关于水中岩溶地区桩基础施工的再探讨
2016-10-08
1 工程概况
中国论文网 http://www.xzbu.com/6/view-4004363.htm
红岩潭大桥位于江西省九江市武宁县巾口乡北栎村山下坪村小组西北约900米处，为整个永武高速公路路线跨越柘林湖尾部儿设置的大桥，全长809米，地处岩溶、裂隙发育地区，因整体90%位于湖面之上，湖床地质十分复杂，变化较大，原地质地貌变化也较大，造成施工难度加大。
红岩潭大桥桩基设计为φ2.0m、φ2.2m及φ2.5m的钻孔灌注桩，其中φ2.0m为14根，桩长从19m到50m不等，位于岸上，φ2.2m为38根，桩长从38m到51m不等，位于水中，φ2.5m为34根，桩长从38m到54m不等，位于水中，所有桩基均为嵌岩桩。嵌岩要求嵌入中风化岩不小于设计桩径的2.5倍，并且要求桩底完整。
2 岩溶地区的地质特点
2.1 地质结构中水系发育发达
地质勘探资料显示，本桥址位于九江-靖安及武宁-铜陵活动较频繁的活动断裂带附近，武宁向斜北侧，岩石倾向东南，倾角10～15°，节理裂隙较发育，且本区为低丘陵地貌，桥区内以垄岗地貌类型为主，两桥台位于库岸的岗坡地，地形起伏较大，地势较陡，自然坡角约40～50°，地面标高为70m左右，相对高差小，植被发育。桥址区地下水类型有上层滞水、第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水合岩溶水。上层滞水为柘林湖水库蓄水，受季节及生产影响，其水位升降为2～4m；第四系松散岩类孔隙水主要赋存于第四季残坡积覆盖层中，地下水连通性较好，与地表水有较密切的水力联系，属桥区主要含水层，但随季节变化较大；基岩裂隙水主要赋存于砾岩裂隙中，连通性差，富水性相对贫乏；岩溶水赋存于可溶砾岩中的溶洞及溶蚀沟槽中，本桥位溶蚀发育，溶蚀沟槽连通性较好，富水性相对丰富。
2.2 裂隙和溶洞发育
由于溶蚀的作用，加上地下水丰富，本桥位场地内岩溶较发育，溶洞数量较多，多分布于7#～19#桥桩基之位，空间分布较规则。根据地质勘察，整个大桥约有60%的桩位下有溶洞，溶洞顶板最浅埋深5.1米，最深埋深30米，溶洞高度从0.6米到17.1米不等，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。溶洞中大多数是半填充物，造成漏水和漏浆，甚至有的在钻探过程中出现了塌孔现象。
2.3 覆盖层
覆盖层中的淤泥、粉质粘土、卵石土层厚度比较大，普遍在3～11.8米之间。淤泥、粉质粘土、卵石土层属透水层，其内聚力很小，颗粒松散，圆砾个别粒径较大，硬度较高，在冲孔施工时其进尺慢，当护壁较差时，极易发生孔壁坍塌。
3 岩溶地区成孔工艺的选择
在岩溶地区如采用钻孔方式成孔，则存在着3个方面不利因素：（1）桩端必须进入中风化岩不小于设计桩径的2.5倍，且要求其下7米范围内无溶洞，对顶板厚度小于6米的溶洞必须穿越，使得桩基入岩量大增，因岩石强度大，要求成孔机械必须有很强的破岩能力，但钻孔钻头难以钻透顶板，嵌岩难度大；（2）钻孔时不能挤土堵塞溶洞和裂隙，来防止泥浆的流失，且会造成孔内外的水头差过大，导致塌孔，清孔无法彻底，即使清孔完成，在灌注混凝土的时候也会导致大量的混凝土的扩散，对桩基质量产生影响；（3）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，导致塌孔埋钻，而且绝大多数钻头无法提出，造成质量事故。
如果采用冲孔方式成孔，因冲锤冲击能力大，穿透力强，较易穿透岩溶顶板，不受地下水影响，一旦出现漏浆、塌孔等异常情况，可以马上以30米/分钟的提锤速度提上冲锤，避免发生埋锤事故。而且成孔质量上能够得到满足，虽然对于砂砾层、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。
4 岩溶地区成孔施工特点及技术措施
4.1 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让保证成孔过程中不漏浆，或者产生漏浆但不发生塌孔，保护桩孔，保障施工人员及冲击钻机的安全，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）因红岩潭大桥桩基除0#台5根桩基、1#墩3根桩基、19#墩3根桩基及20#台5根桩基，其余70根桩基均位于柘林湖湖区之中，在桩基施工之前要进行临时钢栈桥以及桩基施工平台的搭设，由于岩溶地区地质情况异常复杂，虽进行了物探和逐桩加密钻探工作，亦难以保证全面摸清地质情况，因此每个桩位钻机就位前，对钻机底座进行支垫加固，把钻机与施工平台焊接加固，以防止塌孔时钻机下沉和倾斜。
