粉细砂覆盖层岩溶地质钻孔桩施工

杨义文

(中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司，湖北 武汉 430000)

1 工程概况

杨泗港快速通道青菱段(八坦立交—丁字桥路)工程共划分为5个施工段落，位于武汉市洪山区。采取主线高架桥+地面辅道的建设模式，主线高架桥等级为城市快速路，双向六车道～八车道。全线设1座互通式立交(八坦立交)，跨过原有白沙洲大道高架桥(见图1)，立交桥基础为钻孔灌注桩，总桩数352根，桩径1 200 mm，1 600 mm，1 800 mm。根据超前钻地质情况变更后桩长30.4 m～52.4 m，桩基类型为摩擦桩、端承桩。立交高架桥梁处于岩溶发育地带，逐桩进行超前钻勘察钻孔柱状图显示，有235根桩基孔位存在大小不一的溶洞，其中绝大部分分布在白沙洲大道西侧，显示溶洞高度从0.4 m～7.0 m不等，溶洞有单层、双层、多层，填充状态有半填充、全填充、无填充，大部分溶洞上方有粉细砂覆盖层，揭露厚度范围2.6 m～14.9 m，层面埋深7.0 m～24.6 m。

2 施工特点及难点

1)施工初期未对岩溶地质桩位处采取地基预注浆措施。

2)粉细砂层在遇到溶洞快速漏浆时极易造成塌孔。因孔内浆面下降，泥浆静水压力不再有效缓解孔边的剪切应力，粉细砂层土体易发生剪切破坏，造成上部松散层塌孔[1]。在砂性土及粉砂性土层较厚的地区必须采取防止地层液化、缩孔、孔壁坍塌的有效措施[2]。

3)施工区域地上架空高压线，地下管线密布。需迁改的地下管线有电信，移动，军缆，交管，燃气，自来水，雨污水，10 kV电缆，220 kV，110 kV电缆拖管。

4)对施工区域内临近已有高架桥梁基础的钻孔施工需采取一定的防护措施，确保已有桥梁安全。

3 施工过程中出现的问题及处理措施

3.1 冲击钻施工、回填复打

立交区域H匝道桩基先期施工，采用冲击钻成孔。岩溶地区钻孔桩宜采用冲击钻机钻孔[3]。根据施工方案配备了片石、袋装水泥和黏土。采取正常成孔方法施工，并将超前钻地质柱状图发给每一位钻机班组长，对钻孔队伍进行安全技术交底，使其熟悉钻孔地质情况，在接近溶洞1 m左右时降低钻进速度，小冲程(0.5 m～1.0 m)慢钻进，缓慢将溶洞顶击穿[3]，以期漏浆速率减缓。提高泥浆比重、粘度，密切注意护筒内泥浆液面的变化，泥浆液面下降应迅速补浆补水，如果仍不能使孔内液面回升，则应立即提起钻头，向孔内回填黏土、片石，水泥，稳定后再利用钻头冲击将水泥、片石和黏土挤入溶洞和岩溶裂隙中，以增大孔壁的自稳能力。H匝道初期进场6台冲击钻，钻机班组人员均为钻机机主，钻孔是他们的专业工作，实际操作技能强，确保成孔成桩关系到他们的切身利益。测量放样进行护筒埋设、钻机就位，泥浆循环系统设置，造浆、试钻、钻进、造浆、钻进至成孔。随钻进深度的增加泥浆比重由1.3升至接近溶洞附近的1.4。实际施工过程中在钻孔深度达到溶洞范围时每个孔位均出现多次漏浆，漏浆速度有慢有快，以快速漏浆为主，10 min内孔内泥浆液面下降高度达6 m～12 m。发现漏浆第一时间向孔内补水补泥浆，提钻头，钻头提起来后用挖机向孔内投入片石、黏土和水泥，回填至原泥浆面高度后再重新冲击。平均每孔成孔前漏浆回填再冲孔次数达6次～8次之多，每孔都有情况不一的漏斗形塌孔现象，最严重为有粉细砂覆盖层的H6-1桩孔在接近成孔时一次性快速漏浆约12 m(见图2)。补水、补泥浆，提钻头过程中伴随塌孔，塌孔发展迅速，钻头刚提出地面，塌孔也发展到地面，在地面形成一个直径达8 m的塌陷区，钢护筒、水泵掉入孔内，钻机用挖机摞开得以保住(见图3)。此种不对地基进行预注浆加固处理，光靠回填复打的施工方式有三个明显弊端：1)成孔周期长，效率低下，即使是熟练的工人也是如此,H匝道桩径1.2 m，1.6 m，桩长30 m～50 m，平均施工周期1台钻机1个月成孔1个。2)严重塌孔的桩位不采取有效措施将无法成孔。3)施工安全风险大，有埋钻头、掉钻机和施工人员的安全隐患。

