溶洞地区灌注桩施工工法工法内容材料文档格式.docx
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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φ50cm～φ100cm，壁厚6～10mm。
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3～4m，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+20~50cm（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8~12mm）通过添加型钢作肋构成。
埋深：
护筒顶宜高出地面或平台面0.3～0.5m或高出施工水位3～4m。
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6～8m。
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（=5cm÷
0.5%）。
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1∶1～1∶1.5），等泥浆面不再下降稳定后，小冲程轻打挤压形成泥石孔壁成孔。
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1∶1∶0.2），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、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6~10m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18~22cm，坍落度降至15cm的最小时间不小于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2～3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，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:
内护筒脚处理示意图
①、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2~4m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；
②、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2~3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=0.8∶1.0；
若选用水泥砂浆，则配合比采用水∶水泥∶砂=1∶1∶0.8。
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6~8孔，孔位布置应根据桩径及处理面积而定，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，φ127mm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φ127mm套管：
钻孔完成后，在孔内下入φ127mm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2.5~3.0m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10~15MPa，达15MPa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
50×
25×
15cm
堵漏、造漿
3
粘土
散粒（天然状）
造浆
4
块石
20~60cm
6.2、主要机械设备
设备名称
回旋钻机
SPJ300、GDJ2500
超前钻、成孔
冲击钻机
JK10
成孔
泥浆泵
22KW，3PNL
泥漿循环
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
8
起重船
40t~60t
搭设平台等
9
拖船
1200匹
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》JTJ041—2000；
（2）《公路工程质量检验评定标准》JTGF80/1—2004
7.2、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，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+4×
136+86m连续梁，全长2529m，主墩为4根Φ300/Φ270cm钻孔桩基础，副墩为2根Φ300/Φ250cm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20~30cm，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（66＋120＋66）m连续刚构。
该桥引桥桩基设计为φ1.70m钻孔灌注桩，共78根桩，桩长从20多m～70m不等，大多数为嵌岩桩；
主桥桩基设计为φ2.0m钻孔灌注桩，共32根，为嵌岩桩，桩长从20.0m～50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，整个大桥的桩位约有80%的桩位下有土洞、溶洞。
溶洞顶板最浅埋深-22.1m，最深埋深-58.9m，溶洞高度从0.10m到18.0m不等，存在为数不少的条带状和直立串珠状的多层溶洞，溶洞最多达9层，溶洞边界很不规则，同时基岩表面溶沟、裂隙、落水洞上方接触的软土层在地下水潜蚀和冲刷下，土颗粒被带走而形成了土洞。
溶洞、土洞中大多数半填充或无填充物，溶洞大多数漏水，漏浆，甚至有的在钻探过程中就出现了坍孔现象。
在桩基施工过程中，四航局一公司针对岩溶地质的特点，首次采用在正式钻孔（或冲孔）之前，采用“超前钻”技术（该“超前钻”技术所采用的设备及目的不同于地质钻探），钻穿溶洞顶板进行灌浆对溶洞预处理，取得了良好的溶洞处理效果，大大地减少了冲穿溶洞顶板时产生的漏浆，保证了成孔率100%。
经检测，桩基的合格率100%，优良品率85.3%。
证明所采取的工艺是成功的，而且处理溶洞时，没有施打全护筒代替泥浆进行护壁，而采取抛投片石及粘土填堵溶洞至密实不漏浆为止，防止地面塌陷、混凝土大量流失，产生了较大的经济效益。
10.3、2006年开工（在建）的富湾特大桥为广明高速公路跨越西江的一座特大桥，在高明区富湾镇南逢山向东跨越西江，主桥为112m+2×
200m+112m预应力砼连续刚构体，引桥采用50m、30m跨后张法预应力简支T梁，全桥长3094m，桥宽33.5m，主桥（双幅）主墩基础为每墩18条Ф250cm，桩长60～97m，过渡墩12条Ф180cm，按嵌岩桩设计。
全桥共有372根桩。
地质初勘结果显示，富湾大桥桥址江中靠高明岸的位置河床基底为灰岩分布地带，溶洞发育，其分布范围及规模大小不一，溶洞的分布规律大致是上游多，下游少；
深度在-43.0m～-84.0m之间；
溶洞洞高大（单个溶洞最高15.3m）；
多数呈串珠状，层数多（最多的达11层）。
在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%。
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.，创造了良好的社会效益和经济效益。
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