巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁孔斜處理施工技術(shù)研究

楊 小 軍, 龍 波, 王 勇， 趙 志 勇

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610037)

1 概 述

中老鐵路磨萬段北起中老邊境口岸磨丁，南至老撾首都萬象，線路全長414.332 km，是第一個以中方為主投資建設(shè)并運營、與中國鐵路網(wǎng)直接連通的境外鐵路項目，全線采用中國技術(shù)標準，使用中國設(shè)備，設(shè)計時速為160 km/h。中老鐵路磨萬段Ⅴ標I分部橋址區(qū)遍布巖溶(喀斯特地貌)、砂土液化、松軟土等不良地質(zhì)及特殊巖土；多座橋梁地勘鉆孔見洞率達70%～96%，平均見洞率為57%，最大洞高約為13 m，巖溶呈中等～強烈發(fā)育，隱伏性巖溶發(fā)育，多為串珠狀及貫通型溶洞，地質(zhì)情況極為復(fù)雜；同時其下伏二疊系(P)灰?guī)r強度高，斜面巖密布，基樁嵌巖深度大，鉆孔偏斜處理難度極大。

鑒于鉆孔灌注樁屬隱蔽性工程，施工工序多，導(dǎo)致質(zhì)量影響因素很多。而鉆孔作為其第一道關(guān)鍵工序，鉆孔的偏斜對后續(xù)鋼筋籠、導(dǎo)管能否順利下設(shè)與起拔有很大作用，直接影響到混凝土澆筑、樁基承載力以及上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。結(jié)合工程實例，對巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁出現(xiàn)的不同形態(tài)的鉆孔偏斜采取的不同處理措施進行了研究與總結(jié)，以期進一步豐富巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁孔斜處理施工技術(shù)。

2 鉆孔偏斜的機理及影響因素

2.1 鉆孔偏斜的機理

鉆孔偏斜或鉆孔彎曲是指鉆進(井)過程由于地質(zhì)因素、技術(shù)因素和工藝因素的影響，導(dǎo)致實際的鉆孔軌跡偏離設(shè)計鉆孔軌跡的現(xiàn)象。鉆孔偏斜的根本原因是鉆具軸線和鉆頭碎巖中心偏離設(shè)計鉆孔軸線[1]。鉆孔產(chǎn)生偏斜的條件為：①空間上，鉆頭鉆具與孔壁之間存在間隙，使鉆頭鉆具有傾斜的空間，例如局部超徑；②鉆進時存在偏離軸線方向的力，其為鉆頭鉆具軸線偏離鉆孔軸線提供動力，例如軸壓的水平分力；③傾斜方向穩(wěn)定，使鉆頭鉆具保持偏斜和力的方向穩(wěn)定，例如斜面巖、鉆頭的自轉(zhuǎn)。

2.2 影響鉆孔偏斜的因素

鉆孔偏斜是巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工常見的現(xiàn)象，其處理時間長，嚴重影響施工進度。影響鉆孔偏斜的因素很多，大致可分為地質(zhì)因素、技術(shù)因素和工藝因素三類。

2.2.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素是客觀存在的，其可以通過施工工藝和技術(shù)措施減弱促斜作用，主要體現(xiàn)為巖石的各向異性和軟硬互層。

巖石的各向異性系指在不同方向外荷載作用下，巖石所表現(xiàn)出的物理力學(xué)性質(zhì)差異[2]。在具有層理、片理的巖層中鉆進時，垂直于巖層方向鉆進的碎巖效率最高；平行于層理方向的鉆進效率最低；傾斜方向的破巖效率居中。因此，在傾斜巖層、巖溶發(fā)育地層中鉆進，極易產(chǎn)生鉆孔偏斜現(xiàn)象。

