岩溶地区钻孔灌注桩施工技术研究

长春工程学院工程硕士学位论文3.2.3溶洞填充物性质的影响 3.2.4施工环境影响 3.2.5岩溶地貌的影响 3.3岩溶地区钻孔灌注桩施工的特点 3.4岩溶地区桩基施工的处理措施 3.4.1岩溶地区桩基施工的处理原则 3.4.2岩溶地区桩基施工常用的处理方法 3.5岩溶地区穿越溶洞技术施工 3.5.1冲击钻孔穿越技术要点 3.5.2回转钻孔穿越技术要点 243.5.3旋挖钻孔穿越技术要点 3.6本章小结 26第4章岩溶地区桩基质量事故及检测 4.1施工过程中常见事故的起因、预防和补救措施 4.1.1漏浆、塌孔 4.1.2偏孔 4.1.3卡钻、掉钻、埋钻 4.1.4混凝土流失 4.1.5钢筋笼被卡住 4.1.6其他 4.2成桩后岩溶地区桩基础检测方法 4.2.1桩身完整性检测 4.2.2单桩承载力检测 4.2.3常用检测方法优缺点 4.2.4多种检测技术相结合 4.3岩溶地区常见桩基质量事故 4.3.1常见的桩基质量问题 4.3.2常见桩基处理方法 4.4本章小结 第5章钻孔灌注桩工程施工案例 395.1工程概况 5.1.1拟建项目总体情况 长春工程学院工程硕士学位论文V5.1.2工程地质条件 5.2钻孔灌注桩施工 5.2.1施工难点 5.2.2施工技术准备 5.2.3施工现场准备 5.2.4钢护筒跟进施工 5.2.5穿越溶洞 5.3岩溶地区桩基施工质量控制 5.3.1桩身垂直度控制 5.3.2进入持力层的控制 5.3.3桩底持力层完整控制 5.3.4清孔质量控制 5.3.5浇筑混凝土的控制 5.4缺陷桩基的处理 5.5工程实施效果 第6章研究成果及展望 6.1研究成果 6.2展望 在学期间发表的学术论文及其他成果 在学期间参加专业实践及工程项目研究工作 长春工程学院工程硕士学位论文1岩溶，主要是指地下水和地表水对可溶性岩石的化学溶解和机械破坏的地质作用。由这一地质作用所形成的地貌，在国际上又称喀斯特地貌[1]。地表水及地下水通常情况下会对可溶性岩石产生溶蚀的影响，此时就会引起一系列不同形状及大小岩溶地貌现象，包括地下河、岩溶裂隙、落水洞、漏斗、岩溶洼地等地貌现象。我国岩溶分布的相当广泛，其中贵州、四川、广西、云南最为突出，随着我国中部地区的崛起战略和西部的进一步开发，基础设施在喀斯特地区不断建。由于喀斯特现象作为一个典型的不良地质现象，广泛存在这些工程建设中，对建筑施工造成极大危害，如施工中的处理不当，往往会发生掉钻、卡钻、埋钻、塌陷等施工现象，甚至会导致桩基承载力降低和地基的不均匀沉降。而在喀斯特地区的建筑工程，都必须满足上层建筑物(构筑物)的承载能力和在施工中存在的变形。因此，岩溶地区桩基础施工对建筑物的质量和产量有很大的影响。然而，长期以来，由于喀斯特地区地层结构复杂，岩面起伏不定呈波浪形，溶洞内存在软、流塑填充或者无填充等情况，施工中存在许多不可预见的因素，岩溶的勘察误判率较高，因此在喀斯特地质条件下桩基础施工具有周期长、成本高、事故频发等特点，一直是困扰工程施工建设的难题。桩基施工不当导致地面塌陷、断桩等质量事故不仅会造成巨大的经济损失，甚至还会危及现场施工工人的生命安全。如何有效减轻岩溶危害、保证岩溶地区的桩基工程顺利进行，成为亟待解决的关键技术难题。[2]对这一问题，目前国内外已开展了一定的研究，但大多局限于案例分析，研究手段相对单一，缺少对灌注桩施工所涉及的各个环节展开分析以及对存在的问题从机理上的揭示，更未提出系统性的解决方案。鉴于这种现状，本文以施工工艺为核心，针对岩溶地区灌注桩施工的全过程，系统地从岩溶地质特点、施工工艺及质量控制、施工事故处理三个方面进行全方位的总结、研究，提出综合性的切实可行的解决方案，确保施工安全，保障施工质量。长春工程学院工程硕士学位论文21.2.1岩溶地区钻孔灌注桩的研究现状根据成孔技术，灌注桩的施工方法有钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩和沉管灌注桩，其中钻孔灌注桩的施工器械主要有螺旋钻机、正反循环回转钻机、冲击钻机、旋挖钻机等。在1940年，美国首次在建筑桩基础施工中采用钻孔机械作为主要成孔方法。随着社会的日益发展、逐步涌现出大批的高层建筑物，而钻孔灌注桩自然而然地在世界范围内被普遍使用。随着城市进一步发展和建筑工程基础建设的发展，对岩溶发育这一复杂地形的施工场地，学术界并没有给出具体规范的施工方案，对灌注桩的设计和施工方案选择、施工工艺的优化、质量控制措施等系统研究相对较少，需更进一步研究。QubainBS,seksinskyEJ和LiJ[3]提出了喀斯特地形可分为三类：无空洞陡峭的、巨穴型的、带空洞和漂石的，以及对应这三类进行不同基础形式的设计，然后根据这些基本类型给出了不同的设计方案。在二十一世纪初，英国学者TonyWaltham和其他组织来自世界各地的20多名专家编写的《SINKHOLESand降一岩溶与洞穴岩体中的工程与建设)》一书，书中围绕在实际工程中岩溶对施工存在的隐患和具体措施这两点进行了详细的介绍。[4]目前，张效文[5]针对岩溶发育地区采用的冲击成孔灌注桩的施工方法，从施工前准备、施工中控制以及桩基事故这三个方面，论述了在施工中有效避免或者降低岩溶地区常见的塌孔、漏浆、卡钻、偏孔等施工事故，并对岩溶地区冲击钻施工在成孔质量、成桩质量这两个方面介绍了详细的缺陷桩处理措施。蒙晓红[1等对桩基础的选取采用多目标模糊数学优选理论，针对这一理论介绍了原理模型和应用步骤。张格飞和钱斌7提出了在岩溶地区冲击钻机施工的具体要求和溶洞处理措施，并对岩溶地区桩基础施工机械的选择原则和方法做出了分析。姜明和在具体工程中介绍了钻孔灌注桩在岩溶地层下的处理方法。惠中华提出了桩基础施工在岩溶地区做好勘察的严格要求：钻探必须一桩一钻，个别特殊的桩位还要一桩多钻，地质的勘察资料应做到详细。长春工程学院工程硕士学位论文31.2.2岩溶地区溶洞处理技术岩溶地貌对桩基施工的影响是多方面的，伍四明等[9]针对岩溶地区桩基础的设计、施工及质量这三个方面通过具体工程分析了岩溶对桩基础的影响。何春林等[9]利用有限元分析的方法，探讨了溶洞对桩基承载力的影响。另外，由于岩溶地貌在不同工程表现出差异性，在不同的地质上进行桩基施工时处理的方法也各有千秋，如彭勇锋[10]根据郴宁高速公路水龙互通主线桥右幅32号墩1号桩基溶洞处理，介绍了“钢护筒跟进+分级注浆”的施工方案；程永忠等[11]以宁道高速公路第六合同段桐油坪大桥0-4号桩施工溶洞处理为例，阐述了“钢护筒跟进法”的施工方案和注意事项；李陆平等[12]通过蔡家湾汉江特大桥167号墩桩基施工溶洞处理，提出了“回填片石+黏土”的处理方案；胡拥军[13]针对多安大桥桩基施工溶洞处理，介绍了“钢护筒+片石黄泥回填”的施工方法，迟立梅[14]以武江公路大桥18号墩4号桩和14号墩号桩为例，提出了“钢护筒+片石黄泥回填+注浆”综合使用法。1.2.3岩溶地区桩基质量事故分析及处理的研究现状SimonM和LacroixM(1990)介绍了土工织物接近崩塌的路基工程实例和石灰岩溶洞，用网状结构防止喀斯特塌陷的土工织物的使用，对国内的相关项目有很大的意义。常洪德[15]和其他研究人员经常开展通过喀斯特地区钻孔灌注桩工程事故分析，对事故处理措施加以总结，得出认为桩身完整性和建设单位验收运行验收单位是保证钻孔灌注桩的质量是非常重要的因素。张志策[16]和其他研究人员认为浇筑混凝土水下灌注桩是最重要的一步，必须严格按照规范和施工操作规程的技术操作，只有这样才能更有效地减少由于混凝土质量可导致事故发生的概率。程万祥[18]研究人员表示，钻孔灌注桩在钻孔中技术管理、机械因素等引发事故，并对断桩事故的各种原因加以分析，总结了预防缺陷桩基础事故的预防措施，特别注意在预防事故措施中必须严格管理工作。