岩溶发育地区桥梁钻孔桩施工技.doc

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1、某某客运专线XXTJ标七单元岩溶发育区桥梁钻孔桩施工技术中铁五局某某客运专线XXTJIV标经理部摘要：本文总结了XXTJ标七单元已施工岩溶区孔桩成孔与成桩过程中遇到的问题与解决方案。岩溶预处理、延伸护筒、大小护筒二次成孔等技术与常用的回填处理技术配合使用，有利于岩溶区孔桩的顺利成孔。关键词 岩溶区钻空桩 塌孔 偏孔 成孔成桩1 工程概况1.1 工程概述新建某某客运专线乌龙泉至花都段IV标七单元共有桥梁63座，全部位于郴州地区，其中50余座桥梁桥址位于岩溶发育区，涉及墩台600多个，钻孔桩基础5000多根。孔桩直径有1.00m，1.25m，1.50m，1.80m，2.00m五种，桩长自8m76m

2、不等。在桩基础施工时遇到溶洞，易发生坍孔、卡钻、泥浆流失等情况，造成成孔困难，水下砼灌注过程中，也可能发生砼流失问题，造成成桩困难。从已经完成的3000余根岩溶区孔桩情况看，成孔困难是岩溶发育区孔桩施工的主要问题。1.2 岩溶区桩基的地质特征我局已经施工的陈家湾特大桥、陈家湾大桥、仙岭特大桥、颜家特大桥、章水河特大桥、肖家特大桥是50座桥址位于溶洞发育区最具有代表性的桥梁，这些桥梁处于大面积岩溶发育区域，岩溶可见率达75%以上，溶洞范围广、深度发育不一，普通深度为18m，最深溶洞达70余m，基岩面相差悬殊，溶洞或为空溶洞，或为充填溶洞，填充物多为流塑状黏土;部分溶洞地下水流发育。大部分桩基为糖

3、葫芦串式溶洞，部分桩基处于半岩溶半填充物状态，有的桩基岩层斜面较大且有探头石。溶洞发育具有不规则无规律特性，即使有钻探资料的，也不能完全确定钻探资料与实际地质状况相符。2 施工中常见问题21 成孔过程中的常见问题XXTJ标七单元岩溶地区的孔桩均采用冲击钻冲击成孔。其成孔原理与其它地质条件的钻孔桩是一致的。但由于岩溶地区的特殊性，成孔过程要困难的多，成孔过程中遇到的问题也特别多。主要体现在以下几方面：漏浆塌孔：当钻进过程击穿溶洞顶板时，孔内泥浆突然下沉流失，这样孔外压力大于孔内压力，造成孔壁坍塌。也可能造成临近地面塌陷，危及施工安全。孔内失水是溶洞区孔桩施工的最常见的问题，在我们已施工的溶洞区桩

4、基中均不同程度的发生过这类情况。偏孔：由于溶洞发育的无规则性，溶洞顶板或穿过溶洞后的底板岩面常为倾斜的，或在溶洞中有岩石探入，造成一空一实、一软一硬，常发生偏孔现象。处理偏孔的过程一般需较长时间，严重影响施工的总体进度。缩径：常见于充填性溶洞，当溶洞内充填物为软流塑状粘土时，容易发生缩孔现象。2.2 成桩过程中常见问题孔桩混凝土采用水下混凝土灌注工艺施工，在保证成桩质量方面是没有问题的，但超灌量大是岩溶区孔桩的常见情况，经对仙岭特大桥与章水河特大桥孔桩灌注数量进行统计，最大超灌量达5.4倍,最小超灌量都达到1.4倍的设计数量，平均超灌量达到2.3倍。灌注过程或灌注完成后混凝土下沉也是值得注意的

