岩溶区长桩施工技术

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摘要：从贵广高速铁路大塘口双线特大桥桩基施工实例出发，对岩溶发育地区超长桩基的岩溶处理、钢套筒跟进、水下混凝土灌注时的泥浆控制及导管埋深总结出相应的技术措施。

关键词：钻孔桩 岩溶发育地区超长桩基础钢套筒跟进 泥浆比重

1、工程概述

1.1工程概况

大塘口双线特大桥全长2416.702m。本桥梁部结构为24m和32m铁路双线简支箱梁, 下部为双线圆端性实体桥墩、空心墩，双线矩形空心桥台。基础为钻孔灌注桩，其中Ф150cm 325根、Ф125cm 311根、Ф100cm 80根，共计716根。设计最长桩长93.5m，实际孔深近100m。计划工期17个月。

1.2地质情况

本桥为云贵高原东侧的梯级大斜坡地带，处于河谷地带，地质从上至下为松软土、粉质黏土、细圆砾土、粗圆砾土、粗角砾土、页岩、灰岩，其中桩基岩层以泥质页岩与灰岩为主，岩溶强发育。其中42个墩、420根桩处于岩溶发育区域，难度最大的是17、20、37、40、44、47、49、50、53、54、55、56、57号墩，单层溶洞最高达25m，整个桩长范围内最多分布有13层溶洞。其中17#墩桩基为11根Ф1.5m，设计桩长82m桩基，47#墩桩基为11根Ф1.25m，设计桩长93.5m桩基，53#墩桩基为11根Ф1.25m，设计桩长75m桩基。溶洞大小不一，岩溶极为发育，溶洞与灰岩交错呈夹层、串联分布。溶洞按其填充状态可分为空洞、半填充的和完全填充的三类；按其填充物的性质可分为黏性土、砂砾和稀土、粉质流沙四类；按其漏浆情况可分为漏浆和不漏浆两类；溶洞的走向与地下河流的流向相同与不相同两类。该桥溶洞填充物差异性大，地下水丰富，桩基施工难度大。

2、施工方案

针对该桥桩基溶洞较大且呈串珠型分布，溶洞填充物情况复杂特点，确定先采用冲击钻成孔，抛投片石、黏土、水泥封堵小溶洞、混凝土封堵大溶洞的方法处理溶洞，然后采用单层或多层钢套筒跟进的方案成桩。使用膨润土调浆清渣。桩基混凝土采用导管法灌注水下混凝土。

2.1施工准备

2.1.1人员组织

组织有关技术人员研究学习有关溶洞处理的方案、措施，成立了溶洞处理应急小组。施工现场设立技术主管1人、技术员6人、调度2人，现场保证2名技术人员和1名调度人员值班，发现问题及时上报处理。

2.1.2机械配备

装载机50型二台，25T吊车一台，35T吊车一台、挖机2台，泥浆车2台，泥浆泵每台钻机1台，备用5台，液压钳一台。全线送水管道1套。备有2个7.5kw水泵，120KW发电机2台、6台罐车、2台2000型搅拌机、处理施工故障的备用机具设备，如打捞、急救以及不同性能的其他钻机、钻具等。

2.1.3材料准备

工地现场每个墩位保证常备片石100m3，黏土1000m3，水泥10T，编织袋200条，各型号钢套筒各一套， 4个墩位配置大型泥浆备用池1个（10m*10m*4m），4个墩位配置水池1个（4m*4m*3m）。

2.1.4技术交底

每个墩位开工前根据设计院地质勘探结果，初步掌握溶洞出现的位置，并推断其范围大小。根据溶洞的桩位地质、水文地质资料进行分析研究，制订溶洞处理方案、钢套筒使用套数及直径和长度。施工过程详细记录每根桩钻进数据，总结该墩位地质及溶洞情况，从而制定该墩位每个孔位的溶洞处理方案、钢套筒使用套数及直径和长度。制定方案发给有关人员，让具体操作者、技术人员、作业队长都知道溶洞的位置、大小、充填情况以及应采取的施工方案。

2.2 溶洞处理

2.2.1溶洞封堵

溶洞封堵采取的措施主要取决该溶洞漏浆多少、快慢、次数、大小等情况。一般钻孔过程发现漏浆，应及时抛投片石、黏土、水泥混合物封堵然后补浆至孔口。若同一位置反复漏浆且漏浆情况严重应采取C35混凝土水下灌注封堵的方法处理。具体如下：

