喀斯特地区旋挖钻孔桩施工技术和质量控制

刘信芳

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

1 概 述

旋挖钻孔灌注桩以其方便换位、成孔快、施工质量好、噪声低等优点，近年来得到了广泛的应用[1]。结合南宁市红光路喀斯特地区的基础工程实践，根据不良地质不同工况，分别采取反转复压、素混凝土挤压成孔、分段成型、钢护筒护壁阻断混凝土、定位回填水泥固化、“水泥浆—水玻璃”双液注浆[2]等方法有的放矢进行施工；针对钻孔口高度、深度、直径、垂直度容易产生误差，桩底沉淀物过厚或灌浆前孔内含砂量过大，影响工程质量等弊端，采取有效举措，确保桩基优质成孔。

2 工程概况

2.1 项目简介

广西南宁市红光路是重要城市配套基础设施，道路红线设计宽60m，设计的行车速度是60km/h。项目南起长堽路，东至荣茉大道延长线交叉口。桩号范围为K0+000～K4+580.000，工程全长4580.000m。本工程桥梁钻孔桩基础64根，桩径分别为1.5m、1.2m，采用旋挖钻机施工，桩基础采用C30混凝土。

2.2 工程地质

项目所在地横跨南宁市青秀区和永宁区，属丘陵地貌。场地复杂地形起伏较大。该项目钻孔地面标高79.82～114.19m，最大高差达34.37m。勘探深度范围内有第四系(q)素填土、黏土、粉土、粉砂，属于喀斯特地质，有溶洞、孤石等。

3 技术措施比选

在喀斯特地区，旋转挖掘机因为遭遇大小溶洞、倾斜岩石等不同地质的缘故，成孔困难。为了顺利成孔，分别采用反转复压、素混凝土挤压成孔、分段成型、钢护筒护壁阻断混凝土、定位回填水泥固化、“水泥浆—水玻璃”双液注浆等方法，并进行了比选。

3.1 处理无填充体小溶洞

a.技术措施。当遭遇无填充体小溶洞时，通过旋挖钻机先半回填，然后进行二次成孔。

b.施工步骤。首先通过旋挖钻机钻进进行无填充成孔，然后将水泥、黏土和碎石按照 75t∶3m3∶1m3比例拌和成混合土，通过旋挖机加压法压入洞内进行半回填(不填满)，然后通过挤压混合土成壁。土石方回填2～4天后，用旋挖钻机进行二次成孔灌浆。成孔回填过程见图1。

图1 无充填溶洞回填混合土过程

c.实施效果。孔壁不太稳定，需要借助钢护筒护壁成孔后进行混凝土灌注。

3.2 处理充填软塑性黏土溶洞

a.技术措施。对充填软塑性黏土溶洞，如果采用片石黏土回填法旋挖钻机无法成孔时，改为素混凝土成孔、分段成型。

b.施工步骤。先将旋挖钻钻进，然后把旋挖钻缓缓提起约1.5m，然后采用圆筒钻将C20混凝土倒灌挤入溶洞。圆筒钻里混凝土面高出溶洞顶部(或成型混凝土护壁)大约3m。48h以后，混凝土强度提高到70%左右，然后继续二次钻孔。此时，入洞的混凝土形成护壁，能避免软塑性土流出，进行二次灌注。循环进行以上步骤，最终完成钻孔[2]。施工过程见图2。

图2 溶洞充填混凝土过程

c.实施效果。最初，对溶洞顶底高差小于2m的中小溶洞，填充低等级素混凝土，有一定效果，但混凝土使用量偏多。一根桩基平均用量为14.9m3左右。而且对于顶底高差大于2m的大型溶洞，效果不明显。

