“混凝土灌注桩+大管棚”在东山五标塌方处理中的实践与研究

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 引言

东山供水工程施工五标为9#隧洞进口土洞段，上接输水线路施工七标，标段分界点为9#隧洞进口(桩号YD7+205.92)，末端为9#隧洞进口土洞与岩石隧洞交接点(桩号YD9+478.86)，该标段主洞段长约2.273km，施工布置2条支洞(分别为9-1#竖井支洞和9-2#施工支洞)。分别在开挖掌子面桩号YD8+395.885和YD8+434.105时发生两次塌方，塌方体淤泥充满隧洞，完全将掌子面封闭，无法靠近掌子面施工，故剩余38.22m土洞段未开挖。根据开挖过程中揭露的地质情况和施工期补勘孔柱状图，剩余土洞段从含砂低液限粘土层中穿过，洞顶存在一层厚度卵石混合土层和级配不良砂层，为主要含水层。卵石混合土层的特性：砾卵石为砂岩，粒径在6cm～15cm，约占25%；砾石直径0.5cm～5cm，约占20%；砂为粉细砂，约占30%；土约占25%。含砂低液限粘土层的特性：砂为粉细砂，含砂量约占20%。级配不良砂：结构松散，以粉细砂为主，含砂为60%～80%，土为20%～40%，局部夹低液限粘土层。

地下水位线位于高程1055m左右，9#隧洞洞顶位于高程1019.78m。

2 塌方处理施工方案设计

为了确保洞内施工安全，先在塌方段地表利用混凝土灌注桩进行塌方段加固处理，然后再进行洞内塌方涌泥堆积体的清运、超前大管棚的支护施工和剩余土洞段的开挖支护施工。塌方处理采用“混凝土灌注桩+大管棚”的施工方法，塌方处理纵剖图如图1。

图1 塌方处理纵剖图

(1)塌方体洞段地表施工方法：在9-1#下游及9-2#上游塌方掌子面处，各设置一堵混凝土灌注桩止推墙，阻断洞挖塌方松散体与洞内的连接通道，然后进行洞内塌方涌泥堆积体的清运。

(2)塌方段洞内施工方法：为加快工期及确保清淤效果，分两次洞内清淤。第一次清淤与地表灌注桩同时进行，第一次清淤至不能再清时，立刻封闭掌子面，待混凝土灌注桩止推墙完成后，开始第二次清淤，清至止灌注桩推墙后，进行管棚施工，最后进行剩余土洞段开挖支护施工，直至土洞安全贯通。

具体施工步骤流程如图2所示。

图2 塌方处理施工流程

3 灌注桩施工研究

根据现场情况，在塌方体顶部高程1075m位置开挖面积为1300m2的施工平台，平台浇筑30cm厚混凝土做硬化处理。灌注桩施工平台平面布置见图3。

图3 施工平台平面图

采用浇筑单排灌注桩的施工方法形成混凝土止推墙，宽度为10m，大于隧洞洞径4.8m，长度为65m，深入隧洞底部5m。单根灌注桩直径φ80cm，中心间距为1.0m。灌注桩底部20m为钢筋混凝土，其余为素混凝土，钢筋笼采用φ20和φ25钢筋制成，钢筋间距20cm。灌注桩设计施工剖面见图4，平面布置见图5。

图4 灌注桩设计施工剖面

图5 灌注桩设计施工平面布置

3.1 机具选型

因灌注桩施工部位为卵石混合土层和级配不良砂层，多为塌方松散体，土体可塑性差，桩孔深度达到65m。为改善土体情况选择挤土桩，根据施工设计选择塑性混凝土灌注桩，灌注桩造孔设备选择乌卡斯CZ-6型钻机，配备中空和实心钻头两种钻具。

3.2 施工顺序确定

结合挤密桩施工原理，为改善施工段土体密实情况，保证桩孔成型效果，先施工5#、3#、7#、1#、9#桩，再施工4#、6#、8#、2#桩，以便于桩体周边土体受挤压，将松散土体挤压密实，减少塌孔影响。施工顺序见图6。