（1）、溶洞的范围小，溶洞高度小于1m，漏浆缓慢，采用片石和黏土的混合物回填至溶洞顶以上2m，钻头小行程挤压密实。当溶洞填充物为流塑状时，在回填混合物时可掺适量水泥起固结套壁作用，然后补浆至孔口。待水泥终凝24小时后再继续施工。如一次回填不能完全填充，则可再回填一次，使混合物完全填充溶洞。

（2）、溶洞的高度在大于1.0m，且溶洞为填充或半填充的，漏浆缓慢，则先抛填片石（15cm-20cm狗头石）、黏土和水泥混合物（片石和黏土比例为1:1，每填高3m混合物填水泥500kg），回填高度一次以2m-3m为准，然后用小冲程冲击片石挤压到溶洞边形成泥浆碎石外套壁，水泥黏土混合物将片石空隙初步堵塞后停止冲击，混合物回填至溶洞顶以上3-5m，然后补浆至孔口。24小时后，待水泥的强度达到2.5Mpa后，再继续冲击，穿过溶洞。在钻前或钻进过程中，应适当增加黏土数量，提高泥浆比重（泥浆比重以1.35-1.45g/cm3为宜）。

（3）、溶洞的高度在大于1m，溶洞为空洞或漏浆严重的，向孔内快速回填片石（15cm-20cm狗头石）、黏土和水泥混合物待水头不下降为止。然后再回填5-10m混合物，补浆至孔口。钻头小冲程挤压，把混合物挤进溶洞内，24小时后，待水泥的强度达到2.5Mpa后，再继续冲击，穿过溶洞。

（4）、溶洞在同一位置多次使用片石、黏土、水泥混合物封堵不能通过的，提前做好混泥土封堵准备，待再次漏浆快速下设导管至孔底，灌注C35混泥土，待混泥土面开始上升后补灌4-6m。然后补浆至孔口，静止2-3天待混凝土强度达到70%后重新冲孔。

2.2.2钢套筒跟进

2.2.2.1钢套筒的施工目的：

（1）、第一层钢套筒下至土石分界线下1m位置，隔离上部松软地层，保证在下步钻进过程遇溶洞孔内漏浆，上部土层稳定不塌孔。

（2）、第二层、第三层钢套筒的跟进，隔离溶洞人工填充，穿过溶洞区，保证该层溶洞不再引起漏浆或塌孔现象，以及防止混泥土灌注过程因混泥土挤破孔壁而引起的混凝土流失，流失严重可形成断桩。

2.2.2.2、钢套筒尺寸选择：

最里层钢套筒大于桩径10-20cm，同时小于上一层钢套筒内径20cm，依次类推。钢套筒壁厚10mm。

例如：（1）、桩径1.5m的桩基采用直径2.0m、1.8m、1.6m的钢套筒组合。

（2）、桩径1.25m的桩基采用直径1.8m、1.6m、1.4m的钢套筒组合。

2.2.2.3钢套筒的施工步骤：

（1）、正常埋设普通钢护筒2-4m，确定桩位中心后开钻。

（2）、上部覆盖层使用大于桩径35cm或55cm锤头正常钻进至土石分界线下1m，沉放第一层钢套筒。

(3)、孔内跟进第一层钢套筒后，继续冲砸将溶洞打开，抛填黏土、片石及水泥混合物将洞内冲砸密实或灌注混凝土形成临时闭合层防止塌孔。如下层溶洞较少或溶洞封堵处理后状态稳定，则使用同桩径尺寸锤头正常钻进至设计桩底，不再跟进钢套筒。如下部溶洞发育则根据穿过溶洞及岩层性质决定是否采取第二层、第三层钢套筒跟进。当穿过最后一层溶洞后跟进钢套筒进入完整基岩至少0.5m。各层钢套筒直径的大小及长度根据溶洞层数及溶洞高度综合确定。

(4)、双层及多层钢套筒施工完毕后与套筒之间使用水泥砂浆填充密实。

2.2.2.4钢套筒制作及跟进方法:

钢套筒在工厂分节预制（每节1.5m长），现场焊接成9m长钢套筒备用，接口处设置加固块，防止下压时开焊。使用吊车分节吊至孔内，孔口焊接，液压钳震动下压至预定孔深。

2.2.2.5钢套筒跟进实例:

