卵石铺盖层溶洞桩成孔技术

卵石铺盖层溶洞桩成孔技术

黄潮仪

广东省路桥建设发展有限公司广东广州510000

摘要：为进一步促进粤东西北地区振兴发展，广东省加快推进以高速公路为重点的粤东西北地区交通基础设施建设，粤西、粤北部多个高速公路项目相继开工建设，该地区为岩溶地貌集中分布区域。本文以广东省北部某高速公路项目大桥桩基础成孔技术进行研究，主要针对在河岸厚卵石层及岩溶发育双重复杂特殊地质条件下桥梁基础施工，在施工过程中如何合理的解决桩基础成孔的重难点，提出较好的施工技术，确保桩基础施工安全和施工质量。

关键词：卵石层；溶洞区；桩基础；成孔

1前言

该大桥跨越一条无通航河道，河道内和河岸上卵石分布广多，根据钻探揭露溶洞等不良地质，影响拟建桥台、墩的稳定性，墩台桩基采用摩擦桩或端承桩，并穿过溶洞，以厚度不小于5～8m的中风化粉砂岩、灰岩作为基础持力层。墩台基础类型选用钻孔灌注桩。

2地质情况

桥位地处冲洪积平原地段，跨越河流，两端桥台位于山坡，桥位区地面标高约214～233m。

桥位区第四系覆盖层主要为卵石土、粗砂、细砂、漂石土；基底由石炭系下统灰岩及其风化层组成。

桥位桩基施工路段的高密度电法视电阻率剖面图见图2.2。

3.2溶洞分类

根据溶洞发育情况、溶洞填充状态及溶洞数量，溶洞可分为以下几种类型：

（1）根据溶洞高度，大于5m的为大溶洞，3～5m的为中溶洞，小于3m的为小溶洞；

（2）根据溶洞填充状态，洞内无填充杂物为无填充溶洞，洞内约一半有填充物，其中顶部为空孔为半填充溶洞，洞内完全充填亚粘土、亚砂土、粘性土等为全填充溶洞；

（3）根据桩基范围内溶洞个数，层数一层为单个溶洞，层数多层为多层溶洞。

4施工方案

结合本工程的地质剖面图图2.3，发现该路段下岩层多个层面分布着多层大小不等，全填充、半填充或无填充的溶洞，且溶洞高度一般都在0.3～5m。个别桩基存在较大而且串珠状溶洞，溶洞内的填充物主要为软可塑状态的亚粘土或夹砂、夹碎砾石等。同时，分析桥位处用高密度电法勘探测量的高密度视电阻率值分布杂乱，凹陷状、闭合状异常分布，且异常数量众多，规模较大，延伸深度之深，从而可以推测出该岩溶强烈发育，主要为中、大规模全充填或半充填溶洞，在垂直方向上延伸深度大，溶洞埋深较浅，顶板厚度较薄，多呈串珠状、多层状分布，岩溶地质灾害对线路设计施工影响较严重。

4.1施工准备

1.埋设护筒是极其重要的一步，其直径大于桩基直径0.20m以上即可。为了防止漏水，必须将护筒端部打入粘土层或者粉土层中。若现场条件不满足，也可以将护筒端部打入填土、砂或砂砾层中，再在护筒四周分层回填粘土夯实。

2.反循环施工无套管情况下保证不塌孔的五个条件：

①保证护筒内水位高出自然地下水位2m以上，且孔壁内静水压力均大于0.02MPa。

②保持孔内水压，减少颗粒物沉降，有效清渣，并使其渗填充实孔内不同土层中的空隙。

③根据钻孔土层性质不同，控制好泥浆比重见表4.1。

4.2卵石铺盖层处置

1.挖除：此方法用于卵石铺盖层厚度小于3.0米，施工机械，如挖掘机等，直接挖除卵石层，埋设桩基础钢护筒，周围用粘性土分层填筑密实。

2.护筒隔离：此方法使用与卵石铺盖层较厚（大于3.0m）无法直接挖除时采用。在桩位埋设护筒后，孔内回填一定厚度的粘性土，直接冲孔，根据冲进速度，不断回填粘性土，并钢护筒跟进，穿过卵石层，进入下卧层0.3m后即停止护筒跟进，确保钢护筒达到隔离、护孔口、防塌孔目的。