图6 施工顺序

3.3 孔位及孔斜保证措施研究

灌注桩孔位及孔斜的施工质量直接影响关乎洞内是否能形成连续的混凝土止推墙，关乎塌方处理的成功与否，因此，灌注桩施工孔位孔斜的质量保证为本次塌方处理的关键。

3.3.1 孔位保证措施

由测量人员采用莱卡802全站仪进行桩基轴线定位点和水准点放线，然后根据桩位平面布置图，确定每根桩的位置，并在每根桩的中心打入木桩，并做好标记。施工前，桩位要进行检查复核，以防被外界因素影响而造成偏移。

3.3.2 孔斜保证措施

3.3.2.1 偏孔发生的原因分析

桩孔偏斜主要表现为成孔后桩孔出现较大垂直偏差或弯曲，一般多发生在采用冲击钻成孔上，在冲击钻自护筒向孔底的下沉过程中观察钢丝绳与护筒位置相对变化可以判断是否成孔偏斜。根据东山五标灌注桩造孔的施工经验，灌注桩施工造成偏孔的原因一般有：①孔底土质不均，岩土层强度相差较大；②砂砾层面呈倾斜状分布；③土层中夹有大的孤石或其它硬物等情形均会造成钻孔偏斜；④成孔过程中桩锤遇到松散体或采空区，打空锤引起偏孔；⑤钻头偏心过大或掉齿；⑥桩机安装就位稳定性差，冲桩机架在施工中逐渐倾斜或枕木失衡，使桩锤中心偏离孔位[1]。

根据东山五标灌注桩施工情况，灌注桩埋深为65m，偏孔发生的部位主要为卵石层与黏土层接触面。偏孔原因主要有：①由于孔底岩土层不均匀，呈软硬相间，受力面强度相差较大而造成偏孔；②根据场地工程地质剖面，砂砾层呈倾斜状分布，冲进过程中桩锤遇倾斜岩面时受力不均，桩锤沿倾斜的岩面发生偏移，最终造成桩孔偏斜；③由于局部为松散体或采空区，当成孔过程中桩锤遇到土洞时，打空锤引起偏孔。

3.3.2.2 偏孔的预防措施

灌注桩成孔是依靠钻头的重力作用成孔，只要冲程合理，就不会出现孔道偏斜现象，施工前应做好预防措施：①施工前应详细了解每根桩的地质条件，找出可能发生偏孔的地层位置；②成孔过程中定时检查钻头中心点，当成孔深度到达可能发生偏孔的地层位置附近时，应加密监测，及时发现偏孔情况；③根据实际地质情况确定合理冲程，准确控制松绳长度，避免打空锤；④施工前对桩机进行检修，确保桩机和桩锤处于正常使用状态；⑤桩机安装就位前先将场地夯实平整，枕木宜均匀着地，确保桩机安装平稳。

3.3.2.3 偏孔的处理措施

在灌注桩施工作业中，操作人员为了提高进尺，在冲孔过程中不管实际地质情况如何，都采用大冲程，这样就容易造成桩孔偏斜。若发生桩孔偏斜，应及时采取有效的纠偏措施。根据我部偏孔处理经验，总结出冲孔桩偏孔的一般处理措施如下：①在地质条件复杂情况下进行冲孔桩施工时，开始时宜小冲程不间断造孔，进入不均匀地层或遇到孤石时，则宜大冲程造孔；②发现桩孔偏斜超过规范要求时，及时向桩孔内回填块石和粘土块至偏孔位置以上至少0.5m，保持冲斗的作业面强度均匀，然后采用低锤密冲，反复校正，直到将偏孔校正好；③当采用回填块石进行纠偏后，应及时清理泥浆池沉碴，以避免影响正常反碴，造成持力层误判；④纠编前应修复已损坏的桩锤，补焊好钻头齿头。

3.4 钻孔施工技术研究

土体多为塌方松散体，含水丰富，成孔难度大，本工程通过调整泥浆浓度，改善塌孔现象。

3.4.1 泥浆制备

根据该段地质特点，施工中采用砂率为3.2%、塑性指数为25.7的黏土作为造浆原料。

3.4.2 钻进过程中的泥浆控制

泥浆主要有三个作用：护壁、浮渣及固孔。控制泥浆相对密度的大小取决于桩基地质构造特点。在施工过程中，进行了多种泥浆相对密度情况下的钻进试验，当泥浆浓度控制在1.20以下时，孔壁时常有掉块现象，极易塌孔，不利于施工；当泥浆浓度控制在1.20～1.35之间时，固壁效果好转，但泥浆中砂率过大，不易带出浮渣；当泥浆浓度控制在1.4～1.45之间时，泥浆砂率明显降低，固壁效果良好。为保护护壁，不造成塌孔，在清孔完成后泥浆浓度不易太低，控制在1.2～1.35之间，粘度25～35，砂率控制在10%以下。