軟硬互層主要表現(xiàn)為：①鉆頭從軟巖進入硬巖，鉆孔彎曲垂直于層面方向；②鉆頭從硬巖進入軟巖時，鉆孔基本保持原來的方向；③鉆孔以銳角穿過軟硬互層時，最終表現(xiàn)為頂層進。但是，鉆孔軸線與軟硬互層界面的遇層角存在著臨界值。超過此值時，鉆孔頂層進；低于此值時，鉆孔將沿硬巖的層面下滑(俗稱順層跑)[3]。

該工程巖溶橋址區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況十分復(fù)雜，大部分樁基下部穿越多層溶洞，甚至是串珠狀溶洞。根據(jù)調(diào)查了解及現(xiàn)場實際情況，地質(zhì)因素對鉆孔偏斜的主要影響表現(xiàn)為以下幾種地質(zhì)類型：①上部土層與巖層分界面的斜面巖，其傾角大小、走向各不相同，鉆進至巖土分界面處極易發(fā)生鉆孔偏斜且糾偏處理困難；②下部灰?guī)r地層中發(fā)育著各類大中小型溶洞、串通型溶洞、填充～半填充溶洞等，其構(gòu)造無規(guī)律，產(chǎn)狀、大小變化十分復(fù)雜[4]，鉆進過程中極易遇到溶溝、溶槽、溶洞充填物中的孤石、石筍、半邊巖、溶洞底部傾斜巖面等，樁孔內(nèi)斜面巖、半邊巖、溶溝(槽)、石筍情況見圖1。這些情況均會導(dǎo)致鉆孔傾斜，致使樁基承載力降低；同時伴隨著孔內(nèi)巖溶漏漿等，極大程度增加了處理難度。因而，在鉆進至傾斜巖層、軟硬互層、孤石、通過溶洞發(fā)育段時應(yīng)合理控制沖程與沖擊頻率，減小鉆孔傾斜的機率，發(fā)生偏斜時應(yīng)積極采取有針對性的措施進行處理。

圖1 樁孔內(nèi)斜面巖、半邊巖、溶溝(槽)、石筍示意圖

2.2.2 技術(shù)因素

(1) 開孔階段：鉆機基礎(chǔ)不平、鉆機安裝不正確、未下孔口鋼護筒或孔口鋼護筒安裝不符合要求以及鉆進參數(shù)不合理等因素均會導(dǎo)致鉆孔偏斜。開孔階段的鉆孔偏斜會影響到整個樁孔的垂直度，因此，在開孔鉆進前，必須正確進行場地平整、孔口鋼護筒埋設(shè)和鉆機就位，使場地平整堅實、護筒傾斜度和鉆機調(diào)平符合要求，且鉆機立柱(轉(zhuǎn)盤)、鉆頭中心和樁位三點在同一直線上方可進行開孔鉆進；同時，開孔階段應(yīng)保持小沖程鉆進，直至鉆孔深度超過沖擊鉆頭高度。

(2) 鉆進階段：在沖擊式鉆機施工時，應(yīng)合理控制沖程和提鉆速度，防止沖程過大使鉆頭擺動厲害進而加大孔徑，導(dǎo)致鉆頭與孔壁間存在偏斜的空間。同時，在巖溶發(fā)育地層沖擊鉆進過程中，一定要防止因頻繁發(fā)生孔內(nèi)漏漿、鉆進震動使孔內(nèi)塌孔，鉆機前部土體沉陷，產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致鉆機傾斜造成斜孔。

2.2.3 工藝因素

采用沖擊式鉆機進行灌注樁施工在工藝方面導(dǎo)致鉆孔傾斜的原因主要受沖程、提鉆速度、泥漿質(zhì)量及泥漿循環(huán)速度的制約。沖程過大、提鉆速度過快導(dǎo)致沖擊時鉆頭橫向振動大，進而加大了孔徑，使鉆頭與孔壁之間偏斜的空間增大；泥漿循環(huán)速度過快將沖刷、破壞孔壁，導(dǎo)致其對孔壁的保護作用減小，特別是在巖土分界線和溶洞段施工時，將使孔壁間隙劇增，為鉆孔偏斜提供條件。