4.3钢护筒施工法

钢护筒施工法适用于中溶洞和大溶洞。

溶洞高度3～5m的划为中溶洞，拟用一层钢护筒施工法（如图4.8）。具体工法如下：

①预埋钢护筒，合格材料就位。

②开始冲进钻孔，当冲进至溶洞时，向孔内抛填片石和粘土袋。

③将钢护筒下放至岩面，如果发现溶洞漏浆，则继续抛填片石和粘土袋，继续冲进，并将钢护筒继续下放至岩层里。

溶洞高度大于等于5m的划为大溶洞，拟用多层钢护筒施工法（如图4.2）。具体施工步骤在一层钢护筒施工法基础上：

④安放内护筒。

⑤施工封底混凝土。

⑥在钢护筒和内护筒之间按要求分段进行注浆，直至终孔。

考虑到溶洞高度大，不宜一次成形，所以要分多段进行，则要使用多层钢护筒、内护筒，外径比一层钢护筒大。

溶洞区采用钢护筒直径大于桩基础直径20cm、厚8mm的钢护筒，护筒长度以高出地面30cm，穿过土层通过溶洞，进入第一层风化岩层50cm的长度为原则。施工先用冲击锤进行成孔，冲至风化灰岩顶面下0.5m后再使用振动锤将护筒分节下沉至溶洞底部，同时在接口处采用20cm宽钢板加焊加强，以确保钢护筒的刚度和强度，防止因振动产生裂隙漏浆。

4.4充填封闭法

对于高度小于3m的裂隙和小溶洞，拟用充填封闭法（如图4.3）。充填封闭法主要以回填片石和粘土为主，施工简单，造价低。具体为当冲击钻机钻透溶洞顶面后，发生漏浆，在钻孔内填片石、砾石和粘土至溶洞顶面上一定高度停放2至5小时左右继续冲孔。采用上述措施处理仍多次漏浆时，则可向孔内水下投入一定量的水泥至溶洞顶面上一定高度，然后回填粘土、片石，停放一至两天，待水泥与片石和粘土固化后，达到一定的强度后，方可以按正常桩基成孔方法钻孔。

材料掺加比例：片石与粘土的比例为1：1，每米掺2包水泥。

掺加方法：采用强度≥30MP、粒径为15～50cm的片石，袋装粘土，袋装水泥。片石、袋装粘土、袋装水泥分层间隔掺加投放，回填至溶洞顶板以上1m处。

注意事项：钻机施工的同时要认真查看护筒内水位及周围地表变化，以防发生不正常情况，一旦发现漏浆，则立即停机重新进行处理。

4.5二次成孔

在桩中心用回旋钻机通过小钻头（φ10-30cm）超前钻至设计桩底标高，穿过溶洞发生漏浆时，通过钻杆直接向孔内注浆，直至将地下溶洞全面注满，稳定后换用冲击钻机扩孔成孔。第二次扩孔成孔，施工过程中，如再发生漏浆则可采用充填方案处理。此方案适用于溶洞面积小，多层溶洞（串珠型）地质，即可探地质情况，又可达到处理目的。

4.6裂隙的处理

主要针对微型溶洞或者小型裂隙，漏浆不严重的情况，可采取填充方法处理。

施工过程中认真观测孔内水头情况，通过下降快慢及时判断是溶洞还是裂隙。如果是裂隙，则向孔内投入粘土块、片石和少量水泥，调整泥浆稠度。

5施工常见问题及处理措施

岩溶裂隙发育区经常出现象溶洞、土洞、溶蚀裂隙、孤石等岩溶形态。其中在溶洞、土洞等经常受地下水的侵蚀，内部会充填软塑-流塑状态软弱粘性土或黏土碎石，导致桩基施工过程中常常发生塌孔、漏水漏浆、卡钻、掉钻和埋钻等异常情况。为保证桩基施工质量和安全，分析查找桩基施工过程中异常的原因，找到解决办法，提出预防措施是岩溶区桩基施工必要解决的问题和困难，提出了相关预防措施。

