岩溶区桥梁桩基冲击钻成孔工艺探讨
2016-11-21
0 引言
我国岩溶地区分布广泛，可溶岩层分布面积约占国土总面积的1/3，其中以西南部云、贵、桂和川、鄂、湘等部分地区岩溶最为发育。岩溶根据其发育强度，可分为强烈发育、中等发育、弱发育、微弱发育4种，在岩溶强烈发育区，主要表现为大型暗河，廊道及较大规模的溶洞，对施工影响较大，设计勘探时较容易发现，一般会采取尽量避免或采取特殊措施进行处理。新建沪昆铁路客运专线贵州段CKGZTJ-5标段，全长43.089km。该标段桥梁桩基分别采用1m、1.25m、1.5m、2m直径桩基，这些桩基主要坐落在溶洞区，并且溶洞区的溶洞大小不一、形状各异、错落无序，存在较大的埋深差异，部分溶洞呈现串珠状发育，溶洞分为充填溶洞、半充填溶洞，以及未充填溶洞，对于充填溶洞充采用流塑、软塑及硬塑状粉质黏土、中粗砂及少量灰岩碎块等填物进行填充。下部基岩为岩面起伏较大的灰岩，并且岩溶发育，溶沟溶槽发育。现结合沪昆铁路岩溶地区桩基施工，分析总结岩溶地区桩基成孔施工工艺及有关问题处置措施。
1 施工工艺选用
CKGZTJ-5标段桥梁所处的地质结构为典型的岩溶地质，桩基嵌岩不仅深度大，而且不宜钻孔，施工方式多为冲孔式施工，其原因是在弱风化岩层施工，钻机进尺缓慢并且容易卡钻，在穿越溶洞区时容易出现埋钻，挤压土体造壁施工存在一定的难度，使得混凝土向溶洞扩散。通过采用冲孔灌注桩的方式进行施工，在一定程度上最大限度地发挥了其破岩能力强以及挤土造壁的优点；在施工过程中，冲孔桩同时暴露出一些弊端：桩锤冲穿溶洞顶板以及置换土洞填充物后，容易出现漏浆进而导致孔壁塌方（俗称溶洞塌方），还经常伴随着卡锤、掉锤、埋锤等现象。在施工过程中出现混凝土扩散量比较大的现象，其因为是溶洞内部无填充进而出现空洞，导致空洞被水下砼填补，或者淤泥质土充当填充物时，砼和淤泥发生置换的结果，进而导致在溶洞段桩的扩散系数超过1.2，甚者达3～5倍。综上所述，在施工时要充分利用冲孔成桩挤土造壁的优势，积极采取措施制定方案，避免发生塌方、卡锤、埋锤等事故。
2 岩溶区冲击成孔施工工艺
2.1 施工准备 ①地质分析。施工前应根据设计图纸给出的地质柱状图，分析每一根桩所处地质构造，必要时采用物探和超前钻孔，确定每根桩的所处地质溶洞情况，初步制定合理的施工工艺。②钻机底部加固。钻机就位前，应根据溶洞大小在钻机底部横向前后铺设两根槽钢，对钻机底部进行支撑加固，以防止坍孔时钻机下沉或倾斜。③配制泥浆。按照易坍塌地层的泥浆的配置标准，对泥浆进行控制，确保泥浆池、沉淀池足够大，且泥浆池应高于护筒顶。在穿越溶洞地层应适当加大泥浆比重（以现场试验数据为准），对泥浆的比重、粘度、含砂率等指标进行随时测定，将浮渣、护壁的效果控制在最佳状态。为了减少泥浆的损失，进而形成较好的孔壁，泥浆的粘度一般控制在28s左右为宜，同时为处理溶洞争取了一定的时间。④溶洞处理材料与设备。施工现场，在钻孔施工前，要准备大量的片石、袋装粘土及适当数量的袋装水泥、水玻璃。配备至少3～4台泥浆泵，便于在处理溶洞时迅速补浆，防止塌孔。为了便于向孔内投放土石，需要准备一台装载机。
2.2 钻孔 通常情况下，钻孔与泥浆护壁同时进行，当施工进度距离溶洞顶板岩层顶部1m时，或者在处理溶洞过程中通过采用小冲程（0.5-1.0m）的方式进行钻进。在选择桩号进行施工时，其施工顺序采用先短桩后长桩的方式进行施工。
2.3 冲击成孔工艺溶洞处理方法
2.3.1 处理充填片石、粘土 采用粘土和片石进行填充时，因为其方便、快捷，节省费用，所以通常应用于埋深小于6m全填充、半填充和无填充的溶洞；当钻孔施工进行到溶洞层部位时，护筒内的泥浆会出现全部流失或部分流失的现象，流失严重时会进一步造成塌孔，这种情况下，通过采用片石和粘土按1：1的体积比进行回填，当溶洞空间比较大时加入部分水泥与水玻璃的混合物，并向钻孔内注入稠度较大的泥浆，然后通过小冲程冲击的方式向洞内投下混合料，不取渣，使填充物挤入裂隙和溶洞。重复上述操作，直到溶洞通道全部封堵，顺利穿过溶洞。