钻钻孔灌注桩具有的施工噪音小、桩身直径自由控制、适用各种底层、承载力高、建造费用低、抗震性好等优点，越来越适应现在快速发展的高层建筑、甚至是超高层建筑中，在我国的中西部等岩溶地区等不良地质下广泛使用，但是钻孔灌注桩施工也存在着不可忽视的缺点，通过导管法水下灌注混凝土，桩身质量一般都低于预制混凝土桩，更由于岩溶发育地区水资源丰富，溶沟、溶槽和溶洞等强烈发育，不仅在施工前地质勘察中难以准确描述，还在施工过程中由于钻孔灌长春工程学院工程硕士学位论文4注的不规范的操作，一旦出现问题很容易出现浮浆、夹泥、蜂窝、离析等桩基质Cameron通过非喀斯特地质下随机大量钻孔灌注桩检测，发现近15%含有各种各样类型缺陷的桩基[19]。那么岩溶地区钻孔灌注桩中存在的问题更为严重，所以对钻孔灌注桩在岩溶地区的检测和问题桩基处理举足轻重。吴辉琴等[20]在桩基检测中提出采用了低应变法、钻芯法和超声波联合检测的模式，不仅可以检测桩身完整性和承载力，还可以评估场地所有桩基的承载力情况。曹净等[21]对钻孔灌注桩的桩端后注浆和桩侧后注浆进行了分别探讨。段刚等对桩端后注浆的机理与实际工程的应用进行讨论。针对桩基缺陷情况，虞子平等[24]利用半定量的理论分析桩身缺陷，用低应变检测进行验证。于忆骅等[25]通过具体工程检测，验证声波投射法能有效的判断钻孔灌注桩中存在的缺陷。赵佩胜等[26]对钻孔灌注桩的桩底沉渣采用后注浆处理进行研究。李典庆等[27]利用贝叶斯理论着重讨论分析了的相同缺陷的灌注桩。顾业军等[28]只针对岩溶地质条件下钻孔灌注桩施工问题进行分析，目前的研究讨论只是对一般的地质情况下钻孔灌注桩问题桩的处理，在岩溶地质条件下，对钻孔灌注桩施工中成孔、成桩、常见问题研究的比较多，而对于钻孔灌注桩质量检测及缺陷处理的研究还比较少。本文以施工工艺为核心，针对岩溶地区灌注桩施工的全过程，系统地从岩溶地质特、施工工艺及质量控制、施工事故处理三个方面进行全方位的总结、研究，提出综合性的切实可行的解决方案，确保施工安全，保障施工质量。本文从以下四个方面开展岩溶地区钻孔灌注桩施工的综合技术研究：1.3.1岩溶地质特点在岩溶地区，其发育的深度、规模碎然后有一定的规律，但对相同岩溶地质条件下，其发育又存在较大的差异，这就必须了解岩溶发育的特点，包括岩溶发育形态、规模、贯通等情况，以便更好的施工。1.3.2施工工艺及质量控制岩溶地区的地质条件十分复杂，对于一些特殊地质条件，往往还需要采取附长春工程学院工程硕士学位论文5加的施工措施保证正常施工，穿越溶洞施工即是岩溶地区灌注桩施工的一大特点。因此，本项目对需要穿过岩洞、水下浇注混凝土等特殊条件施工的方法进行研究，提出合理的解决方案，避免并发性的施工事故发生。此外，施工工艺的好坏不仅取决于技术参数的选择，还与施工过程中的管理有重要的关系。在岩溶地区桩孔施工中，不确定因素很多，因此，本文针对岩溶地区钻孔灌注桩基础施工，就施工前准备、钢护筒跟进、钻进控制、清孔及灌注混凝土这5个方面总结了一套控制质量要点。由于岩溶地貌有各种各样、大小一部的形态，宏观上虽然有一定的发育规律，但在小范围内其分布与埋藏往往是变化无常的，在勘察阶段要完全查明情况几乎是不可能的，因此在施工过程中出现各种问题几乎不可避免。岩溶地区灌注桩基的施工事故主要可以分为两类：一是成孔、成桩过程中，出现的诸如漏浆、塌孔、孔斜、卡钻等事故；二是在成桩后，质检发现桩基质量不合格，如断桩等必须采取补救措施甚至必须报废的事故。因此，本文通过调查、研究各种施工事故的起因，提出预防措施，总结完善事故发生后的处理措施，将施工事故的危害降低到最小的程度。1.4研究的技术路线首先阐述岩溶的成因机理、发育规律以及常见的地貌类型，接着通过实地调研和参考大量的文献资料，分析岩溶地质特点对钻孔灌注桩的影响、施工特点以及施工处理原则和常用处理方法，对岩溶地区常用钻孔灌注桩的施工机械桩，如冲击钻机、旋挖钻机、回转钻机在施工过程中常见的问题都做了较为深入的分析研究；然后探讨了岩溶地区桥桩基础可能出现的质量事故；最后，通过对以上几方面的综合，建立了一套系统的岩溶地区桥桩基础施工方法。长春工程学院工程硕士学位论文6第2章岩溶地质的特点及危害2.1岩溶发育的基本条件喀斯特的发育必须具备四个基本条件：岩石的可溶性、岩石的透水性、水的溶蚀性和水的流动性。(1)岩石的可溶性岩石的可溶性是岩石在溶蚀作用下的溶解度和溶解速度。包含三类：卤素盐类(如岩盐)、硫酸盐类(如石膏、硬石膏、芒硝)和碳酸盐类(如石灰岩、白云岩)。其中卤素盐类和硫酸盐类虽然溶解度高，但其在我国含量少，覆盖面积有限，而碳酸盐类因其面积分布广，我国大部分岩溶地貌均由其产生。(2)岩石的透水性岩石构造裂隙节理越发育，如褶皱轴部、断层破碎带等，其岩石内部在地下水的渗透下，会慢慢溶蚀形成裂隙网，加速岩溶的发育。而完整的岩石或者节理裂隙不发育的岩石，其地下水就不容易渗透进岩石内部，溶蚀作用只发生在岩石的表面，因此岩溶发育速度较低。(3)水的溶蚀性水对岩溶的溶蚀作用是岩溶发育的主要原因。一般情况下，地下水中CO₂与方解石内的碳酸钙反应形成钙离子，碳酸盐可溶于水，加速了喀斯特地貌的发展，因此，地下水中二氧化碳的含量越高，岩溶越容易发育。水中的CO₂含量和空气中CO₂含量是成正比的，如地壳浅层的CO₂含量比地壳深层的CO₂含量就要高得多，所以地壳浅层的岩溶发育比地壳深层的岩溶发育就要速度快。(4)水的流动性水的溶蚀性也关联到水的流动性。在水流停止的条件下，地下水中CO₂消耗会到某一定值从而达到平衡的状态，使水丧失溶蚀的能力。而在水流流通的条件下，地下水中CO₂会源源不断的得到供给，将溶解入地下水中的碳酸盐类带走，使溶蚀不断进行，从而岩溶得以快速发育。2.2岩溶地貌的形态(1)溶沟：地表水会沿着岩石发育的节理裂隙进行长时间侵蚀，节理裂隙逐长春工程学院工程硕士学位论文7渐发育成沟槽，也就是溶沟，其宽度十几公分至几百公分，深度几厘米至数米，长度一般不到深度的5倍，沟槽底部通常填充泥土或碎屑。(2)石芽：为在沟槽间突起的石脊，在地表水的侵蚀下为裸漏型，在地下水的侵蚀下为埋藏型，又称石笋。(3)落水洞：地表水垂向下运动，侵蚀可溶性岩石内部存在的一些节理裂隙，经过长期作用，其节理裂隙的尺寸由原来的几公分扩展到几百公分，从而形成落水洞，这也是地表水流向地下潜水的主要排泄通道。(4)竖井：又称天坑，是落水洞的裂隙尺寸发育达到数百米时的结果。(5)漏斗：地表水沿垂直裂缝向下运动时，裂隙不断扩展，首先在地面浅层处溶蚀出一个小型隐藏的孔洞，随着孔洞的不断发育，其上部土层从开裂到最后塌落，而形成一个喀斯特漏斗。通常直径在100米以内，深度从几十米到几百米(6)溶蚀洼地：是岩溶侵蚀漏斗形成洼地的结果，将周围的漏斗发育连通便形成范围广，不规则圆形的封闭性岩溶洼地，直径超过100米，最大可达到1-2(7)溶蚀盆地：是面积宽广的溶蚀洼地，宽度几百米至几千米，长度可达几(8)溶蚀平原：是溶蚀盆地面积再次扩大化形成的，呈现出比较平坦的平原地形，散布着一些孤峰和残丘，地表由红土覆盖。(1)溶洞：地下水沿可溶性岩石内部的节理裂隙、竖井、漏斗、层面或者断层不断进行溶蚀和侵蚀从而形成的形态各异、大小不一、彼此之间相互独立的地下洞穴称为溶洞。随着岩溶的不断发育，洞穴面积持续扩大，密集单个的洞穴会相互连通，溶洞便形成了一个溶洞体系。溶洞可分为两类：1)水平型溶洞，也就是处在地下水面邻近饱水带内的溶洞；2)垂直型溶洞，主要沿着倾斜的可溶性岩石层面或者垂直的裂隙发育的溶洞，包含(2)地下河：是地下水沿着裂隙溶蚀形成的地下水汇集和排泄通道，位于统一的地下水面附近的水平溶洞内。(3)暗湖：与暗河连通，存在于空间较大的溶洞内部，相当于地下湖。