浅谈岩溶地区桩基设计和施工中的若干问题
2016-10-17
1、前言
贵阳绕城公路西南段凉水井大桥总长720m，设计桩基96根、桩径基本为φ1.8m的嵌岩灌注桩，设计挖孔桩50根，钻孔桩46根，总长2350m，挖孔桩最深25m，最浅12m，钻孔桩最深52m，最浅20m。实际施工中，由于桥位区岩溶极为发育，溶洞多，分布广，走向复杂，结构多样，地下水丰富且埋藏浅等原因，设计10根挖孔桩在施工到一定深度后因无法继续下挖而变更为钻孔桩施工。虽然整个桥梁桩基每孔都进行了地质钻探勘查，但因由于岩溶地质复杂，不可预知性，给桩底持力层的确认带来很大难度。本文通过该互通立交桥桩基施工实践对岩溶地基桩基设计与施工中的若干问题进行讨论。
2、桥位区地质情况
本桥梁地处贵州高原中部山区，位于贵阳市小河区金竹乡，桥区地貌类型属构造溶蚀型低中山地貌，岩层结构基本是露地层为上覆残坡积层（Qel+dl）亚粘土，下伏基岩为三叠系下统安顺组(T1a) 薄～中厚层状白云岩，大冶组(T1d)薄至中厚层状灰岩，层间夹泥线、钙质泥岩。地层产状为280°∠65°，呈单斜产出。该区为白云岩分布区，根据钻探资料，白云岩存在不均匀风化，风化厚度变化差异很大，局部地段岩溶发育，钻孔揭露溶洞较多，且桥区地下水丰富、埋藏浅。
2、关于桩位钻探问题
施工钻探勘探对设计及施工而言是非常重要的一环。有以下2个问题值得讨论：
（1) 钻孔数量。设计要求施工钻探为一桩一孔，即在桩位中心处钻孔，根据《公路工程地质勘查规范》（JTJ064-98），对桩径φ2.0m可采取一桩一孔。实际施工中，发现溶洞发育区多数桩基中心及桩围1～1.5m的范围补钻1～2孔揭示的溶洞发育程度、高程情况各不相同，体现岩溶地质的复杂性。本人认为当桩位中心钻孔揭示的白云岩或灰岩为新鲜完整的微风化岩时，可以据此作为设计依据，若孔中心钻孔揭示的岩石呈弱风化、裂隙发育、岩石破坏，或虽岩芯完整，但溶孔、溶槽发育时，应当沿桩周围补钻1～2孔，以查明桩周围有无溶洞发育情况。
（2）钻孔深度。按照《公路工程地质勘查规范》（JTJ064-98），岩溶地区钻孔深度为设计桩底以下整体岩层不少于5m，但由于桩基是边勘查边设计边施工，建设单位及设计单位要求钻孔入岩深度为桩底设计标高以下整体弱风化不小于5m。本人认为，地质钻孔深度应探入连续完整弱风化岩层应不小于8m较为合适（因岩层溶洞发育差别很大），以探明桩底以下8m的完整持力层是更安全可靠。
3、关于桩基成孔工艺的选择问题
由于岩溶地质的复杂性、不可预知性，结合该互通立交桩基施工实践，本人认为冲孔工艺较回旋钻孔工艺要好；在具备人工挖孔条件下，挖孔工艺较机械钻孔工艺强。
凉水井大桥桩基采用了机械冲孔和人工挖孔两种工艺。对于孔深小于20m的桩基，岩层完整，溶洞无填充物、涌水量较小的桩基均采用人工挖孔工艺，该工艺最大优点是可全面开挖，工期快，对施工场地及用电量要求不高，同时能清楚洞察地基溶洞发育的真实情况，能与施工钻探地勘资料能直接对照，确保终孔桩底基岩完整，桩基安全性有绝对把握。挖孔过程对于一般溶洞可采取浇注钢筋砼护壁、或浆砌砖墙封堵，其处理方法简单易行，若挖孔遇到大黄泥、流砂等流塑状填充物溶洞，挖孔便异常艰难，此时应改为钻孔，降低施工成本。
