桥梁桩基在复杂岩溶地质条件钻孔施工关键技术

巩明 王富林

摘要 随着我国基础建设技术的迅速发展，桥梁施工技术愈发成熟，在交通基建行业中得到广泛应用，但在喀斯特地貌环境中施工桥梁钻孔桩时，因复杂地质条件会造成不同程度的塌孔，特别是在遇到溶洞溶腔时加剧成孔困难，导致工期紧张。文章结合新建柳梧铁路桥梁桩基在钻孔过程中的施工情况，对钻孔期间塌孔问题产生的原因和处理工艺进行分析，总结出相应的处理措施，以保证成孔质量。

关键词 岩溶地质；塌孔；成孔质量；桩基

中图分类号 U445.551文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0087-03

0 引言

桩基施工是铁路桥梁施工的重要环节，其施工过程流程复杂，对工艺技术水平要求高，因此常常成为整个工程的难点。为了确保桩基施工的顺利进行，必须在钻孔施工之前做好技术方案的策划工作。该工作需要根据不同地质情况采用相应的工艺措施，以保证桩基能够快速成孔并满足工程质量要求。因此，技术方案的完善是桩基施工的重要前提，也是确保整个铁路桥梁施工质量和进度的关键因素之一。在桩基施工过程中，技术方案的策划工作至关重要，需要综合考虑地质条件、钻孔设备、钻进速度等因素，制定出一套科學、合理、高效的方案，才能保证桩基施工达到预期效果，为铁路桥梁施工提供可靠的保障。

1 工程概述

新建柳梧广铁路为双线Ⅰ级铁路，设计速度为160 km/h，盘龙柳江特大桥为全线重点控制性工程。桥长孔跨式样为[30×32+（51.4+100+326+86.5+63.1）斜拉桥+66×32]m。桥梁全长为3 787.424 m，其中主桥长629 m，设计为主跨326 m钢－混凝土混合梁斜拉桥，钻石型索塔。桥梁全线与柳北高速公路平行，无交叉点，两者最近相距50 m。

盘龙柳江特大桥共有桩基774根，其中主桥桩基桩径设计2.8 m，共32根，引桥桩基桩径设计1.25 m和1.5 m两种规格，共742根，所有桩基均按柱桩设计。施工时除满足设计桩长外，还应满足桩底嵌入完整基岩弱风化岩层以下不小于1 m深度。

2 水文地质情况

2.1 水文情况

地表水主要为柳江水，地表水水位旱季较稳定，雨季遇突发性洪水可能暴涨。地下水主要为第四系孔隙水、裂隙水以及岩溶裂隙水与暗河水。地下水水量丰富，桥区地下水位埋深12～22 m。孔隙水富存于表层黏性土和卵石土中，水量一般。裂隙水主要存在于角砾状灰岩强风化层中，富水性随季节变化较大。岩溶水富存于灰岩和白云质灰岩中，桥区岩溶中等发育，岩溶管道连通性较好，岩溶水发育。地下水主要受地表水及大气降水补给，经人工开采等方式排泄，地下水位动态变化不大。地下水与地表水联系紧密，丰水期地表水补给地下水，枯水期地下水补给地表水。

2.2 地质情况

桥址区属溶蚀、剥蚀低山丘陵地貌，地面高程50～93 m，相对高差43 m。两端柳江河阶地，地形起伏较小，地势平坦，地表覆土厚度较大，多为种植地。

桥址区上覆第四系全新统冲洪积黏土、细角砾土、卵石土，坡洪积粉质黏土、粉土、细角砾土，坡残积黏土。下伏基岩为石炭系上统灰岩，中统黄龙群灰岩[1]。灰岩、白云岩、白云质灰岩中发育第四系全新统洞穴堆积层黏土及孔洞。

桥区不良地质为岩溶、岸坡溜坍。岩溶桥址内下伏基岩为灰岩、白云质灰岩，局部夹角砾状灰岩，厚层状，节理、裂隙发育，局部陡倾溶蚀裂隙较发育，岩溶中等～强烈发育，呈溶槽、溶孔、溶洞等溶蚀现象，溶洞多呈串珠状发育[2]。总体来看，桥区内岩溶以中浅部发育为主，个别墩台串珠状溶洞发育，岩溶对桥基设置影响较大。

现有钻探资料显示，盘龙柳江特大桥引桥的742根桩基中有溶洞的桩基为209根，约占总数量的28%。溶洞数量总计300个，最小的溶洞高度0.4 m，最大溶洞高度10.5 m。表1为桥址区域地质柱状表[3]。

