岩溶地质情况下桥梁桩基础施工技术研究

张政玖

（抚州市公路事业发展中心，江西 抚州 344000）

0 引言

岩溶即喀斯特地貌，主要为白云岩、石灰岩、盐岩、石膏等可溶性岩层遭遇地下水溶蚀后而形成的特殊地质。岩溶地区一直以来被视为桥梁工程建设的“禁区”，岩溶地区施工建设的桥梁基础必须调整跨径、墩台改位、改用轻型浅基础结构，甚至移动桥位，以避开溶洞区域后进行桥梁基础常规施工。钻孔灌注桩成桩技术对于各类地质条件均较为适用，承载力高且噪声、振动小，不存在挤土效应，可保证桩基施工质量。钻孔灌注桩桥梁桩基施工技术应用于岩溶地区，能有效应对复杂的地质条件，在一定程度上降低建桥难度，保证工程施工进度，使桥梁工程社会效益和经济效益得以充分发挥。

1 工程概况

某大桥为梯形预应力钢筋混凝土简支梁桥，长860m，其主桥墩钻孔桩基础共136根，直径为ϕ200cm，该桥梁位于岩溶发育地段，地表卵石覆盖层厚最大达34m，大部分钻孔桩基础通过溶洞或溶槽，桥梁桩基持力层位于河床以下18～30cm。溶洞溶槽处理是否得当是桥梁钻孔桩基础施工质量控制的关键。

岩溶地质条件下桥梁桩基础施工方案应根据每根桩基础覆盖层、溶洞溶槽发育、地下水等情况综合确定。经过对该桥梁桩基地质条件等的分析，最终确定采用冲击钻成孔的施工技术，考虑到桥梁桥位溶洞溶槽情况复杂，桩基范围内岩层起伏多变，必须在施工期间通过冲击锤接触岩层后才能准确判断[1]。

2 桥梁桩基础施工技术要点

2.1 冲击成孔

岩溶发育及溶洞较多地区的桥梁桩基施工过程中，容易发生卡钻、斜桩等问题，一些溶洞填充较满而另一些溶洞无填充或未填满，进而形成低压区，一旦溶洞内或裂隙处钻进受到压差作用影响，溶洞内或裂隙处便会渗入泥浆，引发漏浆及埋钻、扩孔、塌孔等事故。所以冲击成孔是桥梁桩基础施工的关键工序，必须在冲击成孔过程中预测各种现象发生的可能性并事先准备好应对措施，确保正常成孔。

（1）在冲击成孔施工过程中，该桥梁桩基础采用ϕ200cm的钻头钻进至卵石层底，且根据工程地质条件在钻进期间随时调整泥浆比重，并及时下放钢护筒。根据设计要求在桩基周围布设ϕ50cm灌注孔，结合灌注施工要求调整灌注孔数量。通常情况下，若通过小冲击钻进行灌注孔成孔，因上层圆砾石及卵石孔径为60cm，为避免发生卡钻，应跟进螺旋管；下层白云质灰岩则通过孔径50cm的磨盘钻进成孔。在正常钻进施工过程中，如遇充填物溶洞及漏浆，必须反复回填冲击，并通过片石∶黄土∶水泥为70∶25∶5的混合物间隔回填，水泥用量不得小于设计值的30%；为控制漏浆量，节省处理时间，应提前拌和好片石和黄土，使用过程中再伺机加入水泥。为保证钻进质量，必须对桩基四周地质条件进行补充勘测，全面掌握地质情况。

桥梁桩基础冲击成孔施工过程中，溶洞溶槽以及覆盖层与岩层相接处施工较为关键，因为溶洞顶壳被冲击锤击穿后桩孔内水和溶洞内水连通，使高出河面的水头快速消失，原高水头对孔壁所施加的压力也随之消失，孔壁垮塌的危险增加，尤其是覆盖层较为松散的粗颗粒砾石所形成的稳定性不良的孔壁。桩孔内水和溶洞内水连通后还会导致孔内泥浆持续流失，钻渣难以浮起，锤头进尺困难，虽然部分地下溶洞封闭较好，连通后水头不会迅速消失，但在桩孔较大的情况下，大锤头长时间在溶洞内活动，必然会破坏封闭性良好的溶洞，引发同样的塌壁危险。

