封闭的比较小的溶洞，采取注浆措施，提供成孔条件穿过溶洞。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；若充填物呈松散或软塑状态时，直接注浆固结即可；若充填物已固结呈硬塑状态时，则可以直接冲孔，但需加强泥浆护壁。3.2溶洞内无填充物或填充物较少需向洞内填充砂子的，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。3.3若设计要求灌入碎石则必须钻一个大孔（直径不小于30cm）放入钢管并固定，钢管上置碎石料斗，碎石粒径不大于2cm，投料时振动钢管，以防止堵塞，填充量控制与填砂控制方法相同。3.4对于一些溶槽、溶沟、小裂隙等，冲孔时可采取投放片石、碎石夹粘土，甚至投入整袋水泥堵塞起到护壁作用，保证泥浆不流失，使钻孔顺利通过岩溶区。3.5注浆方法钻孔桩通过溶洞时钻孔施工难度大，采取注浆法是十分有效的措施。3.5.1根据地质情况在每一根桩的中心位置或桥墩承台的四角钻注浆孔，钻注浆孔也是对地质情况的进一步勘探，通过取芯探明溶洞的高度及填充物的详细情况。3.5.2用注浆泵注浆，注浆压力不宜太大，控制在0.5～1.0ＭＰａ范围，具体压力值由现场试验确定。速度为15～20Ｌ/ｍｉｎ，其目的是使浆液渗透到填充物内（包含灌入的砂或碎石），然后固结，渗透最小直径定为3.0ｍ，以保证冲钻成孔时有足够的固结体。注浆时注浆管必须插入填充物的底部，然后边注浆边缓慢上提，提管速度不宜太快，根据注浆速度确定，应使渗透半径控制在允许范围内。浆液选用水泥浆，用32.5级水泥，水泥浆配合比为水∶水泥=0.8∶1.0.若需用水泥砂浆，则配合比采用水∶水泥∶砂=1∶1∶0.8，需要用双液浆时，水玻璃的含量根据现场试验确定。3.5.3单花管注浆，管头花管段长度为100cm，孔眼直径和间距根据现场试孔后确定，注浆管外径为70ｍｍ，比钢套管内径要小。注浆时，通过注浆泵上的ＰＱ仪分析确定注浆的速度和结束时间，压入量根据渗透半径、固结体积来计算，公式为Ｑ=πＲ2Ｈβμα（1-γ）λ式中：Ｒ——渗透半径；Ｈ——溶洞高度；μ——填充物的孔隙率；α——超灌系数；λ——地区性经验系数；γ、β——充填率与充填系数。这些参数和系数可根据现场试验确定。3.5.4为防止浆液流失太远造成浪费，采用间歇注浆方式，使得先注入的浆液与砂子（或碎石）初步达到胶结后再注浆，循环注浆多次，直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值为止。3.5.5注完一个孔后，继续对其余孔进行注浆，后注浆的压力必须调高，最后封孔。注浆顺序由现场自行掌握。3．6、岩溶处成孔经过处理后的岩溶处，成孔方法基本上与普通石质地层成孔方法相同，采取冲击钻冲击的方式成孔。成孔时应注意以下几点。3.6.1冲击成孔必须待注浆凝固后才能进行，一般等待时间为10ｄ左右。3.6.2为防止意外，冲孔前应有备用措施，备好材料，一旦泥浆泄露，及时向孔内投放粘土、水泥和片石，依靠冲挤在溶洞内形成片石夹粘土的围护结构墙，保持孔内泥浆高度，使得冲钻顺利进行。3.6.3加大泥浆质量和密度。采用优质泥浆，当缺少优质粘土时，可在泥浆中掺入适量的水泥、烧碱和锯末，以提高泥浆胶体率和悬浮能力，其质量配合比为黄土∶水泥∶烧碱=1∶0.2∶0.4，锯末按黄土体积的10%掺入。