3.3 处理大溶洞

技术措施1：采用钢护筒护壁。

a.施工步骤。由于溶洞体积大，进行混合土回填后，无法形成孔壁或桩基成型不好时，可以采用厚度为11mm的钢板制作钢护筒护壁，从而避免混凝土漏到溶洞，确保护壁效果。在钢筋笼上焊接时，上下段都长0.5m，护筒底部预留0.1m斜平台，确保护筒能便捷进入到桩孔[1]。

b.实施效果。钢护筒防止塌孔，保证了桩基质量，确保了施工安全和护壁效果，但是该方法工序烦琐、施工效率低、额外消耗钢材，提高了施工成本，没有广泛使用。

技术措施2：通过定位回填水泥固化。

a.施工步骤。依据实际勘察情况，按照溶洞实际高度自下而上进行水泥土固化。溶洞底板破碎后，依据黏土的含水量把相应水泥袋装进洞里，然后用钻头将水泥压入洞底，每次处理深度大约1m。接着通过短螺旋钻头把水泥进行均匀搅拌后进行反转挤压。重复上述步骤数次，直至搅拌到溶洞顶板上方约0.5m。48h再次凝固后，进行桩基施工。

b.实施效果。成功地进行了桩基处理。针对非充填、软塑性土充填和半充填溶洞也能采用此方法。

3.4 处理地下水位较高溶洞

a.技术措施。根据溶洞的实际情况，采用“水泥浆—水玻璃(硅酸钠)”双液注浆工艺，具有速凝功能的水玻璃(硅酸钠)能大大提高溶洞充填材料黏结性能，防止旋挖机钻进溶洞时孔壁坍塌，成孔率大大提高(见图3)。

图3 溶洞处理原理

b.施工步骤。根据超前钻资料，按技术要求和图纸进行施工，对拟加固喀斯特洞进行孔位布置，并在实验室设计好注浆参数。灌浆孔采用钻机钻孔，钻孔按90°钻机角度，采用倾斜尺、水准尺进行调整。钻机安装确保牢固，定位准确。钻好孔后，将直径63.5mm塑料单向阀管放入钻孔中，然后注入事先配置好的水泥浆和具有速凝功能的水玻璃(硅酸钠)混合浆。成孔后，马上对孔口和周边地面裂缝进行密封，防止浆液涌出。灌浆孔按一根桩一个孔进行设置。要求调制的浆液抗渗性和耐久性应符合技术设计要求，要求在一定时间内形成的固体具备一定强度要求[3]。

c.材料要求。水泥砂浆：为确保浆料的均匀性和稳定性，添加5%左右的膨润土，避免固体颗粒产生沉淀。水与水泥的比率为1∶0.8。水玻璃(硅酸钠)：集中采购，要求符合规范要求，波美度在35°～40°Bè之间。硅酸钠(硅酸钠)按水泥用量的5%进行混合后的混合料黏度不小于35s[4]。

d.最终效果。“水泥浆—硅酸钠”双液注浆技术在处理喀斯特地貌特别是地下水位较高的溶洞中是非常有效的。很大程度降低了素混凝土用量，提高了施工速度和施工效率，使施工成本大大降低。

4 施工过程中的常见质量问题

4.1 孔口高程和钻孔深度误差控制措施

a.孔口高程出现误差控制措施。误差出现原因可能是由于测量人员素质不高、业务不精导致测量数据不准，也可能是因为在进行场地平整回填渣土抬升了地面，从而影响高程测量误差。

技术措施：应对措施是认真核对原水准点和各孔口的绝对高程，开孔前对各桩孔标高进行详细复测[5]。

b.孔深误差控制措施。在一些工程中，因为钻探深度的误差，工程地质勘探是在场地回填平整前进行的，地面高程较低，造成孔深误差。

技术措施：测量时，高程转换务必方法相同，建议统一采取量钻杆法进行孔深量测，钻孔底部最终界面宜选取钻头长度的2/3。不适合用测量绳对孔深进行测量。钻孔的终孔标准以桩端进入持力层的深度为宜。钻孔到达桩端持力层后，应及时取样进行鉴定。

c.孔径误差控制措施。因为工作人员的马虎大意选用钻头规格不匹配，或因为钻头使用过频，过度磨损导致直径偏小。

技术措施：施工前，由双方技术人员核对钻头规格，符合要求后再施工。

d.钻孔垂直度出现误差控制措施。导致钻孔垂直度不符合要求，主要原因是施工现场不够平整，而且没有进行压实，钻机运到现场组装后，导致机械不平稳，另外钻孔时，也可能出现不均匀沉降现象；有些钻杆不够笔直，钻杆接头存在不小的间隙空间；当旋挖钻机遭遇严重倾斜岩面或者软硬不均的土质时，会导致翼板和钻头受力不太平衡，导致磨损情况不均匀。

