桥梁课题岩溶地区钻孔灌注桩施工技术研究.docx

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桥梁课题岩溶地区钻孔灌注桩施工技术研究

武广客运专线桥梁课题研究之六

岩溶地区钻孔桩施工技术

一、前言

岩溶地区钻孔桩施工成功的例子很多，例如，在桂林市雉山公路大桥施工中克服了重重困难，成功地在岩溶发育地区建成钻孔桩基础，采用了钢护筒跟进冲击成桩工法；衡广复线北乡大桥桩基施工，在冲击钻的冲击作用下，将粘土块和片石挤入溶洞和岩溶裂隙中，完成护壁和成孔工作；京九铁路吉安赣江特大桥处于岩溶发育地区，地质结构复杂，岩溶发育程度高、规模大，溶洞成串出现，暗河纵横交错，该桥钻孔桩施工采用了单护筒及双护筒跟进、回填冲钻、泥浆护壁等综合施工工法。

武广客运专线第1、5标段桥梁数量众多，所占比例大，大多桥位处存在溶洞，溶洞形状各异，错落无序，有的溶洞发育规模大，部分上下分布有2～3层溶洞。

为摸清溶洞的分布、大小、填充情况、漏水情况等，以指导施工，在全面铺开桩基础施工前，除根据设计提供的初勘、施勘地质资料外，还应进行补勘、电磁波层析CT探测等多层次勘察。

根据溶洞的不同特点,采取冲击钻机成孔并配合相应的施工方案，确保成孔、成桩的可靠性。

二、施工工艺

（一）关键技术

岩溶地区钻孔灌注桩施工的关键技术是如何保证成孔过程中不漏浆、或虽漏浆但不发生坍孔，保证桩孔顺利成孔、成桩并满足承载力要求。

（二）施工方法

1、对溶蚀发育轻微、空洞不大、施工时漏浆量小的桩基施工

采取正常成孔方法施工，当钻穿溶洞漏浆时，反复投入黄土和片石，利用钻头冲击将黄土和片石挤入溶洞和岩溶裂隙中，还可掺入水泥、烧碱和锯末，增大孔壁的自稳能力。

（1）工艺程序

施工准备→埋设护筒→移动钻机、定位→护筒内投入土、片石、水→钻孔→抽碴→吸泥清碴。

（2）施工要点

①开孔时用小冲程冲击钻孔，要打得准、打得稳，间断冲击，少抽碴，使开口圆顺。

②加入小于15cm片石，反复冲击2-4次，挤密护筒底部周围土层。

③密切注意观察钻机工作情况、周围地表沉降和护筒内水位变化，防止不正常情况发生。

④根据地质柱状图，在接近溶洞时勤观察、勤检查，凭手握冲击主绳的手感，钻头冲击岩层的响声，抽取的岩样判断是否接近岩溶地层。

⑤接近岩溶时主绳松绳量应为1-2cm，防止击穿岩壳时卡钻。

⑥钻穿岩溶地层上壳时一旦漏浆，要及时投放粘土块、片石并补水，保持孔内水位高度。

2、空洞较大且充填物为软塑状的单层溶洞条件下的桩基施工

采取振动锤下沉钢护筒到基岩，然后冲击钻孔至溶洞顶板，利用冲击钻穿溶洞顶板后，灌注低标号砼，使砼面高于溶洞顶面，砼灌注时采取间歇方式。

待砼达到一定强度后再继续钻孔，穿过低标号砼成孔。

（1）工艺流程

空洞较大的单层溶洞条件下钻孔桩施工工艺流程图

（2）施工要点

反循环冲击钻孔：

采取冲击成孔时，为防止冲击振动使邻孔壁坍塌或影响邻孔刚灌注的砼凝固，待邻孔砼灌注完毕24h后开钻。

钢护筒下到岩面以后，即开始对覆盖层和顶板进行冲钻。

在覆盖层中可采用正反循环钻进，冲钻方法与一般冲击钻孔相同；在岩石地层中以十字型钻头冲击基岩成孔，钻进方式为泵吸反循环。

岩层中钻进时，泥浆浓度控制在1.15～1.20。

当钻穿岩溶顶板时暂停钻孔，拆移钻头，进行溶洞区水下砼的灌注，砼采取低标号砼，砼配合比由现场试验确定，保证每批砼坍落范围在3米左右。

砼灌注采取间歇灌注方法（以免砼流失太远造成浪费），直至到达溶洞顶面以上1.0米，待砼达到强度后继续钻孔，钻孔穿过低标号砼成孔。

3、充填物为流塑状或空洞较大的多层溶洞条件下的桩基施工

采用双护筒跟进方式冲击成孔。

（1）工艺流程

空洞较大的多层溶洞条件下钻孔桩施工工艺流程图

（2）施工要点

①外护筒直径应较设计桩径大20cm，内护筒直径应较设计桩径大5cm。

②施工程序：

根据地质钻探资料提供的溶洞分布情况，按照先短后长，先易后难，先外后内的原则确定各桩施工顺序。

③外护筒下到岩面以后，即开始对覆盖层和顶板进行冲钻，其钻孔方法与传统的冲击钻孔方法相同，但成孔的桩径比设计桩径大7cm，以便内护筒顺利通过顶板。

护筒跟进示意如下图：

④当钢护筒打至第一层岩面或穿过溶洞到下一层岩面时，为使开孔坚实、竖直、圆顺和对继续钻孔起导向作用，应在钻孔前抛0.5-1.0m3的小片石和适量粘土，借钻头冲击力把泥浆、石块挤向孔壁，以加固护筒刃脚。

