巖溶地層鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制

■劉 科 ■中鐵大橋局股份有限公司，湖北 武漢 430050

1 工程概況

普蘭店跨海灣特大橋是哈大客運專線重點控制工程，全橋共計140個墩臺，基礎(chǔ)鉆孔灌注樁共1447根。本標(biāo)段溶洞較為發(fā)育，溶洞較多且較大，巖溶面標(biāo)高起伏較大，形成溶洞的位置和大小均不相同，無規(guī)律可循，加上有些樁位在同一垂直面上可能有2個以上的溶洞，地質(zhì)情況很差。因此施工鉆孔樁基礎(chǔ)時易發(fā)生掉鉆、卡鉆、漏漿、坍孔等現(xiàn)象，從而影響工期和質(zhì)量，給鉆孔樁施工帶來風(fēng)險和難度。施工時要制定確實可行的、確保成孔質(zhì)量控制措施。

2 水文、地質(zhì)

普蘭店海灣特大橋橫跨在面向渤海的普蘭店海灣上，橋址處分布有軟土，地震液化層，巖溶，巖石構(gòu)造破碎帶、斷層。溶洞較為發(fā)育，普蘭店海灣特大橋橋址區(qū)巖溶主要集中在南引橋和主橋部分，在不同深度有大小不等的溶洞，局部形成串珠狀溶洞連續(xù)出現(xiàn)。DK62+315．20～DK63+035．1(陸地南引橋)溶洞一般埋深20～30m，最大溶洞高度2．4m，洞內(nèi)多為全充填粉質(zhì)粘土和原巖風(fēng)化細(xì)角礫土，呈中密～密實狀;DK64+098．82 ～DK65+075．21(71#墩 ～88#墩，海灣主橋)溶洞、溶隙、溶蝕發(fā)育，其中72#～80#墩溶洞極為發(fā)育，多呈串珠狀(圖一)，溶洞大小不一，一般洞高0．1～13．5m，最大溶洞高度18m(圖二)，埋深21．7 ～59．8m，底面高程 -22．82 ～ -60．97m，多為無充填空洞，少為半充填及全充填，洞內(nèi)多充填粉質(zhì)粘土和原巖風(fēng)化細(xì)角礫土。溶洞多沿節(jié)理面、層理面發(fā)育，巖面上凹凸不平，溶蝕、風(fēng)化較為發(fā)育，使基巖表面起伏較大。

圖一: 樁位串珠狀多層溶洞 圖二: 樁位超大溶洞

3 巖溶地質(zhì)鉆孔樁質(zhì)量控制

3．1 鉆機、鉆頭選型

針對本橋深水巖溶、樁基孔徑大、鉆孔深、鉆孔樁施工難度大的特點，我們對目前常用可供選擇的鉆機從使用的范圍、現(xiàn)場施工的適用性及經(jīng)濟性等方面進行了綜合比較，認(rèn)為采用沖擊成孔具有設(shè)備簡單，操作方便，動力消耗小，機械設(shè)備故障少等特點，可通過回填片石和黏土有效處理巖面傾角大，溶洞和裂隙等問題，通過砸實擠密解決漏漿問題，更能有效防止塌孔。因此決定本橋鉆孔樁施工采用CJF-20型沖擊鉆機和十字形沖擊鉆頭沖擊成孔。

3．2 鉆孔施工主要實施原則

實施原則考慮到溶洞地質(zhì)的多樣性和不確定性，在既有地質(zhì)資料情況下，結(jié)合本工程的施工特點、工期要求和關(guān)鍵線路，確定了如下溶洞地質(zhì)鉆孔施工實施原則:

(1)開鉆前根據(jù)掌握的資料用地質(zhì)鉆機進行超前鉆孔，以核對溶洞位置、大小等資料的準(zhǔn)確性，掌握溶洞、裂隙等有害地質(zhì)情況的分布規(guī)律，同時根據(jù)鉆孔過程中的漏漿情況在需要時進行預(yù)注漿處理，對溶洞內(nèi)的松散填充物進行固結(jié)或?qū)r層裂隙進行封閉，降低溶洞地質(zhì)對鉆孔施工可能造成的影響。引橋?qū)Φ乜辟Y料反映存在較大、較復(fù)雜溶洞的墩位，每墩在樁位間穿插鉆5個孔，根據(jù)實際情況可適當(dāng)增加數(shù)量;主橋施工是工程的關(guān)鍵線路，為保證節(jié)點工期，鉆孔施工不能出任何問題，每根樁均要求在樁位中心鉆一個孔，必要時沿樁周邊按等邊三角形增設(shè)鉆探孔進行探查和預(yù)注漿處理。

