岩溶地层钻孔灌注桩施工技术

岩溶地层钻孔灌注桩施工技术摘要：随着铁路、公路等大型交通基础设施的规模性建设和桩基础钻孔机械设备水平的提高,桩基础施工机械化程度明显提高,对地质条件的施工适宜性有所增强。在桥梁基础设计与施工中,钻孔桩以其施工技术要求相对简单、成孔快、质量高、施工安全保障性强等特点,近年来得到广泛应用。但是,由于岩溶地层复杂的地质条件限制,钻孔灌注桩施工在工艺上还存在着很多棘手的问题,有必要进行施工措施方面的探讨与研究。关键词：岩溶地层;钻孔灌注桩;施工技术岩溶地层钻孔灌注桩施工的难点在于岩溶地貌特征破坏了工程地质条件的连续性。一般情况下,岩溶地层中的溶蚀沟槽或溶洞大多呈水平方向发育,其规模大小不同,形态各异,其断面走势或忽高忽低,或忽宽忽窄,蜿蜒曲折,且多支洞。施工实践表明,对钻孔灌注桩施工最不利的是岩溶发育完善的溶洞地层。由于溶洞内普遍分布有钟乳石、石笋、石芽等岩溶状态,并且大部分溶洞内都有地下水或泥砂等充填物,使得钻孔桩的柱状剖面地质构成软硬不均,甚至出现局部断层。所以,溶洞的存在对钻孔灌注桩的施钻成孔和后续的混凝土水下灌注施工造成很大的困难,有的甚至是难以克服的,如果没有有效的施工技术措施的保证,将严重影响钻孔灌注桩的施工质量和成孔率。岩溶地区钻孔灌注桩与普通地质条件下钻孔桩基础施工相比,技术难度复杂,病害类型较多,常见的施工病害有漏浆、卡钻、埋钻及漏混凝土等。由于这些病害均发生在施工过程中,并在地层深处,因此其处理措施多采用溶洞局部填充硬化或孔洞分离的方法跨越溶洞,接续施工。1岩溶地质条件的确定岩溶地层钻孔灌注桩施工同常规桩基础施工一样,必须在施工前比较准确地掌握桩基础剖面的地质构成,溶洞发育的地层更是如此。因此,准确判断溶洞的位置、大小和类型是施工作业的前提和质量保证。目前,确定岩溶地质条件的方法主要有地质钻探法和施工探测法两种。1．1．1地质钻探法顾名思义,地质钻探法就是采用工程地质钻探的方法,调查桩基位置岩溶发育的溶槽、溶沟、溶洞等在柱状图上的分布情况。这项工作是桥梁基础设计不可或缺的重要环节。桩基础施钻前要认真分析每根桩基的地质资料,根据溶洞的大小、类型等情况,确定具体的施工方案。对于地质条件特别复杂的大型桥梁桩基础施工,必须做到各桩位均有地质资料,地质资料不足时,应进行补充钻探,对群桩基础更应如此。1．1．2施工探测法施工探测法是指由于施工场地整平或其他原因导致桩基础位置的地面标高出现较大的波动,仅凭地质剖面图很难对溶洞位置准确定位时,而在施工过程中由钻头的冲击响应反馈来把握溶洞位置的经验探测法。这种探测法必须由技术熟练的工人操作,并同设计图纸给定的地质资料相结合。它可以准确地确定溶洞的大小、形状和柱状高度等详细资料,便于在施工过程中对已有的处理方案进行调整和优化。尽管这种方法存在常见钻孔事故发生的隐患,具有较大的风险性,但方法本身也是岩溶地层钻孔桩施工中不可回避的工作环节,应谨慎地加以克服。2岩溶地层钻孔方案岩溶地层钻孔桩施工的技术难点在于保证在溶洞层段顺利成孔而不出现卡钻与掉钻等施工故障。这就要求操作人员在预先掌握桩孔地质资料的情况下,注意钻孔过程中出现的异常现象,及时准确地判断钻孔状况。工程技术人员应根据工程实际,制定具体的解决造壁、护壁、斜面开孔、穿越顶板和空洞的施工方案,保证钻孔施工的顺利进行。桥梁钻孔桩基础岩溶地层施工处理方法可以采用以下2种。2．1．1泥浆造壁法泥浆造壁法就是根据溶洞内充填物的不同种类和流塑性,在使用优质泥浆护壁施工的同时,按一定比例分别加入烧碱、水泥、锯木屑、草袋、片(碎)石等混合材料,借助于钻头的冲击捣固作用,将填充材料同稠密的泥浆一起挤入溶洞和岩溶裂隙中,形成强度连续的钻孔路径,在接续的钻孔工序中形成孔壁封闭环,达到泥浆护壁的效果。