（2）冲击成孔到达岩面后，因岩面起伏不平，造成岩层与护筒覆盖层交界处置平难度较大，并容易引发护筒偏位；当护筒同时位于浅层和松散覆盖层结构时发生卡钻的可能性很大，此时必须在忽略成孔进度的情况下反复加黄泥、片石冲击，控制冲击锤提起高度，确保成孔顺利，并保证钢护筒平稳嵌入岩层结构中。该大桥位于松散砂砾覆盖层岩溶地区，面临覆盖层塌孔和溶洞串水双重难题，在冲击成孔过程中，钢护筒应随钻下封闭溶洞溶槽。施工开始前必须周密计划钢护筒层数、尺寸、筒壁厚度等参数，本大桥成孔桩基尺寸为ϕ200cm，在砂砾层范围内通过ϕ195cm的冲击钻头冲击成孔的过程中，孔径尺寸可增大至ϕ220cm，但为保证钢护筒结构能随桩沉降，护筒外径不得超出ϕ220cm。但岩层打孔后外径只能扩大至ϕ210cm，若不考虑覆盖层，应采用ϕ210cm钢护筒随钻自上而下打孔。针对厚度不同的覆盖层，使用不同规格护筒跟进冲击锤，成孔效果良好。第一层ϕ260cm大护筒比钻头在砂砾层内扩孔尺寸大，必须通过振动锤与人工掏渣的方式扩孔，孔底存在较大的涌水，所穿过覆盖层的厚度仅为4m。第二层采用ϕ220cm护筒，并待覆盖层总厚度超出10m后再使用第三层ϕ210cm护筒。在结束该桥梁桩基础施工后通过锤击使同一覆盖层内成孔尺寸可以变化，以便套不同规格护筒通过覆盖层。通过锤击扩孔，该大桥在砂土、砂砾层以及岩层内成孔桩基直径分别增大20cm和10cm。

为保证该桥梁0#主墩承台桩基施工质量，必须在起吊钢护筒前检查各施工机械性能并复核导向架位置，待钢护筒起吊后将其沿着导向架沉入土层，此后起吊振动锤并保证其与钢护筒中心重合。钢护筒对接过程中必须参照预留十字线，对接无误后焊接固定；钢护筒打设期间应实时校核垂直度等取值，并将误差控制在允许范围内。

（3）当冲击成孔穿越至溶洞时，必须按照施工规范上限确定泥浆比重，并密切关注溶洞钻穿前孔内水头变化，一旦发生水头降速加快现象必须立刻以适量水泥、黏土回填，直至水头稳定。防止泥浆流失是冲击钻孔穿越溶洞的控制要点所在，以避免因桩孔护壁泥浆压力消散而引发塌孔。在冲击成孔前必须根据地质勘测结果测算溶洞填充材料总需求量，并按照测算结果准备充足的片石、黏土等填充材料。待穿过溶洞后按照测算量回填片石、黏土及水泥，并应通过低标号混凝土堵住大溶洞暗流。

（4）桥梁桩基础施工质量水平要求较为严格，必须严格按照设计图纸及测量定位线施工，在钻机放置时不能忽略桩基辅助和保护。护筒的设置必须考虑后期桩基遭遇溶洞时能通过钢护筒跟进，护筒埋设时必须高出地面0.3～0.5m，以确保桩基施工过程中不会灌入地表水而影响泥浆配比。

2.2 清理孔道

考虑到该桥梁桩基础施工过程中地质条件的复杂特殊性，许多穿过地下溶洞的桩孔因周边地质结构十分脆弱，很容易发生崩塌和位移，影响桩孔孔位及截面积。为此，采用正循环换浆法清理孔道[2]，以减小清孔过程对孔壁造成的压力，维持孔壁结构稳定。此外，孔道清理施工应在白天光线充足的情况下进行，结束清孔后必须检测孔道内泥浆各项性能和高度。

2.3 岩溶注浆

本桥梁桩基岩溶注浆材料主要为水玻璃与水泥的混合料，水灰比在0.8∶1～1∶1之间，为保证混合料的波美度，水玻璃掺加量应不超出水泥质量的10%。在进行桩基施工前通过间歇式循环方式注浆6h以上，停注后等已注浆液达到初凝状态再次注浆。结束注浆后应待浆体材料实际强度达到设计强度值的80%后钻孔。注浆施工过程中应结合设计要求并根据实际注浆效果调整注浆施工参数，注浆施工机械采用装配LJ-300型搅拌机的注浆泵，按照0.5～1.0MPa的压力和20～30L/min的速度注浆，注浆时间应控制在5～10min/0.5m，并根据岩溶属性、深度等确定实际注浆量；待注浆压力达到1.0MPa后还应继续注浆10min，并待吸浆量降低至30L/min以下时结束注浆[3]。

2.4 混凝土回填

该桥梁主墩承台桩基溶腔内主要回填絮凝混凝土材料，该材料因掺加了一定比例的絮凝剂，故抗分散性能和堆积速率提高，施工进度加快，工艺简化，并具备较好的自流平、自密实性能，可有效防止骨料、水泥等材料分散。在混凝土回填施工前，应根据工程规模测算首次灌注混凝土方量，由于该桥梁桩基础工程地质条件特殊、扩孔情况复杂，故应根据测算结果适当放宽回填量，使首次回填灌注高度达到1.0m以上，防止因材料不足而引发断桩。

