资水大桥岩溶区深水基桩施工方法与承载力验算

龙曙东，骆宏勋

(湖南省娄新高速公路建设开发有限公司，湖南娄底 417000)

1 工程概况

资水大桥是湖南省娄底至新化高速公路第八合同的一座大型桥梁，起点桩号为k75+351，终点桩号为k76+293，大桥总长942 m。本桥引桥:娄底侧为4×30 m预应力混凝土T梁，新化侧为16×30 m预应力混凝土T梁。主桥为48 m+3×80 m+48 m预应力混凝土变截面悬浇连续箱梁，单箱单室箱型截面，跨度为(48+3×80+48)m。主桥按5～8号墩四个“T”构对称悬臂现浇施工，0号梁段长6.0 m，其余1～9号梁段长为4.0 m，0号梁段采用搭设托架浇注完成，其余梁段采用挂篮悬浇，悬浇最重梁段为1 553 kN，两岸边跨端部有6.84 m现浇梁段，须搭设支架浇注，单幅五个合拢段每段长为2.0 m。

1.1 桩基础概况

主桥5～8号桥墩位于资江河道中，下部结构为单桩(φ300 cm)单柱(六棱形)，单幅主墩为1排2根钻孔灌注桩基础，桩顶设过渡段(φ 380 cm，高650～1 000 cm)和系梁(高400 cm)，钻孔灌注桩桩径为φ 300 cm，地系梁设计均位于河床之上、施工水位之下。钻孔为嵌岩桩，过渡段嵌入河床3～7 m。

1.2 地质条件

资水大桥施工前及施工过程中，先后对桥址地层进行了3次地质勘查，形成了较为详细的地质勘查报告。

桥址地层由第四纪冲积层、残积层和灰岩组成，属溶洞区。该桥主桥桥墩位于资江河道中，地基以灰岩为主，溶蚀裂隙及溶洞发育。桥位区灰岩、泥质灰岩中溶洞相当发育，发育有深大溶沟及溶洞;而泥灰岩中岩溶发育相对稍少，岩溶要以浅层溶沟为主，局部发育规模较小溶洞;溶沟中充填黏性土或砂卵石，溶洞中充填黏性土或无充填物。

资水大桥6#墩最具代表性，本文将以6#墩为例进行桩基施工方法的阐述，6－1#桩、6－2#桩钻孔地质柱状图分别见图1，图2。

图1 资水大桥6－1#桩钻孔地质柱状图

图2 资水大桥6－2#桩钻孔地质柱状图

2 钻孔桩施工

2.1 钻孔平台施工

钻孔桩施工采用钢管桩加型钢平台的施工方法。根据工期要求，搭设4个钻孔桩作业平台，6台110 kW钻机施工。钢管桩直径为426 mm，壁厚12 mm，围笼由9根钢管桩和链接角钢等组成，为单壁钢围笼。围笼钢管桩的打入要求保证其垂直度，利用贯入度及入土深度控制其稳定性，单根承载力由贯入度控制，最大10 mm，最小3 mm。最后桩尖控制标高在161.0～165.0 m。桩顶标高175.5 m，平台顶标高为177.5 m。

钢管桩下部联系结构焊接完成后，根据设计桩顶标高，测量放样，切割钢管桩，使钢管桩桩顶位于同一水平面，并与设计桩顶标高一致。然后在钢管桩切割完成后，在桩顶焊接一块500 mm×500×10 mm钢板，防止由于钢管桩发生局部应力集中时导致桩体损坏。在钢板焊接完成后开始搭设平台面，平台面由纵横两向工字钢焊接完成，底层横向工字钢为2×I40b，上层纵向工字钢为10×I40b工字钢，上层再铺5×I40b，形成井字结构，层间工字钢及钢围笼之间全部采用满焊链接。

钢管桩围笼全部施工完毕后，进行钻孔桩钢护筒的埋设。用全站仪进行桩位放样，放样后即进行钢护筒埋设、打入、护筒下方顺序为:先下大护筒(3.8 m)，再下小护筒(3.3 m)。