3.2 地基预注浆处理

在施工安全和施工周期控制上必须对地基进行预注浆处理，或者钢护筒跟进。通过比较选择了对地基进行预注浆处理，处理后使用旋挖钻、冲击钻施工。对超前钻发现有溶洞的235根桩基孔位全部(已成桩除外)进行注浆处理，根据注浆方案每桩缘桩边均匀布设3个注浆孔，注浆引孔深度为设计变更桩长桩基底部。注浆顺序从外向内进行，加压注浆前对注浆孔用水泥砂浆进行封孔，封孔深度3 m,多层溶洞从下层向上层进行注浆。注浆过程出现以下情况，还应采用间歇反复注浆：1)注浆孔自流注浆2 m3后孔底没有明显抬升；2)浆液漏失严重，一次性连续注浆2 m3后注浆速率不减或压力不升高；3)注浆压力突然降低或速率突然升高；4)当流量较大时液面可以上升至孔口，但停止注浆液面又迅速下降且下降速率较大，反复注浆几次浆面没有抬升；5)注浆环境发现异常情况。现场注浆采用浆液为纯水泥浆，不加水玻璃一类的速凝剂，纯水泥浆凝结时间长有利于填充溶洞、地层空隙及固结砂层。为尽快形成强度和地基固结采用P.O42.5水泥，水泥浆配合比：水∶水泥=1.0∶1.0,现场注浆机电脑显示注浆速度5 L/min～72 L/min，注浆压力0.1 MPa～0.7 MPa。注浆作业完成14 d 待注浆体达到设计强度的80%后上旋挖钻、冲击钻开孔钻进。

3.3 旋挖钻施工

部分不受架空高压线影响、地质情况较好摩擦桩桩位采用SR360R-C10型旋挖钻施工，采用6 m长钢护筒，对桩位地基位置换填0.5 m厚毛渣，履带范围内满铺3 cm 厚钢板，确保旋挖钻机站位安全。埋设好护筒，钻机就位，做好泥浆循环系统后开始钻进，泥浆比重控制：在一般地层采用1.1～1.25；在松散易塌的软土地层采用1.3～1.4。旋挖钻施工速度有明显优势，平均一台钻机12 h成孔一个。成孔后清孔和下钢筋笼到灌注混凝土需尽快完成，以免成孔垮塌，经旋挖钻施工的150根桩基仅有1根桩(H7-1)在下钢筋笼的过程中塌孔，其余均顺利成桩。

3.4 冲击钻施工

因场地限制不能上旋挖钻机，桩位处溶洞较大，地质情况较差的位置还是由冲击钻来完成成孔作业。经注浆作业后，冲击钻成孔速度、成孔率都有明显提升，漏浆次数明显减少，成孔速度提升至7 d～14 d。如上述严重跨孔的H6-1桩基经回填注浆作业后仍用冲击钻钻孔经12 d成孔，但仍有极少数桩位出现漏浆塌孔、掉护筒、掉钻头、埋钻头、钻机倾倒的事故。如H1-1由于原桩位塌孔掉护筒、掉钻头无法成孔，H1号墩由原设计2根桩改4根桩；F3-1漏浆塌孔钻机倾倒，经回填混凝土，多次注浆后仍然不能成孔，F3号墩由原设计2根桩改4根桩。

3.5 管线探挖处桩基施工

施工区域地下管线部分走向与深度不能明确需采取人工探挖方式逐桩试探。此处施工尤为复杂，需由人工将整个承台和桩基范围的地下管线探明后才能进行超前钻探桩基处地质情况。其中220 kV,110 kV高压电力管群电缆拖管探挖深度达到8 m，需采用钢护筒防护下挖。探出220 kV,110 kV电缆拖管与桩位冲突处直接更改设计桩位：如A4-A8,C0,G9,F8,D0,Z12。经超前钻显示有溶洞的桩基部位再进行注浆处理，注浆处理完后上冲击钻。由于人工探挖已经将原地面地层结构破坏，埋设护筒时需将周围地面回填夯实，探挖防护的钢护筒拔出后回填压实，重新埋设的护筒长度仅1 m～2 m，远小于人工探挖防护的钢护筒长度6 m～8 m，且探挖孔回填压实不紧密，在钻进过程中出现漏浆地面塌陷而使钻机失稳倾倒，如Z12-1。