5、问题，我管段先后有三座桥的四根孔桩发生过孔桩混凝土下沉的情况。3 施工技术措施针对岩溶发育区孔桩施工中常见的诸多问题，我们主要采取了钻孔前的预处理、延伸护筒、护筒跟进二次成孔工艺、回填等技术措施。3.1 钻孔顺序按先长桩后短桩、先低位桥墩上的孔桩后高位上的孔桩，先周边后中间的孔桩，有利于后续孔桩的施工。一个墩，长桩先施工，对截断溶洞通道有利，利于后面短桩的施工，一座桥，由于水流总是由高向低，先施工低位孔桩，可部分截断溶洞通道，利于高位桥墩的施工。我们所有桥梁孔桩的施工均是遵从这一原则。3.2 施工前的预处理3.2.1 岩溶注浆桥梁孔桩岩溶注浆的目的主要是充填空溶洞,利于顺利成孔，是岩溶区孔桩施

6、工的重要预处理措施。所以施工前要认真核对地质资料，确定注浆孔位置和深度。（1） 注浆条件并不是所有的溶洞都需要注浆，如图为章水河特大桥58号墩的溶洞发育情况，由图可知，58-1，-4，-7三根桩孔位溶洞极为发育，应向周边延伸，这三根桩位如果不采取注浆预处理，成孔将十分困难。其它桩位溶洞不很发育，为独立的小溶洞，贯通的可能性不大，一般考虑回填处理。 1 4 7 8 9 6 3 2 5 1 4 7 章水河特大桥58#墩溶洞分布图（2）注浆施工注浆孔的布设注浆孔根据设计地质剖面图一般布置在钻孔桩桩侧四周一定范围内，对设计地质资料显示的孔钻全部穿过溶洞的，布置四个注浆孔，即孔桩周边四个眼对称布置，对钻

7、探资料显示的部分溶洞深入孔桩内的，根据周边孔桩地质资料，判断溶洞发育方向，在溶洞发育侧加密钻孔。1#、4#、7#孔位的溶洞应是大的溶洞在该墩位的末端，据此选择的注浆孔位布置如上图所示。注浆孔的深度一般以穿过溶洞顶板即可。确定注浆控制标准孔桩溶洞注浆为充填性注浆，一般将注浆压力控制在0.3Mpa以内。为控制注浆范围，对有地下流水、溶洞串通、溶洞规模大的采用双液注浆工艺，以确保注浆效果与控制注浆范围。钻孔采用100地质钻孔，根据设计地质资料确定钻孔深度，设计资料显示的为单层溶洞的，钻穿溶洞顶板即可，为多层溶洞的需钻穿底层溶洞顶板。根据注浆钻孔所揭示的地质情况再次确认注浆方案。注浆注浆管路系统的试运

8、转：用1.52倍于注浆终压对系统进行吸水试验检查，并接好水、电；检查管路系统能否耐压，有无漏水；检查管路连接是否正确；检查设备机况是否正常；使设备进行试运转，试运转时间为20min。注浆顺序：有地下流水的先注双液浆，然后根据溶洞大小采取以下顺序施工。大溶洞：溶洞内灌注中粗砂插入注浆管注浆。一般溶洞：直接注浆。孔桩岩溶注浆要采用多次间隙注浆，压力不能过大，以免对环境造成污染。采取注浆预处理，可部分降低孔内泥浆流失的风险。采取以章水河桥为列，大部分单桩成孔时间在10天左右。应根据岩溶发育程度及溶洞填充物情况选择护筒跟进、粘土加片石冲击、预注浆液等工程措施，以便顺利成桩。3.2.2 岩溶注浆处理溶洞

9、的效果评价岩溶注浆处理溶洞对防止钻孔过程中孔内失水造成的的塌孔具有较好的效果，与护筒跟进工艺配合使用，对成孔所需时间能有一定降低，如章水河特大桥部分孔桩的成孔时间在313天左右。但对大的串通性溶洞，注浆范围、注浆量很难有效控制，超出量较大。部分溶洞注浆处理效果也难以达到预期，如陈家湾特大桥，13#21#墩，27#34#墩，岩溶与河流串通，尽管采取了注浆、延伸护筒、回填等处理措施，但漏浆、塌孔情况仍未解决，20余台钻机，平均每天不能成孔一根。二是成桩扩孔系数虽有降低但与其它地质条件相比依然较大。三是仍然无法解决偏孔问题。3.3 钻孔过程中特殊情况的处理3.3.1 塌孔（1）回填回填是处理溶洞塌孔

