某高速公路立交桥地质勘察塌孔原因分析与对策

施平 张亚辉 赵伟

摘 要：工程地质勘察过程中经常遇到钻孔漏浆甚至塌孔埋钻现象，不但影响勘察质量和工期，而且造成一定的经济损失。多年工作实践总结，塌孔主要原因为：地层岩土性质、钻机速度、泥浆稠度、施工机具及工艺等，往往忽略了地下水类型和特点的影响。本工程在实施勘察钻探过程中出现地下水位附近砂层渗漏严重，塌孔，采用调整泥浆稠度、控制钻速等措施均无果。经过对场区地形地貌、地层特征、地下水特点的分析，证明本次渗漏塌孔的主要原因是由于动水压力造成孔壁发生“流土”破坏失稳，并成功指导后期勘察钻探工作，也为今后桥梁桩基成孔提供建议。

关键词：钻探塌孔;土拱效应;动水压力

中图分类号：P634 文献标识码：A

1 项目概况

拟建分离立交桥设计孔数及孔径：2x79 m，上部采用转体T型钢构，下部拟采用柱式墩、桩基础。

桥位区位于滦河一级阶地，属于冲洪积平原，地形平坦开阔，地面标高一般在40.7 m～41.2 m，相对高差0.5 m。场区及附近地貌条件较简单，受地质构造影响，出现孤山包，呈“串珠”状分布，山体高度小于100 m，孤立分布。本项目路线跨越山包南侧山嘴，均采用桥梁跨越方式。（见图1）

2 地层条件

2.1 地层结构

根据区域资料调查，场地地层主要为上覆第四系全新统（Q4al+pl）、上更新统（Q3al+pl）冲洪积粉土、黏性土、粉细砂及碎石土，下伏元古界长城群大红峪组（Pt21chd）白云岩（中厚层状燧石条带或团块质白云岩夹白云质泥灰岩，调绘层理产状为240°～280°∠30°～40°）、薄层石英砂岩;山嘴东侧下伏太古界（Ar）变质闪长岩与白云岩呈不整合接触。

根据现场条件展开桥位区地质勘察钻探工作，依次由B区逐步进入A区。

2.2 地下水

勘察期间，山嘴东侧地下水埋藏于粉质黏土层，埋深一般在11.0 m～11.5 m。山嘴西侧地下水埋藏于粉细砂层中，埋深一般14.0 m～14.5 m。（见图2）

3 钻孔坍塌原因分析

钻探作业进入A区时候，采用跨墩法进行钻探施工。首次在钻孔24、2、9出现下部漏浆，并在不足10分钟时间内出现坍塌埋钻现象。经现场校核事故发生部位，发现均发生在初见水位处，即④层饱和粉细砂层中。挪移孔位后，增加泥浆稠度，在事故附近位置开始降低钻速，待钻进该层饱和粉细砂一定深度后，孔内液面开始降低，且速度逐步加快，仍然出现了塌孔埋钻。

根据以上现象的分析塌孔埋钻主要原因。

（1）地层特点。砂土层地层为主，孔隙大、中密-密实状态为主是该地层的特点。地下水位以上损耗一定量泥浆，液面略降低，只有不断补浆才能顺利循环作业，事故发生部位主要为④层饱和粉细砂层，渗漏加剧致使塌孔。

（2）地下水位特征。经调查，并结合本次部分勘察孔量测水位分析发现，山嘴东侧（B区）稳定地下水较西侧（A区）水位高出3.0 m～4.0 m。距离120 m～150 m左右，存在水头差。

（3）原因分析。钻探成孔时，由于“卸载”作用破坏了原始地层初始应力平衡状态，圆形断面的径向应力状态会很快调整为环形分布，形成封闭的应力拱。最大主应力方向由原来的竖向转变为水平环向。拱效应半径几乎在土性不变情况下，仅随着钻孔直径的增大而增大[1]。

钻探卸荷继续，随着泥浆和钻具对饱和砂层孔壁共同作用，瞬时间，会产生超孔隙水压力。由于山嘴东侧与西侧存在近3%左右的水力坡降，故在西侧饱和砂层中会产生渗透力。砂土中的渗透水流在水头差作用下，力的方向与渗流方向一致，有使土颗粒向前运动的趋势，其值等于土粒对水流的阻力。

icr--临界水力梯度，γw--地下水重度，σψ-砂土体孔隙比，Gs--比重。

由于AB区存在水头差，在B区出现向上渗流。当水力坡降达到临界水力坡降克服掉颗粒之间的摩擦力，就会导致颗粒趋于“悬浮”状态。σ值减小，icr也在减小，当i>icr饱和土发生流土破坏。也即初始渗流作用将颗粒间细粒逐渐带走，颗粒间的有效摩擦力减小，加之，超孔隙水压力在砂土中的消散时间效应很短[2]。双重作用下，导致孔壁颗粒发生位移持续发展，孔壁稳定性逐渐减弱。

在动水压力形成的渗透力作用下，加速孔壁失稳破坏，水流将泥浆部分颗粒带走，稀释浆液，孔内泥浆液面迅速降低。当发生动水压力大于浮容重时，“流土”或“流沙”現象发生，孔壁四周失去底部支撑发生坍塌，导致钻具被埋。

4 对策及建议

根据本项目特点及工期要求，最终采用钢套管护壁措施，要求套管底端穿过④层饱和粉细砂层底不少于3.0 m。杜绝了钻探塌孔事故的发生，加快了施工进度，缩短工期。对本场地勘察具有很好的实用性和指导性。

建议桩基施工前，施工现场建设用水井在山嘴东侧设置，降低上游水头。由于A区上部地层砂土及粉土比重大，且土体干燥，施工时必须设置护筒，防止坍塌。

参考文献：

[1]李大鹏，唐高德，李治忠.基于拱效应的钻探塌孔机理分析及对策[J].江南大学学报（自然科学版），2012，11（02）：71-77.

[2]姜朋明，胡中雄，刘建航.地下连续墙槽壁稳定性的时空效应分析[J].岩土工程学报，1999，21（03）：338-342.