岩溶及流沙地质中钻孔桩施工工艺.docx

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岩溶及流沙地质中钻孔桩施工工艺

岩溶及流砂地质条件下钻孔桩施工工艺

刘艳灵

（四川公路桥梁建设集团有限公司）

【摘要】结合荆岳长江大桥北引桥桩基的施工实践，就岩溶、流砂地质环境中钻孔桩施工中遇到的问题，相应采取的技术处理措施及其注意事项等进行总结和探讨，可为同类地区的施工提供参考。

【关键词】钻孔桩；岩溶；流砂；施工

1工程概况

荆岳长江公路大桥是湖北省“六纵五横一环”骨架公路网规划中随州至岳阳高速公路跨越长江的控制性工程。

桥址位于湖北、湖南两省交界处，北岸为湖北省荆州市监利县白螺镇，南岸为湖南省岳阳市云溪区道仁矶镇；该大桥是湘、鄂两省间第一座跨越长江的特大型桥梁。

荆岳长江公路大桥北引桥桩基设计为φ1.2m～φ1.8m钻孔灌注桩，共340根，桩长从20多m～50多m不等，大多数为嵌岩桩。

北引桥桥跨范围内地垫平坦，位于长江大堤内，地下水位较高，局部呈承压水状态。

地上履盖层从地表向下依次为亚粘土、淤泥质亚粘土、亚砂土、粉砂、细砂层、基岩（白云岩）。

基岩以上有较厚的松散粉细砂层，桩基需穿过较厚的粉细砂层。

在施工过程中极易坍孔和缩孔,出现流砂现象。

且该桥位区下覆基岩岩溶、裂隙等不良地质发育，给施工带来很大困难。

2岩溶及流沙的地质特点

2.1岩面陡斜、高低起伏

地质勘探资料显示，基岩主要为白云岩，但覆盖层厚度变化大，基岩面埋深起伏较大，而且同一根桩直径范围内基岩面起伏都极大，很多桩位存在半边岩层，半边其它土层或溶洞的现象。

由于岩面陡斜，“半边岩现象”严重，造成同一施工面有软有硬，冲击成孔时冲锤会顺着较软弱的一面进尺，从而造成斜孔。

2.2裂隙和溶洞异常发育

由于溶蚀的作用，加上地下水丰富，本桥位场地内岩溶非常发育，溶洞数量多，空间分布极不规则，属较发育岩溶区。

溶洞顶板最浅埋深0m，最深埋深-20m，溶洞高度从0.1m到4m不等，存在为数不少的条带状和直立串珠状的多层溶洞，溶洞边界很不规则。

溶洞中有些被水、淤泥、砾质亚粘土填充，大多数半填充或无填充物，溶洞大多数漏水或漏浆，甚至有的在钻探过程中就出现了坍孔现象。

半填充、无充填溶洞在成孔施工时会发生泥浆流失，若不及时补浆恢复护壁，往往会造成孔壁坍塌乃至坍孔。

2.3覆盖层

履盖层从地表向下依次为亚粘土、淤泥质亚粘土、亚砂土、粉砂、细砂层、基岩（白云岩）。

基岩以上有较厚的松散粉细砂层，松散粉细砂层属透水层，其内聚力很小，颗粒松散，当受到外力的扰动时成流素状，如果成孔施工中护壁较差或钻进过快，极易发生孔壁坍塌。

3岩溶、流沙地质条件下成孔方案的比选

桩基施工目前常用的施工方法有四种：

1、人工开挖孔；2、回旋钻机钻进成孔；3、冲击成孔。

桩基需穿过较厚的松散粉细砂层，地下水位较高，局部呈承压水状态。

覆盖层透水性极强，人工挖孔无一例外地会因涌水涌砂量过大直接成孔质量和施工人员的安全，挖孔方案失败。

在岩溶地区流砂层如采用回旋钻成孔工艺，则存在着几个方面的明显不利因素：

1、桩端必须进入微风化岩不小于2.5m，且要求穿越溶洞不小于3m，使得桩入岩量大增，因岩石强度大，要求成孔机械必须有很强的破岩能力，但钻机钻头难以钻透顶板，嵌岩难度大；由于岩溶地区岩层起伏大，钻机钻进时岩层接触不均匀，钻机振动强烈，易沿斜岩面倾斜造成斜孔，容易卡钻，而且钻头扭力很大，甚至扭断钻杆，不能满足要求。

2、钻孔时不能挤土堵塞溶洞和裂隙来防止泥浆流失和混凝土大量扩散。

钻杆拆除相当缓慢，遇到溶洞开始漏浆时，不能及时提起钻头，导致坍孔埋钻，而且绝大多数钻头提不上来。

3、钻孔方式成孔速度较快，不能挤土护壁，孔壁极不稳定，容易塌孔，不适宜在流砂层中钻进成孔。

如果采用冲孔方式成孔，因冲锤冲击能力大，穿透力强，较易穿透岩溶洞顶板，不受地下水影响，一旦出现漏浆、坍孔异常情况，可以马上以30m/min的提锤速度提上冲锤，避免发生埋锤事故。