结合《水下不分散混凝土施工技术规范》（Q/CNPC 92—2003），絮凝混凝土材料坍落度至少为23cm，7d及28d水陆强度比分别为70%～85%和80%～90%；水下静置1h和2h后坍落度损失分别为0和10%。为避免发生塌孔，应在每根桩基周围钻孔内均灌注絮凝混凝土材料，主要通过直径50cm小孔进行间歇式灌注回填，考虑到该桥梁工程所用絮凝混凝土材料凝固时间为10h，因此相邻两次灌注时间间隔应不超出15h。

3 施工中突发问题的处理

3.1 钢护筒卡组

在桩基础施工过程中，钢护筒进入岩层后卡阻现象较少发生，通过分析发现，主要原因是过溶洞时因回填片石反复冲击使成孔较为规则。只有1次钢护筒在岩层内跟进时发生严重卡阻，原因均为钢护筒不规则，即0#墩1#桩护筒在距离桩底5m处遭遇卡阻，冲击锤在距离桩底1m处遇到溶槽，填充物大量涌入桩孔，严重影响冲击锤进尺。经设计单位及监理工程师同意后将最后1m成孔改成ϕ150cm，先将长2m的ϕ200cm钢护筒沉入孔底，再通过空压机清孔，待该节钢护筒到达距离设计标高1m时便会堵死溶槽。

3.2 卡钻

当钢护筒遭遇岩石受力不均发生外壁垮塌、结构变形时，容易引发卡钻，必须明确钢护筒垮塌及结构变形具体部位，抛填超出变形部位的片石后持续冲击以校正变形结构，校正后全面检查钢护筒位置，若仍不正确，须整个提出重新安装。另一种情况是钢护筒未及时跟上，即钢护筒位于覆盖层内时护筒下孔壁垮塌，此种情形下必须压平堆积物，并将护筒向下扎打，保证钢护筒及时跟上。如果钻头尺寸与内护筒直径较为接近且跟得过紧也容易引发卡钻，钢护筒底部必须高出钻头顶部50cm。

3.3 掉钻

卡钻发生后必将引起掉钻。一般情况下卡钻发生后钢丝绳受力将增大，扭折次数增多，更容易发生断裂。岩溶地区地质条件十分复杂，钢丝绳通常处于不利的受力情况，在卡钻处理过程中必须检查钢丝绳损坏程度，并决定是否更换。一旦发生掉钻现象，要设法使钢护筒套住钻头后打捞，其间必须注重钢丝绳承受力、卷扬机起重吨位的分析以及平台牢固程度的检查。提钻过程中可能带动钢护筒，为此，要有足够的提升力保证设施设备安全。该桥梁桩基础工程采用大吨位千斤顶提钻。

在桩基础施工过程中，打捞钻头过程较为复杂，钢丝绳断裂部位一般为与钻头或卷扬机相接处，为此将打捞圈安装在钻头顶部，将保险索安装在起重钢丝绳上。打捞圈具体安装方式详见图2，即将两块带孔的钢板对称焊接在冲击钻导向圈内侧支撑架上，再将钢丝绳穿过两个孔后绕圈处理并卡紧，然后在其余两个支撑架上通过10#铅丝将钢丝绳捆住，使其投影范围不超出导向圈范围。打捞过程中，在上面用钩子钩住打捞圈，提升期间10#铅丝被拉断，打捞圈吊点随之对准锤中心，达到理想的受力状态。保险索则安装在冲击钻起重绳上，并卡住另一根端头拴在工作平台的钢丝绳，如果冲击钻起重钢丝绳从卷扬机滚筒处断裂，则只需提起保险索，不用实施打捞。

3.4 护筒相卡

在该桥梁桩基础施工时，对较厚的覆盖层通常采用三层护筒，且第二、三层护筒直径十分接近，这就容易造成护筒相卡。为此，必须保证钢护筒尺寸准确，尤其是护筒对接加长处理时各节段表面应位于同一垂直线上，表面突出的焊疤要彻底清除；覆盖层上部冲击成孔过程中需增大成孔深度后再跟进护筒，尽量缩短大护筒跟进时间，有效控制其变形。

4 结语

通过对岩溶地质桥梁桩基础施工过程的分析可以看出，岩溶地区地质条件复杂，施工难度大，工程进度也无法保证。基于此，设计人员必须在详细地勘资料的基础上确定桥梁孔径，且各桩孔内必须设置至少两个钻孔，以真实反映地质条件。岩溶地质条件下桥梁桩基础施工还应合理进行孔径选择，在地质条件并不复杂且持力层不深的区域，采用大孔径桩基础，而对于地质条件复杂且持力层较深的区域改用小孔径桩基础，从而使其达到最佳的施工效果。