长春工程学院工程硕士学位论文8根据水的流动性及地下水所处的流动位置，可分为地下水补给区、地下水径流区和地下水排泄区，分别这3个方面来描述岩溶发育的特点。(1)地下水补给区岩溶发育的特点地下水补给区，因为降水及地面水是垂直且密集的向下运动，随着水的溶蚀作用，多发育喀斯特的地表形态，如喀斯特沟、石芽、漏斗、落水洞等，并且发育的岩溶地貌具有埋藏浅、规模小等特点。较为常见的为土层覆盖的溶沟、落水洞以及岩溶洞隙顶部的土洞。(2)地下水径流区岩溶发育特点地下水径流区是水的补给区至排泄区的地下通道，水量具有大且多的特点，一般多是水平径流，在水的侵蚀作用下，主要是水平发育溶洞、地下暗河等，局部也会发育落水洞等垂直岩溶地貌，但大多都被土层覆盖，在潜蚀或渗压作用下上部的土层会逐渐移动形成土洞。在水平方向发育的单个小溶洞逐渐发育彼此会相互连通形成大溶洞。一般深层发育的溶洞、暗河等不会对地面工程造成危害，但是对于地下工程，如桩基础、隧道地铁等则会构成严重危害，主要会造成地层(3)地下水排泄区岩溶发育特点作为地下水的排泄点，岩溶基本发育成溶洞、暗河、溶蚀盆地，并且岩溶发育规模大，溶洞之间相互贯通，由于地下水流通量增大，会形成富水性很好的含水层。地下水排泄区岩溶在施工过程中，主要出现的是溶洞上部土层的局部失稳，一般岩溶通道内填充物较少，土层覆盖较薄，易产生塌陷等地质灾害，并且在实际勘察过程中对溶洞出口位置的判断并不准确，对造成对施工过程中可能产生的塌陷位置也不易判断，这在工程建设中存在较大的危险。2.4岩溶地质的危害一般地表裸露岩溶地貌容易处理，不易对工程施工及工程建筑构成危害。但对地下隐伏的岩溶和土层覆盖型岩溶，比如有地表土覆盖的落水洞、土洞、溶洞等，不仅对勘察要求较高，并且勘察的资料可能会与实际有一定的差距，因此会在施上中常遇到以下几种病害：(1)岩溶地区基岩面起伏不定，导致其上覆土层地基受力压缩变形较大。在水平方向上，在同一距离(如1～2m)的两个点上，土层厚度可达4～6m,甚至超长春工程学院工程硕士学位论文9过十米。较厚土层的底部普遍存在软弱土，加剧了地基的不均匀性，并且在进行桩基础施工进入持力层时造成偏孔现象。(2)溶洞顶板变形引起的地基失稳。岩溶地区一些埋藏浅、跨度大、扁平状的溶洞，由于施工过程中对土层的扰动较大，使上部土层不稳定或坍塌，或在工程施工后，由于建筑改变地层的荷载应力，有可能塌落造成地基的局部破坏。(3)岩溶水的动态变化对建筑物的建设和使用造成不良影响。雨季岩溶地层深处的水通过垂直通道(如漏斗、天坑等)涌出地面，如果由于各种原因，将岩溶的垂直通道堵塞而阻止消耗的地下水，会导致现场临时淹没。岩溶水在裂隙洞水位分布不均匀会使水含量突然变化。在枯水期内，一定深度的岩体可能处于干燥状态，雨季可能出现涌水现象，使桩基础施工措手不及。如果补给源位置较高，管形裂隙水在巨大的动水压力下会破坏建筑物的底板和地下室底板。[31](4)土洞坍落造成地表塌陷。由于地基土洞发育，形成后亦可保持相对稳定，但人为因素会诱发岩溶塌陷，其因承载力低，在钻孔穿过地下土溶洞时，造成一系列施工困难，比如漏浆、卡钻、掉钻，甚至会导致塌孔引起塌陷。岩溶地质成因复杂，地貌形态各异，都不同程度地影响着甚至决定了在岩溶地区桩基础的施工工艺和方法。本章先后揭示了岩溶发育的基本条件、岩溶的地貌、岩溶发育的特点和对工程的危害，为后文进行岩溶地区桩基础施工技术的研究工作做了铺垫。长春工程学院工程硕士学位论文第3章岩溶地区钻孔灌注桩施工由于岩溶地区土溶洞容易发育并且含有丰富的地下潜水，所以建筑物的基础一般选取桩基础，而在岩溶地区进行桩基础施工时，施工机械的选择、成孔和成桩工艺是一个难点，施工过程中会出现不可避免的各种困难，难以保证桩基成孔和成桩的质量和承载力，所以在岩溶地区采用桩基施工是整个建筑施工过程中决定性的一环，岩溶地质下建筑物桩基础多采用钻孔灌注桩的成孔方式，本章就如何保证钻孔灌注桩的施工质量进行探讨。3.1岩溶地区钻孔灌注桩施工工艺查阅相关资料和文献可知，适用于岩溶地区的施工工艺有：冲击钻孔灌注桩、旋挖成孔灌注桩和回转钻孔灌注桩，其用到的施工机械分别为：冲击钻机、旋挖钻机、回转钻机。(1)施工原理冲孔灌注桩是采用冲击钻机上卷扬机带动冲击钻头利用冲击锤的自由下落的动能破坏土层或岩层的结构，使土形成泥，使岩石破碎成岩渣，接着通过带护壁作用的泥浆将泥土和岩渣携带出孔内，从而成孔的施工工艺。如图3-1。图3-1冲击钻施工示意图长春工程学院工程硕士学位论文(2)施工特点目前，冲击钻机在岩溶地区施工应用最为广泛，一方面是冲击钻机适用于填土层、粘土层、粉土层、淤泥层、沙土层和碎石土层等各个土层，由于岩溶地区地质条件复杂，地层各不相同，正好适用与冲击钻机；另一方面，并且-冲击钻机机械拆装简便、造价低、成孔速度快、能够自主造浆，在处理溶洞时能够不受地下水影响、冲击力大，易穿透溶洞顶板，具有很强的适应性。但是缺点也很明显，岩溶地区岩面多呈波形状且软硬不均，在冲孔过程中，造成冲击锤的锤面倾斜，发生偏孔，屡偏屡修，不易修正，一旦错过修正深度，不仅无法纠正，还会造成弯桩、斜桩，甚至冲击锤掉入溶洞中。(3)施工原则桩基施工前应准备一系列的准备工作，每个技术人员应认真研究图纸、地质剖面图，通过勘察报告分析溶洞类型，对可能出现的隐患采取安全应急方案，并对现场钻机工作人员进行技术和安全交底。岩溶地区钻孔灌注桩施工宜采取先钻进长桩后短桩、先钻进外围桩、后中间桩的方法防止土体位移，按照先易后难的总体施工原则，先对无溶洞和较小的溶洞进行桩基施工，摸清相邻地层的工程地质情况和岩溶地层下溶洞填充物的性质后，采取合理处理较大溶洞的方案。在岩溶地区，采用正循环回转钻成孔工艺同时对回转钻头进行改进，来保证桩基质量。(1)施工原理回转钻是用高压将泥浆通过钻机的空心钻杆从钻杆底部射出，底部的钻头在回转时，将土层搅松成钻渣，被泥浆浮悬，随着泥浆上升而溢出流到孔外，并将钻渣携带至泥浆槽，经沉淀池净化，再循环使用。对多级合金超前牙轮钻头[32]的倾角进行优化设计，是指根据勘察报告提供的岩层特性，对每个场地的多级合金超前牙轮钻头的倾角进行优化设计，根据岩土力学的基本理论，要使钻进效率最高，多级合金超前牙轮钻头的倾角应满足如下式中θ—多级合金超前牙轮钻头的倾角(°)长春工程学院工程硕士学位论文—岩土材料和钻头界面之间的滑动摩擦系数，一般取值在0.2～1.0之间(半边岩取0.2～0.4,串珠状溶洞且上下不同心取0.3～0.6,碎石土取0.5～0.8,矿渣多级合金超前牙轮钻头的倾角的最优值在45°~60°之间，考虑将钻头实际形状简化为圆锥型的影响，实际取值与理论分析的倾角相比偏大，因此，在实际应用时，倾角可稍稍偏大；钻孔桩施工采用多级合金超前牙轮钻头回转钻进成孔的优越性也主要体现于采用了多级合金超前牙轮钻头。(2)施工特点传统的回转钻机能够快速成孔，有效清理孔内的杂质，对内壁起很好的保护作用，正因如此，在岩溶地区穿过溶洞容易偏孔，漏浆后容易埋钻。为此对回转钻孔改进，采用新型多级合金超前牙轮钻头，其结构为：钻头总长约2m,一般为桩径1.5~2.5倍。上部圆筒主要起导正作用，下部根据情况分多级或N级，从大到小各层的直径，容易在硬岩钻进，两相邻的区间长度为15cm,水平之间的环形空间的宽度约为10cm;钻头最底部采用组合牙轮钻头，其大小、尺寸、个数根据不同孔径而定，其详细结构如图3-1所示。