以47#-3桩基为例：桩径1.25m,设计桩长93.5m，实钻深度99.60m。埋设直径2m钢护筒4m，使用直径1.85m锤头开孔，钻进至44m位置入岩，第一层钢套筒采用直径1.8m沉放45m。换用直径1.65m锤头继续钻进至47m击穿溶洞顶层漏浆，多次抛填黏土、片石及水泥混合物通过第一溶洞区域， 60m再次入岩，第二层钢套筒采用直径1.6m沉放61m。再用直径1.45m锤头继续钻进至65m击穿溶洞顶层漏浆，多次抛填黏土、片石及水泥混合物及混泥土穿过溶洞第二大区域，85m再次入岩，第三层钢套筒采用直径1.4m沉放86m。换用直径1.25m锤头继续钻进至孔底，虽出现多次漏浆，但漏浆情况不严重，进行普通封堵不再使用钢套筒。

2.3清孔

钻至设计高程后进行清孔，清孔的目的是将孔内的钻渣及其沉淀物清除。清孔采用两次换浆法清孔，第一次成孔后下钢筋笼前使用泥浆泵胶管伸至孔底采用正循环清孔，第二次钢筋笼下完后使用导管排浆法清孔。清渣确保在灌注砼前沉淀厚度不大于50mm。严禁采用加深钻孔深度方法替代清孔。

两次清孔均使用膨润土加水法清孔。第一次清孔泥浆比重在1.25-1.3之间，孔内排出的泥浆手摸无较大颗粒。第二次清孔泥浆比重控制在1.10-1.15，孔内排出的泥浆手摸无较大2-3mm颗粒。较长溶洞桩基泥浆比重一般调至1.15即可灌注混凝土。

含沙量较大的桩基泥浆比重很难降低，可使用泥浆滤砂器过滤后再进一步调浆清孔。

2.4钢筋笼的安装

钢筋笼在工厂预制，中间节12m，使用大吨位汽车吊现场拼接。因本桥桩基顶面均低于地面，钢筋笼上端焊接直径20的钢筋吊环，护筒上设横担固定吊环。吊环长度根据横担顶标高与桩顶标高确定。吊筋长度=横担顶部标高-拟焊部位标高，保证钢筋笼处于悬吊状态，防止钢筋笼下沉变形。钢笼放入孔中时，禁止强起猛落损坏钢筋笼或声测管。接装检测管时，用定位圈绑扎接定位。声测管采用内径不小于40mm、壁厚3.5mm的无缝钢管，声测管下端封闭、上端加盖封闭、连续处采用套管连接。声测管下接过程应确保管内注入清水。长桩焊接接头较多，80m以上桩基钢筋笼焊接时使用至少3台电焊机同时焊接，减少焊接时间，防止塌孔。

2.5安装导管

导管为内径30cm的丝扣式导管。导管分节长度应便于拆装和搬运、并小于导管提升设备的提升高度，中间节一般长2.8-3m，下端节可加长至4-6m，漏斗下可配长约1m、0.5m的上端节导管，以便调节漏斗的高度。使用前应进行认真检查，确保内壁平滑，连接顺直，并且要保证密封胶垫和连接丝扣完好。导管应具有良好密封性能，必须做水密封承压试验，压力不低于8～10 MPa。

2.6灌注水下混凝土

混凝土的质量是灌桩成败的关键，应严格控制原材的选购、配合比的设定、搅拌时间、碎石级配等指标。塌落度一般控制在200-220mm。

浇筑水下混凝土前，导管上口应下降至孔内泥浆面以下，排除导管内空气，以导管口不翻浆为止，导管内外压强一致保证封底混泥土顺利下落。

计算和控制首批封底混凝土数量，保证首批封底混凝土下落能把导管下口埋入混凝土不小于1m深。1m桩径每米混凝土用量0.8m3,1.25m桩径每米混凝土用量1.22m3, 准备2m3料斗；1.5m桩径每米混凝土用量1.77m3准备3.5m3料斗。

混凝土运输车一般运输量为8-10方，第一车灌注完毕，继续第二车灌注，第二车或第三车灌注完毕后使用测绳检查导管埋深，确定拔管节数。在保证灌注顺利进行的前提下，尽量减少拆管次数， 保证灌注过程紧凑、连续地进行，严禁中途停工，在整个灌注过程中，控制导管的埋深，随着混凝土面的上升，混凝土对孔壁压力增加，极易造成普通封堵溶洞位置孔壁破裂，混凝土挤入溶洞，封堵物进入孔内，混凝土面下降。为保证在混凝土面突然下降的情况下导管依然有埋深和给导管接长时间，导管一般在混凝土下埋深8-12m。

