岩溶地区桥梁钻孔灌注桩施工技术及质量控制
2016-10-08
0 引言
我国幅员辽阔，地形复杂，岩溶地貌分布极为广泛。岩溶地貌即众人熟知的喀斯特地貌（karst landform），此种地貌植被稀少，地形非常复杂。在岩溶地貌上建造桥梁，难度极高，如果不能严格控制钻孔灌注桩的施工质量，掌握岩溶地区钻孔技术，轻则降低桥梁承载力，减少使用寿命；重则造成大面积塌陷，严重影响施工进度，甚至造成重大施工事故。而在岩溶地貌上建造桥梁，因为其地质特性，钻孔灌注桩又是不二选择。因此，本文主要针对岩溶地区钻孔灌注桩的施工技术与其质量控制进行介绍。
1 工程简介
郑徐客运专线徐州特大桥位于江苏省徐州市境内，桥梁全长28.82km，钻孔灌注桩桩径有1m、1.25m、1.5m、2m四种类型。从勘探资料来看，灰岩岩溶裂隙较发育，岩溶裂隙发育于岩层中上部，层面埋深2.3～70.6m，覆盖型岩溶是主要的不良工程地质问题。勘察钻孔见洞率达59.26%，溶洞一般发育在基岩面附近0.5～10m，呈单个或者串珠状发育，溶洞发育1～9层，洞高为0.05～20.7m。地下水位高，水系连通，岩溶区其基岩面起伏较大，岩溶在空间发育复杂，给钻孔桩施工带来了很大的困难，引起漏浆、卡钻、坍孔、地面塌陷、混凝土灌注超方等问题。
2 岩溶发育地区地质特点对钻孔桩的影响
①岩溶地区持力层基本为基岩，基岩层能够承受较大载荷，但若是事先没有对施工场地的地质、地理环境进行详细的分析考察，如果基岩层处于溶洞上方，并且没有足够的厚度，对桩基施工及整个桥梁质量都有严重的隐患。②岩溶地貌的主要构成为石灰岩、泥灰岩、白云岩三种，这三种岩石类型密度与强度都较大，冲击钻机工作负荷极大，如遇溶洞，引发大面积塌陷的几率非常高，导致钻机倾覆，容易造成施工事故。③岩溶地区地形不规则，高低起伏，桩基难以与四周持平，极易出现临空面，造成桩基施工困难，进度缓慢。④岩溶地区地下水含量非常高，在进行钻孔时，涌水量经常超出预计，无论是对于钻孔，还是混凝土的灌注都会带来较大的影响。
3 岩溶地区钻孔灌注桩施工特点
相对于普通地区的钻孔灌注桩施工，岩溶地区钻孔灌注桩有以下几个特点：
①岩溶地区钻孔极易发生坍塌。如果覆盖层密度不够，在进行钻孔时轻则造成塌孔，重则造成地面大面积沉降，损坏钻机。②由于岩溶地区岩层表面凹凸不平，地下水活动丰富，在钻孔成型过程中，容易导致钻孔的结构、形状发生变化，一旦结构改变，就会造成斜孔、弯孔的出现，同时又会引发漏水、漏浆的后果。③钻孔完成后，清孔工作开展困难，因石灰岩，白云岩具有较好的透水性，需要对泥浆的性能指标进行严格控制，防止漏浆与塌孔事故的出现。同时，在钻孔过程中或在清孔暂停时，由于内部压强的剧烈变化，也容易造成塌孔。
4 岩溶地区钻孔灌注桩施工质量控制
岩溶发育地区钻孔灌注桩施工与普通地区的施工方式有所不同，在岩溶地区施工时，为保证钻孔桩施工质量，需要从以下几方面进行严格控制：
4.1 钢护筒施工质量控制 在岩溶低于钻孔时，钢护筒是必不可少的，良好的跟进可以极有效避免塌孔、斜孔的出现，特别是在大型溶洞之上进行钻孔施工时，尤其要控制钢护筒施工质量，主要体现在：
①钢护筒的埋设位置需要精确规划，保证位置合理，要求钢护筒中心竖直线与桩中心线重合。②钢护筒的打入深度越接近基岩持力层，钢护筒防护效果越好。③在钢护筒跟进时，其倾斜角度保证在1%内，并控制好岩面接触孔隙。
4.2 钻孔施工质量控制 在岩溶发育地区进行钻孔桩施工时，要特别注意钻进过程中容易出现的塌孔、串孔、斜孔、卡钻、掉钻、地面沉陷等现象。在对岩土过渡段钻孔时，刃脚塌孔是需要高度重视的；在进行溶洞上端破除时，要防止钻头断裂、卡钻或吊绳断裂；在进行溶洞部分穿越时，钻头极易发生倾斜，从而导致斜孔的出现，钻头穿越溶洞时要注意大绳的摆动情况，以便判断是否歪钻。