泥浆造壁法主要适用于洞体尺度相对于桩径不大的小溶洞,具体情况按溶洞的相对位置、围岩种类和充填物的性质等因素确定。不同条件下的泥浆配制如表1所示。表1加强型泥浆的配制序号填充类型充填物性状泥浆密度(g/cm3)泥浆配料1覆盖层砂土、砂卵石1.25～1.40稀泥浆、粘土块2溶洞砂粘土夹角砾(塑性)1.35～1.50稀泥浆、粘土块、烧碱、水泥、木屑、碎石等3溶洞砂石土混合物(流塑性)1.40～1.50稀泥浆、粘土块、烧碱、水泥、木屑、草袋碎石、片石等4塌孔层1.40～1.50袋装粘土块、草袋碎石、片石、烧碱、水泥、木屑5岩层1.20～1.30稀泥浆、碎石等造壁法处理溶洞的效果取决于加强型泥浆的配制质量,因此在泥浆配制时应注意各种配料的选择和使用要求。粘土是泥浆配制的主要原料,应具有水化快,造浆能力强,粘度大,含砂率低等特点,一般要求其胶体率不小于95%,含砂率小于3%,造浆能力大于215LPkg,塑性指数不小于20。当溶洞内充填物为细砂或流塑性物质时,在泥浆中掺加适量水泥,可以起到提高泥浆抗渗透能力,增强护壁功能,防止塌孔漏浆的功效,水泥的用量一般为粘土用量的15%～20%。烧碱具有保持和提高泥浆粘稠度的作用,对处理孔壁漏浆有较好的效果,一般按粘土用量的2%～3%使用。泥浆中适量掺加的木屑可提高其悬浮能力,提高钻进速度,满足岩溶地层的清孔要求。片(碎)石的使用能起到溶洞孔壁骨架加固作用,一般选用15～25cm的片石和7cm以下的碎石。配料的选择也可以因地制宜地选用其他材料,以达到处理溶洞的效果最佳为宜。2．1．2密闭压浆法密闭压浆法就是利用土体化学加固原理,使用高压输浆泵将化学浆液通过灌浆导管均匀压入地层,使原来松散砂石散粒体或岩石裂隙充满浆液,固结成一种强度较高、抗渗水性且与周围岩体胶结稳定的新结构“人造石”,达到防止地下水流动,将泥砂固结成“人工石”,极大地改善了桩基钻孔条件,使钻孔能得到顺利施工的方法。根据密闭压浆实施时间的不同,这种方法分为施钻前密闭和施钻中密闭两种情况,工艺上也不相同。施钻前密闭压浆就是用小型钻孔机械钻孔至溶洞所在位置,然后用高压注浆泵将化学浆液注入溶洞的砂石层中,并迅速填满溶洞凝结砂石散粒体和围岩裂隙,形成“人造石”,阻断地下水,从而改善地质类型。溶洞内砂石固结完成后,便可采用冲击钻施钻成孔。这种施工方法的前提条件是溶洞内必须富含砂石等充填物而不能为空洞。当溶洞内的地下水流较小时,采用水玻璃类化学浆液进行处理具有较好的固结效果,工程上常用的水玻璃类化学浆液的配比与性能如表2所示;表2水玻璃类浆液配比与性能序号浆液名称材料配比灌注方式抗压强度/MPa1水玻璃水泥浆水玻璃100～50L,水泥100～75kg,水100L双泵混合间歇灌注22氯化钙水玻璃水泥浆水玻璃100～50L,水泥100～75kg,水100L,氯化钙100～50L交替灌注23红星型速凝水泥浆水泥浆水灰比(8∶1)～(1∶1)速凝剂1%～3%单泵灌注2当溶洞内的地下水流较大时,一般采用氰凝浆液处理,氰液是一种新型灌注材料,其主要成分是聚氨酯,遇水产生化学反应,产生大量气体,可以排水而不为水冲走或稀释、堵水能力强、固结土体积大、固结强度高。施钻中密闭压浆法示意施钻中密闭压浆法是指遇到的溶洞和沟槽尺度较大(一般大于桩孔直径)且为空洞,或有地下水,采用其他方法不能奏效时使用,其工艺措施如图所示。钻孔接触到溶洞后,将溶洞与桩孔打通提出冲击钻头,向溶洞内抛填砂夹碎石(可添加一定数量的低强度片石)。填满溶洞后,用导管向桩与溶洞的接触面浇筑一定厚度的掺加絮凝剂,具有较好的流动性、粘稠性、耐冲刷的不分散混凝土,对接触面进行封堵,灌注时混凝土顶面应高出溶洞上部0.5m较为适宜。