3.6.4当岩面的倾斜较大时，钻头摆动撞击护筒或孔壁，这时，回填片石，使孔底出现一个平台后再转入正常冲孔。3.6.5接近岩溶地段，采取轻锤冲击、加大泥浆密度的方法成孔，以防卡钻和掉钻。4、白浪湖特大桥岩溶地区桥梁钻孔桩施工方案在宁安铁路1标白浪湖特大桥特大桥施工中桩基多次穿越溶洞，出现了桩孔漏浆甚至坍孔等对成孔极为不利的现象，也出现了掉桩，需要采取措施予以处理，才能有效地解决岩溶带来的施工困难。4．1主要技术难点的处理该桥地处岩溶发育地区，对岩溶尤其是对溶洞的处理无疑成为主要的施工技术难点。2010年1月21日，67#墩11#桩在钻进到17m处遇首个大溶洞，由于没有及时采取相应措施，造成其一定程度的坍孔。这说明不仅要有有效的处理溶洞的方法，而且要及时地将其实施，才能确保岩溶处顺利成孔。4.1.1进入溶洞的识别进入溶洞最明显的标志是孔内水位迅速下降。4.1.2溶洞处理前的预防准备①开钻前，针对本桥的地质特点，加强地质钻机钻探，让施工人员详尽了解其地质状况，特别是溶洞的分布状况，包括其深度、高程、填充物类型等，做到心中有数。②钻机上设置简易浮标，可以采用两个矿泉水瓶，用细线连接，瓶内有水的一端浮在泥浆面上，瓶内无水的一端挂在钻机操作手的前方。③钻机操作手依照相关地质资料，较准确地掌握溶洞的分布状况，当钻至溶洞顶部附近时，采用小冲程冲击，逐渐将洞顶击穿，一旦进入溶洞孔内水位迅速下降，钻机操作手要迅速提钻，以防卡钻。④在泥浆池设计上要考虑溶洞处理补浆的需要，尽量做大。现场最好有水源。在工作面上准备足够的片石和黄泥，其中黄泥做成泥球状，用薄膜包裹(防止干裂)，配备l台装载机和一名司机，当遇到溶洞漏浆时，迅速铲起片石和黄泥球填孔，同时大量补水或泥浆。4．1.3溶洞有水与无水的判别在钻孔进入溶洞区时，可从孔内泥浆的变化来判断溶洞是否存在地下水流。如孔内泥浆突然下沉，反复加浆能保持孔内泥浆和水位稳定，说明此处溶洞没有地下水流。如孔内泥浆无法灌满，且泥浆稠度不断变化，说明此处溶洞有地下水流。4.2岩溶地区桥梁钻孔桩施工试行方案2010年1月21日，67#墩11#桩在钻进到17m处遇首个大溶洞，由于没有及时采取相应措施，造成其一定程度的坍孔。根据地质资料和坍孔的情况，判定坍孔的主要原因是：桩位处的溶洞体积较大，部分溶洞甚至贯通，且地下水均发育（稍一停钻，就有清水上浮），当钻孔至溶洞处，由于孔内泥浆急剧跌流入溶洞内，出现孔内水位骤然下降，导致泥浆护壁失稳，砂层或软弱土层溜坍，最终造成孔口坍陷。钻孔遇到溶洞，如果能够在短时间内稳定水位并使水位上升，就不至于坍孔；如果遇到那些不能在短时间内稳定水位并使水位上升的溶洞，或遇到溶洞时采取措施不当，使护筒下软弱地层或砂层在长时间内无泥浆固壁，而容易造成坍孔。因此，关键是要探明桩位的地质情况，做好相应厚砂层的钻孔处理和大溶洞的处理。为此，施工钻孔之前必须实施一桩一孔的地质超前钻探，注意最小超钻深度应不少于6米，必要时增加钻位，以查明桩底以上的岩溶发育情况和桩底以下的地质情况，确定合理安全的桩底标高。针对该桥的地质不同情况和溶洞不同类型，经多方研究，最后决定采用钢护筒支护法、片石粘土抛填护壁法的技术措施来处理和溶洞的钻孔施工，必要时采取套内护筒跟进法等技术措施来处理溶洞的钻孔施工，现针对不同情况介绍如下。4.2．