溶洞上伏流砂地质条件下桩基施工技术

'溶洞上伏流砂层地质条件下钻孔灌注桩施工技术冯星元，姚虎成（中建三局建设工程股份有限公司，湖北武汉430022）【摘要】：以武汉市白沙洲大道改造大型城市高架桥钻孔灌注桩为实例，主要阐述了在交通量大、房屋密集、上伏流砂层的岩溶地区进行钻孔灌注桩施工时处理溶洞地质病害的方法，在工程实例中取得了成功经验，为类似工程施工提供借鉴。【关键词】：桥梁工程、溶洞、流砂、钻孔灌注桩。1工程简介武汉市白沙洲大道改造高架桥位于武汉市武昌区白沙洲大道，连接武汉市一环至三环，为武汉市重要的南大门通道。沿线房屋密集，交通量达60000辆/日，且重载车辆居多。高架桥全长7500m，基础设计为钻孔灌注桩，桩径有Φ1.2m、Φ1.5m和Φ1.8m；桩长29~102m，平均约57m；桩基数量1184根，其中溶洞发育的灰岩区桩基约480根。通过灰岩区逐桩超前钻探结果显示，本场地灰岩区溶洞发育、裂隙发达，主要特征为：（1）见溶洞率高达40%；（2）溶洞洞高大小不一，从0.4m-18.2m不等。（3）溶洞层数从一层至四、五层不等，多层溶洞呈糖葫芦串珠状；（4）溶洞多为填充型，部分为半填充或未填充型（填充物多为可塑或硬塑粘土及少量灰岩碎块）。（5）石灰岩表面有不同程度的溶蚀。（6）裂隙发育，多倍方解石脉填充，胶结情况良好。本场地灰岩区除溶洞发育外，还直接覆盖饱和细砂、粉砂层，典型地质剖面图如下图所示。 图1典型地质柱状图（W129墩位）2本场地溶洞地质病害及成因分析本场地溶洞连通，裂隙发达，漏水严重。进行钻孔灌注桩施工，钻头击穿溶洞顶板时，孔内泥浆快速流失，溶洞上伏饱和流砂层也跟随流入孔内，导致岩土层层层坍塌，轻则钻孔附近小范围坍塌，重则钻孔附近大面积塌陷，导致机械受损、沿线管线破损，路面交通瘫痪，房屋受损。图2小范围坍塌图3大面积塌陷 3溶洞处理方法首先逐桩进行超前钻，钻孔数量宜大于2个，探明溶洞的大小、裂隙发育情况、填充情况、漏浆情况及层数。针对不同的情况选用经济适用的处理方案。3.1回填粘土或片石法此方法适用于溶洞较小，且填充情况良好的溶洞处理。此类溶洞在钻孔施工，钻头击穿溶洞顶板或遇到裂隙发育的岩层时，孔内泥浆缓慢流失，如及时回填粘土或片石，可有效进行制止，维持流砂层的稳定，达到防塌孔的目的。此方法在钻孔过程要反复进行，一旦发现流浆，须马上进行回填，回填待孔内泥浆稳定后，向钻孔内注入稠度较大的泥浆，使其自然浸入片石缝隙内，然后采用钻头冲击，使片石和粘土挤入溶洞内，形成泥石护壁。此方法经济、方便。3.2回填素混凝土法此方法适用于溶洞较大、部分未填充、漏浆较轻的情况。此类溶洞在钻孔施工，钻头击穿溶洞顶板时，孔内泥浆会较快流失，须快速补浆（必要时回填片石、粘土），并快速调配素混凝土进行回填。素混凝土宜采用低标号混凝土，回填高度高出溶洞顶2m左右，待孔内泥浆稳定后，向钻孔内注入稠度较大的泥浆再进行钻孔，再次钻孔时如再发现漏浆情况，可视漏浆情况回填片石、粘土或低标号素混凝土。3.2预注浆+钢护筒法此方法适用于溶洞较大、层数多、填充差、漏浆严重的情况。注浆的目的是加固溶洞填充物、填满溶洞空间及填充岩层裂隙，并达到一定的强度。由于本场地地下溶洞连通，存在暗河并与长江相通(场地离长江约1km)，注浆的实际情况难以达到理想效果，因此采用全程钢护筒进行护壁，以防止钻孔桩施工时泥浆流失、流砂及坍孔等情况的发生，保证成孔及水下混凝土浇注等施工工序的顺利完成。3.3.1预注浆此方法注浆根据地层岩性变化，进行分段钻进成孔，分段注浆。根据岩石钻进中漏水、漏浆、溶洞发育以及充填情况选择一次还是分段注浆。各分段之间应有间歇，①～③间歇时间一般24h，注浆量少或加水玻璃注浆，间歇时间可适当缩短；岩层内间歇时间为浆液初凝以后，终凝之前。钻至岩面1.00m以上时，下套管，套管直径不小于108mm。注浆须注意如下几项要求：（1）注浆段长控制原则划分：a将裂隙相同的岩层划分在同一个段长内，力求使浆液均匀扩散；b裂隙发育程度相差较大的含水层，不宜划分在同一段长内，以保证注浆质量和减少不必要的浆液浪费；c涌水量大、裂隙较宽时，注浆段长度较小，反之较大；d 注浆段长应与注浆泵的供浆能力（泵量）相适应，泵量小，注浆段长度应当缩小，以保证浆液有足够的扩散半径；e注浆段长一般应根据现场实际情况灵活掌握。（2）注浆压力注浆压力是浆液扩散的动力，是检测浆液在裂隙中充填扩散过程是否正常的主要依据。注浆压力系指注浆段所承受的全压力。施工过程中将压力表安装在孔口回浆管路上。