1—钻具连接器；2—外筒；3—连接盘；4—锥形支撑筒；5—牙轮钻头；6—多层圆筒；7—出水口；8—合金钻头；9—支撑板；10—三个牙轮掌；11—合金垫片图3-1钻头的结构示意图该钻头在施工中的主要特点有：1)利用牙轮的滚动钻进减小阻力，多级破碎，切割岩石，保证进尺；2)利用多级合金段上半部导正并修正孔壁，而且使孔壁容易切割成台阶，防止长春工程学院工程硕士学位论文“顺层跑”,从而减少孔偏；3)能够在不同心“葫芦串”溶洞的钻进过程中由偏向变为同心，减少孔偏；4)能够准确高效地找到持力层，而上部的多级钢圆筒既能辅助导正又能收集岩石屑料，以利于技术人员判断地层岩性；5)设备地盘的宽大稳当，钻具结构的特点使钻进过程运转平稳，良好的导正性又能保证复杂岩层钻孔桩的垂直度要求，自然成孔扩径率小，充盈系数低；6)利用孔内循环泥浆作为冷却液和冲洗液，避免牙轮运转时温度过高而破坏牙轮掌结构，通过泥浆循环冲洗破碎面，将破碎下来的岩石颗粒带走，避免重复破碎，增强了破碎岩石的效果；7)可适用于普通回转钻机正反循环工艺，钻头加工简单，起落钻方便；8)成孔垂直度好，持力层可靠，桩基工程质量可靠度高。3.1.3旋挖灌注桩(1)施工原理旋挖钻机是通过长钻杆带动钻头的旋转剪切，将土体直接装入钻头，然后通过钻杆的提升将钻头提出孔外卸土，然后再将孔钻头沉入孔底旋转剪切，如此往复循环直至设计深度从而成孔。如图3-2为旋挖成孔施工图例图3-2旋挖成孔施工图例(2)施工特点旋挖钻机是一种现代化的新型机械，具有很广阔的应用前景。旋挖钻机不管长春工程学院工程硕士学位论文是土层，还是岩层，施工速度大大提高，对环境污染小。但也存在一些问题，该施工工艺对穿破复杂溶洞的效果不理想，进入持力层较难，对钻头的损害较大；旋挖钻机无法自主造浆，需要人为供应，一旦出现快速漏浆，若回填不及时或无法补给，在旋挖钻机自重的作用下，造成孔口塌落，从而引发大面积塌陷，对现场人生安全、机械设备造成严重危害。根据旋挖钻头是否用泥浆进行护壁，可分为旋挖干法作业和旋挖湿法作业。(1)工艺特点工艺上不需要泥浆护壁，为直接取土工艺，在施工过程中，大大减少了泥浆的需求和排放，取出的钻渣直接可以送出，具有节省空间、操作方便、施工方便、节省运输费、水电费、降低施工成本等优点。该技术施工时，还有一最大优势就是噪音低、振动小，现场整洁，减少了环境污染。同时成孔质量优良，适用于各种透水性弱—中等，粉质粘土、沙类土以及强风化砂岩层地质条件下的岩溶地区，有着较好的经济和社会效益。用旋挖钻机干法成孔进行桩基施工，较冲击钻泥浆护壁具有以下优点：1)采用旋挖钻进行钻孔灌注桩施工，施工简单，操作性强，造孔速度快，效率高，施工精度高，可极大地缩短施工周期。2)岩溶地区桩基施工通常易发生漏浆情况，泥浆需求量较大。采用旋挖钻机干法施工，不需要进行泥浆循环护壁，有利于施工场地布置(不需要设置泥浆池),对施工周边环境污染影响较小。3)对岩溶地区溶洞、裂隙处理效果好，有利于控制桩基础施工质量。(2)质量控制1)施工前应仔细复核图纸精确放样，埋设好护桩，施工过程中应随时检查桩基垂直度、复核平面位置，确保成桩质量满足设计及规范要求。2)施工过程中应仔细做好钻孔地质记录，当发现实际地质情况与设计地勘资料不符时，应及时向有关单位报告，提出处理意见后，方能继续钻进。3)桩基施工过程中，遇岩面不平时极易造成偏孔，一定量的C15混凝土回填会整平施工面可继续施工。4)钻孔后用专用清洗钻头(平底钻头)清洗孔洞。孔的直径应与孔的直径相同，孔的底部厚度必须符合设计和规格的要求。5)在验收孔后，应及时安装钢筋笼，并将注浆管固定在钢笼上，在降低钢笼的过程中，应控制钢筋笼的垂直度和速度，严禁撞击孔壁。当钢筋笼与孔壁岩体或长春工程学院工程硕士学位论文土体的影响将落入孔底，长时间停放或孔底沉渣超出规格后，应立即进行二次清孔，二次清孔采用大吨位起重机直接将钢筋笼提出孔外，利用旋挖钻机专用清孔钻头将沉渣清理合格。6)清孔合格后，应及时进行混凝土的浇筑工作，避免长时间暴露导致孔壁塌落，浇筑前检查混凝土坍落度，应随时检查混凝土液面上升情况和导管埋设深度，避免出现夹层或断桩。浇筑进溶时，注意埋管深度应保持较深，混凝土浇筑速度要慢，同时对混凝土面进行测量，实时掌握混凝土上升情况。[33]混凝土浇筑过程中，可适当插拔导管，以保证混凝土浇筑的密实效果，但须保证导管始终埋入混凝土液面下一定深度，施工过程中应根据设计要求严格控制混凝土浇筑高度，混凝土浇筑顶面宜高出设计桩顶标高约1m。(1)钻具改进岩溶地质下工程建设的首选直筒式钻头，在条件允许的前提下，尽可能提高钻筒高度：由于溶洞超过钻斗高度，为了提高钻孔导向防止偏孔变形能力，钻头应有导向结构，当使用螺旋钻头在硬岩地层，螺旋钻头增加最大边齿齿数必须满足比普通型钻头多的要求，螺旋钻头比普通型加强效应达到实现导向性的作用：1)改进筒钻：通过增加导向结构和合理的钻孔作业模式在一定程度上可以防止偏孔，如图3-3。图3-3旋挖钻机增加导向结构2)改进螺旋钻头：增加钻齿的最大直径，可以防止卡钻，如图3-4。长春工程学院工程硕士学位论文图3-4旋挖钻机增加外径钻齿3)在钻具上开排浆孔：现场准备足够的泥浆和水，一旦出现漏浆严重，及时补浆，为了提高钻孔时带走泥浆过多，需要钻具上开排浆口，如图3-5。图3-5钻头处补开排浆孔(2)操作要点长春工程学院工程硕士学位论文1)对有勘察资料的溶洞，在距溶洞顶板500mm开始换筒钻采取研磨方式钻进，直至穿越溶洞顶板，以预防卡钻，对施工中隐藏的溶洞，实际操作时还需要通过仔细观察钻渣、泥浆颜色、漏浆水位以及旋挖钻机的振动情况来判断。2)进入岩溶洞穴后，选用改进筒钻，采用轻压钻孔进行操作，避免压力钻孔，3)溶洞底部的钻进为三类：一是高度小于筒钻的洞穴，钻进底部时，钻孔应该减小压力，穿过斜层后可以用常规钻进方法；二是高度大于钻头高度且小于3m的洞穴，因为底部可能遇到的石芽、边坡岩、半岩半土等情况，向洞内抛投片石、粘土或混凝土充填溶洞至顶板以上1m,然后采用特制的改进筒钻；三是高度大于3m的溶洞，将穿越溶洞的钢护筒下放至溶洞底部后钻进。3.2岩溶地区影响桩基施工因素3.2.1岩溶水位的影响岩溶水位高低是影响桩基施工的选择的一个重要因素。雨季岩溶地层深处的水通过垂直通道(如漏斗、天坑等)涌出地面，如果由于各种原因，将岩溶的垂直通道堵塞而阻止消耗的地下水，会导致现场临时淹没。岩溶水在裂隙洞水位分布不均匀会使水含量突然变化。在枯水期内，一定深度的岩体可能处于干燥状态，雨季可能出现涌水现象，使桩基础施工措手不及。如果补给源位置较高，管形裂隙水在巨大的动水压力下会破坏建筑物的底板和地下室底板。岩溶强烈发育地区，溶洞、土洞、溶槽等发育密集，到一定值，单独封闭的岩溶会逐渐连通形成一个四通八达的岩溶系统。在进行施工时，孔内泥浆会出现流失现象，形成漏浆，严重时孔内液面会快速降低或持续时间过长，从而孔内、3.2.3溶洞填充物性质的影响溶洞内一般可分为：有填充物和无填充物。填充物多为软塑～流塑状态，填充满的一般为封闭型岩溶，在钻进成孔中，虽然不会出现漏浆等问题，但在浇筑混凝土时，混凝土压力会将填充物挤出，造成混凝凝土液面下降，会形成桩身颈长春工程学院工程硕士学位论文缩、断桩和夹泥的情况。无填充物或者填充物不多，可能是大型或者超大型溶洞等，此起需要增加勘察手段，已获得更多的溶洞的具体情况，对填充物进行土工试验，分析填充物的性质。3.2.4施工环境影响一般在进行桩基设计时，因尽量避开岩溶发育的地段。如果施工场地有限，大型机械无法展开工作面，可以考虑使用冲击钻机或者回转钻机，如果场地面积足够使用，则可以旋挖钻机进行施工。3.2.5岩溶地貌的影响裸漏在地面的岩溶地貌，对桩基础施工没有影响。其土层埋藏下的岩溶，需(1)地表形态的影响溶沟属于岩溶刚刚发育，地表的溶沟可以直接处理掉，对桩基的施工影响不大，埋藏型溶沟在施工中，可以直接回填片石、黏土，将其填充满后继续钻进。埋藏型石芽在施工中不仅易造成偏孔，还有可能在成孔验收时对持力层认识不清，误以为已到稳定持力层。落水洞和竖井是地面水向地下深处流通的主要通道，因其尺寸过大，裂隙过宽，所以在落水洞及其周围建造桩基础是行不通的。