10、的基本和较为有效的方法。根据溶洞大小备足水、粘土、片石等必备材料，确保在孔内泥浆突然流失时，及时补充孔内水头，不致发生塌孔。钻孔进入岩溶地层时，投入大量潮湿的粘土块和片石并立即补水，利用钻头冲击粘土块和片石挤入溶洞及其裂缝中，堵住溶洞和岩溶裂隙，形成一个封闭的环形壁，完成钻孔桩施工成桩。施工中注意以下几点： 钻至离溶洞顶部1 米左右时，准备足够的小片石（粒径为1020cm）和粘土，粘土要做成泥球（1520cm 大小），对于半充填和无充填物的溶洞要组织足够的水源。 钻至离溶洞顶部1 米左右时，在11.5m 范围内变换冲程，逐渐将洞顶击穿，防止卡钻。 对于空溶洞或半充填的溶洞，在击穿洞顶之前，应有

11、专人密切注意护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，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，进行冲砸堵漏，只有当泥浆漏失现象全部消失后才转入正常钻进。如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。 对于溶洞内填充物为软弱粘性土、淤泥或砂砾的溶洞，进入溶洞后也必须向孔内投入粘土、片石混合物（比例1：1），冲砸固壁。章水河特大桥60#墩1#孔的溶洞中充填砂砾，钻进过程中还较为顺利，但清孔时，发现越清孔，孔底沉碴越高的情况，经取样发现，沉碴为沙砾石，系溶洞内充填物，未清孔时，泥浆比重大，可稳定溶洞内沙砾，清孔后，泥浆比重降低，沙砾流出。经反复清孔，才满足要求。采取片石回填，有利固结沙砾，减少清孔时间

12、。 钻头穿越溶洞时要密切注意大绳的情况，以便判断是否歪钻。若歪钻应按1：1 的比例回填粘土和片石至溶洞顶板0.5 米以上，重新冲砸。按此方法顺利施工比较典型的如：肖家特大桥19#墩9号孔，在钻孔施工过程中，冲击钻冲击至地面以下6.9m时出现漏浆，通过补浆及回填黏土块、片石至不再漏浆后继续施工，顺利成桩。章水河特大桥7#墩9#孔、9#墩2#孔、9#墩5#孔、19#墩6#孔、22#墩6#孔、22#墩7#孔、51#墩1#、4#及7#孔情况相同，按此方法处理，都顺利成桩。（2）护筒跟进钢护筒有定位、保护孔口、维持超压力的重要作用，其位置应埋设准确和稳定。钢护筒跟进是采用震动锤将钢护筒下沉穿过覆盖层而落

13、到岩面。钢护筒跟进一般分为单护筒跟进和双护筒跟进，根据设计提供的地质钻探资料，对溶洞深度在15米以上且溶洞发育较大的空溶洞一般采用双护筒成孔工艺，对溶洞离地面较近，一般15米以内的较大空溶洞，采用单护筒延长护筒工艺。护筒跟进视情况采用单一护筒跟进工艺或护筒跟进与钻孔注浆一起使用的工艺。单护筒下沉钢护筒根据桩径大小、地层条件分别采用610mm厚钢板卷制焊接成圆形，直径较桩径大50mm，护筒长依据地质、水文情况选定，由单节或多节短护筒焊接而成。钢护筒的埋设过程为：第一节由人工埋设，使筒顶高出地面30cm，焊接第二节后，在护筒顶放置打板(50mm厚钢板制作)，利用钻机提起钻头，将钢护筒冲击入土，然后