为保证注浆扩散半径，注浆压力采用静水压力的2倍，循环式注浆采用下式计算：（1）式中：P——注浆压力（MPa）P1——孔口压力表压力（MPa）P2——浆柱压力（MPa）Pf——管路压力损失（MPa）管路压力的确定方法：当工作管内径一致，且内壁粗糙度变化不大时，管路压力损失为：（2）式中：λ——模阻系数，λ=2×10-4～2×10-4(MPa/m);Lp——工作管长度(m);d——工作管内径(m);V——管内流速(m/s);g——重力加速度，g=9.8m/s。（3）浆液浓度的变化一般采用先稀后浓，逐级加浓的原则进行浆液浓度的变换。浆液的浓度可采用水固比为1:1、0.8:1、0.6:1三个配比的浓度供注浆时选择。浆液浓度的变换，一般在岩层中注浆连续灌注40分钟仍不起压，则改用浓一级的浆液，当加浓一级注浆压力上升很快，则应立即变稀回到原来的稀浆继续灌注。当采用最浓的浆液灌注长时间仍不起压时，则应采用间歇注浆，间歇时间为浆液初凝以后，终凝之前，必要时可采用其它的措施，如在浆液中加入速凝剂。（4）大溶洞注浆若遇到高度较大的大溶洞，应缩小注浆段长，作特殊情况下的注浆。主要措施有：以大溶洞底板作为注浆段的段底，采用压力水冲洗钻孔，尽量排出溶洞内充填物中的细小颗粒。如溶洞特别大可适当投入粗骨料，并同时注入清水，加速细粒扩散，采用浓浆低压，必要时加水玻璃速凝剂。若注浆压力仍不升高，则限制注浆量或采用间歇注浆等有效处理措施。 （5）注浆结束标准注浆结束标准对注浆质量起控制作用，掌握好注浆结束时机，既可以使注浆达到设计要求，取得比较好的堵水效果，又可以节省工程费用，在注浆过程正常的前提下，注浆过程中注浆压力均匀持续上升达到设计终压，同时注浆段单位时间吸浆量＜10升/分时，稳压20～30分钟，即可结束注浆。如出现压力上升很快，吸浆量迅速减少时，或压力突然降低，吸浆量迅速增大时，应及时报告技术主管，采取有效处理措施，同意后方可结束注浆。（6）注浆材料砂浆、水泥浆、加碎石水泥浆以及水泥＋水玻璃双液视溶洞实际情况选用。3.3.2钢护筒此方法采用的钢护筒为全程钢护筒，护筒深度为溶洞顶至洞口，施工工艺为:采用桩径+20cm钻头，正常钻进至溶洞顶板处，若溶洞顶板平整，则采用32T汽车吊，将内钢护筒分节吊入土层中至基岩面；若溶洞顶板为斜面，浇筑混凝土少量混凝土后继续钻进，如此反复至基岩平整后再下钢护筒。然后将钻头换成桩径大小钻头继续进行冲孔。图4全程钢护筒示意图4岩溶区桩基施工注意事项岩溶区桩基施工宜采用冲击钻成孔，因为冲击钻进行钻孔作业时可将泥块、片石挤入孔壁，形成泥石孔壁，增强了孔壁抗坍塌的能力。在岩溶地区钻孔桩施工中特别应注意以下几个问题：① 施工前根据地质资料预测施工中可能出现的问题，制定施工方案，并向钻机操作人员进行技术交底。桩孔附近要备足回填材料和挖掘机、铲车、水泵等机械。②钻孔时泥浆要稍稠，现场泥浆池内尽量多备些泥浆，在溶洞穿孔后及时补浆。施工中要加强钻孔地质检查、复核，并密切注意观察钻机工作情况、周围地表沉降和护筒内水位变化，防止不正常情况发生。根据地质柱状图，在接近溶洞时勤观察、勤检查，钻头冲击岩层的响声、抽取的岩样判断是否接近岩溶地层。接近岩溶时主绳放长量控制为1～2cm，防止击穿溶洞顶板时造成掉钻、卡钻现象发生。钻穿溶洞顶板时一旦漏浆，根据漏浆情况及时回头粘土、片石或素混凝土，快速封堵漏浆情况。通过溶洞层后，继续钻孔，直至设计深度。5结语我国岩溶分布广泛,类型众多,是世界上岩溶面积最大的国家之一，在进行工程桩基施工遭遇溶洞地质的情况并不少见，溶洞处理方法也多种多样，须要根据具体的地质情况和周围环境，制定合理的方案，以满足工程进度、质量、安全和成本要求。参考文献[1]楼国栋,韦湖滨,韦阳等.喀斯特地区桩基施工技术[J].硅谷,2008,(23):81-82.[2]贾佰春.隧道施工中常见的不良地质以及处理措施[J].科技资讯,2008,(3):14.[3]王永忠.黄岭特大桥灌注桩基础溶洞处理方案[J].中国公路,2006,(1):118-119.[4]马立敬.不良地质发育地区桩基施工技术[J].山西建筑,2009,35(5):102-103.[5]李继福.谈冲击成孔灌注桩施工的质量控制[J].西部探矿工程,2006,18(10):202-203.[6]张红兵.浅谈人工挖孔桩[J].科技情报开发与经济,2007,17(20):272-273.[7]秦玉军,雷双龙.厚砂覆盖层岩溶地区桩基施工技术总结[J].今日工程机械,2006,(8):88-90.[8]温高峰.岩溶地区地基处理及桩基施工技术[J].中国公路,2004,(8):82-84.[9]李自锋.岩溶地区钻孔桩溶洞处理施工技术总结[J].中小企业管理与科技,2010,(13):196-197.作者简介其他说明该文章已于2012年5月发表于《城市道路与防洪》2012年第5期，作者为冯星元，姚虎成。 '