石灰岩溶地区冲孔灌注桩施工技术

吴鸿毅

[摘要] 本文结合某工程实例,针对石灰岩溶地区主要工程地址特征,分析了石灰岩溶地区冲孔灌注桩常见的施工问题,特别是针对复杂地质条件下成孔遇土洞、溶洞的情况,提出了相应的技术处理措施,以提高岩溶地区桩基施工质量。

[关键词] 岩溶地区冲孔灌注桩施工技术处理措施

前言

岩溶或称“喀斯特”,它是石灰岩、泥灰岩、白云岩、大理岩、石膏、岩盐层等可溶性岩石受水的化学和机械作用而形成的溶洞、溶沟、裂隙、暗河、石芽、漏斗、钟乳石等奇特的地面及地下形态的总称。土洞是岩溶地区上覆土层在地表水或地下水作用下形成的洞穴。岩溶地区由于有溶洞、土洞及暗河等的存在,可能造成地面变形和地基陷落,地下水的渗漏和涌水现象,使场地工程地质条件大为恶化,给岩溶地区桩基础施工带来较大困难。

冲孔灌注桩具有穿透能力强、单桩承载力高等特点,广泛应用于高层建筑的基础中,在岩溶发育区,其应用也愈来愈广泛。在岩溶地区进行桩基施工,较之其他地基类型, 其单桩承载力及完整性要求较高, 对施工控制更为复杂。冲击钻孔技术对不均匀地层具有良好的适应性,实践证明冲击钻进是岩溶发育区最佳的嵌岩桩基础施工技术。本文所述项目不但场地岩溶极其发育, 地质条件复杂,而且工期紧,通过该具体工程实例,论述了石灰岩溶区冲孔灌注桩的施工技术处理措施。

一、工程概况

三明永安某水泥厂熟料生产线水泥储存及运输车间工程,基础设计为冲孔灌注桩,工程桩总数为60根,桩径分别为100cm、110cm,桩长约30m~45m,设计桩身砼强度为C35,最大单桩竖向承载力特征值为9200KN(110)、7600KN(100),总工期为40天,设计要求桩身应嵌入中风化石灰岩1倍桩径。

二、地质简介

1.根据钻孔揭露,工程地质条件自上而下划分为8个工程地质层:①素填土,②粉质粘土,③石灰岩残积粘性土及溶蚀土洞,④全风化石灰岩,⑤散体状强风化岩,⑥破裂状强风化石灰岩,⑦中风化石灰岩,⑧中风化石灰岩及溶洞。

2.本工程岩溶地质特点

拟建场地属丘陵斜坡一沟谷地貌单元,地势北高南低各层地质条件起伏变化大,岩面倾角300,该场地属岩溶地区,在地下水的长期侵蚀作用下:第③地质层有溶蚀土洞存在,分布较无规律,洞体高度为0.9~5.9m,洞内有的为空穴,有的为半充填或全充填,充填物为软塑状含角砾粘土;第⑧地质层局部地段岩溶较发育存在溶洞,溶洞裂隙多,溶洞形式为窜通式或单体自闭式,有大有小,洞体高度为1.5m~9.9m,洞内有的为空穴,有的为半充填或全充填,充填物为软塑状饱和含角砾粘土。

由于岩溶发育强烈、岩面起伏、倾角陡、裂隙发育、土洞及溶洞广泛分布,地下水埋深浅,地质条件相当复杂,溶洞有软塑填充物或半充填、空洞等情况,特别是后两种情况给桩基施工带来很大的困难,施工过程中常出现的问题有:泥浆漏失、塌孔、偏孔、卡钻等事故,故分析其产生原因及如何处理好溶洞问题是确保成孔质量及施工进度的关键。

三、本工程冲孔桩施工技术措施要点

1.施工准备

施工前地质核查是岩溶地区冲孔桩施工前必不可少的一道程序,在详细勘察资料基础上,做好施工勘察,查清岩溶埋深和起伏变化,分析发育规律和基本形态,是岩溶地区基础施工成功的保证。因本工程地质条件较复杂,经业主同意对所有桩一孔一探,有必要的甚至一孔三探,然后按地质核查报告进行指导性施工。

2.主要施工设备

根据现场施工场地情况,采用CZ-5型冲孔桩机8台,桩锤选用3.8吨重的空心铸钢钻头,本钻头优点:冲孔导向性好,造浆快,对带角砾卵石更易穿过。另选用泵送功率大的泥浆泵,保证冲孔施工时孔体泥浆护壁稳定不会产生坍孔。