⑤当内护筒下沉到位后，在内外护筒间进行抛石压浆处理，以增加护筒的整体刚度。

之后进行内护筒的排泥和稳固岩面的钻孔。

⑥双护筒冲击钻孔采用吸泥法清孔。

为使钻孔桩砼与孔底岩体粘接良好，灌注水下砼之前需用高压水冲射排除残碴。

（3）护筒刃脚固结处理

当钢护筒打至第一层岩面或穿过溶洞到下一层岩面时，钢护筒周边不可能与岩面完全接触，加上岩面岩面一般较为倾斜，内护筒与岩面之间一般往往会形成较大间隙，若不加以固结，在入岩冲进过程中会成为桩孔与桩外的通道，极易造成埋钻和过护筒脚时产生偏孔或斜孔，留下质量隐患。

在施工中采取的方法如图所示。

利用冲击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，处理同时可以冲平参差不齐的岩面。

4、溶洞发育且对墩台桩基有影响的桩基施工（在试验段投标中有此方法）

在桩基施工前进行石粉加水泥压浆堆填处理,使溶洞封闭,钻孔过程中不漏浆。

（1）压浆工艺

详见“岩溶桩基压浆工艺流程图”。

（2）施工要点

①钻注浆孔

根据地质情况在每一根桩的中心位置钻注浆孔，通过取芯探明溶洞的高度及填充物的详细情况。

钻孔施工方法如下：

钻机采用XU-600型地质钻机。

开孔采用φ108mm岩芯管开孔，钻进分层采样，直至钻入基岩面0.5m以下后，下φ108mm套管，并嵌入基岩；套管露出地表0.2～0.5m。

用75号水泥砂浆固结套管，并将孔口套管四周捣

岩溶桩基压浆工艺流程图

实封闭，防止浆液从套管周围串出，影响注浆效果。

待固结套管水泥初凝后，继续钻进，循环水采用清水。

根据取出的岩芯确定岩溶发育特征。

洗孔后按要求做注水试验，拧上孔口盖。

②压浆

压浆设备主要为JS350型搅拌机、KBY-30/120型注浆泵。

在压浆前先进行注水试验，确定单位长度吸水量。

浆液选用石粉水泥浆,用32.5级水泥,石粉水泥浆配合比为水∶水泥:

石粉=1∶1∶0.8。

压浆时注浆压力不宜太大，控制在0.5～1.0MPa范围,具体压力值由现场试验确定。

为防止浆液流失太远造成浪费，采用间歇注浆方式，使得先注入的浆液初步达到胶结后再注浆，循环注浆多次，直至达到规定的单位注浆量、注浆压力控制值为止。

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。

注浆完后采用钻孔检查，检查孔数为5%，根据取芯浆液充填情况直观判断注浆效果。

注浆完成等浆液凝固到一定强度后即进行钻孔桩的施工，施工按常规钻孔桩施工方法。

③在经过处理后的岩溶处成孔时，成孔方法基本上与普通石质地层成孔方法相同。

成孔时应注意以下几点：

A．成孔必须待注浆凝固、强度达到要求才能进行，岩溶注浆处理一般等待时间为10ｄ左右。

B．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，依靠冲挤在溶洞内形成粘土的围护结构墙，保持孔内泥浆高度，使冲钻顺利进行。

C．接近岩溶地段，采取轻锤冲击、加大泥浆浓度的方法成孔，以防卡钻和掉钻。

三、常见事故的处理

1、卡锤

（1）原因：

①在基岩段成孔时由于桩锤磨损未及时修补；②在冲击时发生掉物、掉石；③钢丝绳冲放过多，致桩锤倾倒顶住孔壁；④溶洞底板倾斜或遇到半边溶洞。

（2）处理措施：

①慢试法：

钻头卡在中间任何部位时，应将主绳徐放—收紧—徐放—收紧，反复进行使钻头旋转从原位槽道提出；②冲击法：

将主绳放松3-5m，用钻头副绳吊一重物向下冲击钻头，使之产生松动，主绳重复慢试法；③辅助提升法：

用吊机、千斤顶或钻机副绳穿滑车组加力提升；④水下松动爆破法：

测准钻头被卡高度后，迅速将乳化防水炸药捆成两组，加配重对称放入钻头刃脚部位，之后将钻机主绳带紧或以吊机辅助紧提，采用电雷管起爆；⑤确实无法取锤时请设计单位提出桩基修改方案。