技术措施：在旋挖钻机进场前，应该对工程所在地，通过推土机、夯实机仔细地进行场地平整和夯实。安装旋挖钻机的时候，必须认真仔细检查钻杆的钻削平整度、钻头完整性以及垂直度，如出现异常，及时调整，更换部件。施工时，必须及时、定期对钻杆垂直度进行检查，如有异常情况，要及时调整纠偏。要对旋挖转机的钻头、钻杆、接头等所有零部件定期进行检查维修，如果发现异常马上维修或替换。在严重倾斜岩面和软硬土不均界面钻孔施工时，必须降低旋转速度，并加固钻机。出现偏孔时，马上回填，平整后再施工。如果地层复杂，应通过扶整器保证钻杆垂直度[6]。

4.2 孔底沉渣过厚或泥浆含砂量过大控制措施

如果清孔泥浆质量差、清洗不符合设计要求，或者测量方法不当，都会产生这些现象。如果清孔初期孔口泥浆含砂量过低，粗砂无法回收，或后期孔内泥浆密度降低，孔底沉渣厚度增加较多，这表明，清孔初期泥浆的黏度和稠度较小，孔内的砂粒悬浮在泥浆中，并不能真正实现清孔要求。

技术措施：要对孔底沉渣厚度进行精准测量，必须精准测量桩的最终孔深。可以借助测量旋挖机钻杆的长度测量旋挖灌注桩孔深。通常孔深计算方法为孔内钻杆全部长度+2/3钻头全部长度。如果地层富含粗砂、砾砂或卵石等粒径较大砂石颗粒，可以采取泵吸反循环方法进行清孔。当然也可以采用正循环清孔，但泥浆必须是高黏度的，清孔的时候，增加泵送功率，增加泥浆流量，这样才能把粒径较大的砂石颗粒从孔里顺利排出。孔底沉渣厚度符合规范后，把旋挖机钻孔中的泥浆密度控制在1.1～1.2g/cm3范围内。

4.3 偏孔控制措施

在喀斯特地区，孤石、石笋很常见，特别是当其位于孔的侧面时，易导致偏孔。如果不注意，会破坏钻杆和钻头。

技术措施：如果孤石、石笋较硬、直径较大，可对该区域浇筑混凝土硬化来平衡探头区域的硬度，浇筑高度应高出倾斜岩石高度20cm。当强度达到70%(C20)时，进行钻孔。在旋挖钻机施工中，应注意压力、扭矩等参数的匹配。可采用“减压钻进”的方法规避因压力过大产生侧滑；如果岩石坚硬，应使用筒式钻机。当桩位遇到孤石时，采用单筒钻、双筒等钻具。

4.4 扩径及缩径控制措施

当冲击频率过快时，原淤泥层会受到挤压，当孔内压力较小时，淤泥层会向孔壁膨胀或坍塌。如果浇筑速度过快，提升速度过快，孔壁上的泥浆层在护壁泥浆的作用下会形成一个稳定的整体。在浇筑过程中，因为混凝土的压力，它会向周围膨胀，如果提升速度过快，就会形成缩径。

技术措施：降低冲击频率，放慢浇筑速度和提升速度。

5 结 论

喀斯特地区桩基施工有其独特的难点。本文结合工程实际，对旋挖桩施工进行了简单介绍，对质量通病进行了分析，按照“先易后难”的原则安排施工顺序，灵活运用“填、挤、堵”措施，对反转复压、素混凝土挤压成孔、分段成型、钢护筒护壁阻断混凝土、定位回填水泥固化、“水泥浆—水玻璃”双液注浆等方法进行了比选，并提出了解决方案。实践证明：针对非充填、软塑性土充填和半充填溶洞，按照溶洞实际高度自下而上展开水泥土固化是非常有效的，处理地下水位较高的溶洞采用“水泥浆—硅酸钠”双液注浆技术是可行的，检测结果表明，一级桩达到99%，工效明显。