3.施工工艺选择

根据地质报告揭示地质条件,桩长较长(30～45m),且此种地质成孔时岩渣较多。本工程成孔采用大功率泥浆泵正循环施工工艺,二次清孔采用气举反循环法,这样可提高成孔效率,缩短二次清孔时间,并能保证孔底清渣效果。

四、施工中常见问题的原因及处理措施

1.漏浆

1.1原因分析

当冲孔通过砂层、砂砾层、卵石层等透水性较好的地层泥浆沿孔隙漏失;灰岩中溶洞裂隙发育,岩层表面的溶沟,溶槽与溶洞相互串通,泥浆沿裂隙孔隙遗失;溶洞相互串通,导致遗失,遇到无充填或半充填的溶洞,泥浆快速遗漏。

1.2处理措施

详细研究分析地质钻探报告,冲孔期间应详细记录冲孔情况,对每一个地层变化处详细作以记录,并认真与地质报告进行核对,是施工控制的核心所在。提前在孔边堆积坚硬片石、粘土及水泥,另外要准备充足的泥浆,在冲击砂卵石层时,往孔内投入优质粘土,采用小冲程反复冲击将粘土挤入孔隙间堵塞孔隙,并加大泥浆的比重及粘度以保持孔壁稳固。在冲孔距溶洞顶层0.5m左右时,应认真檢查孔内泥浆液面高度及泥浆密度的变化,因击穿溶洞顶板后一般会发生漏浆,若发现泥浆面下降较大时应马上提钻,采取以下措施:①遇较小溶洞漏浆,及时填入优质粘土后补充泥浆至空口以小冲程冲孔即可堵漏。如ZK6、ZK19桩就以此法处理顺利成孔。②遇较大溶洞可采用袋装粘土及片石(加适量3-5cm碎石)混合物,充填超过溶洞顶面3-5m然后用冲击锤边填变充实,如漏浆太快散填困难时,可采用集中抛填即将粘土装袋,水泥整包、片石集中装袋,在较短时间内大量抛填以小冲程冲击使其挤入裂隙溶洞内,如此反复操作成孔。如ZK9桩冲至36m深时漏浆,泥浆液面下降9m,立即在孔内填泥5m3、填石3 m3、装袋水泥12包后继续冲孔,堵塞洞穴,形成坚实孔壁。③遇反复漏浆大溶洞,在采取②措施后仍漏浆,可采用灌注标号C15砼方法。如ZK33桩孔当冲至39 m 时,泥浆面急速下降12 m ,在填充粘土及片石后仍有漏浆现象,立即调整施工方案采用C15砼直接灌注至孔底直至溶洞顶面标高以上3m ,液面趋于稳定不漏浆,5d后当砼强度接近设计强度后用小冲程冲击成孔。④对大溶洞(洞体高度达5m以上),也可采用下同桩径大的钢护筒从上至下接至洞底,但因下钢护筒的方法成本较高,故本工程未予采用而优先采用充填法施工。

2.坍孔

2.1原因分析

护筒周围未用粘土填封密实而漏水或护筒埋置太浅。从地质勘察报告提供的地质条件看第②、③粘土层大部分为可塑状态,冲孔过程孔内因泥浆质量较差时,容量发生坍孔现象。冲孔过程中冲锤击穿无填充或半填充溶洞顶板时发生漏浆,孔内泥浆面急骤下降,孔壁失去孔内压力;或溶洞窜通性较强时,常因孔内泥浆突然流失较多而又来不及补浆,导致孔内泥浆面低于孔外水位,外部地下水渗透压力过高而产生侧压力,引起孔壁坍塌。

2.2处理措施

护筒周围应用粘土填封密实,护筒口必须高出地面至少50cm以上,使孔内水位始终高于孔外水位或地面,使孔内水压力增加,这样可以保护孔壁不塌。

在易坍塌地层冲孔时应控制进尺深度,制备相对密度为1.2-1.5,黏度(pa.s)为9-28的优质泥浆,或投入粘土掺片石低锤冲击,使粘土块、片石挤入孔壁挤压密实成孔。如桩ZK23在穿越粘土层发生局部坍塌即以上述方法施工成孔。当击穿溶洞顶板,发现孔内泥浆面快速下降,应立即提升锤头迅速往孔内填充片石及优质粘土回填至溶洞上方3m到5m,然后以小冲程反复冲击,直至穿越溶洞成孔。如ZK52在冲孔至39 m时,排出的泥浆不断出现气泡,护筒内泥浆面突然下降6 m,该现象为坍孔先兆,于是迅速提升锤头后填入粘土及片石按小冲程反复冲进成孔。