3.6 下放钢筋笼和灌注水下混凝土

成孔后第一次清孔下放钢筋笼，下放钢筋笼后第二次清孔，满足要求后灌注水下混凝土。这些工序需连贯紧凑进行，不得耽误。旋挖钻成孔速度快，有部分缩颈现象，导致钢筋笼不能下放到位，需提起钢筋笼后复钻。灌注水下混凝土需一气呵成，尽量减少中途停顿时间，导管埋深可适当增加，以防溶洞壁被挤穿时混凝土流入溶洞还有足够的导管埋深。本工程发生一例非常奇特的案例：A匝道中的A20号墩设计共4根1.2 m直径桩基，设计桩长均为41.4 m。其中A20-4成桩顺利，与其相邻的A20-2桩在混凝土浇筑即将完成时发生塌陷，整根桩跟随地面一起塌陷，在地面形成一个直径约15 m，深度约4 m的大坑(见图4)。现场采取的应急措施为立即回填混凝土和碎石，控制住形势发展(见图5)。分析认为桩基塌孔主要原因是灌注的混凝土压力引起勘察、注浆均未发现的溶洞破壁，混凝土和粉砂流失，导致地面坍塌。根据施工勘察资料，认为持力层基岩厚度满足要求。参照某100 m高层住宅对溶岩地质超长地下室基础进行溶洞处理的设计要求：桩侧溶洞应进行预灌浆处理；桩端下部3.5D～10 m范围内的溶洞也应进行预压灌浆处理；若桩端以下10 m范围内岩层分布连续、紧密稳定，则超出该范围的溶洞，可不予处理[4]。A20-2桩回填混凝土和碎石后续放置4个月经3次扩大范围和深度的注浆处理，上冲击钻后历经14 d顺利成孔成桩。

4 施工经验总结

1)旋挖钻在岩溶地质施工前地基需经预注浆处理，为确保旋挖钻机安全，所钻孔位全部经2次注浆处理，所处地基需压实紧密，满铺钢板，确保钻机安全稳定，旋挖钻钢护筒长度采用6 m效果比较好。

2)冲击钻施工在预注浆处理后虽有漏浆但不会有没预注浆那么严重，从施工实际情况来看，没有预注浆时直接冲击钻施工、回填复打效果都不理想，漏浆时补水、补泥浆根本赶不上漏浆速率，提钻头到用挖机回填片石、黄土、水泥需要多人配合作业，需要一定的时间，与现场人员施工经验、熟练程度有很大关系,等向孔内回填时漏浆孔内基本已经有塌孔现象发生。冲击钻施工埋设的钢护筒长度不能和一般地层施工时的1 m～2 m长度一样，需加长至4 m～6 m，钢护筒越长，漏浆时塌孔的风险越小。地表土质松散且含有流变性砂层桩基采用长钢护筒，有效预防桩基上部砂层及孔口坍塌[5]。钻机坐落的地基需坚固牢实，钻机的平面支撑面积需加大，最大限度的防止钻机倾倒事故。钻头上端应设打捞装置，掉钻后便于打捞，岩溶地质塌孔随时有可能发生，派潜水员打捞钻头几乎不可能。

3)预注浆效果需在施工中随时观察总结，如注浆效果不理想，则应增加注浆孔，增加注浆范围和次数。尤其是有粉细砂覆盖层的地层应作为注浆重点，增加注浆压力和停留时间。如D3，D4两个墩位的4根桩经3次整体回填放置数月，先后4次增加注浆孔，累计注浆4次，最后才成桩。

4)人工探挖区域利用人工探挖防护的钢护筒直接作为钻孔护筒，护筒周围地面应回填压实紧密，回填低标号素混凝土效果最好。

5)在岩溶发育地区进行桥梁钻孔桩施工时，首先应该进行全面而细致的地质调查，对岩溶的发育情况进行充分了解，然后结合工程实际制定出科学的施工方案，来切实做好溶洞的处理工作[6]。施工过程中如果发现任何异常问题，应该结合工程经验及具体状态，采用积极的措施来加以处理，从根本上保证桥梁桩基工程的施工质量[6]。如2009年—2011年在同一地点武汉白沙洲修建的武汉白沙洲大道高架桥，就分别采用了注浆和钢护筒全程跟进的溶洞处理措施[7]。业主、勘察、设计和施工单位及时沟通，总结前期施工经验和教训，优化设计和施工方案在处理此类复杂工程基础问题尤显重要，可最大程度地实现成本和安全可靠的双赢局面[4]。

5 结语

岩溶地质钻孔桩施工有着成熟的经验，但正常施工出现异常情况的就必须采取有效措施，根据现场实际情况具体采用哪种处理措施参建各方统一意见后付诸实施。本工程采用地基预注浆处理后使用旋挖钻和冲击钻配合施工是符合现场实际情况的，也是相对经济合理的施工方法。