1软弱地层的钻孔处理对砂层或软弱地层，采用钢护筒支护法进行施工处理。钢护筒应比钻孔桩设计桩径大20～40cm，壁厚8-10mm，随钻孔渐次下至砂层，并穿过砂层至少1.5米以上，有溶洞的桩位，钢护筒沉至风化岩层顶面上。通过钢护筒的支护作用，从而避免因溶洞漏浆、孔内水位骤跌造成砂层溜坍。钢护筒的沉入施工可利用钻机进行，在钻机的钻杆上附加压架，利用钻机的钻进压力和钻杆、钻头的重量，使钢护筒随钻头的钻进而下沉。4..2.2无地下水流溶洞的钻孔处理在钻孔进入溶洞区时，要从孔内泥浆的变化来准确判断溶洞是否存在地下水流。如孔内泥浆突然下沉，反复加浆能保持孔内泥浆和水位稳定，说明此处溶洞没有地下水流。如孔内泥浆无法灌满，且泥浆稠度不断变化，说明此处溶洞有地下水流。对无地下水流的溶洞，采用抛填片石法进行施工处理。当钻至离溶洞顶部附近时，冲击钻由高冲程施工转向低冲程施工，逐渐将洞顶击穿。一旦发现泥浆面下降，应迅速补水，然后根据溶洞的大小按3：2的比例回填粘土和片石，仍采用小冲程轻砸，让粘土和片石充分挤入溶洞内壁。这样反复抛填片石冲挤，使片石往桩孔四周的溶洞区内排挤，直至桩孔外溶洞区内挤满片石。遇到较大的溶洞，抛填片石时可适当掺入适量的碎石土，以增强溶洞区内桩孔四周挤填片石的密实度，同时控制好泥浆的比重，使抛填片石孔壁四周形成泥浆护壁膜，利于水下混凝土的灌注施工。4.3.有地下水流溶洞的施工处理有地下水流的溶洞施工处理，如出现的溶洞体积较小，地下水流较缓，孔内水位比较稳定，则仍可采用抛填片石进行施工，且抛填时可掺入适量的碎石土及絮状物，仍至整袋水泥，以增强溶洞区内桩孔四周挤填片石的密实度和强度，减小地下水流速度，阻隔地下水流。遇到体积较大、有地下水流的溶洞，如地下水流较急，孔内水位不稳定，则采用在溶洞区内下沉内层钢护筒的方法进行施工。当冲击穿过溶洞顶部后，用钢丝绳活扣绑住内护筒，用吊机(或冲机自吊)把内护筒放入外护筒内至孔底。注意在沉入内护筒前，应采用检孔器检查钻孔的大小及倾斜度，保证内护筒能顺利沉入溶洞区内。内护筒长度一般宜比超前钻所确定的溶洞高度值长3米。在内护筒底部100cm范围内导管灌填小碎石素水泥混凝土，待固结后即可重新冲孔至终孔标高。终孔后，经成孔检查和清孔验收合格，吊装钢筋笼，采用导管法灌注水下混凝土。4.4其它施工技术问题的处理在岩溶地区进行桩基施工可能会遇到的其它一些技术问题包括：①穿透岩溶顶板比较困难；②溶沟、溶槽内施工时易卡钻，溶洞施工易掉钻，同时冲孔易沿溶沟、溶槽的基岩面倾斜；③岩溶内护壁困难，易造成混凝土流失，导致断桩或短桩。对此，可采取以下相应的处理措施：①岩溶上的地层可采用钻孔钻，但钻至岩面时，改用冲孔法成孔。②在溶洞、溶槽、溶沟中钻孔施工时，采用边抛片石、碎石夹粘土，边冲击，保证冲击作业基面强度均匀，以防孔斜和卡钻。在接近溶洞地段，宜采取小冲程冲击，以防掉钻。卡钻后不宜强提，可用小锥冲击或用冲、吸的方法将钻锥周围的钻渣松动后再提起。③对水下混凝土灌注流失及成桩质量问题，措施一是加大混凝土生产和运输能力，采用混凝土集中拌和站，确保灌注过程的连续；二是要加大首盘混凝土初存量，防止首盘混凝土数量不够造成导管埋深不足而断桩；三是要在灌注过程中适当加大导管埋深，灌注时要勤于测量混凝土面高程，对灌注过程中出现的缓慢下降要有准确的判断，防止混凝土面突然下降造成导管悬空而断桩；四是在灌注时应适当加大混凝土灌注高度，一般考虑要超过设计高程1.5～2.0米，避免在灌注完成后混凝土面下降造成短桩。