5.1漏浆

（1）原因

岩溶区桩基钻孔过程中由于溶洞、土洞等岩溶形态与地下暗河或其他溶洞连通，当桩基钻头到达溶洞处，瞬间使桩孔和溶洞形成通道造成漏浆，导致桩孔内的水头高度突然急剧下降。再者钢护筒长度过短，埋设深度不够或焊缝质量不高，造成泥浆液从护筒底部流走。另一方面岩溶性裂隙的存在也对泥浆的流失造成了影响。

（2）措施

补充泥浆或注水。针对岩溶区钻孔成桩桩基施工，要预先在桩基孔边准备充足的泥浆和黏土、水泥、片石等充填物质。在成孔过程中，现场施工人员一定要时刻关注护筒内浆液面的情况，当发现泥浆面泥浆水头出现快速下降时，就立刻指挥现场操作人员提出钻头，把事先准备好的泥浆等充填物填充到孔内，平衡孔内泥浆水头压力。

针对岩溶裂隙现象，当岩溶裂隙较大，透水强烈造成漏浆时，可以适当向孔内扔一定量的粘性土，增大泥浆比重，以达到提高泥浆稠度的目的；另外可以适当控制钻进速度加缓泥浆流失。

鉴于钢护筒埋置过浅等引起的底部漏浆情况，可以采取继续下沉钢护筒的措施，同时为了阻止地表水流入缝隙进入护筒内，可人工用黏土封闭护筒周边缝隙，并投放高出护筒底部1m高的碎石和黏土块。完成投放作业后，继续钻孔，冲锤冲程不能过大，反复施作中需要不断加固护筒，以保证堵漏的效果。

对于遇到钻头穿越溶洞顶板的情况造成的漏浆，宜采用抛填混合料的方式进行改善，抛投过程与冲孔同时进行，保证冲锤的冲程不宜过大，直至形成新的孔壁。

5.2塌孔

（1）原因

桩基成孔过程中造成塌孔的主要因素概况起来主要有：地下水位过高、泥浆质量不达标、出现溶洞和较大洞隙及护筒长度不足或埋设不够。

地下水位过高引起塌孔主要是水位高引发的孔内外水压不平衡造成内部水位形成负压造成孔壁剥落，另外水位过高也会引发护筒底部压反浆，造成塌孔。泥浆质量差严重影响孔壁内壁的质量，无法形成泥皮或泥浆稠度不高，孔内负压大引发塌孔。钻孔过程中出现溶洞、土洞或大的洞隙造成泥浆突然快速流失，泥浆顶面急剧下降，一是无法补回水位都会造成塌孔。如果开工初期选择钢护筒尺寸不足，或者尺寸满足要求，埋置深度不足，造成底部漏浆漏水等均会导致塌孔。

（3）处理方法

塌孔的处理方法有两种，一种是护筒渐进法，二是先回填片石和黏土，再护筒跟进。两种方法区别在于第一种是表面塌孔不深，成孔外围塌方成喇叭型，这时可利用钢护筒在喇叭口下进行围蔽，穿至不透水层，然后周边用干黏土进行回填，待挤死压密后重新钻孔。另外也可以采用全孔回填黏土和片石，保证填入量达到孔口面的方法处理，等黏土和片石下沉稳定后，在深埋护筒至不透水层。

5.3卡钻

（1）原因

钻具施工过程中发现下列五种情况极易引起卡锤，一是冲孔过程中岩体孔壁的不规则或呈梅花状，二是钻孔在循环冲击过程下补焊不及时造成钻孔过程中上下孔口变化突然发生卡钻，三是钻头在降升过程中，放绳过多，造成钻头下降过程中的钻身倾斜引起卡锤，四是岩溶区地质情况不详，溶洞分布情况不明下，冒然一味采取高冲程冲击施工引发冲锤卡在溶洞顶板处。

