复杂地层下成孔工艺的探讨及事故预防措施

2014-04-15徐忠潮肖昌怀

建设监理 2014年5期

徐忠潮，肖昌怀

（浙江泛华工程监理有限公司，浙江杭州 310005）

冲孔灌注桩具有适应性强、施工简便、操作易掌握、设备投入不大、入土深、能入岩、刚度大、承载力高、桩身变形小、可方便的进行水下施工等优点，在复杂地层工程中被广泛采用。但是，冲孔灌注桩的成孔工艺技术要求高，在特殊地质下施工仍会遇到较多的问题。笔者结合某工程实例，探讨冲孔灌注桩在特殊复杂地质条件下的成孔工艺及处理措施。

1 工程概况

某工程设计拟建建筑物由 9 幢 14 层～17 层住宅及 1 幢 2层辅助用房组成，地下 1 层。工程采用冲孔和钻孔灌注桩，桩径 600 mm～1 000 mm，有效桩长 8 m～35 m，桩基 1 630根，桩身混凝土采用 C30～C35 水下混凝土，桩端持力层进入中风化岩层 1.0 m，单桩抗拔承载力为 300 kN～600 kN，单桩竖向抗压承载力特征值为 1 700 kN～3 600 kN。

根据岩土工程详勘报告，场地地貌类型主要为洪冲积平原和冲湖积平原区。场地自上而下可划分出 6 个工程地质层：分别为人工填土、粉质黏土、淤泥质土、粉质黏土、粉砂、中粗砂、粉质黏土、强、中风化灰岩。

2 复杂地质情况

工程场地存在饱和软土，不良地质作用岩溶强发育。南侧中部揭露断层破碎带，为一级场地复杂地层；场地岩土种类较多，均匀性较差，性质变化较大，地基复杂程度为二级。岩溶主要发育于石炭系中统黄龙组(C2h)灰岩上部，第四系覆盖层较厚，属覆盖型岩溶。勘探过程中发现，部分钻孔内灰岩岩溶裂隙、溶孔发育，共见溶洞 510 个，钻孔见洞率31.2%，线岩溶率 0.98%～93.94%，顶板厚度 0.00～7.30 m 不等，洞高 0.30 m～26.30 m，形态不规则，局部呈串珠状，溶洞充填物多为流塑—可塑状黏性土或含黏性土角砾(碎石)，部分溶洞充填物很少或无充填。断裂构造带属强风化断层角砾岩，拟建场区内有隐伏断层通过，其性质不明，但为非全新活动断裂，对工程建设影响不大；受隐伏断层影响及其影响带范围内基岩破碎，均匀性差。

3 试桩情况

为了确保应该桩基工程快速、安全、顺利的施工，借鉴类似项目桩基工程施工经验，对桩基工程实施“一桩一孔”进行原位勘探，形成了详细的精勘资料以指导施工。为了进一步验证地勘资料的准确性，合理地选择钻孔机具，确定合适的施工方法和成孔工艺，对该复杂地层进行了有代表性的试打桩和打试桩，选取 SZ1179 穿过洞高 27.5 m 最厚的溶洞、SZ120 穿过 6 个溶洞串球叠加充填物最复杂的溶洞和 SZ557等穿过普通或擦边溶洞，SZ1027 和 SZ1006 穿过不同走向断层破碎带的孔位，进行试打桩。

3.1 SZ1179试打桩情况

该桩桩径为 700。地勘资料表明：该桩孔是该地块地质溶洞最高(单洞高 27.5 m)、孔深最深(孔深 50.1 m)的孔位。钻进机具选择 8JZ—125 冲击钻。2012 年 11 月 8 日 12：10 采用冲锤桩机开孔。当月 14 日 12：30，在深度 38 m 左右时遇第 1 层溶洞，出现严重漏浆现象。施工方进行第 1 次黄泥回填填充，方量为 13 m3。当月 15 日 16：40，在深度 40 m 左右时遇第 2层无填充溶洞，出现严重漏浆且范围较大。施工方及时进行黄泥回填填充，时间从 17：00 直至 19：30 回填完毕，方量为80 m3；于次日上午继续冲孔至 18 日，深度为 40 m 左右，泥浆漏空，塌方严重，且听到流水声音。由于孔周边大面积下沉，桩机失稳，被迫移位，待稳定后重新开孔。