五是在灌注完混凝土拆导管时，不要急于拆完导管，要边拆边察看混凝土面变化，特别是拆到导管埋深2m时，再等待20分钟左右，确定混凝土面没有变化时拆除；如在拆导管过程中发现混凝土面有变化，要保证导管埋深2～3m，继续进行水下混凝土补方。4．5白浪湖特大桥岩溶地区桥梁钻孔桩施工综合性方案4．5l⑴处理方案若溶洞内无填充物或填充物不满且溶洞小、封闭，采用填充黄泥夹片石冲孔的方法处理。溶洞为充填溶洞，溶内充填物成松散或软塑状时，直接注浆将其固结，必要时灌注水下混凝土；如果溶洞内充填物己固结呈硬塑状态，则直接冲孔，同时加强泥浆护壁。如遇溶槽、溶沟、小裂隙等岩溶地质，冲孔时直接填充片石、碎石夹粘土。必要时投入整袋水泥堵塞，起到护壁的作用，保证泥浆不流失，使钻孔顺利通过岩溶区。⑵施工工艺开钻前，针对本桥的地质特点，加强了地质钻机钻探，让施工人员详尽了解其地质状况，特别是溶洞的分布状况，包括其深度、高程、填充物类型等，做到心中有数。即便如此，溶洞仍给钻孔造成诸多麻烦。下面以67#墩11#钻孔桩为例，说明溶洞处钻孔桩的施工工艺。67#墩11#钻孔桩，桩径l..5m，2010年1月14日开孔，挖埋法埋设钢护筒，护筒壁厚6mm、长1.7m、内径1.9m、埋深1.15m.，护筒顶以下相当深度范围为粉质黏土。在深17m处遇溶洞，孔内水位迅速下降，根据地质钻探资料分析为空溶洞，立即采用黄泥夹片石，冲击钻小冲程方法，不断冲砸，使碎石和带粘性的黄泥尽可能地挤入溶洞内。根据目前态势，稍一停钻，就有清水上浮，说明岩溶尚未完全控制。需要再次投入黄泥夹片石冲击，此后须反复多次，水位得以稳住。之后为了加强护壁，为了钻孔桩在施工中遇到溶洞都能得以较快处理，要求如下：①把桩孔的地质资料作为技术交底下发工班，让钻孔人员有心理准备。②在工作面上准备足够的片石和黄泥，其中黄泥做成泥球状，用薄膜包裹(防止干裂)，配备l台装载机和一名司机，当遇到溶洞漏浆时，迅速铲起片石和黄泥球填孔，同时大量补水。③有了相关地质资料，较准确地掌握了溶洞的分布状况，当钻至溶洞顶部附近时，采用小冲程冲击，逐渐将洞顶击穿，以防卡钻。一旦发现泥浆面下降，应迅速往洞内按3：2比例回填黄泥和片石，随后仍用小冲程冲砸。让黄泥和片石充分挤入溶洞内部。要特别注意，此时不得持有抢进度的思想，须待黄泥和片石充分挤入溶洞内并形成稳定护壁且泥浆漏失现象全部消除后方可正常钻进。④加强孔内泥浆面控制，必要时用泥浆泵往孔内抽泥浆，补充并保持孔内泥浆面高度，稳住水位之后继续钻进，如上述办法仍然无法稳住水位，就直接采用灌注水下混凝土的方法使溶洞填充完全，且待灌注的混凝土面超过溶洞顶1m并且混凝土不再下降时停止灌注，待混凝土强度达到50%后开始钻进。经过处理后的溶洞地质钻孔桩成孔方法与普通石质地层成孔方法基本相同，采用冲击钻冲击成孔，但应注意以下几点：a为防止意外，冲孔前应有应急措施，备好材料、机具等，一旦孔内泥浆再次泄露，立即向孔内投放黄泥和片石及水泥，使其冲挤在溶洞内的片石夹粘土形成围护结构，保持孔内泥浆高度，不致造成塌孔，保证钻孔顺利进行。b用优质粘十增加泥浆质量与密度，当缺少优质粘土时，在泥浆中掺入适量的水泥、锯末，以提高孔内泥浆胶体率和悬浮能力。