小董江特大桥岩溶区桩基施工技术研究

2015-02-24张嵛铭中国铁道科学研究院研究生北京100081南宁铁路局沿海铁路扩能改造工程建设指挥部工程师广西南宁530200

铁道运营技术 2015年2期

关键词：岩溶桩基桥梁

张嵛铭（中国铁道科学研究院，研究生，北京　100081；南宁铁路局沿海铁路扩能改造工程建设指挥部，工程师，广西　南宁　530200）

小董江特大桥岩溶区桩基施工技术研究

张嵛铭
（中国铁道科学研究院，研究生，北京100081；南宁铁路局沿海铁路扩能改造工程建设指挥部，工程师，广西南宁530200）

摘要：介绍了在广西沿海铁路小董江双线特大桥岩溶区桩基的施工过程中，结合桥梁桩基施工的特殊性，采用回填片石夹粘土复冲、钢护筒跟进的施工方法对溶洞进行处理。保证了该桥桩基顺利施工完成，为类似溶岩地区桥梁桩基施工提供借鉴。

关键词：桥梁；岩溶；桩基；施工

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.02.020

广西沿海铁路扩能改造工程南宁至钦州北段的小董江双线特大桥，桥梁地质情况复杂，桩基位于岩溶较发育区，溶洞多发育成空溶洞，且绝大多数溶洞相互连通，桥梁桩基施工存在着地面塌陷的隐患。结合该桥桩基施工的特殊性，搜集溶洞区桩基施工的技术资料和施工经验，制定了溶洞区桩基施工方案，现场施工采用回填片石夹粘土复冲、钢护筒跟进的施工方法对溶洞进行处理。

1　工程概况

小董江双线特大桥属于广西沿海铁路南宁至钦州北段扩能改造工程。孔跨布置为（43×32+2×24+ 19×32）m，全长2 090.098 m。全桥各墩桩基础按柱桩设计，桩基设计为嵌岩桩，共有直径1.25 m桩基533根，其中溶洞区桩基521根。溶洞区桩基岩质均为灰岩，地下岩质变化大，每桥墩各桩基均有超前钻钻孔一个，但由于钻孔偏小也不能完全反映出桩径内及边桩外侧岩质的情况。

2　施工方案及方法的确定

由于本桥桩基地质的特殊性，搜集相关溶洞区桩基施工的技术资料和施工经验，传统的处理工艺有注浆填充溶洞法、人工挖孔法、静压化学灌浆法、套内护筒法、回填片石粘土复冲法等〔1〕。根据本桥实际地质情况和施工条件，鉴于注浆填充溶洞法不能一次性将地下溶洞全部处理完毕，施工工期长、费用高；人工挖孔法不适宜溶洞强烈发育区施工且施工风险高；静压化学灌浆法施工成本高等原因，最终决定采用回填粘土夹片石复冲和钢护筒跟进配合使用处理溶洞区桩基的施工方案，该方案桩基钻进施工过程中，发现地下溶洞后，根据泥浆液面下沉的速度、高差及孔壁质量等参数，分别采用回填片石夹粘土反复冲击、挤压填充溶洞，钢护筒跟进的施工方法对溶洞进行处理。

3　技术方案研究

在泥浆护壁冲击钻钻孔施工过程中，若钻进至溶洞部分，根据孔内泥浆液面下沉的速度、下降高差及孔壁质量等参数，来判断所遇地下溶洞的大小及连通程度，分别采用回填片石夹粘土反复冲击、挤压填充溶洞，钢护筒跟进的施工方法对溶洞进行处理。下面对不同的溶洞类型的判别方法和处理措施进行阐述。