(2)準(zhǔn)備充足的泥漿和1～2臺泥漿泵，并準(zhǔn)備充足的片石、粘土、袋裝水泥和素混凝土，在鉆孔過程中遇溶洞發(fā)生漏漿或遇溶洞斜巖面等問題時，首先及時向孔內(nèi)補漿，同時根據(jù)所遇到裂隙、溶洞的具體情況及裂隙、溶洞大小等，通過反復(fù)向孔內(nèi)拋粘土、片石、混凝土等材料，以小沖程反復(fù)沖砸、鋼護筒跟進等方法進行處理，直到穿過不良地質(zhì)不再漏漿、鉆孔施工能夠正常進行為止，保證巖溶地質(zhì)鉆孔施工的安全和工程施工質(zhì)量。施工過程中應(yīng)遵循堵洞護壁、重錘輕擊的原則。

(3)根據(jù)掌握的溶洞分布、大小情況，采取先易后難的策略，制定合理的鉆孔施工順序，分期分批進行施工，根據(jù)先期在簡單溶洞地層的鉆孔施工為以后的復(fù)雜溶洞地質(zhì)條件下的鉆孔施工積累經(jīng)驗。

3．3 常見病害及成因分析

在溶洞地質(zhì)進行鉆孔施工常見的病害主要有:漏漿、坍孔、卡鉆、掉鉆、斜孔及混凝土外漏等，各病害成因如下:

3．3．1 漏漿

溶洞地質(zhì)鉆孔施工最突出的病害就是漏漿，因地下溶洞相互貫通、基巖裂隙發(fā)育、溶洞連通地下河流等原因，漏漿現(xiàn)象發(fā)生普遍，漏漿若處理不及時則極易造成坍孔，給鉆孔樁施工的安全和質(zhì)量都帶來極大隱患。

3．3．2 坍孔

坍孔產(chǎn)生的原因:

⑴因漏漿處理不及時造成孔壁外側(cè)壓力大于內(nèi)壓力，進而破壞孔壁泥皮，使松散易坍地層發(fā)生坍塌，嚴(yán)重時甚至危及施工平臺、機具設(shè)備、人員安全，危害很大;

⑵在溶洞內(nèi)的填充物因鉆進過快、處理不到位，在沖擊鉆的沖擊振動下發(fā)生局部溶洞內(nèi)填充物的局部坍孔，有可能造成埋鉆，給施工造成麻煩。

3．3．3 卡鉆

卡鉆是巖溶地區(qū)樁基施工遇到的普遍問題之一，其主要原因有:

⑴溶洞頂板薄，一錘打穿溶洞時，因頂板開口的大小與鉆頭的大小幾乎相等，在提鉆的過程中發(fā)生卡鉆;

⑵溶洞發(fā)育，存在嚴(yán)重的溶溝、溶槽、狗齒石等現(xiàn)象，擠住鉆頭導(dǎo)致卡鉆;

⑶溶洞頂?shù)装宀黄剑鶐r面傾斜厲害，沖擊時鉆頭歪斜而卡鉆;

⑷在高度與鉆頭高度接近的溶洞內(nèi)鉆進時沖程過大，鉆頭落下孔底后因反彈傾斜使上部繩柄部位卡入溶洞。

3．3．4 掉鉆

在穿越溶洞頂板時，若沖程較大，在一錘砸穿頂板后造成打空錘，鋼絲繩因受力太大斷掉而造成掉鉆。

3．3．5 斜孔

當(dāng)巖面傾斜，或樁位處一半土一半巖，若沖程較高、鉆進過快、拋填處理不到位，均有可能造成斜孔。

3．3．6 混凝土外漏

在灌注水下混凝土過程中，因在溶洞內(nèi)鉆進時拋填處理不到位，孔壁強度不夠，而造成孔壁被孔內(nèi)混凝土壓垮，孔內(nèi)混凝土面突然下降，有可能因此造成導(dǎo)管口脫離混凝土面斷樁，或者灌注時混凝土面上升緩慢，浪費大量混凝土。