2.3.2 处理钢护筒的跟进 面对通过采用片石粘土进行回填无法成孔的情形时，例如溶洞的规模比较大，并且溶洞内没有填充物或者存在流塑充填物，出现严重漏水，以及溶洞与暗河连通时，这时可以采用打入钢护筒的方式进行跟进法施工。在施工过程中，将冲孔和护筒接高同时进行，并通过15t的导向锤将钢护筒振动到溶洞底岩面，将溶洞内流塑填充物或水的流动通过钢护筒加以阻断。如果溶洞内部不存在填充物，通过在护筒内回填砼实施堵漏，当回填的砼在强度方面达到一定要求后，再通过冲击钻进行冲孔，溶洞贯穿后，按照正常的工艺进行施工。 2.3.3 片石充填、多层护筒嵌套综合施工 当溶洞呈串珠状发育，同一根桩存在多处规模较大溶洞时，通过采用片石、多层护筒嵌套的工艺进行施工。依据工程钻孔柱状图，在开钻施工前，确定钢护筒埋置的位置以及数量，然后根据埋设钢护筒的数量进一步确定孔的直径。通常情况下内、外层护筒的内径差为15cm，最内层护筒的内径与设计桩径误差在0.15m。
2.3.4 二次扩孔施工 当设计桩径较大且地质条件较差，穿越溶洞时，由于泥浆水位下降较快，塌孔风险增加，可根据地质情况，适当调高泥浆比重，或采用二次成孔工艺，即先采用1～1.5m直径冲击锤打通溶洞，再采用大锤扩孔，这样可以将扩孔时产生废碴挤压至溶洞内，可极大减少了二次成孔穿越溶洞的施工难度。
3 常见问题与处理措施
由于在岩溶地区桥梁桩基施工的不可预见性，施工过程中斜孔、塌孔、漏浆、串孔、卡钻、掉钻头、超方等现象极易发生，对施工安全构成一定的威胁，进而影响施工质量、制约工程的进度。通过研究分析岩溶地区溶洞，结合具体的工程环境，制定具有针对性的处理方法和施工方案。
3.1 塌孔 遇有塌孔情况出现时：应仔细分析，查明原因。如为浅层小规模溶洞引起的塌孔，可采用加长护筒、回填黏土、提高泥浆比重、加高水头的方法继续钻进至成孔。如为大型溶洞引起的坍孔且较严重时，应立即将钻孔和坍塌处全部用砂或小砾石夹粘土回填碾压，保证有足够的承载力后重新钻孔。
3.2 卡锤（埋锤） 在冲钻成孔的过程中，冲锤在冲破溶洞时极易滑入溶洞，受溶洞顶板岩石的影响提锤时冲锤容易被卡造成埋锤事故。施工时造成卡锤的原因千差万别，例如在硬度方面石灰岩比较高，在石灰岩断面上钻孔难以形成圆形，其形状与梅花形相类似，由于在升降过程中锤体是自转的，如果锤体断面与桩孔的形状不相符就会出现被卡现象。造成埋锤的原因是：在桩锤冲穿溶洞顶板的过程中，由于瞬间的拉力比较大，钢丝绳容易被拉断，出现掉锤现象，此时如果出现塌孔就会出现埋锤现象；另外，在卡锤时因提锤用力过大，导致钢丝绳被拉断出现掉锤事故。因此，在溶洞内打空锤在施工现场是严禁出现的，在冲锤过程中，应将钢丝绳绷紧，通过采用小冲程方式进行低打紧击。当发现漏浆或者出现异常情况，及时提锤，然后采取促使制定方案进行补救。
3.3 孔身偏斜 空身偏斜的主要原因是由于落锤处存在软硬岩层交接，遇有孔身偏斜、弯曲情况出现时，可以在偏斜处吊住钻锥反复扫孔，使钻孔正直，偏斜严重时，应回填片石到偏斜处，待沉积密实后再钻进。
3.4 漏浆 遇有钻孔漏浆情况时，应配备大流量泥浆泵，快速向孔内补浆，直至孔内水头保持稳定为止，与此同时向孔内大量投放粘土及片石，反复小冲程冲击，以快速封死漏水通道，确保护壁稳定。
3.5 泥浆呈酸性 一般泥浆呈碱性，发生岩溶水渗入时，与酸性的岩溶水会发生沉淀，此时应投入小苏打（或石灰）进行中和以改善泥浆质量，以免孔壁因固结能力降低坍塌。
4 结论
由于岩溶表现形式的多样性及规律性不强的特点，无法根据设计勘探资料完全准确判别岩溶分布情况，给桥梁桩基施工带来很大的不确定因素。因此，在施工中应该注意以下几点：
①在施工之前必须充分了解岩溶分布情况，根据岩溶大小、所处位置、形态制定相应的施工方法；②钻孔施工前应根据相应的施工方法做好材料储备；③要注意检测泥浆比重，根据不同地质情况进行适当的调节；④在即将穿越溶洞时，采用小冲程钻进，避免卡锤（埋锤）；⑤施工现场做好技术交底工作以及相应的钻孔记录，及时掌握钻孔的深度和地质变化情况的相关信息，确保桩基嵌岩深度满足设计规范要求。
参考文献：
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[2]章继树.岩溶地区桥梁工程勘察与设计[J].铁道运营技术，1999（03）.
[3]李勇.岩溶地区钻孔灌注桩施工特点及技术措施[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2010（07）.