3.4.3 高浓度泥浆对灌注桩的危害及解决办法

(1)危害：降低灌注桩的侧摩擦力。清孔后泥浆浓度相对较高，稠度大，在孔壁上形成的泥皮厚，浇筑时无法有效清除，则会减小桩基与孔壁间的摩擦力。在洞内灌注桩凿除后，会因摩擦力小于灌注桩自重导致下滑，造成洞内施工危险[2]。

(2)解决办法：在灌注桩施工过程中，在可塑性较差地质段会有局部掉块现象，形成灌注桩设计断面外的空腔，该空腔可作为灌注桩“抗滑槽”，此时停止钻孔施工，在该位置浇筑高度为3m的混凝土，浇筑完成后的混凝土在“抗滑槽”内形成“齿墙”，在施工过程中形成的一个个“齿墙”，解决了灌注桩下滑的难题。

3.5 地水位线位置施工技术研究

根据地质剖面图所示，在埋深20m～26m处为地下水位线位置，该段含水比较丰富，施工到该位置后，泥浆被部分地下水稀释，浓度不够，部分泥浆通过原有的水系通道渗漏，造成孔内泥浆高度不足，浓度不够，泥浆无法达到设计的护壁效果，经过长时间的浸泡，施工扰动易造成塌孔现象。在即将施工该位置时，向孔内添加碎玉米秸秆和袋装水泥，将原水通道堵塞，减缓漏浆速度，提高泥浆浓度。到达该位置时停止钻进施工，向孔内填入混凝土，确保高于地下水位线，等10h后混凝土成为整体，重新钻进施工，同时加入棉絮和碎玉米秸秆，以堵塞混凝土被钻机打裂的缝隙。

3.6 采空区施工技术研究

灌注桩45m以下部位为已开挖完成洞段，形成采空区。为防止施工至采空区顶部，泥浆急速涌入采空区，灌注桩孔内形成负压，导致泥浆护壁掉落，造成塌孔现象。该工程在灌注桩施工至45m位置前，在洞内修筑砖砌止推墙，将洞子封堵，并向墙内注浆，将采空区填充密实，从而解决泥浆涌入采空区，造成塌孔的问题。

3.7 第一、二次洞内清淤施工

在尽可能稳定的前提下进行第一次清淤施工，清淤施工时刻关注灌注桩施工进尺，在第一根灌注桩施工到达洞顶高程以前，将施工面用砖砌止推墙完全封闭，并回填黏土泥浆，确保墙内填充饱满。在地表混凝土灌注桩施工完成达到设计强度后，开始洞内第二次清淤。在确保安全的情况下清至灌注桩位置。

4 管棚工作室施工

为了便于φ108大管棚的施工，在距灌注桩止推墙5m原开挖完成洞段进行扩挖，建造管棚工作室，工作室采用φ76管棚+I14工字钢支护，具体支护参数为直径D=φ76，δ=5mm，L=12m，间距0.3m，倾角12°，I14工字钢每0.5m一榀，8根φ25，L=2m锁脚锚杆。工作室顶部扩挖高于原洞顶65cm。管棚工作室开挖支护见图7。

(a)管棚工作室开挖支护平面

(b)1-1断面

(c)2-2断面

5 大管棚施工

分别在桩号YD8+444.105和YD8+388.885顶拱边墙位置设置两组30m长大管棚，两侧管棚均穿过灌注桩，且在未开挖区中间位置搭接，从而保证超前支护强度，以便后续开挖支护施工的顺利进行，管棚剖面见图8。大管棚设计参数为：直径D=φ108，δ=5mm，L=30m，间距0.3m，倾角5°，在D=108钢管内安装1根φ76管棚和3根φ25束，以增强管棚的刚度，φ108管棚断面布置参见图9、图10。灌浆采用纯水泥浆，水灰比为1∶1和0.5∶1，φ76管棚灌浆压力为0.3MPa～0.5MPa。注浆管制作加工见图11。