冲孔在成孔过程中不断的将土向孔壁侧挤压，孔壁较钻孔稳定。

虽然对于流砂层、岩面陡斜及遇溶洞、裂隙等问题的处理有一定的难度，但通过采取适当的技术措施能够处理解决。

因此岩溶地区应首先考虑采用冲孔工艺，比起旋转钻机处理岩面陡斜及遇溶洞、裂隙等问题，有相当大的优越性。

考虑到成孔须穿越较厚的流砂层,在冲孔过程中抛填片石和粘土加固的方法进行施工。

4岩溶、流砂层中成孔施工特点及技术措施

4.1流砂层中的冲孔施工

由于桩基需穿过较厚的粉细砂层,冲击钻在流砂层中施工时,采用抛填片石和粘土加固的方法进行施工。

该施工方法的成孔机理:

在冲击钻进的过程中,根据地质变化情况,通过不断地调整抛填片石和粘土量,使所抛填片石含量达到钻进体积的0.5～1.0倍,所抛填粘土应使泥浆比重达到1.4～1.6;确保在粉细砂层的孔壁形成一稳固护壁。

（1）安装好钻机和测量对中后,即可开始进行钻孔作业施工。

开孔阶段钻孔时，开孔前应在孔内多放一些粘土，并加适量粒径不大于15cm的片石，顶部抛平，用小冲程冲砸，泥浆比重控制在1.6左右。

钻进到0.5～1.5m时，再回填粘土和粒径不大于15cm的片石，继续以低冲程反复冲砸。

当钻进深度超过冲锤全冲程后,方可进行正常冲击,操作时应防止打空锤和大松绳。

（2）当钻进到湿土或稀土时,一般为低液限粘土与粉细砂层交界处,此时应立即抛填片石和粘土,在钻进的同时不间断进行,使交界处形成约1m深、25cm厚的坚实护壁。

（3）在钻孔进入粉细砂层后,在钻进的同时不间断抛填片石和粘土,直至进入到强风化泥岩层后1m,使整个粉细砂层形成一个完整密实的坚固护壁。

此外,在钻进的同时,及时向孔内注水,使孔内水位保持高出地下水位2m左右。

砂质层，宜用中、低冲程。

控制在1～2m；进尺控制在50～70cm/h。

（4）当钻进到达不平整的硬岩时,先投入粘土和小片石,将表面垫平后再冲击钻进。

（5）在钻进过程中如发现坍孔,应及时用片石和粘土回填至高出坍孔位置2～3m,加高水头暂停一段时间后,再继续进行钻进施工。

（6）在砂层中钻进,泥浆是护壁的关键。

为控制泥浆比重，需及时用取样罐放到需测深度，取泥浆进行检查，及时向孔内灌注泥浆或投碎粘土。

砂层中冲击钻进，孔底泥浆比重以1.4～1.6为宜。

抽渣后应测探一次，再分配投碎粘土，直到泥浆比重达到正常为止。

冲孔时每隔3～4h将冲锤在孔内上下提放几次，把下面的泥浆拉上来，以护孔壁。

4.2岩溶地区冲孔施工

冲孔施工时，因溶洞的存在，最需要解决的关键技术问题就是如何保证成孔过程中不漏浆，或者产生漏浆但不发生坍孔，保护桩孔，保障施工人员及冲机的安全，保证桩孔顺利成孔。

冲孔施工时有效的方法是做好预防工作，防止坍塌事故的发生。

在成孔过程中，采取了下列处理溶洞的技术措施：

（1）由于岩溶地区地质情况异常复杂，虽进行了地堪和逐桩先导孔钻探工作，亦难以保证全面摸清地质情况，因此钻机就位前，在钻机底座下铺设大块厚16mm钢板，对钻机底座进行支垫加固，以有效防止坍孔时钻机下沉和倾斜。

（2）溶洞处理以做好准备工作为主，钻孔前在场地内准备大量的片石、袋装粘土及适当数量的袋装水泥，设置大容量泥浆池，同时保证钻孔施工作业范围内有装载机和挖掘机24小时值班，保证一旦桩孔出现漏浆，可以马上进行补浆及回填。

（3）逐桩进行先导孔钻探。

岩溶地区成桩必须有详细的地质资料。

针对岩溶情况采取逐桩钻探，探明溶洞发育和分布情况。

下列图片为先导孔钻探显示有溶洞的部位。

（4）冲孔至离溶洞顶板1m左右时，加大泥浆比重，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、袋装粘土混合料（重量比1:

1），等泥浆面不再下降并稳定后，采用小冲锤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、袋装粘土、袋装水泥混合料（重量比1:

1:

0.2），采用小冲程冲锤轻打，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。

（5）若溶洞内半填充或溶洞内填充物为软弱粘性土或淤泥，冲锤击穿溶洞顶板后，进入溶洞后应向孔内投入片石、袋装粘土（比例约1:

1），填超过溶洞顶面2～3m，然后用小冲程冲锤方法冲击投下的混合物，不取渣，使其挤入裂隙、溶洞内，如此反复操作，多次堵塞溶洞通道固壁，大大减少灌桩时混凝土扩散流失量。

（6）若溶洞内没有填充物，冲孔至溶洞顶板岩层时，泥浆突然下降，补给泥浆不能回升，也不能保持循环流动。

此时，必须往孔内回填片石、粘土和水泥拌合物，使溶洞空洞形成一个自然圆锥体。

然后，在圆锥体内实施冲孔，使孔周围形成一定厚度和一定强度的护壁，保证泥浆回升到孔口形成流动循环。

（7）冲锤冲破溶洞时，冲锤可能会滑入溶洞中，提锤时易被溶洞顶板岩石卡住而造成卡锤。

若出现卡钻现象，用水下（钻孔内）爆震法，炸药量少，直接放在卡钻处，十分有效。

施工时严禁在溶洞范围内打松锤，应绷紧钢丝绳，采用小冲程进行低打紧击。

一旦发现漏浆或异常情况，马上提锤到孔口，然后采取其它措施。

穿越溶洞时，同时要密切注意钢丝绳的情况，以便判断是否斜孔，若出现斜孔必须及时进行修孔处理，按1:

1的比例回填片石和粘土至弯孔处1m以上，用锤牙好的桩锤进行修孔。

要求低打紧击，慢慢地将陡斜岩面修整成水平台阶，直到整个冲锤施工接触面进入匀质岩面才结束修孔操作。

（8）溶洞漏浆及处理施工图片

孔内漏浆

补浆

回填粘土及片石

5清孔

5.1在钻孔达到设计要求深度后,应对孔深、孔位、孔形、孔径等进行检查;确认满足设计要求后,及时进行清孔,避免隔时过长以致泥浆沉淀,引起钻孔坍塌。

5.2桩基终孔后，停止进尺，进行第一次清孔。

第一次清孔采用循环泥浆法进行，稍提钻锥离孔底10~20m空转，保持泥浆正常循环，以中速将比重为1.03~1.10，纯泥浆压入，使孔内钻渣较多泥浆换出，清孔后泥浆含砂率＜2%，粘度17-20S，比重1.03~1.10。