后期泥浆比重过大无法探测混凝土面，同时考虑混凝土面灌注结束后存在下降情况，混凝土的浇筑面按高出桩顶设计高程2-3m控制，以保证桩顶混凝土的质量。成桩时使用长竹竿准确测量混凝土面高度。

2.7 岩溶区桩基常见问题及处理措施

2.7.1 漏浆

主要原因：

1、疏松多孔的厚覆盖土体

2、溶洞、裂隙等岩溶形态

3、溶洞挤压不密实、钻进过程对填补孔壁的扰动

4、清孔过程泥浆比重下降改变溶洞内与孔内压力，造成溶洞处孔壁破坏

5、串联溶洞内的水体或地下暗河对溶洞填充物的冲刷，造成孔壁破坏。

处理办法：迅速将锤提出，大致判断漏浆位置，根据漏浆情况抛填黏土和水泥混合物或片石（15cm-20cm狗头石）、黏土和水泥混合物，（片石和黏土比例为1:1，每填高3m填袋装水泥500kg）回填高度一次以2m-3m为准，混合物回填至溶洞顶以上3-5m，然后补浆至孔口。多次漏浆无法通过该溶洞则灌注混凝土进行封堵。

2.7.2 塌孔

塌孔有两种情况：一种是孔口坍塌，其表现是孔口护筒底脚处局部坍塌，护筒倾斜及下陷，严重者坍塌扩展到护筒周围，造成钻机倾斜或不均匀下沉；另一种是孔内坍塌，其表现是孔内水位不稳定或突然下降，孔口冒细密的水泡，出渣量显著增加而钻进速度慢或没有进度，钻头达不到原钻孔位置，钻机负荷显著增加等。

主要原因：

对第一种情况，多为护筒埋设不稳固，周边黏土未夯实，护筒埋置太浅；下端孔口漏水、坍塌或孔口附近地面受水浸湿泡软或钻机装置在护筒上由于振动使孔口坍塌；扩展或较大塌孔发生漏水；钻头提升或下降撞击或拖挂套筒孔壁；开孔时进尺太快护壁不好。

对第二种情况，多为洞穴顶板被意外击穿或击穿裂隙通道后，孔内泥浆水头急剧下降，覆盖土层处护壁失稳而造成塌孔；孔内补浆不及时，延误时间过久；在松软砂层钻进，进尺太快；清孔后泥浆比重、黏度等指标降低。

处理方法：塌孔事故应力求预防为主，一旦发生应及时处理。保证钻孔时泥浆质量的各项指标满足规范要求；保证钻孔时有足够的水头高度；在不同土层中选用不同的冲程；起落钻头时对准钻孔中心；偏孔位置及时纠偏；塌孔不严重者可回填黏土和水泥后加大泥浆比重、加高水头，继续钻进；塌孔严重者应使用片石、黏土、水泥回填，换孔位钻进，待其它孔位完成后再复钻。

2.7.3 卡锤

产生的原因：钻孔不圆，锤头被狭窄部位卡住；未及时补焊锤头，锤头直径逐渐变小，使补焊的锤头入孔冲击被卡住；上部孔壁塌落物卡住锤头；在黏土中冲程太长，泥浆黏度过高，锤头被吸住；放绳太多，锤头倾倒顶住孔壁；锤头进入岩层裂隙；锤头击穿溶洞顶，由于钢丝绳过长，锤头倾倒进入溶洞；钢套筒底部由于锤头的频繁碰撞而向上卷起，从而卡住提升中的锤头。

处理方法：摸清锤头情况，不宜强提，一般采取晃大绳及其他措施，使锤头松动后再提起。因锤头穿过岩层突变处导致的卡锤，优先采用水下爆破的方法进行处理。在整体岩层中此方法容易奏效，砂土地层中不宜采取此方法处理。由于机械故障导致锤头在浓泥浆中滞留时间过长造成的锤头无法提升现象，应采取插入高压水管置换泥浆的方法进行处理。