图8 管棚剖面

图9 大管棚施工参数断面

图10 D108管棚结构剖面

图11 注浆花管

5.1 复杂地质条件下钻孔施工研究

根据现场情况，钻具需穿过网喷混凝土、土层、混凝土灌注桩。穿越地质复杂，若单采用冲击钻头，在土层施工时不但施工效率低下，出渣时需要反复涌水冲孔，对土质地段极为不利，特别容易引起塌孔现象；若单采用回旋钻杆施工，则在网片喷射混凝土和灌注桩段施工时无法进行。该段需穿越塌方松散体，地质条件较差，为富水含砂层，极易塌孔，不利于穿管作业。

大管棚钻孔施工分别依次穿过钢筋网片喷射混凝土、砂层或土层、混凝土灌注桩和土层，从而影响成孔效果，面对不同介质采用不同钻头及钻具，采用SKMG40锚固钻机，采取跟管施工并配备三个钻头(φ130冲击钻头，φ110偏心钻头和φ125回旋钻头)。故我部先用φ130冲击钻头将喷射混凝土凿除，人工配合将网片割除，待造孔穿过喷射混凝土层到达砂层或土层后将钻杆拔出更换φ125麻花钻继续造孔；待造孔遇到混凝土灌注桩后，将麻花钻整体取出更换为φ130的冲击钻头及与其匹配的钻杆，继续造孔；待穿越灌注桩后再次将整套钻具钻头取出更换为φ125回旋钻头，继续钻进；待达到设计深度以后，最后更换φ110偏心钻头将跟管一次送入钻孔中，从而完成钻孔施工。

5.2 钻孔角度保证措施研究

5.2.1 导向架安装

根据现场情况进行测量放线，确定导向架实际尺寸，在钢筋加工房放大样确定导向架加工尺寸。导向架设计：I14工字钢拱架纵向安装3榀，间距50cm，纵向分布φ25连接钢筋环向距1m。仰坡中预埋锚固筋要与工字钢焊接，保证其稳定性。在制定位置安装大管棚导向管(φ140mm钢管，壁厚5.5mm，节长50cm)。现场施工时利用全站仪在工字钢钢架上测量定出平面位置，设定导向管的倾角、外插角，然后按设计要求焊接在套拱钢拱架上，导向管与钢拱架应焊成整体，防止套拱混凝土施工过程中产生位移。此外，导向管靠近掌子面端头必须密贴作业面。

5.2.2 钻孔施工保证措施

(1)钻进过程中，由于钻具受重力作用不断下偏，致使钻机上翘，钻孔越长，此种现象越明显，因此，钻机就位时角度控制在7°～8°，略大于设计的5°倾角。

(2)跟管钻具在施工前应逐一检查冲击器、偏心钻头、导正器、套管靴等，使之工作正常。偏心锤头应能灵活转动，连接销及锁紧机构应牢固，钻杆与潛孔锤和潜孔锤与偏心钻具的连接应可靠，套管和套管靴无裂纹。

(3)跟管钻进时，在确认钻头接触到碎石土层后，先回转，待正常后，再开风冲动钻进。

(4)每钻进一定距离应强风吹孔排粉一次，以保持孔内清洁。

(5)当偏心头回转部分被岩渣卡住而不能收拢偏心头时，应开动空压机重新对钻孔进行清洗，作短时间钻进，然后再进行试提，如此反复，直至提出中形钻具。

5.3 管棚注浆施工技术研究

5.3.1 注浆准备

大管棚施工前先将掌子面喷射厚度为10cm的C20混凝土，将掌子面封闭，不但能保证管棚期间掌子面的稳定性，还能防止注浆时浆液渗漏。

5.3.2 施工顺序

管棚注浆顺序遵循“先两侧后中间、两侧对称向中间靠近、浆液由稀到浓”的原则。为防止出现塌孔或注浆窜孔，可分序分循环施工，奇数孔为Ⅰ序孔，偶数孔为Ⅱ序孔，先进行Ⅰ序孔，再进行Ⅱ序孔施工，同一工序孔内每4个孔分为一个循环，一个循环完成后再进行下一循环施工。I序孔施工完成后按此施工顺序施工Ⅱ序孔。