3 針對孔斜采取的處理措施

3.1 糾偏器處理

鉆進過程中，當發(fā)現(xiàn)鉆孔有偏斜傾向時，可先采用糾偏器進行鉆孔傾斜的糾偏。具體做法：將糾偏器下設(shè)至孔內(nèi)偏離鉆孔軌跡側(cè)，再下放鉆頭，將糾偏器置于鉆頭與孔壁之間，通過小沖程、低頻率的方式?jīng)_擊破壞斜巖面巖石，從而使鉆孔軌跡垂直。

采用糾偏器進行鉆孔偏斜的糾正主要通過以下三種途徑：①增加了鉆頭的重量，降低了鉆頭重心，增加了鉆頭沖擊時的穩(wěn)定性；②在孔徑擴大部位，充填在鉆頭與孔壁之間，減小了孔斜處鉆頭與孔壁之間的間隙，限制了鉆頭偏斜的空間和鉆頭的側(cè)向運動；③糾偏器的使用減小了鉆頭對孔壁的側(cè)向切削沖擊破壞。通過上述三種作用方式，使鉆頭對樁孔軸向巖層的沖擊破碎程度大于橫向，從而使鉆孔沿設(shè)計軌跡進行鉆進以達到鉆孔糾偏的目的。使用糾偏器進行鉆孔糾偏存在的缺點：①鉆頭、糾偏器尺寸不同，起下鉆操作不便；②在易塌地層容易導(dǎo)致卡鉆。

3.2 回填高強度塊石進行處理

在成孔過程中應(yīng)加強觀察與測量。當發(fā)現(xiàn)鉆孔有傾斜的現(xiàn)象采用糾偏器糾偏效果不佳時，可采用在孔內(nèi)回填高強度石塊的方法進行孔斜糾偏?；靥罡邚姸仁瘔K糾偏示意圖見圖2?；靥罡邚姸仁瘔K的目的是替代斜面巖處的土層或軟弱巖層以提高其強度，平衡沖擊錘對樁底各個部分的沖擊力，防止沖擊錘偏心、受力過大而造成樁孔偏位[5]。

圖2 回填高強度石塊糾偏示意圖

回填石塊的強度應(yīng)比孔內(nèi)巖石強度稍高，應(yīng)選用各種粒徑石塊搭配、級配良好、間隙小，回填后密實度高，以使石塊更容易被擠壓進孔位外面的土層，對沖擊錘產(chǎn)生更好的阻擋作用，使沖擊錘不再發(fā)生偏斜。同時，回填石塊時，應(yīng)回填一定量的黏土，以增強回填石塊之間的粘結(jié)力并提高石塊的整體強度，進而提高沖擊鉆頭傳遞至巖層的力度。石塊回填的高度一般超過傾斜巖面1～2 m?；靥詈螅ㄟ^小沖程沖擊并反復(fù)幾次，回填沖擊復(fù)鉆破碎斜面巖石，使鉆孔沿設(shè)計軸線穿過傾斜巖面區(qū)進行鉆進，從而達到糾偏的目的?；靥罡邚姸仁瘔K進行糾偏的方法具有的優(yōu)點是操作程序簡單，成本低；缺點是工期稍長。

采用回填石塊進行鉆孔偏斜處理時，若巖層偏斜嚴重將導(dǎo)致糾偏時間長，同時，由于該部位處于巖溶發(fā)育地層，漏漿現(xiàn)象頻發(fā)，樁孔上部土體存在坍塌的風(fēng)險。因此，在這種情況下，應(yīng)根據(jù)地勘資料結(jié)合實際情況在樁孔上部土層段下設(shè)護壁鋼護筒，以增加孔壁的穩(wěn)定性，防止塌孔。