3.2 SZ120试打桩情况

该桩是施工进场试打的第 1 根桩，桩径为 1 000。地勘资料表明：该桩孔是该地块地质溶洞最多(6 个溶洞叠加)、最复杂的孔位。钻进机具选择 8JZ—125 冲击钻。2012 年 10月 29 日 14：00 采用冲锤开孔后，当月 31 日 8：00，在深度 11.5 m 左右遇第 1 层溶洞，出现漏浆现象。施工方进行第 1 次黄泥回填填充，方量为 10 m3。11 月 2 日 15：15，在深度 15.9 m 位置遇第 2 层有填充溶洞。施工方进行第 2 次黄泥回填填充，方量为 10 m3。至 11 月 3 日 15：30，在深度 20 m 左右遇第 3 层溶洞，继续冲孔至 22 m 左右出现严重泥浆漏空现象，进行第 3 次黄泥回填，方量为 22 m3。至 11月 4 日 7：00 观察，出现下沉及大面积塌方现象，进行第 4次黄泥回填填充，方量为 27 m3。由于孔周边下沉严重，桩机失稳，被迫移位，待稳定后重新开孔。

3.3 SZ1027试打桩情况

该桩桩径为 700。地勘资料表明：该桩孔要穿过 23.02 m 强风化断层破碎带角砾岩层进入中风化岩层 1 m；孔深 31.0 m。钻进机具选择 JPS—10 型钻孔桩机。2012 年 11 月 7 日开钻。当月 10 日钻到 16.6 m 进入强风化断层破碎带角砾层，直到 1日 5 d 才钻进 7 m，合金钻头打烂 4 颗。18 日 12：00 测得孔深 25.8 m，还有近 6.0 m 终孔。后换新的合金钟头，20 日终孔。

3.4 SZ1006试打桩情况

该桩桩径为 700。地勘资料表明：该桩孔要穿过 9.90 m强风化断层破碎带角砾岩层进入中风化岩层 1 m；孔深21.2 m。钻进机具选择 8JZ—125 型冲孔桩钻。2012 年 11月 13 日 9：00 开钻，当月 14 日 2：00 钻到 10.35 m 进入强风化断层破碎带角砾层，一直到次日 5：00，钻进 7 m；18 日 12：00 终孔。

4 施工中的问题及处理方法

从上述试打桩情况来看：该场地所处的地质岩溶较发育，各桩位埋层情况不尽相同，溶洞充填物也各有区别。所以在 SZ1179 和 SZ120 等桩冲孔过程中，出现了严重漏浆、沉降、塌孔、卡锥、偏孔、断桩等质量事故，造成混凝土盈系数过大、成本加高和施工困难，被迫弃孔移位复打。在穿过断层破碎带时发现强风化角砾层比较完整坚硬，钻孔桩机钻进效率太低，出现钻头打散、掉钻卡钻事故。为了确保应该桩基工程施工安全和顺利进行，结合试打桩情况，分析上述事故原因，并提出具体处理措施。

4.1 漏浆

所谓漏浆是指在正常钻进过程中，孔内泥浆突然大量漏失的现象。当冲孔遇到空洞、透水性强或有地下水流动的土层时，会产生大量漏浆而无法补充，甚至可能引起坍孔、埋钻。本桩基工程在钻进过程中漏浆现象极为普遍。

4.1.1 原因分析

(1)在冲击成孔中，由于有的溶洞与地下暗河或其他溶洞相通，遇到空洞、透水性强的砂砾或流砂，特别是在岩溶发育的地层中钻进时，溶洞泥浆会迅速流走，水头高度急剧下降，泥浆会向孔壁外漏失。