卡锤主要以预防为主，及时补焊锤头，保证孔径圆顺。溶洞位置宜用小冲程进尺。

2.7.4掉锤

产生原因：掉锤由于机械故障、钢丝绳断裂、锤把断裂、孔壁坍塌等因素造成锤头落入孔底的现象通常称“掉锤”。

掉锤后应及时摸清情况，查明原因，如孔深、锤头是否偏斜，有无塌孔等，应尽快处理。

处理办法有以下几种：

1、如锤头未被沉淀物或塌孔物埋住，应首先使用打捞工具（主要采用打捞叉、打捞钩、打捞活套、偏钩等）钩挂锤头保险绳，缓慢提升。

2、冲杠式小钻头冲孔：击碎锤头上部及四周碎石及覆盖物，清孔后使用打捞工具钩挂锤头保险绳提升。钩挂锤头如不能提升时使用水下爆破，炸药沉至锤头底爆破振动锤头，上部使用20T或50T倒链葫芦连接钻机和钢丝绳产生提力，使锤头提出。

3、扩筒冲孔，使用外径与孔径相同2T扩筒清孔至锤头底部，再使用冲杠式小钻头冲孔击碎锤头四周碎石，清空后使用打捞工具钩挂锤头保险绳提升。

4、潜水员水下打捞：潜水员下潜摸触锤头情况，放置炸药、钩挂钢丝绳打捞。潜水员下潜一般不超过60m 。

2.7.5混凝土面下降

混凝土面下降一般为灌注过程下降和灌注完成后下降两种。灌注过程下降为随着混凝土面的上升，混凝土对孔壁压力增加，极易造成普通封堵溶洞位置孔壁破裂，混凝土挤入溶洞，混凝土面下降。灌注结束后混凝土面下降为溶洞位置混凝土渗漏造成混凝土面下降。

处理办法：

1、溶洞发育桩基使用多层钢套筒跟进。

2、加大导管埋深，溶洞桩基一般埋深8-12m，个别桩基在不影响混凝土灌注的情况下尽量加大埋深。混凝土使用缓凝剂，延长初凝时间。

3、灌注过程时刻观察孔口排浆量，经常探测混凝土面高程。混凝土正常下灌但孔口不排浆或水头下降，应加大灌注速度并连续灌注，同时测量混凝土面情况。及时加长导管，同时使用测绳观察加长导管后导管内部是否进浆，防止断桩。如继续灌注但混凝土面不上升也不下降、导管埋深5m以上，则暂停灌注，待混凝土稳定后再继续灌注，同时检测导管埋深，考虑拆管，尽量使导管口离开泄露面后继续灌注。

4、灌注结束后导管不及时拆卸，4m底管应埋至混凝土面下半小时，如无明显下降则拆管。

5、溶洞桩基超灌2-3m，防止桩长不够，后期接桩。

3、岩溶地区桩基施工注意事项

（1）、桩位施工程序：根据地质钻探资料提供的溶洞分布情况，按照先长后短，先难后易的原则确定各桩施工顺序。第一步施工困难桩位，可以保证该桩位溶洞处理完成后该墩位所处基岩区域溶洞填充密实，基岩处于相对稳定状态有利于后续桩位的施工。

（2）、 详细记录钻孔过程，为后续孔位提供翔实资料，制定每根桩施工方案。

（3）、第一层钢套筒跟进至土石分界下1m，可预防大部分孔口塌孔，及孔内塌孔造成后续不良情况。

（4）、桩基清孔使用膨润土、即保证泥浆均匀、清渣彻底，同时防止灌注后期因泥浆比重加大造成的灌注困难。

（5）、经常检查钻机、钢丝绳等设施防止不必要的掉锤、埋锤，锤头挂设打捞钢丝绳圈或钢筋，防止掉锤后无处可钩挂。

（6）、保证钻进和灌注过程电力的供应。

（7）、保证混凝土的搅拌和运输，正常配置6台以上罐车、2台2000型搅拌机。保证混凝土性能。混凝土的质量是灌桩成败的关键，应设专人监控混凝土的生产及运输。

（8）、钻进过程孔口设置漂浮标志，及时发现漏浆，提锤，封堵溶洞。

（9）、提高工人操作熟练度。

（10）、加大导管埋深8-12m,加大超灌高度2-3m。

（11）、埋锤无法打捞的情况下及时和设计单位联系，使用素混凝土填充该桩位，在该桩位附近补桩。

（12）、使用国标声测管，防止在安装和混凝土灌注过程中损坏。

4、结束语：

通过大塘口双线特大桥420根溶洞桩基的施工检验，我部制定的方案措施是可行有效。在现有施工条件下基本解决了溶洞发育地区深长桩基的施工难题。

参考文献：

[1]高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》TB10752-2010 J 1148-2011

[2]客运专线铁路桥涵工程施工技术指南[S]TZ213-2005