3.3 灌注高強度早強混凝土的處理方法

針對鉆孔傾斜嚴重或斜面巖傾斜角度偏大的情況，采用糾偏器或回填高強度石塊處理效果不佳時，可采用灌注高強度早強混凝土(C35及以上)的方法進行糾偏處理。在孔斜鉆孔部位灌注混凝土可以消除斜面巖的導(dǎo)斜作用[6]。采用灌注高強度混凝土進行糾偏處理方法時，為增加處理效果，可先探明孔底斜面巖層的走向，然后配合制作安裝與巖層傾斜程度相契合的鋼筋籠后再灌注混凝土，混凝土的灌注高度一般超過傾斜面1～2 m，待凝2 d，待混凝土強度達到一定強度后，方可進行沖擊鉆進修孔糾偏。同時，為減小糾偏時和后期成樁混凝土充盈系數(shù)，降低施工成本，可以在孔徑擴大部分下設(shè)鋼護筒。

灌注高強度早強混凝土進行孔斜糾偏的作用是：通過提升偏斜處孔壁巖層的強度，使鉆頭沖擊力均衡地作用到樁底斜面巖上，從而達到減小樁孔傾斜、實現(xiàn)糾偏的目的。該方法的優(yōu)點是處理效果好；缺點是操作程序復(fù)雜，工期長。

3.4 采用爆破的方法進行處理

采用爆破法進行孔斜處理時，多為以下2種情形：

(1)當傾斜巖面在淺部、離地面深度在2～3 m范圍內(nèi)時，為快速進行斜面巖的破碎處理，可以采用開挖的方法暴露出斜面巖，即采用鉆孔爆破的方法進行處理。淺部開挖爆破糾偏處理現(xiàn)場見圖3。該方法操作簡單快捷，工期短，成本低。

圖3 淺部開挖爆破糾偏處理現(xiàn)場圖

(2)針對于斜面巖強度過大或偏孔嚴重的樁孔，當采用糾偏器、回填法糾偏處理效果不明顯或不能糾偏且不能繼續(xù)進行開挖時，可以采用地質(zhì)鉆機在斜面巖處鉆孔，采用水下控制爆破的方法破碎或松動斜面巖。爆破時，鉆孔位置和數(shù)量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)情況決定且裝藥量不能過大，以免沖擊力過大而造成孔壁坍塌。爆破后，用沖擊鉆沖砸斜面巖巖面，可以實現(xiàn)快速糾正偏孔的目的，不用多次回填和重復(fù)沖孔。該方法處理效果好，工期短，但程序稍顯繁瑣。

4 結(jié) 語

綜上所述，在巖溶發(fā)育地質(zhì)條件下進行鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工時，引起鉆孔灌注樁鉆孔偏斜的主要因素是鉆孔過程中巖體構(gòu)造變化。該工程依據(jù)地質(zhì)勘查資料，結(jié)合實際情況，對成孔過程中的鉆孔偏斜采取糾偏器、回填高強度石塊、灌注高強度早強混凝土、孔底爆破等措施進行有針對性、綜合性的處理，順利完成了巖溶發(fā)育地質(zhì)條件下鐵路橋梁樁基工程的施工，取得了良好的施工效果，所取得的經(jīng)驗具有一定的借鑒參考價值。

為了最大程度地防止鉆孔偏斜、降低成孔的施工難度，施工過程中應(yīng)做好以下幾點：①鉆孔前做好場地平整、鉆機就位和技術(shù)資料準備等工作；②鉆進過程中做好鉆機防振防斜、沖程控制和孔內(nèi)情況觀測等；③鉆進過程中，如發(fā)現(xiàn)鉆頭擺動不正常、鋼繩偏離樁孔中心位置、沖擊鉆頭磨損不均勻及偏磨嚴重等情況時，應(yīng)采取相應(yīng)的措施解決問題后方可繼續(xù)施工。