(2)地质资料揭示无溶洞或只有很小的溶洞，但突然发生跑浆。估计是挤破了旁边大溶洞的洞壁；或小溶洞与旁边的大溶洞相连，造成意外跑浆。

(3)遇到溶沟溶槽或岩溶裂隙通道也容易发生小范围的跑浆。

4.1.2 预防和处理

(1)凡属于上述第 1 种原因的，施工时要在孔边备足一定数量的片石和黏土。一旦出现漏浆，要及时回填片石、黏土冲击造壁，并马上补水，防止水头高度继续下降。同时，在操作上要注意：当发现钻进速度降低、主绳摆动加大、偏离设计中心、冲击声音减弱等情况，则说明孔深已达到溶洞顶板。此时钻机的操作要平稳，尽可能少碰孔壁，采取小冲程、慢钻进的方法，慢慢击破溶洞顶板，防止卡钻。在穿过不同特征溶洞时，建议采取以下方法处理。

①当击破顶板时，钻孔内将急剧漏浆，泥浆面急速下降。此时应采用黏土掺 30% 片石抛填至溶洞内并迅速补充泥浆，使回填物以最快速度沉入孔底，冲锤挤压、封堵裂隙，使孔底形成粘结力较强的混合料填充溶洞并起到护壁作用。若泥浆下降不剧烈，则证明溶洞不大或溶洞内充填物较多，投放片石黏土可与钻进同时进行，直到不再漏浆为止。

②在钻孔的过程中，注意捞取渣样并及时测定泥浆比重，保证钻孔内有较浓的泥浆。泥浆比重宜控制在 1.4 以上。

③在冲孔过程中，始终保持孔内留有一定的沉渣，以沉渣来封堵裂缝。在捞取渣样过程中，若发现渣样含弧形凹面，则证明已钻进到溶洞底，或按正常石质钻孔施工。

(2)凡属于第 2 种情况的，采取投放片石、黏土或整袋水泥堵塞起到护壁作用，使钻孔顺利通过岩溶区。

(3)凡属于第 3 种情况的，属于小范围的跑浆。待补浆稳定后再继续钻进。

4.2 埋钻

当溶洞埋深较浅的时候如果冲程过大的话，就可能出现溶洞的坍塌、地表下陷等。SZ120 和 SZ1179 如果不是及时提钻回填，稍有不慎就会发生埋钻的事故。

4.2.1 原因分析

埋钻主要是由坍孔造成的。施工中发现漏浆应立即将钻头提到孔外。如果未及时提钻，漏浆后坍孔，钻头便会被埋在孔中，造成损失。

4.2.2 预防和处理

施工前，应认真研究“一桩一孔”详勘报告，严格桩机操作人员班前交底制度，让桩机手全面了解溶洞埋深的情况。当溶洞埋深较浅的时候，采用小冲程的钻进。这样就可以防止其溶洞顶板的坍塌，并准备好拖拉设备，系好滑车钢丝绳，做好钻机撤离准备。

4.3 卡钻

卡钻事故发生在碎石层中或溶洞填充物中碎石下落；钻头击穿溶洞顶板过猛；出现探头石、梅花孔、溶洞、溶槽等；钻头突然进入溶洞，造成孔形不圆顺或掉入大空洞中而卡钻。

4.3.1 原因分析

当钻孔深度至钻穿溶洞顶板时，由于溶洞顶板岩层厚薄不均匀，在钻孔的面积上，一侧先贯穿，并且先贯穿的侧面又是溶洞，则钻头就可能随斜向掉下，沉入溶洞内。随着将钻头提起，未钻穿部分的溶洞顶板将钻头卡住，无法拔起。或下钻头太猛，或钢绳过长，使钻头在孔内碰撞倾斜卡在孔壁上。

4.3.2 预防和处理

(1)上下轻提钻头，并用撬棍将钢丝绳左右拔移、旋转，使钻头能沿下落的方向提出。

(2)卡钻后轻提。轻提不动时，探准卡钻位置，可用小冲击钻头冲或用冲、吸的方法，将钻头周围的钻渣松动后再提出。

(3)采用强提法和爆破震动法。可采用滑轮组、吊机和钻机相互配合强提，或用千斤顶的办法，将钻头提出。如果强提无效，可用水下小爆破震动法将钻头松动后提出。

(4)施工中注意保持护筒的垂直，防止倾斜；钻头尺寸应统一，下钻应控制钻进速度，不要过猛过快。

(5)应经常检查钻头的直径，磨耗不应超过 1.5 cm。应备有钻头轮换使用，磨耗的钻头及时补焊。更换新钻头宜先用小冲程冲击一段时间。在穿越溶洞顶板时，使用小冲程钻进。

