某特大桥岩溶发育地区桩基施工技术总结

'某特大桥岩溶发育地区桩基施工技术总结一、工程概况　某双线铁路特大桥为浙赣铁路电气化提速改造工程的关键性控制工程之一，而新建的浙赣线是我国第一条时速200km的客货共线电气化高速铁路。某特大桥工程位于湖南省醴陵市内，跨越某河，其设计起点里程为D1K896+019.93，终点里程为D1K896+683，中心里程为D1K896+300，全桥长663.07m。该桥共分17孔，18个墩台，孔跨布置为5×32m简支梁（东引桥）+（42m+2×64m+42m）预应力连续箱梁（主桥）+8×32m简支梁（西引桥）。该桥基础设计形式为钻孔灌注桩，主墩6#、7#、8#墩为水中墩，基础采用φ2.0m钻孔灌注桩，每墩各有9根桩基，水中墩桩长为49～68.5m；其他岸上墩桩基为φ1.5m钻孔桩，桩长8～55.5m。全桥φ2.0m钻孔桩27根，φ1.5m钻孔桩103根，共130根桩基。二、工程地质情况1.桥渡区上覆盖地层为第四系全新统人工填筑土（Q4ml），冲洪积（Q4al+pl）、粉质黏土、松软土、细砂、圆砾土、卵石土，杭州端上覆盖第四系更新统（Q3al+pl）的弱膨胀土及溶洞充填物（Q4ca）的粉质黏土、细砂及圆砾土；下伏基岩为石碳系统大塘阶（C1d）砾岩、白云质灰岩、角砾状灰岩、灰岩夹泥岩、页岩、泥质灰岩。2.不良地质主要为岩溶，岩性主要为白云质灰岩、角砾状灰岩、灰岩等，岩溶十分发育，基岩面起伏大，沿线路方向溶岩基岩面的最大高差达30m。基岩面溶蚀沟槽发育，岩溶主要以溶槽、充填溶洞为主，同一墩台溶洞间具有一定的连通性。岩溶分布尤其以5#墩、9#墩、10#墩桩基最为发育，溶洞10 的充填形式为：水、粉质黏土、圆砾土、无充填，垂直向溶洞多层布置，水平向串通各桩基。三、水中墩桩基施工方案根据现场调查的情况和设计所提供的地质资料，本桥7#墩位于某河中，水深5m左右，流速较大，故7＃墩基础采用钢管桩平台和钢板桩围堰相结合的方案进行施工。其施工顺序为：先用钢管桩和工字钢在水中搭设好钻孔操作平台，然后在平台上进行钻孔桩施工，成桩后再利用操作平台的钢管桩支柱形成钢板桩围堰，最后完成承台的施工。由于本桥6#、8#墩靠近某河岸，水深较浅且河床面为裸露的基岩，钢板桩无法打入河床内，经过综合分析和慎重考虑，故6＃、8＃墩基础采用土袋围堰配合薄壁沉井支护的方法进行施工。其施工顺序为：先用纤维袋内装粘土筑岛围堰形成作业平台，然后采用冲击钻机进行钻孔桩施工，成桩后再采用薄壁沉井下沉支护围堰，最后完成承台的施工。四、施工前准备工作1.地质资料收集：对于溶洞区的每根桩基都要求设计单位提供尽可能详细的地质资料，包括地质状况、溶洞深度、高度、填充物类型等，从而根据不同的岩溶发育情况和地质状况确定相应的施工方法和处理预案，增强施工的可预见性。2.钻孔方法及钻机的选择：由于本桥最长桩基达68.5m，要求桩尖嵌入微风化岩中不少于3m,其深度远远超出一般桥基。加之地下岩溶发育，工期要求十分紧张，故本桥桩基全部采用冲击钻施工。其中φ1.5m桩基采用外径1.48m的十字型冲击锤，锤重4.5t；φ2.0m桩基采用外径1.98m的六刃梅花型10 冲击锤，锤重8t，其冲击锤均采用ZG30钢整体铸造，并在其刃角处加焊了钢轨轨头，以提高其强度和耐磨性。五、岩溶桩基钻孔施工方法1.