3.偏孔

3.1原因分析

因岩面倾斜度较大,岩顶硬度不均匀,岩面凹凸不平,或溶洞顶板厚度不均匀形成偏孔。

3.2处理措施

司钻人员要认真观察钻机主绳,如发现主绳摆动大,钻进困难,应立即提升钻头,对照实际情况分类处理:

⑴基岩面倾角不大的可采用抛填片石及粘土至偏孔处上方50-70cm后冲孔,一般情况下抛填一次即可纠偏。

⑵基岩面倾角较大的,岩质硬度不均匀,岩面凹凸不平的,可采用多次投入片石、粘土,片石回填高度不小于1m,然后再回填0.5m厚粘土,采用小冲程冲击,冲过不平岩面,进入均匀岩层后再采用高冲程冲击。同时要加大泥浆比重,如桩孔ZK49在冲至岩层后偏孔30cm,第一次填石1.5m纠偏后仍偏20cm。第二次填石1.5m后冲孔,孔位才调整到正常位置。

⑶对岩面倾角特大的,采用措施②纠偏效果不佳的,可采用浇灌C20水下早强砼,3d后待强度接近设计强度后继续冲孔,纠偏效果较好。如ZK56桩,采用措施②填石三次仍未能纠偏,后采用C20水下早强砼灌浇至偏孔处上方1m。3d后继续冲孔,孔位调整至正常位置。

⑷对于溶洞顶板厚度不均匀,当岩层较薄弱位置被击穿,钻头冲进溶洞时,较厚部位会形成探头石或台阶,溶洞侧壁岩石凹凸不平,冲击时易发生偏孔,应及时抛填较厚片石高于偏孔处1.0-2.0 m,然后用小冲程反复冲击,直至充填物挤入溶洞内,待钻头平稳后加大冲程造孔。

4.卡钻

4.1原因分析

遇到岩面有较大斜面或有石芽时,冲孔时容易出现卡钻现象;遇大溶洞(洞高大于1.5 m)特别是溶洞内充填情况为未充填或半充填,冲锤钻穿溶洞顶板因钢丝绳回弹,或锤头本身摇摆改变了钻头十字型方向而卡钻;当溶洞内有突出的石笋卡在锤的侧面凹沟内而卡钻等。

4.2处理措施

司钻人员应对照地质钻探资料,认真观察钻机负荷及主绳摆动情况,当发现钻进速度明显下降,且钢丝绳摆动较大时应及时提起钻头,进行抛填处理。当钻至岩面斜面或有石芽处,向孔内填入硬质片石及粘土,充填高度1.0-1.5 m,然后用小冲程冲击密实。在距岩洞顶板以上0.4-0.6 m处改变钻孔冲程和冲击次数采用小冲程进行抵打紧击,并加大泥浆比重,用小冲程进尺,慢慢将溶洞顶板击穿,向溶洞填入片石及粘土(2:1)混合物高出溶洞顶板1 m-1.5 m,然后低锤密击,反复充填冲击至溶洞充填密实直至达到人工造孔目的。如有卡锤,不可强提主绳,应及时测量钻头被卡标高分析原因采用以下相应对策:①慢试法:将主绳一收一放,反复进行钻头旋转而提出。②反弹法:可用小冲击锤冲打钻头边上部,造成反弹力,同时吊车配合钻机慢速拔起。③水下松动爆破法:将乳化防水炸药捆成两捆,药量视地质情况确定,根据卡钻类别将炸药竖放或水平放置,然后用电雷管起炸松动后提升锤头。如ZK36在孔下40 m处卡钻而以爆破法成功取钻。

五、桩基质量检测

本桩基工程经福建省建设工程物探试验检测中心检测结果:超声波法检测60根桩中,一类桩48根,占80 %;二类桩12根,占20%,从超声波法检测结果中的二类桩选10根桩进行钻芯法检测,一类桩3根,占30%,二类桩7根,占70%,桩身砼芯样抗压强度代表值均满足设计要求。另外2根超声波法检测结果中的二类桩进行单桩竖向抗压静载试验结果单桩竖向抗压极限承载力标准值满足设计要求。

六、结束语

岩溶地区由于地质条件较复杂,岩溶较发育,因而对冲孔桩施工的质量及安全会产生较大影响。本工程处理溶洞桩基19根桩,实践证明,现场施工过程中详细分析现场地质情况,针对施工中常发现的质量问题,事先制定预控措施,并严格按规范和设计要求认真组织施工,加大现场管理力度,施工质量完全可以得到保证。