（2）因红岩潭大桥施工平台搭设在湖面之上，水深在16米～21米之间，顾采用不小于27米的钢护筒，埋设于桩位之处，并与搭设施工平台的钢管桩焊接联结，以保证钢护筒的稳定性。
（3）溶洞处理以做好准备工作为主，钻孔前在指定场地内准备大量的片石、粘土及适当数量的袋装水泥，每个桩基设置一个大容积的泥浆循环池，以及安排2个大型泥浆船作为泥浆池，同时配备不少于6台D220型泥浆泵作为备用，保证一旦桩孔出现漏浆，可以马上经行补浆，这样既满足了施工的需要，又满足了环保的要求。
（4）进行超前地质钻，对于地质资料显示存在溶洞的桩位以及经分析调查可能存在溶洞的桩孔，特别是半填充及无填充物的溶洞，采用小钻头进行超前钻，钻穿溶洞顶板直至终孔标高下10米，补充优质泥浆以及粘塑土加水拌成软塑状的混合物，使其填满溶洞，观察24小时后，如情况正常，再正式开始冲孔。
（5）冲孔至离溶洞顶板1米左右时，加大泥浆比重，相对密度达到1.2～1.4，粘度不小于20秒，胶体率不小于95%，PH值大于6.5，先选用小冲程进尺，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，认真检查孔内水头高度、泥浆稠度和孔外水位变化，经常取渣分析，发现漏浆时应马上提锤、补泥浆、抛填片石、填粘土，等泥浆水位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。若仍继续漏浆，则抛填片石、袋装粘土、袋装水泥，混合在一起采用小冲程冲锤捶打，慢慢将片石、袋装粘土以及袋装水泥挤压到溶洞中，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。 （6）在冲锤冲破溶洞时，如溶洞比较大，无填充物，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、粘土和水泥混合物，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，保证泥浆回升到口形成流动循环，同时冲锤有可能会滑入溶洞中提锤时易被溶洞顶板岩石卡住而造成埋锤。施工时严禁在溶洞范围内松锤，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，然后采取其他措施。穿越溶洞时，同时要注意钢丝绳的情况，以便判断是否斜孔，出现斜孔必须及时进行修孔处理，填充片石及粘土至弯处，校正孔位，再用修正后的冲锤进行修孔，直到满足设计要求为止。
4.2 终孔的确定
由于岩溶发育的无规律性，给嵌岩桩是否嵌岩，以及嵌岩的深度、位置带来了一定的不确定性，也因此对桩基的嵌岩状况的判断带来了相当大的难度。施工时，应注意根据地质勘察资料，结合对当地的调查情况，作出综合的判断：（1）实际地层是否与勘察资料相符，若不相符应与施工情况反映为主，必要时加补地质钻探；（2）有无漏浆的出现，依次判断有无可能存在溶洞，终孔前后泥浆必须稳定；（3）冲孔进尺的快慢以及是否斜孔，一般在溶洞内部或其他软弱层，冲孔进尺较快；（4）是否有溶蚀面的存在。
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的强度与均匀性将起到良好的效果，在灌注水下混凝土时，由于溶洞的存在，使桩基混凝土体积增加，应根据拌合混凝土的次数计算灌注到孔内混凝土的体积，并测量灌注混凝土上升的高度，根据混凝土上升部位和灌注混凝土数量可估算桩直径大小情况，以此来保证桩基础成桩质量。
5 结语
红岩潭大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对以往经验的具体实践形成的。采取了以冲孔为主的成孔工艺，而且在正式冲孔之前，采用“超前地质钻”的技术，钻穿溶洞顶板，让泥浆现在正式冲孔之前充满溶洞空间，消除压力差，大大地减少了冲穿溶洞顶板时产生的漏浆，保证了成孔率100%，经检测，桩基的合格率100%。证明了所采取的工艺方法是成功的，而且处理溶洞时，没有施工全护筒代替泥浆护壁，而是采取抛填片石及粘土的方式填堵溶洞至密实状态，大大节省了混凝土的使用，产生了较大的经济效益，同时对自然环境的破环也减到了最小，收到了良好的社会效益，为我们今后的施工提供了一个不可多的的实践经验。