2.2 钻孔施工

钻孔施工中需要注意的是，在开孔前须由质检工程师检查验收合格后，才可开孔冲进。开始冲孔时应以小冲程在护筒内造浆(制浆前应先把粘土块打碎，使其在搅拌中易于成浆，提高泥浆质量)，并开动泥浆泵进行循环，待泥浆均匀后开始钻进。若无法形成较理想的泥浆时，加入膨润土或优质粘土进行搅拌造浆，待泥浆性能符合要求后方可钻进。在上部位置应以小冲程冲进，避免影响护筒位置的正确性，保证护筒不致发生偏移，正常钻进时，应合理调整和掌握冲进冲程，防止发生卡钻或者打空锤现象，确保钻孔安全。为了使泥浆得到充分利用，泥浆循环系统充分发挥钢护筒的作用。钢护筒埋设结束后，在护筒顶向下约1 m处开一圆孔，用300 mm的钢管将各桩的护筒串联起来，用作泥浆池和沉淀箱，泥浆经泥浆泵抽进孔内后利用泥浆泵的水头压力将孔底沉渣冲出，经沉淀池沉淀后流进泥浆池，循环使用。所有多余泥浆通过DX－250型泥浆净化器处理，钻渣和废浆外运至指定位置，以免造成环境污染。

3 穿越溶洞处理

岩溶地质条件下灌注水下混凝土，需要特别注意，首先通过设计地质资料以及钻孔原始记录，掌握溶洞分布情况，部位、大小以及灌注过程中可能出现的问题。在混凝土灌注快接近溶洞部位处，应随时监测混凝土灌注的深度，掌握导管的埋深，防止随着混凝土灌注上升产生的压力压垮溶洞部位堵漏的混合物，从而使混凝土流入溶洞造成导管埋深不够，出现断桩现象。当灌注至溶洞附近需放慢灌注速度，当穿越溶洞5 m以上再进入正常灌注。

3.1 护筒跟进

钢护筒采用16 mm钢板卷制，直径比孔径大20 cm，护筒外壁焊接［10槽钢，确保护筒中心跟桩基中心重合，当溶洞较深较大时，采用护筒跟进的原则。先下两节钢护筒后进行小冲程钻孔，当孔深超过2 m时，继续接长护筒下沉到位，在护筒接头部位进行满焊，尽量使护筒插打至密实土层，并最大限度插打至岩面。护筒与护壁之间回填粘土及小片石，固定护筒，确保护筒平面位置的准确。

3.2 钻孔过程中的漏浆、塌孔处理

在岩溶发育地区，溶洞相互交错贯通，一旦钻孔与其相连通，孔内的泥浆将大量流失，造成塌孔，当钻孔穿透溶洞顶板时，钻孔内的泥浆急剧下降，地下水对孔壁产生压力，造成孔壁受地下水渗透，造成塌孔。对其处理方法需及时得当，否则将产生严重后果，直接影响工期。施工过程中，6－2#桩进入20 m时由于漏浆而发生塌孔，采取的主要处理措施有:

1)要求钻机操作人员对照设计地质资料，随时检查孔内的水位，泥浆稠度，当护筒内的水位急剧下降时，表明遇到溶洞，须及时进行处理，适当的抛填小碎石加粘土片石，或用袋装粘土直接投入孔内，对其进行注水保持孔内水头，再用钻锤进行反复冲砸，钻进过程应用小冲程。

2)抛填的准备工作。当遇到大溶洞紧急情况下泥浆涌出护筒口后急剧下降，表明遇到了大溶洞，为保证能及时对孔内溶洞进行回填，在新化岸码头泊有三艘装满片石、粘土、水泥的驳船;同时，为了提高回填速度，特别定做了一艘60 t的自卸船，可以在短时间内对孔内不断投入整袋的水泥、粘土以及30 cm以上的片石，确保遇见溶洞时能及时回填。

在具体的回填施工中，应分层抛填，对于6－2#桩，采用袋装的水泥、粘土、片石按顺序分层抛填。

3.3 偏孔处理

由于溶洞发育沟槽凹凸不平，钻孔过程中经常出现斜面岩，偶有孤石，孔底地质软弱不均等导致钻头持力不均，往往容易造成偏孔现象。纠偏是岩溶地质钻孔最常见的内容，贯穿整个钻孔过程，处理是否得当直接影响钻孔的质量和进度。

钻孔施工中，每3～5 m测一次垂直度，随时进行纠偏。施工中6－2#桩进入岩溶发育层之后出现了塌孔，随后采用3.2 m护筒跟进，但偏孔现象不断产生，需要随时进行纠偏及调整。