3．4 現(xiàn)場主要問題處理

3．4．1 超前鉆孔預(yù)注漿處理

超前鉆孔預(yù)注漿處理的目的主要有兩個:一是摸清樁位溶洞準(zhǔn)確位置和漏漿程度，全面的掌握樁基處的溶洞分布規(guī)律和溶洞漏漿情況，取得第一手地質(zhì)資料，制定相應(yīng)的鉆孔施工方案，指導(dǎo)下一步的鉆孔、成樁施工;二是注漿補漏，根據(jù)地質(zhì)情況和鉆孔過程中的漏漿情況，對鉆孔時遇到的裂隙、溶洞等有害地質(zhì)情況及時進行注漿封閉、固結(jié)處理，加固溶洞內(nèi)的填充物和封閉巖石裂隙，并達(dá)到一定強度，防止正式鉆孔樁施工時因漏漿而導(dǎo)致坍孔等情況的發(fā)生，保障鉆孔樁成孔及水下混凝土澆注等一系列施工工序的順利完成。

超前鉆孔預(yù)注漿處理主要包括鉆孔和預(yù)注水泥漿兩個工藝環(huán)節(jié)。施工采用普通地質(zhì)鉆機進行，預(yù)注漿直接用注漿泵通過鉆桿完成。鉆孔過程中，邊鉆孔邊以套管跟進，這種情況下套管的作用相當(dāng)于護筒，起著保護鉆桿和容納護壁泥漿的作用。當(dāng)鉆機鉆至松散滲透性地層、裂隙發(fā)育巖層及溶洞地層發(fā)生漏漿時，采用間歇壓漿的方法，使不良地層得到充填、封閉和固結(jié)。采用注漿泵注漿時，壓力不宜太大，控制在0．5～1．0Mpa范圍，具體壓力根據(jù)現(xiàn)場試驗確定;水泥漿漿液水灰比W/C=0．8～1．0，漿液配合比按實際情況進行調(diào)整，遵循先稀后濃的原則，依吸漿情況逐步加濃漿液;根據(jù)透氣孔返漿情況，判斷洞內(nèi)充填情況是否達(dá)到要求，當(dāng)注漿達(dá)到要求后，即可停止注漿。注漿采取從上到下，隨鉆隨注的方式，逐漸將孔位處漏漿底層和溶洞內(nèi)充填物封閉或固結(jié)。為防止?jié){液流失太遠(yuǎn)造成浪費，采用間歇注漿方式，使得先注入的漿液與溶洞填充物初步達(dá)到膠結(jié)后再注漿，如此循環(huán)注漿多次，直至達(dá)到規(guī)定最小注漿量和注漿壓力控制值為止。

3．4．2 穿越溶洞鉆孔施工技術(shù)

本工程鉆孔樁均采用沖擊鉆機成孔，沖孔過程中，結(jié)合地質(zhì)柱狀圖上溶洞情況，針對不同地層采取不同沖程、不同的處理方法;對地質(zhì)異常復(fù)雜的樁，根據(jù)其不同特點，制定專門的工藝措施。每根樁開鉆前，應(yīng)將地質(zhì)柱狀圖掛在鉆機上，做到讓每一位參與施工的人員都充分掌握要鉆孔的溶洞的位置、大小和充填情況等地質(zhì)資料。

⑴溶洞高度小于1．5m時的處理措施

此類溶洞較小，且溶洞內(nèi)多填充粉質(zhì)粘土和原巖風(fēng)化細(xì)角礫土，針對此類溶洞特點，在穿越溶洞時均采用拋填一定比例的粘土、片石(粒徑約20cm左右)等填料的方法反復(fù)小沖程沖砸擠壁成孔。進入溶洞發(fā)現(xiàn)漏漿時，先采用泥漿泵及時快速向孔內(nèi)補漿，然后將粘土和片石按約1∶1的比例(比例根據(jù)溶洞內(nèi)填充物適當(dāng)調(diào)整)向孔內(nèi)投至超過溶洞頂面約1～2m，采用沖擊鉆機以小沖程進行沖砸，使片石與粘土在溶洞內(nèi)形成一道環(huán)壁，如此反復(fù)投料、沖砸，直到穿透溶洞后即可正常鉆進。