3.1岩溶裂隙及小型溶洞的处理对岩溶裂隙及小型尺寸的溶洞，其危害性相对较轻，一般冲击钻孔施工通过岩溶裂隙发育密集段时，泥浆液面下沉的速度比较慢，高差变化不大，孔壁质量相对完好，通常回填一定量粘土，经反复冲击，在钻锤冲击作用下挤入裂隙堵塞桩孔周边溶蚀裂隙，同时也可以保持泥浆密度。3.2一般溶洞处理一般溶洞是指溶洞高度一般大于0.5 m小于4 m且连通性较差的溶洞。根据桩基超前钻钻探资料信息统计，在有此类溶洞的桩基钻孔前，需在附近储备大量粘土、片石，同时配备水泵和充足的泥浆，保证一旦漏浆，可以立即进行补浆。钻孔施工过程中，要专人密切注意桩机底盘水平、岩样和孔内泥浆面的变化，一旦发现泥浆面下降剧烈、孔内泥浆面高差变化较大、泥浆稠度、颜色发生变化或钻进速度明显加快又无偏孔现象时，表明已穿越溶洞顶进入此溶洞。对于空溶洞或半充填的溶洞，在击穿洞顶之前，采用小冲程，逐渐将洞顶击穿，防止卡钻〔2〕。根据上述孔内变化判断溶洞的大小和洞内的填充物采取以下措施：首先应迅速用大功率泥浆泵补浆补水，同时及时提钻，防止埋钻，然后用铲车及时将准备好的片石、粘土按约1:2的比例抛入，采用0.6~1.0 m小冲程轻砸，用桩锤击碎后让粘土和片石充分挤入溶洞内壁发挥护壁作用，直至孔内的泥浆停止下降，并随补水补浆措施孔内液面慢慢上升，此后可用冲锤进行适当挤压，直至把桩基周围的溶洞都填满或堵死为止，只有当泥浆漏失现象全部消失后才转入正常钻进。粘土片石抛填数量可以根据以下公式估算:

V填=δ×β×h液×π×（d桩/2）2式中：V填为发现溶洞后需回填粘土片石体积；h液为发现溶洞后泥浆液面最终下降高度；d桩为钻孔桩桩身直径；

δ为液面下沉速度系数（根据泥浆液面最终下降高度与时间的比值确定，与桩身岩土渗透性、溶洞大小及连通程度有关），现场试验取值为0.7~1.1。

β为抛填物虚实方转换系数（抛填物为1:2的片石粘土掺和料，片石对此指标影响不大，可以忽略不计，粘土在冲击钻的冲击下类似于“强夯”压实粘土基础，根据相关定额项目强夯粘土的系数为1.35~ 1.5之间，最终根据粘土所占比例计算），现场试验取值1.23~1.33。

如此反复使钻孔顺利穿越溶洞，击穿溶洞顶板后，要用冲锤以0.3 m~0.6 m的小冲程将溶洞顶板处的桩孔修理圆滑，以防卡钻、内护筒及钢筋笼。若溶洞内进尺过快，则在孔底已穿过溶洞底后，再次提升钻头，投入片石、粘土，重新进行冲砸，使块石与粘土在溶洞内挤密形成一道环壁，保证成孔质量。每遇到一层溶洞，无论是否漏浆，是否为充填溶洞均应向孔中投入一定数量的比例为1:2的片石、粘土，然后用小冲程冲击投下的混合物，使其挤入裂隙、溶洞内，如此反复操作，多次挤入溶洞通道固壁。在钻进过程中，应适当增加粘土数量，提高泥浆密度。若溶洞充满后孔内有漏浆现象，可抛填水泥包、粘土包并用小冲程挤压，使水泥与泥浆混合填充在漏浆的缝内，使缝隙饱满，待水泥与泥浆凝结后再恢复冲进。

3.3大型溶洞的处理遇到特大型空溶洞或半充填的溶洞时，孔内泥浆液面下沉速度急剧、高差明显、孔壁质量损坏严重，情况严重时还会导致塌孔、地面沉降、塌陷等危及人身财产安全的失控现象，对于此类溶洞需采取钢护筒跟进法。穿越大型空溶洞或半充填的溶洞时，为防止漏浆造成孔壁坍塌等不良后果，采用护筒跟进法可达到较好的效果〔3〕。溶洞桩基钢护筒跟进法见图1所示。

图1　溶洞桩基钢护筒跟进

3.4多层溶洞（串洞）处理多层溶洞，俗称串洞，它由小型和一般溶洞层叠组成，串洞是本桥桩基岩溶区桩基的显著特点之一。钻进至多层溶洞时，孔内泥浆液面下沉速度缓慢、但下降高差明显。对于此类溶洞一般的处理方法为根据孔内各项参数的变化情况，判断所遇溶洞的层数、大小和填充物的情况，采用粘土夹片石、钢护筒跟进相结合的方法进行分层或整体处理。桩基开钻前，根据工程钻孔柱状图，预先确定粘土、片石及钢护筒的数量。

