岩溶、砂砾地质桥梁钻孔桩施工技术

1、 工程概况：

赣龙铁路西起江西省赣州市，东至福建省龙岩市。自京九线赣州东站出岔，途经江西省赣州市的赣县、于都、会昌、瑞金、福建省龙岩市的长汀、连城、上杭、新罗区，与漳龙梅线龙岩站接轨。线路呈东西向延展。线路长度290.02198公里，单线Ⅰ级铁路。我单位承揽的第五合同段主要位于江西省会昌县境内。
王中坝特大桥位于新建赣龙铁路第五合同段，桥梁全长667.18米，共19墩2台，有￠1.00m及￠1.25m钻孔桩88根，计2160.5米，TRANBBS设计均为柱桩。桥址位于河滩淤积地，其主要工程地质为：地表覆盖一层黏土层，厚约0.6~1.2米； 1.2~10.0米为砂黏土，褐黄色，硬朔，夹砾石、碎石；以下为灰岩，深灰色，颇重风化，岩芯呈柱状及碎块状，受构造断裂影响，岩溶发育，溶洞内填充物为黏土，呈流塑~软塑，地下水发育。
本桥在施工前已对各桩进行了逐孔勘探，地质桩状图显示每个孔均有溶洞穿过，分布深浅不一，与石灰岩交错呈夹层分布，最多的在整个桩长范围内有十多层和灰岩交错呈夹层分布，有些溶洞没有填充物，呈空洞状，溶洞直径最大的有10多米，最小的也有1~2米，在全桥范围内各向贯通。其典型工程地质情况如上图。
2、 主要技术难点的处理：