钢护筒底脚处理对于岩溶桩基施工，钢护筒底脚处理的好坏是成孔比较关键的一个环节，针对本工程的具体情况，本桥的钻孔桩基施工全部采用钢护筒跟进，到位后再进行底脚处理。其具体做法为：先利用振动锤打入，然后边冲孔边跟进，直到穿过易坍塌的表层粉质黏土、松散砾石层。护筒到位后，当钻头钻至护筒底脚以上0.5m时，投入15cm直径以下块石和优质粘土各1.5m3,在不掏渣的情况下钻至护筒以下0.5m，掏出泥浆，再投入同样数量的块石和粘土，利用钻头的冲击力将块石和粘土造成一个高质量的壳体孔壁，使护筒底脚与孔壁结合紧密。采用该种方法，钢护筒实际埋深达6～20m，这样既可预防因泥浆从护筒底脚渗漏造成孔口坍塌，也可预防因突遇溶洞，孔内水头差急剧下降造成孔口坍塌的情况。2.一般溶槽、溶沟和小裂隙处理在冲孔的过程中，如发现泥浆冒气泡或浑水，泥浆面缓慢下降，可判断桩基底遇到了一般的溶槽、溶沟或是小裂隙。对此，本桥采用处理方法是：立即投放1：1的小直径片石和袋装土反复冲压，以填塞溶沟、溶槽及裂隙，效果不明显时加投袋装水泥，间歇性地冲击，同时向孔内补充泥浆，直至孔内情况稳定，然后再缓慢进尺，穿过岩溶区。3.封闭型较大溶洞的处理以本桥9-4#桩基为例，该桩径φ1.5m，桩长50m，根据设计提供的10 地质资料，在标高为14.5m至9.2m之间存在一个封闭型较大的溶洞。为保证该桩的顺利钻进，本工程的具体做法是：当进尺接近溶洞顶部2m左右时，要求钻机操作人员改用低冲程（1～1.5m）冲击，以防止击穿溶洞顶板时卡钻，同时加强对进尺深度的测量和对钻进情况的观察，发现异常情况及时报告和处理。与此同时，在该桩周围准备好大量的片石、袋装粘土及袋装水泥，安排一台挖机在该桩附近待命。在冲击过程中，当操作人员突然发现孔内泥浆面迅速下降，说明此时钻头已击穿了溶洞顶壳，便立即将冲击锤提出桩孔。根据施工方案，施工人员一方面迅速开启了泥浆池中的泥浆泵，不断往孔内加注泥浆，以尽量保持孔内的水头差；另一方面指挥在附近的挖机向孔内投放片石、袋装粘土及部分袋装水泥进行回填。当泥浆面下降比较缓慢时，再用钻头进行反复冲压，边冲边回填直至孔内情况稳定，恢复正常为止。4.串通型大溶洞的处理这类溶洞在同一墩位桩与桩之间串通，甚至串通到其他墩位，有的溶洞内充填水还具有流动性，其溶洞走向、容积一时难以判断。为保证成桩的可靠度，本工程采用的多层钢护筒跟进的方法进行施工（如图一），其效果比较明显。以5#墩8#桩为例，该桩径φ1.5m，桩长25.5m，孔深27.5m，在标高为8.15m至4.6m之间存在一个串通型的大溶洞。为保证该桩的顺利钻进，在入岩前先用振动锤将直径φ1.9m的钢护筒下沉至岩面标高，下沉过程中采用冲击钻辅助钻进。在原外径1.48m的冲击锤四周加焊冲击爪，使它变为外径φ1.7m的冲击锤，到达溶洞前利用其对桩基进行冲孔。进入溶洞后，先往孔内加注泥浆直到孔内情况稳定，然后在原钢护筒内采用直径φ1.7m的钢护筒进行跟进，不断接长钢护筒直到其穿过溶洞到达溶洞底板，再改为原来的φ1.48m10 冲击锤进行嵌岩钻孔施工。图（一）图（二）5.中小型的串通型溶洞的处理对于中小型的串通型溶洞，当钻孔进入溶洞后，本工程采用灌注水下混凝土到溶洞顶2m处，待砼达到一定强度后再钻进的方法施工，如10号墩1#桩则采用是此方法顺利穿过了溶洞区。