旱季地面水会流入其中，雨季地下水可能会涌出地表，对建筑物影响特别大。岩溶漏斗特点是深度远大于其宽度，且漏斗底部存在一些碎石块和流水所带入的泥土。所以在该地施工前，可以直接注浆将漏斗施工部位进行填充，如果条件允许，可以将整个漏斗填充满。洼地属于封闭性并向下凹陷，是岩溶漏斗继续发育后被填充的地貌。整个场地平坦，其表面多覆盖松散的堆积物，对该地因做足施工勘察，避开不利地段。(2)地下形态的影响溶洞是岩溶地区影响桩基施工的主要危害，根据溶洞大小的影响，可以分为小型溶洞、一般型溶洞、大型溶洞和超大型溶洞；根据溶洞发育的情况，可能存在单层封闭溶洞、多层封闭溶洞、连通性串珠状溶洞；根据填充物的多少可以分为充满填充物溶洞、部分填充物溶洞和无填充溶洞。因此在施工中要综合考虑各种因素，选取最优处理措施。暗河根据其面积划分，可分为面积小于10km的小型暗河，面积在10～100km的一般暗河，面积在100～1000km的大型暗河和大于1000km的超大型暗河，其中只有小型和一般型暗河在枯水期内可以施工，选择回长春工程学院工程硕士学位论文填水泥砂浆的措施，也可以在回填水玻璃和水泥浆的混合浆液。对大型暗河、超大型暗河和暗湖，这类地区基本不能进行桩基施工，因水流量大，不仅不易成孔，而且在成桩后浇筑混凝土是一大难题，即使成桩，其桩身也存在诸多缺陷。3.3岩溶地区钻孔灌注桩施工的特点在岩溶地区采用钻孔灌注桩施工不同于一般地区，施工特点如下：(1)根据岩溶自身的特点，由于岩溶强烈发育，如：溶洞、漏斗、岩溶裂隙等，会给施工带来漏浆、弯孔、掉钻等情况，引起工程事故。(2)密集的溶洞、溶沟进一步发育，会相互连通，在施工中，为防止浆液流失所引起孔壁塌落而出现塌孔，施工前应备足黏土和片石，袋装水泥和碎石。详读勘察报告，了解土层工程性质，特别是沙土、黄土等易使地面塌陷的土层。(3)岩溶地区地下水异常丰富，钻机成孔过程中易造成钻孔结构和形状发生变化，易出现斜孔、弯孔现象，也会引发施工过程中漏水、漏浆的后果，需特别注意地下水是否为承压水。(4)钻孔完成后及时清孔，钻孔过程要对泥浆性能指标进行控制，保证成孔后质量高，防止出现塌孔。(5)土洞、岩洞坍落形成地表塌陷。岩溶地貌由于桩基施工会改变其外界条件，造成地下水位的突然变化，极有可能发生瞬时塌落。3.4岩溶地区桩基施工的处理措施3.4.1岩溶地区桩基施工的处理原则在岩溶地区对溶洞进行处理，通常根据其埋藏深度、位置、规模、基岩稳定性和水文地质条件等因素，处理应遵循以下原则：在充分勘察的基础上，桩基施工应尽可能避开溶洞发育强烈区域，如：天坑、落水洞、较大的漏斗等地貌，还有在岩溶塌陷经常发生、严重漏水的地段，暗河发育强烈并四通八达的地段以及环境保护的地段等。[36]在岩溶地区，要及时收集相关的地质资料、钻孔记录表，通过运用弹塑性力长春工程学院工程硕士学位论文学对其稳定性进行分析，其中影响稳定性的因素主要有：一是内部因素，包括工程地质条件、顶板厚度、基岩形态、岩石物理力学性质、施工现场地形等。二是外在因素，包括外加荷载大小、荷载时间、荷载类型、底层含水量等。3.4.1.3土工试验通过实际勘察进行分析岩层中是否产生溶洞，把现场岩土层带入到实验室分析其物理力学性质，对喀斯特溶洞充填材料进行了分析，为喀斯特溶洞充填的后续设计计算提供了依据。具体溶洞处理的方法应根据现场地质实际情况及设计要求进行合理选择，达到合理经济、安全施工的原则。3.4.2岩溶地区桩基施工常用的处理方法岩溶地区桩基础施工常用的处理方法有回填法、注浆法和钢护筒跟进法。当溶洞较完整，溶洞内无填充物，地下水流通较小，要求工期较短可采用回填法。回填法首先要钻机成孔，将材料填充在溶洞内，然后回填夯实直至满足设计要求。在采用回填法处理溶洞过程中，采用从上至下的步骤，回填材料根据实际溶洞的情况选择合适的材料进行回填。如图3-6所示。长春工程学院工程硕士学位论文①先回填上层溶洞①在回填下层溶洞图3-6回填法施工示意图当溶洞岩体破碎，溶洞内充满流塑状填充物，应采用注浆方法。注浆法应先将注浆管插入喀斯特溶洞底部，通过压力注浆让浆液到达孔口，且孔口饱满不再下降。在采用注浆处理溶洞过程中，采用从下至上的步骤，注浆完成后通过取芯进行填充效果检测，直至溶洞完全填充满足其设计强度后方可施工。如图3-7。①先注下层溶洞②先注上层溶洞图3-7注浆法施工示意图长春工程学院工程硕士学位论文当溶洞易发生漏浆，会与周围溶洞连通，为了防止钻孔过程中钻孔倾斜，宜采用钢护筒跟进法。钢护筒跟进法又有单层护筒和多层护筒、全跟进和部分跟进等。当采用钢护筒跟法应结合具体工程地质条件及溶洞分布情况进行。此外，实际过程中钢护筒跟进法一般和注浆法或回填法结合使用。采用不同直径的钻头与不同直径的钢筒，采用振动锤保护管底的溶洞施工方法。该方法解决了岩溶溶洞顶盖在成孔过程中的坍塌问题，保证了桩的安全性和质量。护筒由优质钢板制成，并根据地层性质的不同而不同，具体工艺如下：(1)用振动打桩机插入外层钢套管钻至溶洞顶板1.0m的顶部，保护筒外壁的厚度一般不小于10mm,筒内直径大于桩直径的0.5m,钻头大于孔直径的0.35m。钢护筒严格把关垂直度和中心偏差，避免后续工序的麻烦；(2)提出钻头，用吊车设备的将用钢管逐段接长放入孔底，然后用振动锤将护桶下沉到溶洞顶部，同时将内外套管之间空隙填满砂会同时进行受力，可以适当密封并固结灌浆。(3)换用小钻头小冲击力冲穿过溶洞顶板，此时即发生漏浆，有钢护筒的防护，孔顶部也不会发生塌孔。可抛填粘土、片石和袋装水泥或灌素混凝土等回填方法，继续钻进溶洞，直至钻至溶洞底板以下约50cm。(4)再次提出钻头，将内层的钢管继续接长，直通到约50cm距离底部的孔的位置，向孔灌注低标号素混凝土填充，将钻了大约50厘米深的孔填充后，钢管的内层护桶插入混凝土与岩石固结，待稳固后用与直径相同的钻头钻到设计标，清孔验收后直接灌注混凝土。内层钢护筒比桩径大10cm,护桶本身厚度为6mm。这种方法使用溶洞有无填洞，如果大型溶洞下还存在有较大的溶洞，则根据实际情况，需要使用多层套管和多种钻头进行施工。如图3-8所示。覆盖层覆盖层覆盖层稳定层稳定层稳定层稳定层稳定层稳定层①埋设钢扩筒②钻进后钢扩筒跟进③继续下钻图3-8钢护筒跟进法示意图3.5岩溶地区穿越溶洞技术施工3.5.1冲击钻孔穿越技术要点(1)高度小于1.0m的处理方法对小溶洞，且溶洞内多存在填充物，为此，在穿越溶洞前抛投粘土、碎石等，并反复采用小冲击力将回填物挤入溶洞内，可以防止穿越溶洞后出现漏浆，一般回填至溶洞顶部0.5～1m,这样反复抛投，直到钻出溶洞后正常钻进即可。(2)高度在1.0m～3.0m的处理方法对大溶洞，除了要抛入一些粘土、片石，同时还要加入袋装水泥，用冲击钻机对溶洞钻孔，然后将其填充物填入溶洞，反复冲钻，将填充物填到整个溶洞后即可正常钻进。填充物因掺入了水泥而形成一定强度，反复操作后会让孔壁的能力增强，一来可以防止孔内部坍塌，二来防止浇筑混凝土后，由于压力过大，压垮孔壁造成的断桩和混凝土漏失严重等问题。(3)高度在3.0m～6.0m的处理方法对于这样一个大溶洞，一般都是先填粘土、碎石和袋装水泥混合填筑过程。在钻井过程中发现泄漏时，首先应及时补浆，同时反复填孔内抛粘土、块石，当长春工程学院工程硕士学位论文泥浆泄漏严重，应向孔内大量内抛粘土、石头和水泥混合填料和泥浆，可顺利通过溶洞。然而，由于此类溶洞基本为强烈发育洞穴，采取上述措施很可能仍难以即使成孔，但孔壁停滞周期太长或混合填料的构筑不足以支撑混凝土浇筑时所产生的侧压力，造成混凝土流失现象，出现断桩和混凝土严重超灌的问题，为此应向孔灌注C15混凝土直至灌注至溶洞顶部表面1～2m位置的混凝土达到强度继续钻。为了节省混凝土用量，在灌注混凝土中填充粘土，可用粘土、碎石和袋装水泥混合填料在一定程度上反复冲击挤压，然后浇注混凝土。