封堵混凝土达到一定强度后,可在其上钻孔下注浆管,并向已经填充的溶洞内注入水泥浆,达到固结硬化砂夹碎石的目的。然后,按正常的钻孔桩施工方法继续钻孔,完成整根桩基础的施工。这种方法虽然成本较高,但操作简单,处理效果可靠。3常见故障预防及处理措施3.1.1漏浆漏浆是岩溶地层钻孔灌注桩施工常见故障之一。钻孔过程中应准备充足的水源和水泵、粘土、片石、草袋等物品。穿透溶洞时,应密切注意护筒内泥浆面的变化,一旦泥浆面下降漏浆,应立即提出钻头,向孔内补充泥浆或注水,保持住孔内水头压力并投入粘土和片石混合物,判断漏浆的原因采取相应的处理措施。当钢护筒底部漏浆时,可继续下沉钢护筒,并用粘土封闭护筒周围缝隙,防止地表水继续渗入,然后向孔内填掷粘土块和碎石,填筑高度以高出钢护筒底1m为宜,最后用小冲程反复冲砸,达到加固钢护筒底部孔壁与堵漏的目的。当岩溶裂隙较大,因透水性强而发生漏浆时,应采取加大泥浆密度,改善泥浆稠度和控制钻进速度等措施进行处理。当钻头击穿顶板进入溶洞时,若能保持桩孔内水压力,可向桩孔内抛填封堵漏浆的混合料,经小冲程反复冲砸后,形成新的造孔壁。若不能保持水压力,表明空溶洞较大或与其他溶洞连通,此时应先停止钻孔,加大堵漏混合物的抛填,再按钢护筒底部漏浆处理措施进行封堵。3.1.2卡钻使用冲击钻钻孔时,由于钻头的抖动往往会有冲破孔壁,致使孔壁不圆,或形成梅花孔现象;此外,由于钻头磨损未及时补焊,钻孔直径逐渐变小,新钻头或补焊后钻头直径过大;以及在施钻过程中,由于冲程过大,突然击穿溶洞顶板,使钻头旋转不能提钻等均可导致卡钻。一般的预防措施为:及时更换或补焊钻头,并向桩孔中回填片石,在钻进面先用小冲程钻进,然后逐渐加大正常冲程,转入正常钻孔;在溶洞顶板施钻时也应先用小冲程开孔,并注意旋转钻头,溶洞开口后,要及时抛填片石和粘土块填筑,逐渐进入正常钻孔。3.1.3埋钻埋钻是钻孔中常见的而不宜处理的故障,主要是由于孔壁塌陷造成的。在岩溶地层钻孔,钻孔穿越的溶洞顶板较薄、埋深较浅时,由于冲程过大,砸击溶洞顶板就可能出现溶洞坍塌、地表下陷、掩埋钻头的情况发生。一般可采用以下预防措施:发现漏浆及时提起钻头,向孔内补水注浆,保持水压力,采取相应措施,堵住漏浆。穿越溶洞时应改用小冲程钻进,防止击跨溶洞顶板,并准备好拖拉设施,系好滑车钢丝绳,做好钻机撤离准备。3.1.4混凝土泄漏钻孔桩基础出现灌注混凝土泄漏的原因通常是由于混凝土的密度大于泥浆的密度。这是由于灌注水下混凝土时孔壁侧压力增大,冲破已形成的片石粘土孔壁封闭环而产生混凝土泄漏。通常的处理方法是,对高度比较小的溶洞,在按照上述方法形成孔壁封闭环后,再次抛入粘土和片石混合物,并超过溶洞顶板底面一定的高度,重新成孔以增加孔壁的厚度和强度;对高度大且无充填物的空溶洞,应采用钢护筒跟进,并把不小于设计桩径的钢护筒要跟进至溶洞底,在确保钢护筒与溶洞的下层坚质围岩密接后,继续钻孔至设计标高,最终按施工程序灌注混凝土。3结语岩溶地层钻孔桩基础施工之所以较正常钻孔桩基础困难,就是由于岩溶的沟槽、溶洞隐藏在地下岩层中,难以准确预测其大小、位置及形状,并且其上覆盖层地质条件直接影响到桩孔是否因溶洞漏浆等原因发生塌孔等隐患。因此,现场施工人员应根据地质勘测资料,在施工过程中密切注意钻进过程的异常反应,认真做好记录,发现问题可根据不同情况断明原因,采取相应的措施进行处理,以保证钻孔质量。综上所提出的施工疑难处理方法和施工故障预防措施是岩溶地层钻孔桩施工的技术经验总结。工程实践表明,与同类条件下的挖孔桩基础相比,施工成本略高,但施工安全性和工程质量较高。