六、护壁泥浆的选用1.粘土的选用为保证岩溶地质中钻孔桩施工的顺利进行，其拌制泥浆的粘土需满足的要求有：水化快、造浆能力强、粘度大、最小泥皮厚大于1.5mm。考虑就地取材和施工方便，经过大量对比筛选，本工程造浆采用的是当地塑性指数为21，大于0.2mm的颗粒少于3%的粉质粘土。2.泥浆配合比的选用为10 满足岩溶地质对护壁泥浆各项指标的要求，其泥浆配制首先在室内进行试验，根据不同配合比和不同掺量附加剂进行对比试验，可以看出：其粘土掺量变化对泥浆的失水量和胶体率影响较大，而在粘土和水相同的情况下，泥浆粘度随Na2CO3掺量的增加而增大。通过将试验配合在现场检验，根据施工的实际情况再作适当调整，本工程最后选定的泥浆配合比为：粘土25%，水75%，Na2CO33‰，CMC1‰。3.现场泥浆制备在现场施工中，其泥浆制备的方法是：按选定的配合比在孔内中直接注水，然后加入粘土和附加剂，靠钻头的冲击造浆。该方法简单易行，造浆性能满足施工要求，节约了大量的人力和物力。现场泥浆控制指标项目粘度(S)泥浆比重失水量(mg/30min)泥皮厚(mm)PH值胶体率(%)含砂率(%)指标30～351.25～1.4018～201.5～2.08～9≥952～4七、桩基施工常见事故的处理1.卡钻⑴主要原因：①.钻孔过程中出现梅花孔或未及时焊补钻锤，钻孔直径逐渐变小，而焊补后的钻头大，高冲程猛击易造成卡钻。②.遇到溶洞时，钻机操作不当，钻头卡入溶洞中。③.伸入孔内不大的探头石未被打碎，卡住锥脚或锥顶。⑵预防措施：①.经常检查钻头的规格，新加工的钻头不合格和磨损严重的钻头不得使用。②.严格控制冲程，在施工过程中细心观察，根据不同的地质情况掌握好冲程。如在基岩中采用3～5m的冲程，在靠近溶壳顶1m处采用1～1.5m的小冲程变化钻进。③.10 经常检查钻机运转性能，对于故障隐患早发现早解决。⑶处理方法：①.卡钻后不能强提以免造成越卡越紧或导致坍孔、埋钻等问题，同时应注意用钻机本身提钻时钻机尾部可能会翘起来易引起安全事故。②.用较粗的钢丝绳带打捞钩放进孔内，勾住冲锥后，与大绳同时提动或交替提动，多次上下、左右摆动，使冲锥松动。③.先用钢丝绳的一端缠好冲锥，然后在孔口两侧设置好千斤顶和工字钢，将钢丝绳的另一端缠在孔口的工字上，通过千斤顶顶升工字钢和大绳同时提拉冲锥（如图二）。④.当卡钻较严重时，可先稳住大绳，然后使用小的冲锤到孔内冲击，将卡锥的石块挤进孔壁，或把冲锥碰活动脱离卡点后，再将钻头提出。⑤.卡钻十分严重，采用以上方法提升卡锥无效时，可试用水下爆破提锥法。将0.5kg防水炸药放入孔内，沿锤的滑槽放到锤底，然后引爆，震松卡锤，再用卷扬机提拉。2.掉钻⑴主要原因：①.卡钻或埋钻后强提强拉，操作不当，使钢丝绳超负荷断裂所造成。②.钢丝绳与钻头连接处钢丝绳的绳卡数量不足或松弛。⑵预防及处理方法：①.掉钻要以预防为主，可预先在钻头上焊好打捞环并在锥身上围捆好内圈钢丝绳，同时加强对钢丝绳及绳卡等部位的检查。②.掉钻后首先要摸清情况，若钻锤被沉淀物或坍孔土石，首先应清孔，使打捞工具能接触和钻锤。③.先用测锤探测钻锤在孔底的情况，再用打捞钩放入孔底，钩住钻锤后将其提起。④.当钻锤已倾倒时，可派潜水员带钢丝绳下潜到孔底，将钢丝绳栓在钻锤顶上，再将钻锤提起。若钻锤是顶朝下的情况，则将钢丝绳捆绑在钻锤的几个爪上，再将钻锤提起。