由于岩溶地区岩层面错综复杂，有竹笋状、斜坡面、波浪形岩面，桩基施工至溶洞位置时容易造成偏孔。若出现斜钻偏孔的情况时，应按1：1的比例回填粘土和片石至弯孔处1.5～2.0m以上，重新冲砸。片石的强度要求高于桩基偏孔处岩层强度，经过反复填孔冲砸才能有效处理偏孔。若岩层与片石硬度不一致，冲击过程中仍旧是偏向于硬度小的回填物方向，施工过程中采用此方法也存在着回填次数多、冲孔时间长、纠偏效果不明显等弊端，此时应对斜岩采取灌注高标号水下混凝土，高度以超过斜岩面1.5～2.0m为宜，以保证在冲孔过程中冲击面始终保持平衡，从而达到纠偏的目的。
4.3 清孔 成孔之后，先使用反循环回转钻机的泵吸、气举等功能将孔进行首次清理，然后使用大功率空气压缩机对内壁进行二次清理，确保孔内干净。孔底沉渣厚度应符合设计要求，当设计无具体要求时，对于柱桩不应大于50mm，摩擦桩不应大于100mm。
5 岩溶地区岩溶桩基施工处理
5.1 岩溶桩基施工总体原则 每个墩台桩基施工前技术人员认真研究设计图纸、地质剖面图，根据勘查资料分析判断溶洞类型，采取相应的处理预案。并向钻机作业队操作人员就地质情况、准备工作、处理方法及安全注意事项等进行详细交底。
岩溶桩基施工采取“先长桩后短桩、先外围桩后中间桩”的方法，同时按照先易后难的总体施工原则，即把岩面情况较平、无溶洞或只有单只小溶洞的桩基先施工成孔，基本摸清溶洞地质情况、掌握溶洞处理措施后，再处理较大溶洞。 岩溶桩基在钻孔施工中经常出现塌孔、串孔、斜孔、卡钻、掉钻、地面沉陷等现象。在混凝土灌注过程中，混凝土流失较大，经常出现混凝土面突然下降等情况。根据不同的情况，综合采用回填片石碎石加粘土、水泥、注浆以及钢护筒跟进的施工方法对溶洞进行处理，加大处理力度，从而在保证安全的前提下加快钻孔桩施工进度。
5.2 溶洞处理方案 对于小型的单个溶洞（不论有无填充物），都可采用回填片石、碎石+粘土及注浆的方法进行处理。
对于较大的串珠型溶洞进行提前预注浆处理。
如有以下情况时：
①多层串珠状溶洞；②桩身有一半位于溶洞上或二根以上的桩身位于同一溶洞上；③因溶洞位置多次填片石不易成孔；④土石分界线处，多次漏浆容易造成坍孔；⑤溶洞上部存在砂性土、粉质粘土（冲击振动时富水砂性土、粘土可能液化）；⑥溶洞内有流塑体导致不易成孔的；⑦溶洞顶板厚度较薄小于3m的。
除采用回填片石+粘土及注浆的方法进行溶洞处理外，必要时需采用一层或多层钢护筒全程跟进至溶洞底的方法进行钻孔施工，钢护筒入岩深度不小于1m。
对于无充填溶洞或半充填的溶洞，在击穿洞顶之前，要密切注意护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，应迅速补浆，然后根据溶洞的大小按6：4的比例回填片石、粘土及整包水泥后，冲击挤压密实，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。
遇到特大型空溶洞或半充填的溶洞时，先在孔口附近准备好足够的块石、粘土、水泥及钢护筒。在洞顶打穿时，一旦发现漏浆，要迅速填堵，防止塌孔。将准备好的片石、粘土、水泥按6：4的比例抛入，并及时补浆，直至孔中的泥浆停止下降，并慢慢上升，此时可用冲锤进行适当挤压，静置24小时水泥凝结后开始冲孔，经过反复抛片石、粘土、水泥，再沉入预备好的钢护筒后继续钻进，必要时可采用多层钢护筒，以确保施工安全和顺利成桩。
当溶洞有流砂或泥流，且处理溶洞时未下钢护筒，灌注过程中容易冲破原来回填片石粘土所制造的护壁，影响桩身质量的，可采用钢筋笼处于溶洞位置处焊接钢护筒，钢护筒高度超过溶洞上下各1m。
5.3 冲程控制 在钻至离溶洞顶部1m左右时，需减小冲程，逐渐将洞顶击穿，防止大力冲程对溶洞结构破坏，导致溶洞坍塌。同时要防止卡钻，并准备足够片石和粘土。在击穿洞顶前，需要时刻关注钢护筒内泥浆面变化，对浆面下降的情况下，要及时补浆，根据溶洞大小按6：4的比例回填片石、粘土及水泥，同时冲击挤压密实，直至漏浆情况消失即可转入正常钻进。
6 常见质量问题的处理及控制