无论是否填充，(4)高度大于6.0m的处理方法对于这样的一个超大溶洞，一般位于深且横向发展，还可能连通隐藏的地下河，钻孔肯定会有严重的泄漏，漏浆时没有时间来充填料浆，会造成大范围的塌陷，危及设备和人员安全；即便能及时充填料浆，孔不会出现坍塌，但只填满了粘土、石头和水泥混合填料反复冲挤措施，因溶洞高度很高，很难完成桩施工，如果选用溶洞充填混凝土的处理方法，因溶洞的大小未知，灌注混凝土也将一个未知量，因此从安全的、建设成本等方面的考虑，对此类超大溶洞的钻进施工方法的保证，应选择钢护筒跟进法。3.5.2回转钻孔穿越技术要点(1)在穿越溶洞顶板前，小心操作钻机，保持钻头稳定，尽可能少碰孔壁，严格控制泥浆比重，土层保持在1.2～1.3之间，岩层保持在1.35～1.45之间，钻头穿破洞顶，特别要控制进尺速度，可以提前投放粘土、片石，防止过度偏孔。(2)当钻进到溶洞顶板时，钻头操作要平稳，,采并按终孔原则适时终孔。(3)对于小溶洞或者一般型溶洞，直接回填粘土、片石即可，对于面积大或连通性好的溶洞，回填粘土、片石效果不理想，只能采用钢护筒跟进法。(4)深层溶洞，情况特殊，可以采用多层钢护筒跟进的方法，如果桩径为1m,先使用1.3m的钻头开始钻孔，穿破溶洞后，埋置1.3m的钢护筒，深入溶洞底部，然后再埋置1.2m的钢护筒，选用1.0m的钻头钻进至设计标高，两层钢护筒之间(5)对浇筑混凝土可能发生的漏失现象，可以在钢筋笼上焊接一层钢护筒，用钢护筒将溶洞漏失处保护起来。长春工程学院工程硕士学位论文穿越溶洞具体措施：(1)在钻孔桩施工前，应根据地勘报告及设计图纸要求，对较大溶洞或连通性溶洞，深度大于0.5m和小于3m,可采用由静压化学灌浆法进行先处理。待岩溶溶洞加固体达到一定强度后，进行开钻施工。(2)对于裂隙处、设计图纸或方案中未采取注浆方式处理溶洞以及施工中新发现的溶洞或裂隙，采取正常成孔方法施工，当钻穿溶洞或通过裂隙部位时，填充低标号混凝土，在一定间隔后再钻入洞内。宜采用C15混凝土回填，为了提高混凝土的强度和节省施工时间，在混凝土中加入一定的早强剂可以提高混凝土的早期强度。混凝土回填高度应穿过溶洞及裂隙部位，上下部位宜超出50cm。为保证回填充填效果，利于旋挖钻成孔，混凝土或砂浆回填后，待混凝土稳固后可直接钻进成孔。(3)当溶洞发育时，出现大量的大型溶洞桩，在施工中采用毛石多层嵌套管。在工程钻柱的基础上，在施工前钻孔，确定埋设位置和数量的钢套管，然后根据埋钢套管的数量进一步确定孔的直径。通常情况下，内、外护筒内径为15cm之间的差异，和内护筒内径与设计桩径之间的误差0.15m。穿越溶洞的处理措施：(1)溶洞高度小于1m的处理措施当钻头钻穿溶洞顶板时，马上提升钻头，对没有明显漏浆的桩孔，要保持泥浆水位，防止钻头在钻进溶洞底部时被填充物掩埋，造成埋钻，对有明显漏浆的桩孔，向孔内投抛片石和粘土块，回填至溶洞顶部0.5～1m,下钻头反复挤压使孔(2)溶洞高度在1m～3m的处理措施由于溶洞高度较高，仅采用抛填法难以获得很好的护壁条件，故需采用回填法，对于有填充物的溶洞向孔内抛投碎石、沙混合料和低等级的水泥浆，反复挤压，使水泥砂浆将片石空隙填充，停钻后待水泥强度达到2.5MPa继续钻进，对于没有填充物的溶洞，可以先抛入块石，然后用素混凝土灌满，待混凝土稳固后穿过溶洞。(3)溶洞高度大于3m的处理措施长春工程学院工程硕士学位论文首先利用旋挖钻机到一定深度，其距离溶洞顶板上0.5～1m为最佳，将钢管振动下沉到钻孔底部位置，继续钻孔，穿过洞穴顶部是，应及时将钢管沉到洞穴的本章通过对岩溶地区钻孔灌注桩基础施工技术进行研究，主要得到成果有：经过工地调研和资料分析，总结适宜于岩溶地区钻孔灌注桩的施工机械主要有三种：冲击钻机、旋挖钻机和回转钻机，并分别在岩溶地质条件下的容的穿越技术、施工工艺改进及施工要点做了总结。长春工程学院工程硕士学位论文第4章岩溶地区桩基质量事故及检测在岩溶地区进行桩基础施工，一是由于溶洞、溶沟、石芽等复杂的地质条件，地层含有丰富的地下水，以及桩基持力层的基岩面起伏不定，对桩基础质量影响严重；而是由于钻孔灌注桩的施工工艺繁琐，对施工的机械和技术人员的要求较高，并且桩基础本身属于地下隐蔽工程，质量问题始终存在，常见的桩身缺陷有桩头浮浆、夹泥、蜂窝、离析等，其质量的优劣直接关系到整个工程的质量，因此，对桩基础的检测判断和缺陷桩的处理必不可少，本章结合岩溶区灌注桩检测技术和桩身缺陷，岩溶区钻孔灌注桩桩身缺陷处理及检测的判定方法。4.1施工过程中常见事故的起因、预防和补救措施钻孔过程中施工至土洞溶洞时，若土洞溶洞内未填充密实，则孔内泥浆会迅速流失，形成漏浆，严重时孔内液面会快速降低或持续时间过长，从而孔内、外压力差过大造成塌孔现象。如图4-1、4-2所示。图4-1漏浆长春工程学院工程硕士学位论文图4-2塌孔预防及处理措施：对易出现孔壁坍塌的地层，应预备好供加长用的钢护筒，必要时可选用双套筒，第一套护筒外径比桩径大2~3级，下到粘土层内，护筒底部周围用水泥砂浆固结止水；第二套护筒比桩径大1级，下到岩溶裂隙强发育带中较完整的基岩上，防止孔壁坍塌；对隐藏的土溶洞，在施工中要准备好足量的片石、粘土和水源，防止出现漏浆现象时无法及时补浆。针对塌孔现象，施工之前在冲孔钻机底部铺上钢板，增加钻机底部承载面积，确保出现塌孔时能够及时转移钻机，从而保证现场施工人员与机械的安全。根据超前钻探资料显示孔内出现岩面倾斜、起伏较大或溶洞内“半岩半空”预防及处理措施：预防及处理措施：偏孔一般在钻进溶洞顶部或者倾斜基岩时出现，所以现场技术人员必须熟记超前钻探资中可能出现偏孔的位置，做好十字线随时注意冲击锤的钢绳摆动情况，一旦出现偏孔马上回填块石及时纠正，回填深度比偏孔深度多1米即可；在施工至溶洞顶部时，采用小冲程钻进，时刻注意进尺速度，若溶洞内为“半岩半空”状态，尽量在施工前先进行注浆处理，若钻进中出现严重偏孔，则可以选择浇筑混凝土填充，待混凝土强度满足要求后继续钻进成孔卡钻多出现在偏孔、孔壁内凹凸孤石、击穿溶洞顶部处以及抛填片石处理溶洞不当等不良情况；主绳断裂或绳松，使钻头突然脱落，落入孔内，不及时处理，长春工程学院工程硕士学位论文则会使钻头被沉渣或片石掩埋，造成埋钻。预防及处理措施：现场技术人员以及钻机操作人员要随时注意主绳的牢固情况，对有破损的主绳一律更换，绳卡和保险绳均要按规范固定，钻头装上保险绳是出现掉锤时方便打捞钻头，及时更换或补焊钻头；注意用小冲击力钻进，将片石挤密稳固后方可正常钻进，防止钻头进尺过多而被片石掩埋。在浇筑混凝土过程中，混凝土侧向压力大于泥浆的侧向压力，将泥浆混凝土挤入溶洞，造成混凝土现象的丧失，严重时会造成断桩。预防和治疗措施：第一，确保混凝土生产和运输能力，及时供应混凝土；第二，增加灌注过程中导管的深度，埋深一般不小于3米的深度，并测量在灌注混凝土面标高，防止混凝土产生流失突然下降到左导管下方造成断桩导管；第三，混凝土浇筑成功后，在1～3小时内还需反复测量桩顶标高，一旦发现混凝土液面下沉，马上采取二次浇筑方法补充混凝土，避免出现短桩现象。4.1.5钢筋笼被卡住终孔验收合格后方可下放钢筋笼，一般卡笼多是钢筋笼插入土溶洞区，强行下方甚至会造成塌孔。下放钢筋笼时一旦被卡住，可反复尝试提起后缓慢下放，切勿强行下放造成钢筋笼被卡死，若仍放不下去，应将钢筋笼缓慢提升，测量被卡住深度，分析原因，采取相应措施处理，对该孔位再次验收合格后可重新下放钢筋笼。对溶岩强烈发育地区，地下土溶洞极其复杂，一些隐藏的土溶洞没有探测出来，但在施工中由于机械对土层的扰动作用，容易将其贯穿，形成连通性溶洞，因此，针对施工过程中，及时调整处理方案，使穿越溶洞效果最佳。