14、冲孔，孔深达到护筒底后，再焊接第三节护筒，如此循环，直至达到需要深度。深度根据土层和溶洞发育情况确定。仙岭特大桥27#墩均采用护筒跟进技术，有效避免了孔口坍塌。双护筒下沉施工先大钻头钻进，大护筒跟进，穿越溶洞后采用砂砾土进行回填，之后再采用与设计孔径一致的钻头钻进，采用相配套的较小护筒重新成孔的二次成孔工艺，确保成孔质量。钢护筒的直径及加工数量应根据设计桩径和地质钻探资料来确定；钢护筒分节长度根据吊装能力和条件确定，如果是深水施工，一般为6米、8米、10米；如果是旱地施工，一般为2-4米。同时钢护筒在加工时焊接缝必须符合设计要求，不得漏水。为保证钢护筒下沉位置准确，可安装导向架进行定位；当钢护

15、筒在施工过程中出现倾斜，应立即停止作业，查明原因并进行纠偏。护筒埋设好后，护筒中心与设计桩位中心偏差不得超过50mm，斜度不得大于1%。采用护筒跟进工艺很大程度上可降低塌孔风险，提高成孔效率，但仍免不了发生孔壁坍塌的情况，由于施工中很难作到随钻进护筒随跟进，一般均差1米左右，也常发生孔内泥浆突然流失造成塌孔情况。如仙岭特大桥28#墩4#孔，钻孔至141m高程，护筒跟进至142.4m高程，发生孔内泥浆突然流失，造成塌孔。3.3.2 偏孔 在孔内回填片石和粘土块1.5m左右，同时调整钻机冲程于0.6m左右，然后继续冲孔，混合填料经反复冲砸在孔内形成高出顶板处有一个较坚硬的混合柱体，具有足够传递冲击

16、能，达到破碎斜面的目的。同时形成坚实、圆顺的过渡孔口，为以下的钻孔作业起到良好的导向作用。当斜面倾斜严重或桩位置于溶洞边缘时，在钻进中钻头偏向软土一侧，用该法无法解决偏孔或弯孔的问题时，采用填充水下砼方法3d后重钻。采取反复几次回填大片石或混凝土后，一般可以解决。但地质差异很大，岩面倾角450以上时，纠偏十分困难，如陈家湾大桥2#墩5#孔，6#孔分别在129m，137m高程位置发生严重偏孔，采取了改进钻头形式、小钻头先行、回填片石、回填混凝土等诸多措施，但进展十分缓慢。2根孔桩的成孔时间均超过了50天。其它还有肖家特大桥18号墩2#、3#、6#孔，颜家特大桥6#、7#墩的所有孔桩，光纠偏时间就

17、超过了30天。其它桥也有偏孔情况的发生， 3.3.3 卡钻、掉钻在施钻过程中由于施工不当，在穿越顶板厚度时经常发生卡钻头，或由于严重失浆，孔内失去压力平衡，引起塌孔埋钻头等现象。章水河特大桥56号墩8号孔桩施工时发生因塌孔埋桩事故，后采取下钢护筒人工清理至埋钻位置，取出钻头，重新钻孔，历时近3个月。为了避免或者减少这种事故的发生，利用缓冲原理来攻克这个难关。既是当钻进接近穿越顶板进入溶洞前，在顶板已成孔段内回填混合材料1m左右。同时变为小冲程，先放小钻头冲击，然后再用标准钻头扩孔成桩。这个办法效果明显，能起到缓冲作用，大大减少了因一锤击穿顶板，造成卡钻和因失浆过急造成埋钻的现象发生。有利于施钻