2、掉锤

（1）原因：

①锤体质量有问题，造成锤体断裂；②钢丝绳断裂；③进尺时遇到大溶洞，且填充物为软塑性土质或空洞时，因为控制进尺，冲锤一下进尺数米，引起掉锤。

（2）处理措施：

①选用打捞钩、冲抓锥等合适的打捞工具将锤体捞起；②确实无法捞起时，请设计单位提出桩基修改方案。

3、塌孔埋钻

（1）原因：

施工时由于碰到溶洞或与桩位外溶洞相通的裂隙，引起突然间大量泥浆漏失。

（2）处理措施：

发生漏浆时要及时补浆补水，维持孔内水头，防止孔内外产生过大的水头差，并迅速堵漏。

4、其它事故

因地质条件复杂，在勘测设计阶段，进行地质钻探时，出现了掉钻现象。

在钻孔桩施工中，一旦碰到钻探时留下的钻杆、钻头等，将用打捞钩、冲抓锥等合适的打捞工具进行打捞，确实无法捞起而又影响钻孔桩钻进时，则请设计单位提出桩基修改方案。

四、机具设备

1、冲击钻机，YKC30、CZ30型

2、震动锤，BMI-1500型

3、起重机，25t

4、空压机，12m3/min

5、潜水泵

6、吸泥机

五、质量控制措施

1、施工组织管理方面的措施

（1）邀请设计、监理、科研和大专院校等单位专家参加技术攻关研讨会，制订切实可行的施工方案。

（2）对施工人员进行技术培训，制定相应的规章制度，使施工人员有章可循，强化组织指挥，建立必要的奖惩制度。

（3）组织技术革新、质量管理和科技攻关组。

2、施工技术对策

溶洞地质同一般地质相比较，其特点表现在它的非均质性和非密实性，反映在钻孔施工中的形式为：

A．空隙漏浆造成塌孔；B．难以形成符合设计桩径的标准圆孔；C．水下砼灌注流失无法估量，容易造成断桩。

（1）漏浆、坍孔的技术对策

①要求司钻人员随时对照地质钻探资料检查孔内水头高度、泥浆稠度和钻头负荷是否正常。

②长护筒跟进。

③进行散抛填。

将坚硬片石、粘土及水泥作成混合物，视漏浆程度反复抛填冲击。

（2）偏孔的技术对策

①溶沟、溶槽、岩面起伏不平。

在钻孔穿过覆盖层或溶洞填充物接触溶洞顶板时，钻孔速度会明显降低，主绳摆动大，遇此情况应马上提出钻头，抛入坚硬片石、碎石和块状黄土，以小冲程冲击，待冲到原位后第二次抛入相同配备的混合物以大冲程冲击，反复进行，直到不偏孔为止。

②溶洞侧壁侵入孔径。

以加入大块片石为主，并适当降低泥浆比重，回填后以小冲程钻进，钻头平稳后再加大冲程造孔。

（3）卡钻的技术对策

①司钻人员随时观察钻机负荷和主绳摆动情况，发现卡钻征兆及时提起钻头进行抛填处理。

②在距溶洞顶板以上30-50cm处改变钻孔冲程和冲击次数，采用慢打轻击，进入溶洞后反复抛填片石、黄土及水泥。

③改变钻头形式。

在原十字形钻头上焊圈，把十字形连接起来，使之减慢钻进速度，一次成孔并圆顺。

（4）掉钻的技术对策

①钻头龙门与钻体区段间加工成圆弧过渡，防止断面尺寸突变，形成薄弱部位引起应力集中而断裂。

②在钻孔过程中要经常检查钻具、钢丝绳、钻头直径磨损程度，发现超限应及时更换。

（5）桩底嵌入岩层深度的保证措施

①钻头应用优质45号铸钢制造，几何形状要能避免铸造时产生热拉应力和使用时应力集中现象，现场补焊以履带板、钢轨头做补焊材料，用铸钢焊条堆焊，施焊部位先预热，由技术娴熟的电焊工施焊，确保补焊质量。

②钻孔各阶段应采用不同的泥浆比重及粘度。

③清孔前将水泥、锯末、烧碱、黄土混合物抛入孔内冲击60分钟，使泥浆比重达到1.6以上，这对减少更换钻头、补焊次数，提高成孔速度极为有利。

六、安全控制措施

1、岩溶地区的钻孔桩施工易发生漏浆，因此要备足粘土块和片石，出现漏浆要马上补充，保持孔内水头高于地下水位1.5m。

2、钻孔接近溶洞时，必须严格掌握松绳量，要勤松、少松，防止击穿岩壳卡住钻头。

3、钢丝绳及卡子要勤检查，勤保养，松动的卡子要及时补拧。