c当岩面的倾斜较大或钻头摆动撞击到护筒或孔壁时须回填片石冲孔，使孔底出现一个平台后再正常钻进。d在接近洞溶处，需加大泥浆密度，采取轻锤冲击的方法成孔，以防卡钻。4.6、白浪湖特大桥桥梁桩基岩溶地段施工问题分析及预防处理措4.6.1根据地质钻探资料，借鉴其它铁路桥梁桩基岩溶地段施工的成功经验，我部采用冲击钻孔灌注桩的桩基施工方法，必要时使用沉钢护筒护壁跟进钻孔，将钢护筒下沉2～3m护壁，保持水头回填粘土、片石(掺入水泥、锯末)等孔壁自稳能力，杜绝孔口坍塌，防止灌注砼的大量流失，成孔把握性大，作业面广。4.6.24.6．2.1裂隙漏浆裂隙漏浆产生后，难以形成设计桩位的圆孔，表现为扩径或塌孔，严重时将钻机倾倒。①原因分析一般的钻孔桩施工也会出现塌孔等问题。但在岩溶地段这种现象尤为明显。因为岩层表面的溶沟、槽与溶洞相互串通，又与地下水形成暗流，通过透水性强的砂砾层、卵石层与地下水相连接，钻孔中泥浆比重较大，孔内水压与暗流水压造成漏浆，当钻头击穿无填充物或少量填充物溶洞顶板时，孔壁失去孔内压力，孔内水头急剧下降，外部地下水渗透水压过高而产生动压力，引起孔壁坍塌。塌孔的表现形式也多样化。当护筒下沉与岩面连接不密时，坍塌多发生在护筒底。其它工地当钻机击穿溶洞顶板时，仅三四分钟孔内水头下降3～5m深，造成孔四周钢管、方木等落入孔中，护筒也下沉，有时两桩基之间突然下陷深约3m，直径5m左右的大坑;有时桩基在施工中，短短2分钟，孔内漏浆量达16m3，补水一下难以完成，造成钻机倾覆。②预防及处理措施要求司钻人员对照地质钻探资料检查孔内水头高度，泥浆稠度和孔外水位变化，及时取碴分析，发现异常，及时处理。与普通的钻孔桩所用的泥浆相比，岩溶地段处所需的泥浆质量和比重要加强，其技术指标应符合：比重：1.2～1.4;粘度≮20s;胶体率≮95%，PH值>6.5。优质的泥浆取决于优质的粘土，当缺少优质粘土时，可在泥浆中掺入适量的水泥、锯末，以提高泥浆的胶体率，悬浮能力。黄土水泥按1∶0.3配比，锯末按10%掺入。进行抛填，将片石、粘土及水泥作为混合物，视漏浆程度反复抛填，冲击一次应1～3m，到不漏、稳定为止。当漏浆太快散填难以达到目的时，应采用集中抛填将粘土，水泥成袋回填，片石集中填入，要求短时、集中。具体地讲，有可分为两种情况：a在溶洞洞体小，充填物多为不稳定土层时，应回填片石以低冲程反复冲砸，使孔底出现一个平台,再转入正常冲击，通过溶洞进入充填地段时，采用泥浆护壁，使用优质泥浆保持洞内水头高度，适时向孔内投入泥块和袋装粘土及少量片石，采用低冲程将填充物挤入洞内及裂隙以加固孔壁防止漏浆或塌孔。b对于洞体较大，填充物为流塑状态时，采用孔口下3～4m的钢护筒，四周加固，以稳定孔口(对于土质较差的孔口，在护筒下部浇筑35cm厚的砼)，孔内选用优质胶土造浆，保持孔内水位高度，在快到溶洞地层时，投入片石、泥块、粘土，钻机低冲程冲击，同时观测孔内泥浆的沉降，孔旁备料待填,必要时加入水泥(散或成袋)以加快固结填充,防止漏浆塌孔,有的桩孔需反复次，才能控制住。4.6.2.①原因分析因溶沟、溶槽岩面倾斜，顶板厚度不均，加上有孤石等偏孔易出现，纠偏是该种地段最频繁的内容，贯穿于整个过程。②预防及处理措施钻孔时每进1～2m便自检一次，如发现偏孔提出钻头，抛入片石1～2m厚以低冲程冲击，一般便可纠正。如反复抛填仍难以纠偏时，需清孔后用C25级水下砼(掺早强剂)灌注1～1.