要求钻孔操作工人一遇到钻头持力不均异常现象，就及时进行处理，对孔内回填坚硬片石和粘土，片石和粘土的比例为3∶1，回填片石的硬度须满足要求，比基岩高一等级。将孔内回填1.5～2.0 m，以保证钻头平稳垂直，以50 cm的小冲程冲孔，冲击至原偏孔位置再次抛入一定比例的混合物1 m左右，以1.0 m冲程钻孔直至满足规范要求再停止纠偏。对于偏孔须及时处理，以免产生累积偏差造成斜孔。

3.4 卡钻处理

在石灰岩地质冲击钻卡锤现象较频繁出现。6－2#桩施工中15 m深度处出现卡钻现象，处理时先用其它备用冲锤冲打钻头几下，使钻头脱离卡点后再拉起。为了更好的防止卡钻事故发生，钻机操作手必须熟悉桩基地质资料，在接近容易卡钻岩层时应以小冲程反复冲进，禁止利用大冲程猛砸。

4 基桩荷载－沉降数值验算

首先，根据地质勘查资料获取了该两根桩的桩周及桩端岩层的分布情况;其次，通过现场监测及原位取样试验获得了基桩受力的初步特征及桩周、桩端岩土层的力学参数;再次，使用荷载传递法［1，2］，结合桩身能量平衡方程［3～6］，构建基桩工作性状的数值计算模型;最后，通过计算得到了6－2#桩的荷载－沉降曲线。

基于地质勘查资料和施工监测数据，可知6－2#桩的地层及计算模型可拟定为如图3所示。6－2#桩桩周依次为漂石层、溶洞、中风化灰岩、泥质灰岩和灰岩。计算中，溶洞及溶沟地层不考虑与桩身的接触，其它地层计算参数根据地质勘查资料或取样试验数据对极限摩阻力及端阻力取估值。计算中采用的各岩土层工程特性指标见表1。

表1 岩土层工程特性指标

4.1 计算模型简介

为考虑多层地基及溶洞条件下桩侧阻的计算特点，将地层根据岩体类别离散为层单元，并使之与相同深度处桩身单元对应。层单元的力学性能按该深度处的所属的岩体取值。地层单元与桩身单元的接触利用非线性三折线荷载传递函数计算，溶洞处接触参数取零，仅考虑桩身的压缩;桩端阻力按非线性材料强化模型计算。见图3。

4.2 计算结果

经初步计算，6－2#桩的荷载－沉降曲线如图4所示。显示当荷载小于2 000 t时，6－1#、6－2#桩的刚性系数基本相等，但是当荷载超过2 000 t时，仅从两根桩的计算结果看，既有可能出现6－1#桩的沉降大于6－2#桩的情况，监测时应注意两根桩的沉降发展情况。从图3还可大致判断出6－1#、6－2#桩的极限承载力分别在3 000 t和3 500 t左右。

综上所述，6－1#、6－2#桩穿越溶洞，其承载性能与普通超长大直径桩虽然有某些共同点(如桩顶荷载主要由侧阻力承担)，但不可否认两者之间有较大的差异。其侧阻力组成，端阻力发挥模式，桩身变形及承载模式等均具有鲜明的特点。计算时应注意区分岩溶地基与普通岩土地基的区别及承载机理上的差异。

图3 6－2#桩计算模型

图4 6－2#桩荷载－沉降曲线

以上计算均基于实测地勘资料及岩土体取样试验实测参数完成，但由于在计算中使用的模型及接触计算方法与实际情况仍有差异，且岩溶地区桩基础的设计计算理论还极不完善，因此更为准确、合理的计算模型及接触处理方法仍有待进一步探讨。

5 结论

本文主要介绍了资水大桥部分基桩穿越溶洞时的施工方法及基桩承载力验算过程。得出的主要结论有:

1)对于存在溶沟或溶洞的地基，应通过地质勘测报告充分了解溶沟或溶洞的分布情况，并在施工时尽量采用小冲程钻进，避免大锤重砸。

2)施工时应时刻注意钻孔内泥浆位置的变动，并在施工前做好抛填的准备，一旦出现漏浆现象立即进行抛填，防止出现塌孔。

3)对穿越溶洞的基桩承载力进行验算不可采用与普通地基中基桩承载力验算相同的方法，需要根据具体的地质情况，专门建立符合工程实际的计算模型进行验算。

4)该工程基桩承载力验算结果表明基桩承载力达到了设计要求，满足工程需要，间接说明了施工方法的合理性和可行性。

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