4.4 钻孔偏斜

4.4.1 原因分析

因岩溶地区基岩面起伏变化较大，溶沟、溶槽、溶洞、裂隙等岩溶形态较为明显，岩土并存现象较为普遍，钻机钻孔时产生位移、局部下沉或倾斜；或在倾斜的岩面上钻孔、岩质软硬不均时，容易造成斜孔和偏孔。另外，开机前机台未放置平稳也会导致斜孔的产生。若桩位偏移量过大，一方面基桩功能上将不能满足承受设计荷载要求；另一方面易在孔壁上产生台阶，最终影响钢筋笼的安放。纠偏是岩溶地区机械成孔灌注桩施工最为频繁的工作，贯穿于整个成孔过程。其方法是否得当，关系到基桩施工的质量和进度。

4.4.2 预防和处理

在开孔前，应将机台放置平稳，保证机身水平、稳固。在冲孔工程中经常检查、校核。特别是进入基岩后，应增加检查、校核的次数。当遇到起伏较大的基岩时，即在桩直径范围内基岩倾斜度过大，可向桩孔内抛填 1 cm～20 cm 的片石，同时保证填入片石的高度超过倾斜面 60 cm 以上；然后用低落距低冲程冲击将片石慢慢挤入溶洞内，等桩底全截面进入基岩后，再正常施工。

4.5 断桩，短桩

4.5.1 原因分析

当混凝土面上升到某一高度，由于混凝土自重形成的压力达到某一值时，孔内压力增大，而且护壁也较为薄弱。此时混凝土被挤入溶洞内，造成混凝土面突然下沉，使得导管面脱离混凝土面，形成断桩。当混凝土面达到桩顶标高和超灌高度后，若发生混凝土面突然下降，此时极易造成短桩事故。

4.5.2 预防和处理

事先做好应急准备。灌注前通知混凝土供应商保证混凝土供应，灌注现场始终保持两辆以上混凝土罐车待灌。混凝土漏失后立即将导管随浆面下插，并连续进行混凝土灌注；若出现大方量超灌，且混凝土面不上升，可在灌注一定方量后暂停片刻，再进行灌注。同时，应提高混凝土的超灌高度(本工程混凝土的超灌高度定为超过桩顶标高 2 m(静载桩除外))。在灌注中，适当增加导管的埋置深度(8 m)，并勤拔导管，防止堵塞。另外，在浇筑混凝土的过程中，详细记录混凝土面上升的高度，观察是否有异常情况发生。不要盲目拆卸导管，待混凝土面稳定后再慢慢拆除。要保证首批连续入孔混凝土的量，必须满足导管底节埋入混凝土深度不小于1 m。

4.6 缩颈

4.6.1 原因分析

缩颈现象主要是由于在终孔满足各项要求后直至灌注混凝土前的时间间隔过长，桩孔内外压力不平衡造成的。

4.6.2 预防和处理

减少终孔至浇筑混凝土之间的时间间隔，在浇筑混凝土前要持续进行清孔作业，并适当增加泥浆比重。

综合上述试打桩情况，结合该工程地层复杂性特点，笔者认为，在该地层有溶洞和断层破碎带较厚地方，宜用冲孔灌注桩；在无溶洞和断层破碎带地方，宜用钻孔灌注桩；在土层较厚、溶洞较小或破碎带较薄或中风化特力层较坚硬的情况下，以先用钻孔机后置换为冲孔机的方法，来提高钻进效率。在遇到断层破碎带或持力层坚硬的情况下，改进钻头也能提高钻进的效率。当然，改用冲击钻机成孔，该地层的钻进效率得到了提高，但施工成本也大大地增加了。因此，为了确保该桩基工程快速高效安全顺利完成，还必须解决充盈系数过大、钢护筒的跟进、全岩面入岩的综合判断等 3 个问题。岩溶发育、裂隙开度大、溶洞连通和深浅不一，是混凝土充盈系数过大的主要原因。如果我们能合理选择打桩顺序，根据地质岩溶节理裂隙走向，溶洞的大小、多少及岩面的高低等条件，遵循“由深到浅、由多到少、由大到小”的原则进行跳打桩，就能及时封闭溶洞、充填裂隙和隔断通道。