[38]4.2成桩后岩溶地区桩基础检测方法岩溶地区桩基础多为端承嵌岩桩，根据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106--2014规定工程桩的质量检测包含2个方面：单桩承载力和桩身完整性。长春工程学院工程硕士学位论文4.2.1桩身完整性检测目前桩身完整性检测应用最广泛的主要是低应变检测法和超声波检测法。(1)低应变检测法通过对桩头施加一个小的震动力产生应力波，当遇到桩身和桩身内部的缺陷时，应力波在桩体内传播经过反射形成反射波，反射波被检测仪器接受后分析其幅值、传播时间和波形特征值，以此来判断桩身结构的完整性，低应变法能够很好的预测桩基缺陷位置、桩长和混凝土强度等级评估等。低应变法的优势有设备简单，方便携带和使用，检测快速、费用底，能够很好的普遍检测桩身质量的方法，应用广泛。如图4-3所示。图4-3低应变检测仪器(2)超声波检测法超声波检测法的运用非常广泛。成孔后下放钢筋笼上绑扎若干声测管，作为超声波接受和发射的通道，在其中一根管内发射超声波，超声波会在声测管内传播和反射到另一个管内，然后由探头接受超声波，仪器会记录超声波在混凝土桩内的传播特征，根据传播时间、幅度大小以及频率的变化程度，来分析判断桩基的完整性，并能够检测出缺陷的大小、位置和性质。由于施工中需要预埋声测管，所以该检测方法成本较高，对桩身直径有要求。如图4-4。长春工程学院工程硕士学位论文图4-4超声波检测仪4.2.2单桩承载力检测桩基承载力的测定是在确定上部荷载和工程设计完成的基础上进行的，桩基础必须能够承受整个建筑物的荷载，目前最常用的主要是竖向静载试验法，因为该法接近于桩基的正常的受力状态。依据《建筑基桩检测技术规范》规定，对端承桩测定单桩承载力试验时，由于设备或现场条件的限制，可用于桩底沉渣厚度和钻孔桩承载层的测定。对于硬岩区的嵌岩桩，当桩底的岩体完整性达到设计要求时，由于基岩的强度大于混凝土强度，桩身强度及质量成为决定基桩承载力的(1)静载试验法垂直压力和桩顶纵向或横向的推力拉力下，桩顶沉降观测在时间、位移或位移，试验确定桩承载力的承载能力和相应的单桩竖向抗拔或单桩水平的方法。[39]该方法对其他桩基检测结果具有参考价值，该方法稳定、准确，结构与实际情况最接近。由于静荷载作用，需要提供更宽的工作面来承载施工现场，而且许多情况下现场条件可以满足要求。另外，在检测过程中，主观或理论上的局限性、桩的选择往往缺乏表征和检测周期费用的增加，人工压缩试验，也影响检测的正确性和客观性。如图4-5。长春工程学院工程硕士学位论文图4-5静载试验法(2)钻芯法检测桩身完整性最直接的方法，不仅可看出灌注桩的完整性，检查桩底沉渣和持力层性状，也是检测钻孔灌注桩混凝土强度唯一可靠的方法。它具有科学性、直观性、实用性等特点，它通常适用于直径不小于800mm的混凝土灌注桩，钻芯确定大体积混凝土离析、孔隙度、泥洞更有效，以及缺陷和裂纹在地方一级的判断是不准确的，桩的长径比，容易偏离核心钻孔桩，无法钻到桩底，和测试时间长钻芯检测方法的高成本。如图4-6。图4-6现场钻芯法4.2.3常用检测方法优缺点常用检测方法优缺点如表4-1。表4-1常见检测方法优缺点检测方法检测目的优缺点超声波检测法判断桩基的完整性，检测桩身缺陷大小、位置和性质需提前埋设声测管，费用高，对桩径有要求，不能定量判断；检测细致，效果明显低应变法判断桩身的完整性，检测桩身缺陷大小、位置和性质设备简单，方便携带和使用，检测快速、费用底；缺点明显：当桩身缺陷多、不明显时，检测结果并不准确也不灵敏，对缺陷只定性分析而不能定量分析钻芯法检测灌注桩桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度，判断桩身完整性类别直观、可靠的反映桩身质量完整性；试件可进行强度试验，但只反映部分混凝土质量，存在盲区，且设备大、费工费时、价格高昂静载试验确定单桩极限承载力，判断桩基承载力是否符合设计要求稳定、准确，结构与实际情况最接近；试验费时、费工、费钱，用数量较少的桩作静载试验所得出的结果难以代表全体桩基的质量情况4.2.4多种检测技术相结合当使用一种检测方法有可能会对桩身质量做出不正确判断，此时可选用多种方法进行检测，对比分析补充、验证，使测试的结果具有可靠性。事实上，由于各种检测方法都有不同的局限性，由于各种方法有一定的灵活性，因此应根据检测的适用范围选择联合检测方法，考虑各种因素，如地质条件、施工因素以及具有代表性的试验桩，检测方法的合理选择和采样数，达到经济合理的目的。(1)超声波透射法和钻芯法相结合检测超声波透射法和钻孔抽芯相结合检测，首先是成孔后在钢筋笼上绑扎声波管，成桩后用超声波检测法检测，若发现桩有桩身质量缺陷，再进行钻芯法验证，降(2)超声波检测法、低应变法和钻芯法相结合检测钻孔灌注桩的超声波检测法测试过程中，由于施工中会遇到的声管堵塞的各种原因，因此无法检测钻孔灌注桩，在桩基超声波检测法测试用的声测管堵塞，长春工程学院工程硕士学位论文这种情况需要低应变法检测该桩的使用。[41]根据低应变法检测的结果，如果波形正常，确认检测异常则怀疑有桩身质量缺陷，则必须通过钻芯确认并给予相应处4.3岩溶地区常见桩基质量事故4.3.1常见的桩基质量问题岩溶地区桩基础施工中，常见的撞击缺陷有：桩头浮浆、斜桩弯桩、桩径改变、夹泥、桩基承载力不足和桩身混凝土缺陷。在成孔过程中，孔内的浓泥浆和破碎的岩体都在孔底沉淀导致沉渣过厚，在浇筑中悬浮的沉渣越来越厚，灌注混凝土至桩头时，由于灌注速度减慢，来回抖动导管造成混凝土里沙石和水泥分层，上层的水泥和沉渣混合不均匀会形成桩顶低强度段，导致桩头浮浆。当混凝土灌注到桩顶时，及时测定混凝土液面深度，保持导管插入混凝土液面下3米以上，不必将导管过多埋入混凝土下，一是可以防止混凝土浇筑慢，二是防止来回抽动导管，过多振捣混凝土，造成分层离析。4.3.1.2.斜桩弯桩由于岩溶地质下基岩中存在石芽、漏斗、溶沟、溶槽等波浪形岩面，造成钻头受力不均，在成孔过程中出现孔斜，没有第一时间修正导致偏孔过多，混凝土灌注以后出现斜桩或弯桩。钻孔中发生密切注意钢丝绳摆动情况，摆动偏向一侧时，及时确认是不是出现偏孔，若出现孔斜，回填片石找平后，在偏斜部位反复扫孔，修正斜孔。在孔内存在地层软硬不均匀从而产生的斜孔，可以直接回填素混凝土，待混凝土稳固后控制进尺，低速钻进。长春工程学院工程硕士学位论文钻孔到土溶洞时，由于钻机对桩孔周围土体的产生影响力，破坏了土体的稳定性，将土溶洞、岩溶裂隙进一步扩大，从而使桩身某一部位尺寸过大，改变了桩径。在成孔过程中，处理过的溶洞或者隐藏的溶洞在浇筑混凝土时，随着混凝土的浇筑，混凝土的压力会大于溶洞处的侧压力，从而破坏了孔壁的稳定性，使混凝土流入溶洞中，甚至孔壁的泥土也混入混凝土中，导致扩孔、夹泥、缩孔，①在岩溶地区不良地质下施工，开孔后应尽快成孔，在施工过程中，随时检查成孔的情况，条件允许的，成孔验收合格后，没有质量问题，立即下放钢筋笼，快速浇筑混凝土，加快成桩速度，不仅可以有效的减少孔径的变化，还能保证工期。对多次遇到碎石土回填洞、桩孔或塌孔的施工趋势，可以选择跟进护筒来有效护壁，进而避免改变桩径，防止浇注混凝土发生流动，造成断桩、桩身泥等事故。在岩溶地质下，混凝土桩身内部出现夹泥，除了是混凝土原料配合比发生变化，比如掺入了泥土、大石料等混凝土自身问题，使得桩身材料不均；还由于软容土层和溶洞中的一些填充物，在浇筑过程与混凝土混为一起，而且混凝土的侧压力会逐步大于溶洞护壁能力，在孔中部造成部分塌孔，塌孔的泥层会混入混凝在清孔中，为避免桩身混凝土夹泥，必须严格测定泥浆的性能，其中含砂率：小于8%,泥浆比重：1.15～1.20(沙层中比重为：1.2～1.4),粘度：一般底层16~25s,松散底层19～28s,验收后及时浇筑混凝土。