本桥于2002年10月1日正式开工，4台钻机在4个墩分别开孔，由于当时我们对砂砾层和溶洞并存的施工影响认识不够，当钻到一定深度时，造成四个孔先后出现孔口坍塌，护筒和一台钻机随之陷入的现象，施工一度陷入停滞状态。
以4号墩的1号桩为例，1号桩设计桩长27.36米，桩径为￠125 cm，护筒埋深4.0米， 10月10日上午开钻， 10月12日当钻至13.6米时，孔内水位下降，立即停钻回填粘土约16.4方，片石2.4方，用钻头缓冲，同时用2台泥浆泵往孔内补充泥浆，30分钟后稳住了水位，继续钻进。当钻至16.4米，孔内水位又急遽下降，经过十多分钟的处理，稳住了水位，又继续钻进。14日早上8点钻至26.9米时，孔内水位迅速下降，回填袋装粘土约30方，片石16.8方，用钻机缓冲，同时用3台泥浆泵往孔内补充泥浆，但无法稳定水位，半个小时后开始出现坍孔，从地面以下2~5m坍塌，回填至原地面重新开钻。
从4号墩的1号桩设计图纸所标示的地质情况看：从地面至地面下1.2米为砂粘土，1.2~5.2米为砂砾层，5.2~11.8米为石灰岩，到桩底夹有4个溶洞，第一个溶洞刚好在地面下13.2~14.3米处，第二个溶洞在16.2~16.8米处，第三个溶洞在19.6~24.2米处，第四个溶洞在26.0~26.9米处。当钻孔先后到13.6米、16.4米、21.3米、26.9米时，即先后遇到四个溶洞，孔内的泥浆流入溶洞内，出现漏浆失水现象。及时采取措施，回填粘土和片石填充溶洞或堵住溶洞口，用钻头缓冲造壁和造浆，同时往孔内补充泥浆，稳定水位并使水位上升。遇到溶洞，能够在短时间内稳定水位并使水位上升，而不至于坍孔，如遇到第一、第二个溶洞；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，不及时采取措施或者采取措施不当，使护筒下松软的土或砂层在长时间内无泥浆固壁，而造成坍孔。
先后开钻的其它几根桩，如10号墩的2号孔、1号墩的2号孔、7号墩的2号孔均是如此原因造成的塌孔。
通过总结和分析，我们判定塌孔的主要原因是：本桥桥址为河滩淤积地，溶洞溶槽发育且地下水发育，当钻孔至溶洞处，由于孔内急遽漏浆，导致泥浆护壁失稳，砂层溜坍，最终造成孔口坍陷。虽然我们在施工过程中采用了回填片石和粘土的处理措施，但在控制进尺，加强溶洞处护壁上处理较为粗糙，当有一层溶洞处理不好，造成急遽漏浆，孔内水位马上下降，上层溶洞处护壁被挤破后砂层溜坍，导致坍孔。
坍孔的原因找到了，如何对症下药是关键。通过分析，我们抓住了几个关键因素：砂砾层的钻孔处理、溶洞的处理和水下混凝土灌注流失的处理。以上三个环节任何一个环节出现问题，都会造成的施工质量，甚至导致废桩。而一根废桩处理一般最少要十几万元，还得花上一两个月时间，往往是造成巨大的直接经济损失和工期损失，后果不堪设想。为此，我们在施工方案的选定和施工中的应急措施进行了充分的酝酿和准备。
2.1、砂砾层的钻孔处理
采用比钻孔桩设计桩径小10cm即内径为1.1m或1.35m的钢护筒（壁厚8mm），随钻孔渐次下至砂层，起支护作用，可避免因溶洞漏浆造成砂层溜坍。即使出现孔内漏浆，水位下降，砂层也不会垮塌。具体的施工方法如下：
2.1.1先埋设钢护筒（壁厚8mm），钻孔时加大钻头直径至1.1m或1.35m,钻进时注意控制泥浆浓度和钻机进尺；
2.1.2随施工进尺的速度，提起钻头，接长钢护筒，接头处焊结牢固，并用￠20mm钢筋对接帮焊加固 ；
2.1.3在护筒顶部盖一块厚10mm的钢板，提起钻头，用钻头轻砸中心，冲砸时要控制好护筒中心位置，注意要及时调整，千万不能偏孔，否则，砸下去后很难调整过来。要注意在施工中要及时判砂层的深度，保证钢护筒应下至穿过砂层0，5米以上。另外如果在孔内涌水量不大的情况下也可以采用人工挖孔的施工方法 ，利用混凝土护壁支护，穿过砂层。
以上两种方案各有优缺点，人工挖孔的缺点是速度较慢，但是这种方法在经济上比较节省，而且在开始准备条件比较充分的情况下可以全面展开施工，人工挖孔穿过砂砾层。钢护筒加固简单易行，但费用较高，由于工期较紧、钻机已上，加上挖孔的熟练工人找不到，所在后期施工中我们采用了钢护筒加固的方法。在实际施工中进行得比较顺利，除个别孔由于砂层太深，钢护筒下不去，造成轻微坍塌外（但孔口不会坍塌），其他孔桩施工均较为正常。
2.2、溶洞的处理
针对本桥的溶洞地质，我们在施工前就进行了分析，具体的施工对策和施工方法如下：
2.2.1技术人员及钻机充分掌握地质情况，每个孔的地质资料都发给相关人员，让其充分了解溶洞的位置，大小等，做到钻孔时心中有数。
2.2.2各孔周围准备足够的小片石和粘土，粘土要做成泥球状(φ15～20 cm)或饼状，用薄膜包裹，防止干裂。同时，在施工过程中最好配备一台ZL50C型装载机，司机随时候命，当遇到溶洞漏浆时，迅速铲起片石和粘土填孔，同时集中水泵往孔内大量补水。
2.2.3当钻至离溶洞顶部附近时，采用小冲程，逐渐将洞顶击穿，防止卡钻。一旦发现泥浆面下降，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，仍采用小冲程轻砸，让粘土和片石充分挤入溶洞内壁。要特别提醒的是：千万不要有抢工期、抢进度的思想，一定要待粘土和片石充分挤入溶洞内形成稳定护壁后并且泥浆漏失现象全部消失后才能转入正常钻进。
对于漏浆严重的如10#墩4#孔，多次漏浆，回填粘土和片石没有作用，我们采用了直接灌注水下混凝土的方法堵漏，具体措施如下：按照灌注水下混凝土的施工方法下导管至已钻孔孔底0.3~0.5m；灌注水下混凝土，至溶洞填充完毕，判断标准以灌注混凝土面超过溶洞顶1m左右且混凝土不再下降为准；待混凝土强度达到30%~50%左右后，重新钻进。
2.3、水下混凝土灌注过程中流失的处理
在我们前期施工的孔桩中，水下混凝土实际灌注的数量一般要大大超过设计数量，最多的要超过设计数量3~5倍。特别值得一提的是在4#墩钻孔过程中，在离钻机位置大约20米的附近水田中塌出两个直径约1.2米的大洞，说明溶洞无填充物且各向贯通。而且由于混凝土的侧压力大于泥浆的侧压力，故在钻孔过程中形成的泥浆护壁容易被挤破，造成混凝土流失。在灌注11#墩2#孔将要结束时（还未拔导管），罐车和搅拌机都已经冲洗干净，但技术人员测量显示混凝土面往下在缓慢下降，施工人员又不得不马上重新开盘灌注混凝土。
针对水下混凝土灌注过程中流失的现象，我们采取了以下施工措施：
2.3.1加大混凝土生产和运输能力，采用混凝土集中拌和站，生产能力为40m3/h，两台罐车运输。
2.3.2加大混凝土初存量，如按正常施工混凝土初存量应为1.8~2.2m3，考虑到溶洞的影响，我们加大初存量为3.0 m3，避免因首盘混凝土数量不够造成导管埋深不够而断桩。
2.3.3灌注过程中加大导管埋深，我们一般控制导管埋入深度不小于3米，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。防止突然混凝土面下降导管悬空造成断桩事故。
2.3.4对漏浆严重或多次漏浆的个别孔，应做到心中有数，在灌注时应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，尽量避免在灌注完成拔出导管后混凝土面下降造成短桩。
2.4、嵌岩及终孔的检验
岩面检验要点：本工程按设计要求桩端须进入新鲜完整基岩不小于0.5米，工序中增加了一般地质条件下灌注桩施工所没有的全岩面检验。地质资料及实际施工表明,本地区属岩溶强烈发育区,岩面起伏、倾角陡,沟槽、裂隙纵横,因此,全岩面的正确判断成为本工程成孔施工的关键。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。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,经过试桩检验,主要从4个方面来进行全岩面的综合判断。
2.4.1 以桩孔实际见岩高程始,至少进尺50ｃｍ后,须进行全岩面检验,设计钻孔柱状图揭示的岩面高程在实际施工过程中仅作参考。
2.4.2 查阅机台施工记录,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
2.4.3观察井口钢丝绳的摆动情况,锤头触岩面时会出现轻微反弹。
2.4.4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。
如出现特殊情况或判断标志不明显，意见分歧较大时，则采用工勘钻探揭露的办法来判断出全岩面。

3、 结语

在王中坝特大桥桩基施工过程中，我们通过以上几项控制处理措施，基本上顺利地解决了岩溶、砂砾地区桥梁钻孔桩的技术难题，成桩质量较好。经检测Ⅰ类桩81根，占总桩数的92.0%，无缺陷桩或不合格桩，得到了桩基无损检测单位的好评，并要求沿线各标段有类似情况的施工单位来参观学习，取得了良好的社会经济效益。在以前，我们也从未经历过溶洞、砂砾地质钻孔桩的施工，通过摸索和总结出来的这一套经验，希望能对同类的技术难题的处理提供一定的参考。
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