冲孔工艺采用卷扬机加冲击锥施工，该工艺对岩溶发育和岩层不均匀性有较好的适应性。由于溶洞发育极不规则，溶洞、溶槽、溶沟、溶穴、溶笋等形态存在，使得岩层均匀性极差，而不均匀地质对回旋钻机而言是致命的弱点，采用冲击钻可避免回旋钻卡钻、斜孔、进尺困难、溶洞处理难等缺点。然而冲孔桩最大的缺点是孔桩经过反复冲击后，孔径变大，混凝土超灌量增加，因而冲击钻头外径经常采用比设计桩径小5～10cm，具体数据取决于施工经验或岩层强度，岩层强度大扩孔系数便小。
4、关于溶洞处理问题
溶洞处理方法有许多论述，这里结合本凉水井大桥桩基施工实践，总结有以下几点：
（1）利用地质勘探孔提前给空溶洞补水，以达到防止钻孔过程中溶洞顶板被击穿时孔内泥浆水头突然下降而造成塌孔情况发生。理论上采取增加泥浆储备以防水头突然下降而塌孔的做法是可行的，但实际施工过程中，塌孔发生是很短时间内的事，补充泥浆往往是来不及，故个人认为利用地质孔补水仍是预防钻孔过程突然漏浆的最好办法。
（2）遇到溶洞后回填片石黏土进行反复冲填，是处理溶洞、斜孔、卡钻等问题最简单适用可行的方法。本互通桩基冲孔施工过程中对溶洞处理基本采用该方法获得成功。
（3）遇到溶洞裂隙发育，孔内漏水、漏浆严重，采用投片石和粘土往往不能解决问题，可采取投入袋装水泥和粘土，然后反复冲击使得水泥黏土拌和均匀，静置7～8d让胶体凝固后再冲击施工，该方法是处理裂隙漏浆最简单适用的有效方法。其原理是水泥与黏土经过充分搅拌后形成一种具有强度的复合体，后经反复冲击而被挤入裂缝中起到封闭作用。
（4）孔口地表塌陷处理。造成孔口地表塌陷原因主要有以下两点：一是孔口覆盖层中角砾层、砂质土等被洗空而形成“空肚皮”，在钻机震动荷载作用下产生坍塌；二是因溶洞顶板比较破碎，原溶洞内充填物起临时支撑作用，因冲孔施工泥浆循环作用把充填物清除出孔外，造成充填物支撑作用逐步消失而引起溶洞顶板坍塌。地表突然下陷是非常危险的安全隐患，唯一的预防措施是根据地质钻探报告资料认真分析溶洞顶板厚度和岩层强度，在穿越溶洞阶段，要放慢钻进速度，或采用较小冲击锥先破穿溶洞顶板，同时多投入片石、黏土反复冲填挤密溶洞。孔口地表可采用回填片石砼静置数天后再冲孔便可处理。
（5）挖孔桩施工中，经常出现孔壁突然崩塌漏浆，或孔底刚发现甚至未发现的溶洞突然涌起泥浆、流砂，极大危及孔下施工人员的安全。遇到该情况时，不可盲目处理，应立即撤出人员、工具，待其涌浆或涌水稳定后，再安排施工经验丰富人员下孔清理，若清理顺利，不再有泥浆涌起出现，可先对溶洞进行处理后再继续往下挖孔，否则，最好选择重新回填片石、黏土至孔口后采取冲孔。
（6）桩基砼灌注过程中，为防止砼超压力过大挤垮由黏土和片石冲填维护溶洞孔壁，造成砼超灌或出现断桩事故。故要求在灌注砼施工前，结合根据地勘报告资料和投入的片石黏土数量加以判断溶洞孔壁牢固强度，为防止断桩，建议灌注砼导管埋深最好选在4～6m。
5、关于桩底沉渣清除问题
对于嵌岩桩而言，规范允许的孔底沉渣厚度≤5cm，采用冲击成孔工艺对孔底沉渣厚度控制显得非常关键。一般而言，清孔阶段置换泥浆浓度应由浓变稀，一旦清孔完毕验孔合格后应立即下钢筋笼进行砼灌注，避免静置时间过长造成孔底沉渣可能超厚，初灌砼的冲击力会冲起部分沉渣，并随连续灌注过程，孔内泥浆水位上升而将部分沉渣带出孔外。
实际施工中，灌注成桩的桩基不可能每根桩底沉渣厚度都能够取芯检查，经常利用桩基砼内预埋的3根超声波检测器进行质量检查，一旦发现桩底沉渣过厚，可采用钻机取芯成孔（一般施工3孔），再用高压水从钻孔口注入，另外孔口出渣的循环通路，直至将桩底沉渣清除干净，再压注水灰比1:0.5d的水泥浆进行处理。该处理方法投入小，简单可行。