为准确计算注浆孔混凝土要求的技术人员，确保有足够的深度，提升导管后浇混凝土同时对管道埋深测量，合不良地质条件。开发区和地下溶洞和裂隙承压喀斯特富水的隐蔽性，复杂性和地下喀斯特溶洞压力将桩基础施工带来许多困难问题，断桩就是经常发生且难以处理的病害之一，而暗河的存在是断桩出现的主要因素。在灌注混凝土过程中，长春工程学院工程硕士学位论文地下水不断对未凝固的桩体混凝土进行冲刷，导致新浇注的混凝土中砂浆被冲刷掉，只留下比重较大的粗颗粒，从而形成了断桩，它很难满足设计的基本要求。由于喀斯特的发展，桩基的施工影响很大。因此，侦查人员必须做好调查工作，应尽可能详细地为设计者提供详细准确的调查数据。设计者应尽量避免大溶洞、裂隙水压力和丰富的设计，它不能避免顶板必须验证是否满足承压层厚度的4.3.1.6.桩身混凝土缺陷由于喀斯特的洞穴中，普遍存在的差距，在浇筑混凝土桩能导致泄漏，泄漏的混凝土，桩基混凝土离析和空桩成桩质量，并对喀斯特地区地下水连通性通常是好的，容易造成水灰比的变化或浆体冲蚀在浇注过程中，可导致局部偏析减小，桩身混凝土质量。混凝土浇筑前在应用防水封闭渗漏的部位，大量的水从口楔打入，然后关闭周围的防水材料，或漏水的排水管中的嵌入部分，桩孔世凯阀施工安装阀门让水流出，浇筑混凝土时阀门关闭。[42]钻孔灌注桩在使用管道前必须进行密封试验，在浇注前检查管道是否漏水，如有问题，及时更换。在浇注过程中发现，应及时加速泄漏速度，使管道内的混凝土超出渗漏部位。4.3.2常见桩基处理方法钻孔桩灌注桩桩身质量事故的处理方法主要有：接桩法、高压注浆法、补桩法和重新成桩法等。(1)适用范围当缺陷位置在地下水位以上时，可以处理钻孔灌注桩在浅层位置出现的夹泥、桩头浮浆、混凝土离析和断桩等质量缺陷。①去除桩身缺陷部位以上的混凝土包括缺陷处混凝土。②将桩身缺陷处清洗干净。③支护模板、绑扎钢筋，若为承台桩则可与承台一起浇筑混凝土，若单桩桩径长春工程学院工程硕士学位论文与接柱直径相同的可直接浇注混凝土。④浇注混凝土，使用比原标号高一级的混凝土浇筑。⑤养护至规定龄期后拆模。(1)适用范围高压注浆法可直接处理沉渣、夹泥、蜂窝面和断桩等缺陷桩基，一般缺陷桩都会由钻孔取芯法直接抽芯，该法检测留下的孔道，可直接用来进行高压注浆法。①钻孔灌注桩在钻井过程中必须保持身体的平衡，在钻机的过程中应继续进行垂直和水平的倾斜校正，以免钻到无法到达的缺陷位置。注浆前不应堵孔。③开始利用压力注浆，为保证成功。在配制水泥浆时，尽可能按高标号配制。④在注射过程中，要注意堵孔壁，灌浆过程中只能有少许泥甚至水流出来，直到压力不能停止为止。当桩身缺陷较深，出现断桩、斜桩弯桩不符合设计要求的单桩承台、多桩承台和群桩承台。①成桩后，其承载力不能达到原设计承载能力时，由设计单位在该桩周围在进行补桩，即原单桩改为二桩承台、二桩承台改为三桩承台。②施工中，由于岩溶地质条件复杂，地下水丰富，造成原桩位垮塌，出现埋钻或其他特殊情况，无法在该桩位继续施工，可重新补桩。4.3.2.4重新成桩法桩身缺陷严重，桩身位移和倾斜严重，客观条件下桩基不能采用其他方法处冲桩成桩法。冲孔桩可用于冲孔废桩，与桩可以去除直径大于5～10cm,以防止废物堆贴笼贴钻。当锤片质量不低于5000公斤，6翼锤头应使用。冲击时，长春工程学院工程硕士学位论文应先利用2m的行程，起到冲击挤压和挤压的作用。除了红之前，先用超过30mp石回填桩的强度，桩孔填料，用锤夯碎石，然后钻入位，开始冲孔桩，以增加抗冲击的能力，冲击速度、冲击过程中应使用泥浆的密度低，和继续开展泥浆循环沉淀渣浆置换工作。[43]泥浆的相对密度应为1.2,含砂率应小于8%。如果泥浆稠度太小，可以在适当的时候用粘土块来防止桩被冲走和冲桩。本章主要对岩溶地区成孔成桩和桩基质量事故2个方面进行分析，得到的主(1)总结了岩溶地区桩基础施工从开孔到成桩过程中常见事故的起因、预防和处理措施。介绍了钻孔灌注桩常见的检测方法和在岩溶地区联合检测方法的应用。(2)从产生原因和预防措施这两个方面分析了岩溶地区常见的桩基质量缺陷。并总结岩溶地区桩基质量缺陷处理的四种方法：接桩法、高压注浆法、补桩法和重新成桩法，及相应的具体施工工艺。长春工程学院工程硕士学位论文第5章钻孔灌注桩工程施工案例5.1.1拟建项目总体情况项目拟建场地为深圳市龙岗区坪地街道，现状为空地，场地北侧毗邻龙腾路，西侧毗邻沿河东路，西侧约65米为丁山河，南侧毗邻工业四路，东侧毗邻教育北路。项目拟建场地边长约1.5公里。项目拟建场地周边环境见图5-1。图5-1项目场地周边环境示意图5.1.2工程地质条件根据深圳市区域调查报告，本区域内附近断层近期无明显活动迹象，区域地质构造稳定。拟建工程采用钻孔灌注桩基础，该工程场地内分布的地层有人工填土层(Qm)、第四系全新统冲洪积层(Qal+pl)及残积层(Q),基岩为石炭系下统大理岩(C1sh)局部区域为构造角砾岩(J3P),场地北侧部分范围基岩为燕山期花岗岩(J3P)。具体底层性质如表5-1所示。根据场地地下水赋存条件可分为上层滞水、潜水与基岩裂隙水。上层滞水主要分布在人工填土内，受大气降水补给。潜水主要分布在上层第四系冲洪积砂土、粉质粘土、粉土和含砂粉质粘土层孔隙内，砂层富水性及透水性较强，含砂粉质长春工程学院工程硕士学位论文粘土、粉土、粉质粘土透水性较差。由大气降水及地表水补给。下层岩溶水主要赋存于溶洞中，其赋水性受岩溶发育、溶洞填充物以及溶洞的连通性控制，在溶洞发育且连通性好的地方水量大。稳定水位埋深2.80~7.50m,水位埋深平均值4.15m。表5-1各层岩土体工程地质特征表地层岩土体性质第四系人工填土层第四系冲洪积层该层土质松散，稍湿，承载力小该层干强度高，韧性中等，级配良好，分选性差，土洞由流塑～软塑状粘土、砂砾、碎石等填充，为不稳定层残积层由花岗岩风化残积而成，石英含量约为10～15%,含有大量的高岭土，除石英外，其它矿物已风化呈土状燕山期黑云母花岗岩该层自上往下节理裂隙发育程度逐渐降低，力学性质趋于稳定，岩心完整程度提升石炭系大理岩该层节理裂隙较发育，裂隙面局部有红色矿物质充填，岩质较硬，岩心较完整，溶洞主要发育于该层，由粘土，碎石等充填据本次勘察钻探所揭露的情况，场地内下覆基岩为主要大理岩，局部有花岗岩侵入。场地内下覆基岩为石炭系大理岩与燕山期花岗岩，场地内大部分范围内基岩为大理岩，局部区域为构造角砾岩。场地北侧部分范围内基岩为花岗岩。大理岩区有土洞、岩溶发育，在18个钻孔揭露土洞，埋深17.1～29.0m,平均洞高3.47m。在28个钻孔中共发育了47个溶洞，埋深11.6～47.7m,洞高平均值1.77m。土洞、溶洞大部分有充填，但充填物多为软塑粘土或松散砂土，溶洞顶基岩厚度一般均小于1.0m,溶洞稳定性差。而土洞位于地下水位以下，当抽取地下水时可能引起土洞的进一步发育，严重时可能造成地面塌陷。花岗岩区域和大理岩区基岩面相差大于50m,而过渡带非常窄，基岩面十分陡峭，若桩基础设置于该过渡带，桩基础存在失稳的可能，且过渡带附近局部区域大理岩呈鹰嘴状发育，易导致施工时误判岩面情况。根据现场勘探情况，判定本场地为不均匀地基，本场地地基不均匀性主要表现在以下几个方面：(1)场地内下覆基岩分为大理岩区和花岗岩区，局部为构造角砾岩，大理岩区和花岗岩区基岩岩面相差大于50m,而过渡带非常窄，基岩面十分陡峭，过渡带附近局部区域大理岩向花岗岩区突出，突出体下部地层为全风化、强风化花岗长春工程学院工程硕士学位论文岩等。(2)场地内地基土的物质构成，厚度及分布变化大，场地内岩土层种类多。场地内除了素填土层外，其余各土层厚度变化较大，例如中粗砂层厚度为(3)场地内除了土层层面起伏较大外。全、强、中风化花岗岩岩面、微风化大理