岩溶发育区钻孔灌注桩偏孔处治技术

奚光涛 刘向前 中交（长沙）建设有限公司

1.引言

桥梁建设中，钻孔灌注桩是复杂地质条件下常用的承台基础形式，桩基位于岩溶发育区时，其施工过程极易出现偏孔、缩孔、卡锤、埋锤等现象，根据溶洞腔体大小及填充情况，其处理方法主要为回填法、灌注混凝土法、钢护筒跟进处理等。

其中以回填片石法最简便、经济，堆积片石岩体具有一定的承载特性，堆积岩体中间存在较多孔隙，表现为断续和各向异性特征，其镶嵌结构在外部压力下的承载特性不一，孔隙率对堆积岩体的受力破坏特性起着决定性作用。近年来也有研究[表明，在压力作用下堆积岩体产生的侧压强度与片石强度、块径和级配之间有着密切关系，强度均匀和较好的级配能够减小堆积侧压，改善填充效果。基于此，为探究片石强度及其块径对岩溶区钻孔桩偏孔处理效果的影响，本文根据株洲北环大道新建工程为例展开研究，可为类似地质条件下的工程施工提供参考。

2.工程概况及现状

株洲市北环大道工程为城市高架桥梁，全长2.2km，墩位较多沿线地形复杂岩溶发育较为强烈，桩基设计形式为嵌岩端承桩。桩径为1m、1.2m、1.5m、2.0m、2.2m的桩基，桩长在10～40m之间，桩端持力层为中风化泥质粉砂岩、中风化砾岩、中风化灰岩，其中风化灰岩区岩溶发育。

先行施工的桩基Pz4-5-1桩径1.5 m、Pm46-1桩径2.2m，均为单柱四桩桩基，持力层均为中风化灰岩，在施工时均多次出现偏锤、漏浆现象，成孔时间长。由于岩溶区桩基数量多，项目工期较紧，且施工作业面受限，为确保按期完工，需提高溶岩区桩基施工质量及进度。因此，必须对工艺进行优化以满足现场施工要求。

3.偏孔原因分析

3.1 发生偏孔处的地质条件

根据勘测资料，岩溶发育区岩石类型为中风化石灰岩，块状结构，岩体较硬，岩体倾斜，内部存在裂隙，岩体较完整-较破碎，局部偶夹薄层碳质灰岩,溶洞埋深最浅4.2m，最深26.3m，高0.2m～21.1m不等，分布无规律，多数呈串珠状，有溶沟、溶槽、岩溶裂隙，溶洞多为全填充和半填充结构，充填物以粉质粘土为主，湿-饱和，软塑状，夹有砾石，砾石一般2～15mm,最大者30mm左右。部分溶洞分布及结构形状，如图1所示。

图1 岩溶发育区地质结构剖面

岩溶区地质环境复杂导致桩基施工难度大，施工中常存在漏浆、塌孔、卡钻、孔位偏移等问题。一方面由于溶洞中的裂隙发育，相互连接，且溶洞空间较大，因此在钻进过程中容易发生泥浆泄漏，另一方面由于泥浆浓度不够或泥浆不合格，桩孔壁不能形成有效固结的泥壁，泥浆容易从溶洞裂隙流失或被地下水稀释而降低护壁效果，从而发生塌孔，严重时还会导致桩基础附近的地面塌陷。孔位偏差则是由于溶洞引起的岩面起伏，孔底或半岩半土两侧岩体硬度不均，导致孔位偏差。

3.2 偏孔修正的影响因素

经过检查发现，岩溶发育区桩孔钻进存在的主要质量问题是垂直度不符合要求。从人、机、料、法、环五个方面分析产生偏锤的各个原因，得出10个末端因素，如图2所示。

图2 引起偏锤的基本因素

经过调查，在正常施工钻进冲程（1～1.5m）下，成孔速度快但偏孔严重，而采用0.8m左右的小冲程，桩孔垂直度改善不理想，且成孔速度慢，需多次反复抛填，影响施工进度。

地勘报告中桩孔基岩强度在90MPa以上，而进场片石平均强度位于40～50 MPa 之间，片石块径在60～100cm之间，施工过程中发现，与桩径相比，片石块径过大，对偏锤修正作用不大，片石块径过小，锤击时易碎，修孔效果不佳，片石强度和块径对偏孔的修正效果具有明显影响。

由此分析可知，修正偏孔的主要影响因素为：对不同孔径桩基采用相同规格的片石回填处理溶洞，适应性不强；抛填的片石材料强度不足；锤击冲程与成孔效率和成孔质量不协调。

4.偏孔处理

4.1 回填片石法基本原理

钻孔灌注桩施工中，钻锤平面受力不均匀是发生偏孔的根本原因。常用回填片石法，为不均匀地质层人为构造出与基岩强度接近的钻孔面，使冲击锤均匀受力、顺利成孔。

堆积片石在钻锤加载初期，片石堆的内部空隙较多，块石在外力加载下极易发生滑移，整体承载力处于最弱的状态，受力变形量大。同时，岩块之间相互挤压导致块体破裂，镶嵌结构改变，而随着钻锤冲击次数增加，岩体破碎程度增大，其内部空隙逐渐被破裂块石充填压实，整体结构趋于稳定，最后形成均质结构面，减小偏压，达到修孔的目的。

4.2 偏孔处理试验方案

针对本工程的地质条件，选择了岩溶发育区中心地带的桩基进行试验，试验桩号分别为P m4 6-3、Pm46-4、Pes10-1、Pz4-5-3。根据现场情况，制定了不同强度、块径的片石以及钻锤冲程对偏孔修正效果的影响试验方案，如表1所示。

表1 试验方案

4.3 试验结果

根据桩径选用相应块径片石的处理结果如表2所示。

表2 不同块径片石对偏孔的处理结果

由表2可知，对2.2m、2.0m、1.5m桩径桩基，分别采用块径范围在120～140cm、80-120cm、50-80cm之间的片石处理偏孔问题，桩心偏位值能较好地控制在标准范围以内。

采用与基岩强度接近的片石(80 MPa)抛填，与低强度片石(50MPa)抛填效果进行比较，记录钻进效果如表3所示。

表3 不同片石强度对偏孔的修正效果

由表3可知，运用与基岩强度接近的片石回填桩基，偏孔处理效果较好，其桩孔平均偏位值均控制在允许偏差范围内。

抛填后分别采用0.3m、0.5m、0.8m、1.2m四种冲程，比较每0.5m进尺后偏位情况，试验结果如表4所示。结果表明冲程控制在0.5m偏孔修复效果较好。

表4 不同冲程下每0.5m进尺桩孔偏位值

4.4 实施效果

通过工艺改进后，桩基钻孔施工平均每天进尺增加69%，桩基成孔周期缩减71%，工艺改变前后进度对比如图3所示。桩基成孔后经第三方检测单位对所有桩基一次性成桩质量进行检查，共查验288个点，合格率达到了100%，溶洞区所有桩基均为一类桩，全部通过验收。

图3 进度对比

5.总结

根据不同片石强度和块径对回填法施工效果的影响进行研究，解决了岩溶发育地质中桩基施工钻进的偏孔问题。结果表明：

（1）片石的强度与基岩强度相当时，能够改善钻头的均匀受力性能，从而减小桩孔偏位值。

（2）回填的片石块径过大仍会产生偏锤，块径较小，堆石承载力不足。以桩孔直径的二分之一左右为宜，此状态下堆石的骨架承载力较好，在钻锤的冲击下产生自然碎裂进行结构重组，可获得更稳定的承载结构，使钻头均匀受力，改善桩孔垂直度。