3 钻孔工艺简述

根据图纸水文地质和岩溶情况，以及结合现场调查情况，现场主要选用冲击钻机进行钻进成孔施工。钢护筒采用比桩径大20 cm的Q235钢板卷制而成，一般选用长度为2～4 m的钢护筒，特殊地段如筑岛法、卵石地层护筒跟进施工时可适当加长[4]。钻具组合包括钻铤（钻杆），钻头（牙轮钻头），钻杆接头（连接套）三部分，其结构形式均以整体式为主，局部也可考虑组合式。井身质量要求较高，应采取必要的技术措施和孔内事故处理及预防方法。泥浆系统采用在墩位附近设置泥浆池、贮浆池、沉淀池、泥浆分离器等泥浆循环系统。泥浆原料宜选用优质黏土，有条件时优先选择膨润土造浆，为提高泥浆粘度和胶体率，可在泥浆中掺入烧碱或碳酸钠等添加剂。钻孔和清孔过程采用反循环方式。钢筋笼集中在钢筋加工厂内加工成型后运至施工现场，利用25 t汽车吊吊装入孔。混凝土灌注采用导管法结合水下混凝土施工工艺[5]。

4 钻孔过程中塌孔原因分析

针对现场冲击钻在钻孔施工时遇到的塌孔问题，该文根据实际地质水文资料、钻孔过程中的冲程大小、泥浆指标测试结果、钻孔出渣渣样、潜水员孔内摸探，以及溶洞溶腔的位置、大小、尺寸和填充物情况，加以分析后得出以下几方面原因[6]。

4.1 钢护筒底口与原状土接触不密实

钢护筒通过挖机直接开挖原地面后埋设，再利用回填土夯实的施工工艺，实质上破坏了原有地层的完整性，钢护筒外壁将不能与地层密实贴合，导致护筒底口容易发生渗漏现象。再者，钢护筒底口若埋设在细角砾土和卵石土层中，钻机开口施工时因冲击卵石破坏土层整体性，也会导致钢护筒周围坍塌。因此，必须加强对护筒底口及周边土体进行处理以防止渗水、漏水等病害发生，同时还需要考虑钻孔灌注桩所处地区的特殊地质环境，设计合理的结构型式[7]。

4.2 泥浆性能和水头差不合理

优质的泥浆有利于平衡内外土层压力和水压力。泥浆对孔壁的保护是通过泥皮实现的，泥浆受液压作用浸没于土层中，泥浆凝胶体在一定限度内黏附于土颗粒表面并固定其相对位置，孔壁的周围也将形成较稳定的土层，从而提高了土层的抗剪强度。泥浆继续渗透使泥浆中的土颗粒逐渐替补了孔壁土层的孔隙，堵塞水道在孔壁形成隔水膜，即泥皮。泥皮受泥浆的液态静压力和孔壁外的水土压力而处于平衡状态，防止了地下水渗透及泥浆继续流失，维持孔壁的平衡与稳定。在钻进过程中，若泥浆比重偏小，内外压力差较大易造成孔壁失稳塌孔。钻孔过程中，泥浆液面高度若低于孔口过大，也会导致内外压力差较大而引起孔壁失稳塌孔。

4.3 冲进速度过快

桥址区上覆主要为细角砾土和卵石土，并且土层较厚，因冲击钻机钻进时冲程过快过大，孔壁未及时形成有效的泥皮护壁，导致塌孔。

4.4 溶洞溶腔导致泥浆渗漏

孔深钻进遇到溶洞溶腔后，孔内泥浆会瞬间渗漏至溶腔内，直接造成孔内无泥浆护壁的现象，此时水压力无法平衡土层压力，尤其对于细角砾土和卵石土层，由于内外土层压力和水压力相差较大，造成地层塌孔现象严重，这是在喀斯特地貌地质中最容易遇到也最难解决的问题。

4.5 不当的处理方式

冲击钻机卡钻和掉钻的处理不当也是破坏孔壁造成塌孔的原因之一，因为钻头钻进坚硬岩层磨损较快，扩孔率低，当加焊钻头致钻头直径过大时易发生卡钻。卡钻严重或出现掉钻埋锤等情况下，施工人员通过反循环清渣或强拉硬拽的方式处理，有可能引发塌孔。因此，必须对这些因素引起高度重视，避免由于处理不当而导致孔内事故的发生。另外，合理的操作方式与正确的使用方法也至关重要。

5 处理方案及防范措施

针对以上塌孔原因的分析，综合大量的相关资料和现场实际情况采取了以下有效措施进行处理和防范。

5.1 保证规范施工

①对于地质上层存在细角砾土和卵石土层覆盖厚的地域，应确保钢护筒入土深度超过该地质层的厚度。②配置优质的泥浆，加强泥浆指标试验检测频率，并保证泥浆循环系统的正常运转。通过不断试验和优化过程，将泥浆比重调配至1.2～1.4 g/cm?，以填充细角砾土和卵石土层中的缝隙形成有效保护。③注意观察孔内泥浆面标高，加强泥浆循环系统调节，保证水头高度满足要求。④在加焊钻头时通过磨损情况来判断满足钻头直径的孔内标高位置，严格控制加焊的厚度，于孔内回填相應量的片石，低冲程施工，避免造成卡钻。