5.3.3 管棚注浆

由于管棚长达30m，采取全孔一次灌浆法会使孔底灌浆压力衰减，无法保证灌浆施工质量。故采用自下而上分段灌浆法进行灌浆施工。由于塌体内空洞大而多，这些空洞有的直接与塌空区相连，注浆时浆液在压力作用下通过这些空洞泄流至塌空区，而不能在管棚附近均匀扩散，从而使注浆加固带无法形成，为此，根据经验采用间歇注浆法，即当长时间注浆压力上不来时，说明浆液顺空隙泄流至塌空区，这时将浆液凝结时间调整至30s～50s，注浆1min～5min，停40s，待原注入浆液初凝变稠后再注，如此反复，则原先的泄浆通道逐渐变小并最终堵塞，浆液即在管棚周围达到均匀扩散的目的。

6 破桩施工技术研究

混凝土灌注桩桩长65m，贯穿隧洞开挖断面，破除段为侵占隧洞开挖断面部分，为桩体埋深54.5m～58.4m段，该混凝土灌注桩摩擦受力，破桩施工若扰动过大，会导致受力情况变化，桩体失稳，导致整体下滑，造成安全事故。因此，在破桩施工时，先人工凿除洞顶20cm混凝土，配合氧气焊将钢筋割除，待将灌注桩完全凿断后，再用破碎锤凿除以下部分。期间人工用气焊对桩内钢筋进行割除，拆除混凝土及废钢筋采用扒渣机装入5t自卸车内运至渣场。在灌注桩完全破除后，用三榀I14拱架紧贴灌注桩支立，确保灌注桩受力稳定。在施工过程中派专职安全员监视洞内情况，如有危险及时通知撤离。

7 富水含砂段开挖支护施工技术研究

该段土洞地质条件差，土质多为砂土且开挖期间渗水严重，开挖面砂土经水浸泡极易造成塌方。

7.1 排水花管安设

针对该地质情况，我部在管棚施工完成后，在管棚周边增设3～5根φ108角度为30°长度为30m的排水花管，以减少土体内压力，并将土体内大部分水引排，减少水对开挖施工的干扰。

7.2 开挖施工技术研究

采用“超前支护、分台阶、预留核心土、分部位、短进尺、勤支护”的方法进行开挖。

总结历次塌方的经验，每次塌方前都是土体受水浸泡，变为流沙，导致下台阶或预留核心土坍塌流出，致使开挖掌子面形成反坡，随着时间推移而扩大，在土体承载力不够的情况下造成塌方。因此，开挖施工防止塌方要做到以下几点：

(1)确保未开挖区的稳定。随着排水花管长时间排水，水流携带泥沙流出，造成未开挖土体内部形成空腔，在水流的影响下，随着开挖掌子面逼近，极易造成塌方。因此，在开挖施工前用喷射混凝土将掌子面封闭，并针对空腔区打2m长φ42超前小导管注浆，直至注满为止。

(2)确保下台阶及核心土的稳定。开挖上台阶时为减少下台阶的稳定性，将袋装水泥平铺在下台阶作为施工平台，为保证核心土的稳定，用人工先掏槽支护再开挖其余土体的施工方法进行核心土的保护。

(3)确保上台阶开挖面的稳定。在施工期间如有水流携带泥沙流出，及时用袋装水泥将形成的反坡填实，并用喷射混凝土将掌子面封堵。然后对掌子面进行固结灌浆。待稳定后重新破面开挖。

(4)确保边墙稳定。为争取施工时间，下台阶开挖分两个边腿开挖支护和底板支护开挖三部进行。采用小挖机将边墙位置钢拱架支腿位置挖出，并安装支腿，钢筋网并喷射混凝土，然后再进行另一支腿的开挖支护，最后待两条支腿稳定后再进行底板的开挖支护施工，最后进行底板混凝土的回填。

8 结语

本文通过对东山供水工程五标塌方处理施工过程中的经验总结，提出通过混凝土灌注桩形成阻挡塌方体向洞内涌泥的止推墙，为清淤工作提供施工条件以便靠近施工掌子面，然后采用全断面大管棚施工的方法将塌方体下方设计开挖洞段全断面封闭，形成“大管棚+水泥浆的保护壳”阻断涉及开挖线以外流沙对设计开挖段施工的干扰，阻断外界淤泥涌入开挖区。在保证施工安全的前提下，塌方处理完成并做到了在富水砂层段的隧洞贯通，获得高效率、低成本的施工工艺和施工方法，可以为以后此类工程提供借鉴。