在岩溶地区进行钻孔灌注桩施工时，由于地质原因，难免会出现一些质量问题，对于常见问题如果能够及时处理，可以有效避免后期对工程整体质量的影响。
6.1 漏浆 漏浆可以分为两类：明显漏浆与持续漏浆。如果基岩表面被地下水溶蚀，泥浆至此便会出现持续漏浆。在持续漏浆时，可能会出现斜孔的现象，防止持续漏浆的方法是在钢护筒内添加硅酸铝盐，增加孔内浆量，同时减小钻机冲程。明显漏浆出现在破除溶洞上层时，对此的处理方法是迅速将钻锤提起，根据漏浆情况抛填片石、粘土和水泥混合物，（片石和粘土比例为6：4，每填高3m填袋装水泥500kg），回填高度一次以2m～3m为宜，混合物回填至溶洞顶以上3～5m，然后补浆至孔口，待浆面稳定后采用低冲程进行冲击。
6.2 偏孔 由于岩溶区岩层结构错综复杂，岩面形状不一，硬度不一，在钻孔施工中极易出现偏孔、歪钻。因此，需施工人员时刻注意大绳情况，以便判断是否歪钻。
如出现歪钻情况，对此的补救方法是回填片石，同时保证回填片石强度，反复填孔冲砸，直至取直，或灌注水下砼，灌至弯曲部分之上，确认强度达标后再重新进行钻孔。
6.3 塌孔 塌孔有两种情况：一种是孔口坍塌。另一种是孔内坍塌。
塌孔事故应力求预防为主，一旦发生应及时处理。保证钻孔时泥浆质量的各项指标满足规范要求，并有足够的水头高度；起落钻头时对准钻孔中心，在不同土层中选用不同的冲程；塌孔不严重者可回填粘土和水泥后加大泥浆比重、加高水头，继续钻进；塌孔严重者应使用片石、粘土、水泥回填，换孔位钻进，待其它孔位完成后再复钻。
6.4 卡锤 分析锤头卡住位置及具体情况，不宜强提，一般采取晃大绳及其他措施，使锤头松动后再提起。因锤头穿过岩层突变处导致的卡锤，优先采用水下爆破的方法进行处理。在整体岩层中此方法容易奏效，砂土地层中不宜采取此方法处理。由于机械故障导致锤头在浓泥浆中滞留时间过长造成的锤头无法提升现象，应采取插入高压水管置换泥浆的方法进行处理。卡锤主要以预防为主，溶洞位置宜用小冲程进尺，及时补焊锤头，保证孔径圆顺。
6.5 混凝土面下降 混凝土面下降一般为灌注过程下降和灌注完成后下降两种。灌注过程下降为随着混凝土面的上升，混凝土对孔壁压力增加，极易造成普通封堵溶洞位置孔壁破裂，混凝土挤入溶洞，混凝土面下降。灌注结束后混凝土面下降为溶洞位置混凝土渗漏造成混凝土面下降。混凝土面下降的处理及控制办法有：
①溶洞发育桩基使用多层钢护筒跟进。②加大导管埋深，溶洞桩基一般埋深4～8m，个别桩基在不影响混凝土灌注的情况下尽量加大埋深。混凝土使用缓凝剂，延长初凝时间。③灌注过程时刻观察孔口排浆量，经常探测混凝土面高程。混凝土正常下灌但孔口不排浆或水头下降，应加快灌注速度并连续灌注，同时测量混凝土面情况。如继续灌注但混凝土面不上升也不下降、导管埋深5m以上，则暂停灌注，待混凝土稳定后再继续灌注，同时检测导管埋深，考虑拆管，尽量使导管口离开泄露面后继续灌注。若混凝土灌注过程中出现混凝土面下降现象，应连续灌注使混凝土注满溶洞，既保证了该桩灌注成功，同时为下步后续桩基的施工奠定了较好的地质条件。④灌注结束后导管不宜马上拆卸，4m底管应埋至混凝土面下至少半小时，如无明显下降再开始拆管。⑤溶洞桩基应超灌2～3m，以防灌注结束后混凝土渗漏造成混凝土面下降，导致桩长不足，影响桩头施工质量。
7 成品桩基质量检测
在钻孔灌注桩施工完成后，还需要对其进行检测，确保钻孔桩质量合格。针对岩溶地区的特点，通常短桩采用低应变动力检测的方法，长桩或直径大于2m采用超声波检测的方法，超声波检测方法能够很好地检查桩基质量。
8 结束语
岩溶地区地形、地质复杂，在此地区建造桥梁，必须首先控制好钻孔灌注桩的施工质量。新建郑徐客专徐州特大桥岩溶桩基施工，制定了合理的施工技术方案和质量控制措施，桩基检验合格率达100%，Ⅰ类桩占到99%以上，为类似的岩溶桩基施工起到借鉴和参考。
参考文献：
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