圖三 現(xiàn)場拋填片石

⑵溶洞高度在1．5m～5m時的處理措施

對于此類較大溶洞，在鉆進發(fā)現(xiàn)漏漿時首先要及時向孔內(nèi)補漿，向孔內(nèi)按適當(dāng)比例投放粘土、片石至超過溶洞頂面約1～2m，同時拋填一定比例的袋裝水泥(根據(jù)有關(guān)試驗數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗，當(dāng)粘土、片石按1∶1的比例摻合時，水泥的摻量宜控制在0．35～0．67之間，在粘土、片石、水泥充分砸碎拌勻后能夠達(dá)到一定的強度)，用沖擊鉆機小沖程沖砸，使水泥與粘土、片石的混合填料充分混合并盡量填充溶洞，如此反復(fù)投料、沖砸，直至穿透溶洞后即可正常鉆進。溶洞處理混合填料因摻入了水泥而形成一定強度，在反復(fù)拋填鉆進、充分填充溶洞后，在溶洞內(nèi)沿孔位逐漸形成一圈有一定強度的環(huán)形護壁，即解決了漏漿和溶洞內(nèi)局部坍孔的可能，又能避免成孔后灌注水下混凝土過程中孔壁因不牢固被混凝土壓垮、孔內(nèi)混凝土面突然下降而造成的斷樁和混凝土超灌嚴(yán)重等問題。

⑶溶洞高度在5．0m～10m時處理措施

圖四 現(xiàn)場拋填粘土

對于此類大溶洞一般也都先采用上述拋填粘土、片石和袋裝水泥混合填料進行處理。在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)漏漿時，首先應(yīng)及時補漿，同時反復(fù)向孔內(nèi)拋填粘土、片石鉆進，當(dāng)漏漿較嚴(yán)重時，應(yīng)大量向孔內(nèi)拋填粘土、片石和袋裝水泥混合填料并補漿，然后鉆進，如此反復(fù)進行拋填、鉆進直至穿過溶洞。但因此類溶洞高度大，溶洞在水平方向也可能非常發(fā)育，采取上述措施很可能仍難以成孔，或者即便成孔，但成孔周期過長或混合填料構(gòu)筑的孔壁護圈不足以承擔(dān)灌注水下混凝土?xí)r的壓力而被壓垮造成斷樁和混凝土超灌嚴(yán)重等問題時，則可采取向孔內(nèi)灌注C15低標(biāo)號素混凝土的方法進行回填處理，混凝土應(yīng)灌注至溶洞頂面以上1～2m的位置，待混凝土達(dá)到一定強度后再繼續(xù)鉆進。為節(jié)約混凝土灌注量。拋填粘土在灌注混凝土前，可用粘土、片石和袋裝水泥混合填料反復(fù)沖擠到一定程度后，再行灌注混凝土。無論溶洞是有填充或無填充，均可采用上述方法處理。

⑷溶洞高度在大于10．0m時處理措施

對于此類超大溶洞，一般位置較深，且橫向也很發(fā)育，還可能連接著地勘資料未揭示的地下河，鉆至溶洞時有可能嚴(yán)重漏漿來不及補漿，而造成大范圍坍孔，危及施工平臺及設(shè)備、人員安全;或者即便能夠及時補漿保證孔內(nèi)水頭壓力，不發(fā)生坍孔，但僅采取拋填粘土、片石和袋裝水泥混合填料反復(fù)沖擠措施，因溶洞太高太大也是難以完成成孔和成樁施工的，若采取在溶洞內(nèi)填筑素混凝土的處理方法，因溶洞大小未知，混凝土的灌注量也將是個未知量，因此從安全、施工成本等各方面上考慮，此類超大溶洞的鉆孔應(yīng)采用護筒跟進的方法進行施工。