3.偏孔10 偏孔产生的原因主要是孔内底层的岩石软硬不均或存在半岩半土、半岩半溶、斜坡岩等地质，造成钻锤落底时不水平而偏向软质一侧。⑴纠正方法①.抛片回填：回填片石，是比较常用的方法，应使钻头保持水平，钢丝绳保持竖直，浅程缓进。要求所填片石的强度要高于岩层的强度，回填到斜面顶后再重新钻进，进行多次回填。②.浇注水下混凝土：对于在严重的斜面和溶洞交汇处造成的偏孔，可先向孔内灌注高强度的C40水下混凝土，将溶洞填充满，等砼强度达到后再重新钻进。③.水下定位爆炸：当桩基偏斜严重而实在难以纠正时，可采用水下定位爆炸的方法进行处理。先在偏斜处的岩石一侧采用地质钻进行钻孔，用测绳控制好钻孔位置和钻孔深度；然后在所钻的孔内安放0.5kg水下炸药进行爆破，再用片石回填到偏斜位置以上2m左右，重新冲钻。④.回填扩孔处理：对于φ1.5m的桩基，由于存在较长深度的半岩半土地质从而导致桩基严重偏孔而无法纠正的，可采取扩孔处理的方法。如以1#墩6#桩为例，该桩桩径φ1.5m，桩长32m，孔深34.5m。该桩自10.5m入岩后便逐渐开始发生偏孔，虽多次采用抛片回填、灌注水下混凝土等方法进行纠偏，但其效果一直不理想。桩基冲孔38天后，其钻进深度才达22米，但桩基偏孔已达35cm,大大超出了规范的要求，无法保证成孔质量。在常规方法纠偏无效的情况下，我工地决定采用回填扩孔的方法进行处理：先采用片石和粘土将该桩回填至孔口，然后将原桩中心向往岩石一侧偏移0.5m，再在孔口安设φ2.2m的钢护筒，改用φ1.96m的钻锤对于桩基进行扩孔钻进，待其穿过溶岩区后10 再换回原钻锤在原桩中心位置继续钻进。从现场施工的情况来看，采用扩孔处理后施工比较顺利，桩基偏孔不大，成孔质量良好。4.桩孔漏浆钻孔施工中，由于地下岩层存在大量的溶岩裂隙，时常发生泥浆大量漏失的现象，造成孔内水头难以维持，危及钻孔安全。对于出现的漏浆情况，本工程的具体作法是：采用优质膨润土配置5%的CMC外加剂并加入锯木灰拌成软塑状，分批投入孔内，再用小冲程进行冲钻，使锯木灰和粘土挤入岩石裂隙，隔断泥浆漏失的通道。此方法简单易行，一次成功，如7号墩9#桩就是采取以上方法，其效果比较明显。5.钻机倾翻主要原因是由于桩位处的地面土层强度弱，当孔内发生局部塌壁，引起地面塌陷，造成钻机倾翻。本工程采取的预防措施是：在钻机位置横向垫放6～8片12m长的I32工字钢，并在钻机滚筒下密铺枕木，以扩大钻机与地面的接触面积，减少孔口处的局部压力。6.断桩为了防止在灌注水下混凝土过程中发生断桩，除常规预案外，岩溶区的桩基施工还要特别注意防止水下混凝土挤穿孔壁流入溶洞，使导管端口脱离混凝土，造成断桩。本工程采取的预防方案主要有：①.对较大溶洞，成孔时采用钢护筒跟进；②.混凝土灌至溶洞处时，适当增加导管埋深，确认安全后，再提升导管。八、施工小结岩溶地区的地质情况千变万化，错综复杂，基础施工时不可预料因素太多，10 需具体问题具体分析，不同情况区别对待。某特大桥大部分墩位桩基处于岩溶发育地区，由于针对不同的岩溶地质特点，相应采取了不同的施工方法，顺利地完成了岩溶地区大直径深桩基础的施工，将事故苗头消灭在萌芽状态，成桩质量经专业检测合格率达100%，Ⅰ类桩达94.6%，保证了基础施工工期目标的实现，在施工中取得了较好的经济和社会效益。10'