18、的顺利进行。3.4 灌注混凝土过程中的问题与处理溶洞区的孔桩灌注与其它地质条件没有区别,但对溶洞发育区由于成孔过程中溶洞是否完全充填,施工中难以掌握,所以,也不可避免的出现了一些问题，典型的有：章水河特大桥20#墩4#孔、仙岭特大桥24#墩8#孔由于地质异常，在灌注完成后发生孔桩混凝土下沉，章水河桥20-4孔桩在完成灌注后下沉7.5m，仙岭特大桥24-8桩在完成灌注后下沉13.5m。仙岭特大桥24-8号桩由于下沉量大，及时扒出钢筋笼重新回填处理，章水河特大桥20#墩4#孔钢筋笼没有扒出，重新钻孔施工。原因分析：此2根孔桩成孔过程并不特别困难，设计地质资料显示溶洞也较小，此后的地质补钻显示，混凝

19、土均在离桩底23m位置向外扩散，由于混凝土的压力破坏了原离孔底23m位置处的溶洞，混凝土流失下沉。今后措施建议：一方面不论溶洞大小，是否有充填，都应回填片石。一方面灌注完成后应静待一定时间，及时观测孔内泥浆变法情况，不要急于提升导管，发现异常，要及时补充混凝土，以防造成废桩。最后的导管埋深应适当深些，不能局限于规范13m的规定，以确保发生异常时有补救措施。4 几点体会（1 ）作好施工预案，确保顺利成孔预先编制溶洞处理方案（预注浆、钢护筒跟进或预备泥球土及片石土等），且向每一位操作工人及现场管理人员清楚交底。并随着施工的进展，对地质情况进一步了解，随时修订技术措施，确保发生异常时能及时处理。（2

20、）根据地质情况，合理选择泥浆指标在一般地层进行钻孔桩施工，泥浆护壁的效果好坏是成孔的关键。但在岩溶地区除在施工中加强泥浆护壁外，还存在一个通过溶洞的造壁问题。这是因为溶洞内填充物种类多且性质复杂，多为塑性或流塑性。因此，在配制优质泥浆护壁的基础上，对不同溶洞内土的不同性质，按一定的比例分别加入水泥、木屑、草袋、片（碎）石等混合材料。这些加入的材料经钻头的冲击捣动作用，将挤入溶洞周边和岩溶裂缝中，这就既可以达到溶洞孔壁封闭环的形成，又能增强泥浆护壁的效果。（3）认真核对地质，作好终孔条件判断 由于岩溶发育的无规律性，可预见性差，设计的100mm地质钻眼与1000mm孔桩直径相比，也不能完全真实反

21、映孔桩的地质情况。如章水河特大桥105、115、608孔，虽有钻探资料，但实际施工中均发现了溶洞，设计再次补勘后做了加长处理。从目前已施工完成的3000余根孔桩的情况看，有地质钻探资料的施工中发生的不符合仍达30余根孔桩，进行了加长处理。所以加强地质核对十分重要。当发生以下情况时，能否终孔要慎重。 嵌岩深度范围出现偏孔。这种情况下可能为倾斜岩面，一般嵌岩深度不满足的设计要求，应做加深处理。 嵌岩深度范围出现漏浆，此时终孔要慎重，最好请设计补勘后确定。（4） 要认真分析设计钻探地质资料，以便制订有针对性的技术方案，如护筒跟进措施或二次成孔工艺。采取预先处理措施如预注浆工艺。（5） 提前作好应急预案，确保一旦孔内失水能及时补充孔内水头，不致造成大范围的塌孔是必要的工作。（6）不能忽视小溶洞的处理，仙岭特大桥20号墩8号孔桩、章水河特大桥20号墩4号孔桩，设计图揭示溶洞高度只要30cm左右，实际施工中成孔也不特别困难，但均发生了灌注完成后孔桩混凝土下沉的情况，经设计补充钻探资料表明，桩底没有地质方面的问题，混凝土从桩底上3m位置发育的小溶洞周边流失。（7） 超灌混凝土量大，经不完全统计，岩溶区孔桩超灌系数最小1.4,最大达4.4倍设计数量,平均超灌系数达2.0倍,与其它地质条件一般超灌系数在1.2左右的情况相比，施工成本巨大。