5.2 钻进参数控制

在钻进过程中泥皮壁薄不稳定，易收缩，故钻进速度不宜过快，须保证新鲜孔壁及时形成泥皮护壁，避免塌孔。位于细角砾土或卵石土层的交接层时，钻进速度更应低档缓慢，一般控制在0.2 m/h，以保证形成稳定的护壁，避免产生漏浆空隙。根据各孔地质情况制定相应的钻进参数，操作人员在钻孔过程中应严格控制好钻速、钻压以及泥浆参数，避免盲目追求成孔速度造成斜孔和塌孔现象。

5.3 泥浆优化

针对易塌地质层需要确保泥浆有相对较大的比重和粘度，能较快较好地形成泥皮附于孔壁，现场实际施工中常常由于操作困难或泥浆节约成本等思想，很难在遇到易塌地质层时对泥浆指标进行调整，同时很难达到实时改变泥浆性能，因此在钻进渣样显示进入细角砾土或卵石土层时，可抛入水泥利用冲砸与泥浆结合加强泥皮性能。

5.4 溶洞溶腔处理

根据图纸溶洞显示，结合现场漏浆情况初步判断溶洞的大小尺寸。溶洞较小时，可以回填片石黄土，反复冲砸重新挤密，也可以浇筑低强度早凝混凝土，待混凝土强度达到10 MPa后继续钻进。需要注意的是，在钻孔遇到溶洞溶腔时，泥浆面会迅速下降，使细角砾土或卵石土层露出泥浆面，这时孔内水土压力极不平衡，细角砾土或卵石土层位置会出现塌孔现象，因此推荐使用回填溶洞溶腔的方式，可在细角砾土或卵石土层顶面位置一次性回填黏土，这时再冲进就能再给孔壁形成泥皮，从而达到再次维护孔壁稳定的效果。如遇工期紧、溶洞大、处理困难的溶洞溶腔，可在方案制定时考虑预注浆的方式提前治理，即采用钻探机预先钻孔至溶洞位置，然后拌和水泥浆体压入溶腔，充填完成后使用冲击钻机或旋挖钻机钻孔，可以降低钻孔难度，加快钻孔速度。

对于钻孔时遇到因溶洞溶腔造成泥浆急速下降等情况，应提前采取相应的预防和处理措施，如预先注浆可有效减少泥浆下降过多、过快的现象。施工过程中应紧密结合施工图纸和地质资料，并考虑周边桩基施工过程中出现的溶洞位置，判断施工中的桩基溶洞溶腔的位置和大小，备足可补泥浆，派专人值班观察，遇泥浆面急降时可以及时补泥浆，以达到孔内水土压力平衡状态，再辅以回填黏土冲砸挤密细角砾土地层形成泥皮护壁起到保险效果。

5.5 注浆加固

从设计地质图上看，可以事先对易塌地质进行挤密固结方式处理，在地面时可使用钻机等设备用搅拌桩或旋喷桩技术钻孔到易塌地层中，用浆液填充易塌地层中的缝隙预固结，静置一段时间后再进行桩基施工。

5.6 套内护筒

遇有大溶洞时，推荐下放钢护筒至溶洞底的方式来处理，即钻孔时采用比桩基直径大一点的钻头进行钻孔，接着将直径稍小于钻头但要符合桩径要求的钢护筒放至溶洞底，然后用振动锤插打一定深度，形成钢护筒保护系统，这样不仅可以保护桩基质量，又可以降低塌孔对成孔的影响，效果较为显著。

6 结论

鉴于喀斯特地貌、易塌地质、大直径钻孔桩的地质水文条件，决定了该桥桩基施工速度关键在于成孔速度，即如何快速完成整个工程所需时间，另外还必须考虑到桩体是否稳定及安全等因素，以确保工程质量与施工进度目标的实现。由于工程地质情况千差万别，所以每个阶段所采取的措施都不相同，因此在确定方案时需要对施工图纸进行认真研究，掌握现场地质具体情况，有针对性地制定施工方案。该文针对柳梧铁路施工中出现的问题提出了处理措施，旨在成孔时通过优化泥浆和溶洞处理的方式来解决施工难题，保证了桥梁桩基的质量，达到了工期要求并发挥了较好的实际作用。

参考文献

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[3]周鑫. 探讨某公路桥梁项目岩溶地质的桩基施工技术[J]. 交通科技与管理， 2022（16）： 98-100.

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