3.5溶洞区桩基施工常见病害处理。

3.5.1卡钻事故处理卡钻事故的引发原因很多，其中主要原因是对溶洞分布情况不明确，在钻到离溶洞顶板很近时采用高落程冲击，使钻头冲破溶洞顶板岩石，钻头倾斜，卡在溶洞顶板岩石的不同部位。遇到卡钻时不能慌张，严禁强行提拉，野蛮施工，以防塌孔、埋钻。卡钻后应该根据钻头所处位置采取不同措施，若顶板岩石中部，可缓缓上下活动钻头，待松动后慢慢提出；若斜卡在顶板岩石中，可自制简易正绳器，将钻头拉正，缓缓提起；若卡在顶板岩石下部，则可利用大钻头上下松动，由下向上顶撞的办法，轻打卡点的石头，将顶板岩石破掉后提出。3.5.2掉钻事故处理掉钻事故主要是主绳和钻头转向鼻儿断裂引起的，因此要经常检查。遇到钻头提不上来时，不要强行提拉。掉钻后要及时摸清情况，钻头上要事先安装保险绳，保险绳要牢固可靠。若泥浆太浓或泥渣太厚导致钻锤被沉淀物或塌孔土石覆盖，应首先清空吸泥，使打捞工具能接触到钻锤。先用侧锤探测钻锤在孔底的情况，用打捞钩放至孔底，钩住钻锤保险绳再提起。如果钻锤倾倒，可派潜水员带钢丝绳潜至孔底，将钢丝绳拴在钻锤顶上，再将钻锤提起，如果钻锤顶朝下，只能将钢丝绳捆绑在钻锤的爪山上，再将钻锤提起。在施工过程中掉钻以预防为主，经常检查，及时检修，消除隐患。3.5.3埋钻事故处理埋钻分两种情况：一是沉渣埋钻，二是塌孔埋钻。要避免沉渣埋钻就不能使钻头长时间停留在孔底不动，保持上下活动，使得泥浆不断地循环，这样就能防止沉渣埋钻的现象发生。若发生塌孔埋钻，最主要的是将主绳保住，利用回旋钻机扫孔和“反冲法”将钻头提起。

3.5.4塌孔处理塌孔主要是由于漏浆严重、补浆不及造成的，采用护筒跟进能有效地防止塌孔事故。塌孔的主要预防措施是保持泥浆浓度和水面高度，采用小冲程钻进，保证钻机和钻架安装稳定可靠。塌孔经常引起钻机倾翻，主要原因是由于桩位处地面强度不高，当孔内发生局部坍塌后引发地面塌陷，造成钻机倾翻。有效预防措施是加大钻机地盘，扩大钻机与地面的接触面积，减少孔口局部压力。

4　性能指标与国内外同类技术比较

该溶洞区桩基施工方案总体性能指标较高，具体表现为：

1）溶洞处理的工程材料方便可取。溶洞处理的工程材料为粘土、片石和钢护筒，粘土、片石为普通地材，购买、获取途径相对简单，材料价格较低；钢护筒也非罕见材料，根据桩基设计数据直接购买或者定制符合施工参数要求的钢护筒。

2）本施工工艺能保证成桩质量。经第三方桩基检测单位检测，小董江双线特大桥桩基共计533根，Ⅰ类桩531根，Ⅱ类桩2根，无Ⅲ、Ⅳ类桩。

3）该方案在一定程度上能缩短施工周期。本工艺是在进行桩基钻孔的同时对溶洞进行处理，比传统工艺中的先注浆填充溶洞再进行桩基钻孔的工艺，能在一定程度上缩短工期。

4）该溶洞处理方法能较大节约工程成本。注浆溶洞处理工艺是在桩基钻孔前对地下的溶洞进行注浆填充处理，其注浆的位置、深度和注浆工程量不容易事前确定，且遇到地下连通的空溶洞时，注浆工程量会急剧，大大增加了溶洞处理的成本。本溶洞处理工艺是在冲击钻钻孔过程中，发现溶洞后再对溶洞进行处理，一定程度上避免了溶洞处理的盲目性，节约工程成本。