護筒跟進是利用幾種不同內(nèi)徑的鋼護筒配合幾種不同直徑的鉆頭，利用振動打樁錘將護筒一直跟進到溶洞底部的施工方法。此法即解決了成孔過程中溶洞頂部覆蓋層的坍塌問題，又保證了成樁的安全和質(zhì)量。護筒均采用優(yōu)質(zhì)鋼板卷制，護筒壁厚根據(jù)所屬層位而不相同，施工按如下步驟進行:

①利用振動打樁機插打最外層鋼護筒，按常規(guī)鉆孔方法鉆進至距溶洞頂板約1m的位置處。外層護筒壁厚一般不小于10mm，護筒內(nèi)徑應(yīng)比樁徑大約50cm，鉆孔用鉆頭直徑比設(shè)計樁徑大35cm左右。插打鋼護筒應(yīng)嚴(yán)格控制豎直度和中心偏位，避免給后續(xù)各工序帶來麻煩;

②提出鉆頭，利用吊機等設(shè)備將中間層鋼護筒逐段接長并下放到孔底，然后對中、用壓重或振動打樁錘將中層護筒下沉至溶洞頂巖面，在兩層護筒之間灌砂使兩層護筒同時受力，必要時可注漿固結(jié)、密封。中層鋼護筒壁厚采用8～10mm，內(nèi)徑比樁徑大約30cm;

③換用稍小鉆頭小沖程沖砸穿過溶洞頂板(直徑比樁徑大15cm左右)，此時即使發(fā)生嚴(yán)重漏漿，因中層鋼護筒的防護溶洞頂上的覆蓋層也不會發(fā)生坍孔。此時即可按照上述拋填粘土、片石和袋裝水泥或灌素混凝土等方法進行溶洞內(nèi)的鉆孔施工，直至鉆至溶洞底板以下約50cm。

④提出鉆頭，將內(nèi)層鋼護筒逐段接長并下放到距孔底約50cm位置，向孔內(nèi)灌注低標(biāo)號素混凝土將洞底已鉆約50cm深的孔填滿后，立即將內(nèi)層鋼護筒插入混凝土內(nèi)將其與洞底巖層固結(jié)封閉，達(dá)一定強度后換用與樁徑相同直徑的鉆頭鉆進至設(shè)計標(biāo)高，清孔換漿完成后灌注樁基水下混凝土。內(nèi)層鋼護筒壁厚采用6mm，內(nèi)徑比樁徑大約10cm。

此法無論溶洞是有填充還是無填充都適用，若在超大溶洞下仍存在若干超大溶洞，則需根據(jù)實際情況設(shè)置多層護筒和鉆頭進行跟進施工。

3．4．3 穿越溶洞頂板時的處理措施

鉆進過程中根據(jù)地質(zhì)柱狀圖和鉆頭沖擊巖層的聲響，判斷鉆頭是否接近溶洞頂板。進入巖面以前，準(zhǔn)備充足的泥漿和1～2臺大流量泥漿泵，同時準(zhǔn)備大量的粘土、片石。接近頂板時(約1m)，提前向孔內(nèi)拋填片石，使鉆錘能平衡沖擊溶洞頂板，采用小沖程反復(fù)拋填、沖砸，緩慢穿透溶洞頂板，一是防止由于溶洞頂板巖層不均造成斜孔，二是防止一錘擊穿溶洞頂板，造成卡鉆、掉鉆和泥漿大量流失而引起的孔口坍陷。沖砸過程中應(yīng)密切注意護筒內(nèi)泥漿面的變化情況，當(dāng)泥漿面下降時，應(yīng)迅速向孔內(nèi)補漿和拋填片石、粘土至不再出現(xiàn)漏漿。

3．4．4 漏漿、坍孔的預(yù)防和處理措施

發(fā)生坍孔的主要原因是因孔內(nèi)漏漿，孔內(nèi)變成負(fù)壓，破壞了護壁泥皮而造成。因此在鉆孔過程中如果能夠有效地解決了漏漿的問題，坍孔也就得到了有效的預(yù)防。溶洞地質(zhì)鉆孔施工前，應(yīng)準(zhǔn)備充足的泥漿和1～2臺大流量泥漿泵，同時準(zhǔn)備大量的粘土、片石、袋裝水泥等填充物，發(fā)生溶洞漏漿時即應(yīng)采取前述“穿越溶洞鉆孔施工技術(shù)”中所述方法進行補漿，并同時拋填片石、粘土、袋裝水泥等進行處理，必要時可采用灌注素混凝土或采用護筒跟進的施工方法避免漏漿及坍孔。