孔底沉淀土厚度小于5cm时，终止清孔。

沉淀厚度＝施工孔深－测量孔深。

停止清孔后，下放沉淀盒，测定半小时时间内沉淀物的沉淀速度，作为施工参考。

在清孔时,必须注意保持孔内水头,防止坍孔。

6钢筋笼的制作和吊装

钢筋笼在底胎上分节同槽制作，分节段运输到墩位处，逐节接长下放到位。

其质量控制要点如下：

6.1钢筋笼制作

桩基钢筋采用机械连接，设计上特别强调直径大于或等于25mm的钢筋接长宜采用直螺纹接头，且同一截面内的主筋接头数量不得超过全部主筋数量的50％。

相邻接头断面间距不小于1.2m。

接头的技术要求应符合《钢筋机械连接通用技术规程》（JGJ107-2003）中的Ⅰ级性能要求。

桩基主筋钢筋在直螺纹车丝时，注意一头车丝长度要达到连接套筒的长度，另一头车丝长度达到连接套筒长度的一半，以便于在桩孔连接时的安装。

并在车丝接头处做好标记，确保钢筋在套筒内的连接长度。

钢筋笼在分节段吊装运输时，注意编号，以免在安装时出错。

钢筋笼分段时，每节段的吊装环布置在加强箍筋处，以免吊装时钢筋笼挤压钢筋笼；吊装环的焊接必须牢固，其与主筋的焊接长度不得小于10d。

且在加强箍筋处用Ф25钢筋加焊“十”字型支撑，待钢筋笼起吊至孔口时，将“十”字支撑割去。

钢筋笼安装前，应用钢筋检孔器检测孔径（检孔器与钢筋笼同直径，长度6m，两端收口），待检测合格后，下放钢筋笼。

6.2声测管的安装

声测管安装质量关系到桩基的检测效果，声测管应采用套筒丝扣连接或套筒焊接连接，以保证声测管内壁平顺和密封，而且声测管在施工中不被堵塞。

由于声测管壁厚位3mm，在采用套筒焊接连接时，焊机电流不易过大，以免焊穿声测管管壁，造成漏浆。

声测管下口采用钢板封闭，避免漏水。

声测管长度应以露出地面为控制。

声测管接头处采用防水胶布包裹。

声测管必须按照设计要求呈等边三角形布置，且用U型钢筋固定在主筋上。

声测管安装完成后，应作水密试验。

在桩基砼浇注完成等强度的时间内，声测管内应灌满水，且上端采用木塞或彩条布封口，防止有异物掉入管内，影响桩基检测质量。

桩基检测合格后，声测管均要压浆封实。

声测管在安装时接长到钢护筒孔口处，以高出孔口20cm为宜。

6.3钢筋笼安装及防止钢筋笼上浮措施

钢筋笼安装时，按照事先编号的顺序，分节段吊入孔内安装。

在孔口对接时，已下钢筋笼段用型钢支垫于加强箍筋下，立于孔口。

对接完成后，检查对接的连接情况，满足设计和规范要求后，再下沉，并接下一段钢筋笼。

否则，采取其他的方式加以连接，如帮焊等。

钢筋笼下沉时，应缓慢下沉，避免下沉过快，扰动孔壁，引发不必要的质量隐患。

钢筋骨架保护层厚6cm，在骨架外侧设置弧形垫块，沿钻孔竖向每2cm设一道，圆周设4～6块。

起吊骨架时采用两点吊，第一点设在骨架下部，第二点设在三分之二处，以保证骨架不变形。

钢筋笼总体按照设计长度制作，将其中3～5根主筋接长至孔口20cm，并与护筒作可靠连接，保证钢筋笼在桩基砼浇注时不上浮。

7灌注水下混凝土

钢筋笼安装完成后，对孔底沉淀厚度进行测定，如厚度超过设计和规范规定，上下摆动冲锤3~5分钟，使沉渣悬浮。

待各项指标满足设计和规范要求后，进行桩基砼的浇注工作。

砼浇注前，要求导管安放平台必须水平且保证导管安放在桩孔中间。

灌注水下混凝土之前，必须严格控制二次清孔，这对保证桩身质量及混凝土强度与均匀性将起到良好的效果。

砼浇注采用拔球法。

根据计算，采用一个2m3漏斗和一个5m3集料斗即可满足开球首盘砼供料要求。

砼导管先下放道孔底，再向上提30cm~50cm安放到平台上。

做好准备工作后，采用吊车开球，必须保证开球后首盘砼浇注后，导管埋深不小于1.5m。

桩基砼浇注应连续进行，总浇注时间控制在6小时之内。

导管提升保持轴线竖直和位置居中，逐步提升，拆除导管动作要快，一般不超过15分钟。

导管埋深控制在1.5m~8m，随时测定导管埋深，导管底面不得提离砼面。

由于溶洞存在且相互连通，灌桩时砼可能沿溶洞慢慢流失，导致浇注过程中砼面的下降，因此灌桩时应随时测量混凝土上升的高度，加大导管埋深，防止导管提漏空。

为防止钢筋笼上升，当导管底口位于钢筋笼底部往上10m之间，应放慢砼灌注速度。

 为确保桩顶质量，在桩顶设计标高以上加灌一定高度，以0.5~1.0m为宜，砼快灌注到设计标高时，将砼需要量计算出来，并通知搅拌站，以免浪费。

 灌注至设计标高后，应观察一段时间，确定砼不再下沉后结束浇注。

若砼发生下沉现象，应继续浇注。

灌注结束约4H后，挖除多余一段桩头，保留至少20cm接浇系梁及承台。

 钢护筒在灌注结束，砼初凝前拔出。

桩基浇注过程中，随着砼面的上升，有可能出现导管内砼不流动的现象，应配备泥浆泵，抽吸孔内泥浆，降低砼面的压力，促使其上升。

8结束语

8.1荆岳长江公路大桥北引桥桩基成孔施工中采取的溶洞处理方法，是经过一段时间的不断摸索和实践形成的。

经检测，桩基的合格率100%，优良品率100%，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、预防灌桩时混凝土大量流失，产生了较大的经济效益。

8.2探明地质情况是岩溶地区工程建设的十分必要的前提，建设、地质勘察、设计和施工单位都应给予十足的重视。

8.3采用抛填片石和粘土进行冲孔桩基施工,能顺利地通过粉细砂层地质,有效地防止塌孔、缩孔和流砂现象的发生,很适用于粉细砂、低液限粘土、以及地下水丰富地层的作业;同时也适用于其它地下水丰富的软弱地基的钻孔施工,具有较好的推广应用价值。

8.4该方法简化了施工程序,钻速快,作业时间大幅度减少。

8.5采用抛填片石和粘土的施工,材料价格便宜,大大降低了工程成本;取得了较好的综合效益。