（2）卡钻的处理方法

卡锤情况出现首先要查清原因，对症下药，不能盲目强行提拉钻具，反而会造成钻机翻到，遭遇损失。遇到此类情况，首先看钻孔，钻孔规则圆顺，竖向活动空间大，反复缓慢操作找到大方向方可提升钻具。对于岩体卡住的钻具，建议采用大直径钻头上下锤击岩体，反复循环锤击直至击碎，最后反复缓慢拉动小钻头，慢慢松动岩体，最后拉出钻具。

5.4埋钻

（1）原因

埋钻多发生在岩溶地区桩基施工过程中，一旦发生处理难度大，耗时多。对于钻孔过程中的突发性溶洞塌陷，造成孔壁坍塌是造成钻锤掩埋的主要原因。此类溶洞往往都具有顶板薄、埋深浅的特点，在较大钻机冲程下，极易造成溶洞顶板塌陷。更为严重会引起周围地表下沉，掩埋钻头。

（2）处理方法

施工过程中，一旦发现埋钻，可以采用硬拉、吹冲覆盖物、清爆、人工挖掘四种方法进行处理。硬拉法适用于钻头上覆盖物不多时，可以直接或者借助其他辅助设备拉出钻头。若覆盖物过多，则强行硬拉无法拉出，反到给后续处理造成困难，为此可以首先采用空压机吹冲掩埋物，直至到桩孔外，最后拉出钻具。若经上述处理后钻锤仍旧无法拉出，原因可能钻锤被孔壁不规则石头卡住，这时需要把孔壁突出岩体进行人工爆破后方可拉出钻具。当上述方案均不能解决埋钻问题时，可以在桩孔内放置大于钻锤直径的双钢护筒，随后进行人工挖掘施工直至挖出钻具。

5.5掉钻

（1）原因

结合现场实际施工经验，桩基掉钻大多由于钢丝绳或钻头顶头销断裂等。掉钻后，采用的唯一措施只能打捞，也必须进行打捞。如果钻锤上有塌落物，则需先将其清除后再打捞，清除塌落物一般采用比原钻锤直接稍大的冲锤冲击清除孔壁塌落物。如掉锤时无塌落现象，则可直接用打捞活套、绳套或打捞钩进行打捞，具体打捞工具施工现场人员可以根据现场实际情况针对性采取打捞方法。

（2）处理方法

为防止施工过程中掉锤造成后续打捞费工费力，施工前需做好技术交底和各项准备工作。

钻前的钻孔设备的检查，特别注意设备上加设保险绳，同时以防掉锤可在保险绳外增加一根冲锤钢保险绳，为掉锤后方便打捞，可以预先在冲锤上设置焊接打捞钢板。另外孔内散落或塌落物也得清理干净，在冲击过程中，遇到坚硬岩层要采取减压低速的钻进方法进行进尺施工，预防产生过大扭矩。

6结论

本文总结分析了卵石铺盖层岩溶地区岩溶发育特点及影响其发育的主要因素，对桩基础在岩溶区施工过程中常见问题、产生原因、预防措施及处理方法进了归纳和小结，并对岩溶地区桩基质量事故加以探讨，给出了相应对策及处理方法，为岩溶地区桥桩基础施工方法选择、施工工序控制和质量控制打下了很好的基础。

（1）卵石土区桩基施工时，采用钢护筒支护或不断灌注砼，可有效避免因漏浆而引起大规模卵石土坍塌情况的发生，从而确保施工安全。单个全充填、半填充或无填充且洞高＜3m的溶洞，采用充填法处理是合理有效的，在现阶段基本上可顺利成孔。

（2）针对单个或多个无填充或半填充且洞高大于3m的溶洞，采用钢护筒+抛片石+粘土处理效果较好，降低了钻孔过程中的风险，对桩基成孔质量提高有很大改善。

（3）针对串珠状溶蚀灰岩钻孔过程中易发生偏孔情况，可采用抛填高强度大粒径的块石+粘土进行纠偏；针对串珠状溶蚀裂隙与溶洞连通易发生漏浆情况，可采用抛填片石+粘土成孔，可适当提高粘土比例，如果在同一位置出现多次重复漏浆情况则掺入一定量的水泥，并停止一段时间，使挤入裂隙中片石与粘土的强度得到增强。