針對巖石裂隙漏漿問題，主要采取以下處理措施:

⑴做好超前鉆孔預(yù)注漿工作，在超前鉆孔過程中及時發(fā)現(xiàn)巖石裂隙情況，并采取預(yù)注漿的方式將裂隙封閉，避免鉆孔施工時發(fā)生裂隙漏漿。

⑵鉆孔施工中發(fā)現(xiàn)裂隙漏漿時，首先應(yīng)立即補漿，同時向孔內(nèi)按大約1∶1的比例拋填粘土和袋裝水泥至裂隙頂面以上約4～5m，采用小沖程反復(fù)沖砸，利用粘土水泥漿滲透進巖石裂隙后逐漸將裂隙固結(jié)封閉。

3．4．5 卡鉆、掉鉆的預(yù)防和處理措施

鉆孔施工時應(yīng)準(zhǔn)確掌握地質(zhì)資料和進尺情況，當(dāng)鉆進至溶洞頂?shù)装?、在與鉆頭高度接近的溶洞內(nèi)鉆進、發(fā)現(xiàn)巖面傾斜、或在溶洞內(nèi)存在嚴(yán)重溶溝等不良地質(zhì)條件時，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆孔進尺和沖程，在不良地質(zhì)處反復(fù)用片石回填、以小沖程沖砸，緩慢穿透該地層，避免在發(fā)生卡鉆(在穿越溶洞頂板時避免掉鉆)。

3．4．6 斜孔的預(yù)防和處理措施

在鉆孔遇斜巖、鉆至溶洞頂、溶溝溶槽內(nèi)鉆孔時，應(yīng)采取反復(fù)拋填片石，以小沖程沖砸的措施，避免因受力不均而沖程過大、進尺過快造成斜孔。

在巖面傾斜過大，或樁位處一半土一半巖軟硬程度極為不均時，則直接向孔內(nèi)灌注低標(biāo)號混凝土，待混凝土達(dá)到一定強度后，再行鉆進。

鉆進過程中要密切注意鋼絲繩擺動情況以判斷是否斜孔，發(fā)生斜孔時，應(yīng)向孔內(nèi)拋填片石至斜孔位置以上1～2m，以小沖程反復(fù)沖砸，將斜孔糾正。

3．4．7 混凝土外漏的預(yù)防和處理措施

針對混凝土外漏的成因，應(yīng)采取以下措施來預(yù)防:

⑴當(dāng)同一個無填充溶洞貫穿多根樁基時，應(yīng)逐根完成該溶洞范圍的樁基施工，使溶洞在施工過程中始終是個封閉的腔體，利用腔體的封閉效應(yīng)來穩(wěn)固樁孔護壁;

⑵在溶洞內(nèi)鉆孔時嚴(yán)格控制鉆孔進尺，反復(fù)在溶洞內(nèi)拋填粘土、片石和袋裝水泥并以小沖程沖砸，增加護壁厚度和提高護壁強度，必要時灌注低標(biāo)號混凝土形成護壁。在超大溶洞則利用跟進鋼護筒避免混凝土外漏。

⑶灌注樁基水下混凝土進入溶洞范圍時，派專人觀察孔內(nèi)泥漿情況，增加測深頻次，增大導(dǎo)管埋深以避免混凝土面下降過大造成斷樁，臨近孔位應(yīng)暫時停鉆減少沖擊振動。

4 施工實施效果

本工程溶洞地質(zhì)條件下的鉆孔樁施工已全部完工，在鉆孔施工過程中，根據(jù)制定的溶洞施工技術(shù)措施，現(xiàn)場施工嚴(yán)格按要求執(zhí)行，溶洞處理效果良好。經(jīng)檢測主墩鉆孔樁均達(dá)到Ⅰ類優(yōu)質(zhì)樁的標(biāo)準(zhǔn)，可見溶洞地質(zhì)鉆孔施工技術(shù)措施的制定和執(zhí)行是可行和有效的。