护筒跟进在溶洞桩基施工中的应用

2015-08-28段钧培陈玉欣段鸿海

河南科技 2015年4期

段钧培陈玉欣段鸿海

（1.郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州450001；2.河北交通职业技术学院土木工程系，河北石家庄050091；3.河北地质职工大学，河北石家庄050081）

1 工程概况

某特大桥墩位于溶洞区域，经过探测得知，桩基位置最浅溶洞在地面以下6m-12.1m，最深的在地面以下46.6m-51.2m；最小溶洞0.4m高，最大溶洞19.9m高；绝大部分溶洞为空洞，部分溶洞为半充填或全充填。本文以其中的一个桩基为例进行分析，该桩基下卧3层溶洞，层高分别为10m、14m及5m，层间白云质灰岩层厚度分别为4m、4m及3m，地质情况见图1。由于该基础溶洞较大而岩层较薄，且下卧3层，施工中极易出现卡钻、塌孔埋钻及漏浆等事故。最终影响到成桩质量，严重者会出现偏斜桩及夹杂桩；溶洞顶板过薄造成不能承受上部荷载，施工处置不当会造成基础突然下沉，充填松散堆积物的洞穴，受上部荷载挤压，可能造成基础倾斜、下沉等事故。因此，溶洞处理成为本桥墩基础施工的关键一环。根据该桩基下溶洞构造及分布特点，采用钢护筒跟进稳定桩身周围岩土层措施，保证施工的顺利进行，本文重点对该桩基溶洞钢护筒跟进处理技术进行介绍。

图1 桩基施工钻孔地质柱状图

2 岩溶地区桩基施工常见施工事故

2.1 漏浆坍孔

岩溶区由于土洞、溶洞、裂隙、溶沟、溶槽等的存在，桩基都存在不同程度的漏浆问题。有些漏浆很缓慢，漏浆速度1m/h；有些漏浆很迅速，漏浆速度可达1m/s。根据地质报告、漏浆速度及漏浆量，判断地质情况，采取积极有效地处理措施。

漏浆缓慢时，可能存在小溶洞、裂隙或者溶洞内有充填物。及时采取抛投片石、黏土及袋装水泥予以回填，利用重锤挤压将片石黏土以及水泥混合物与桩基周围岩土紧密结合形成牢固的护壁。

漏浆较快时，可能存在较大溶洞，或者与其它空洞、地下水系连通。此时，要迅速提起冲击锤，补浆，然后抛填大块片石、黏土及袋装水泥至稳定的部位，待泥浆面稳定后，采用低冲程高频冲击挤压片石，形成牢固的护壁。

2.2 卡锤掉锤

钻进到斜岩、质地不均匀的岩土层或击穿溶洞顶部时，操作不当很可能造成卡锤；钻进时发生偏孔，钻锤吊索在反复冲击过程中摩擦岩壁而损坏，或吊索使用时间过久老化，或加固吊索的卡具没有拧紧、损坏等情况都能导致掉锤事故的发生。

施工该桩基时发生过卡锤及掉锤的事故。避免卡锤问题，首先要搞清地质状况，施工中谨慎钻进。在遇到斜岩及质地不均匀的岩土层时，及时抛投坚硬的片石纠偏；穿过溶洞顶部时，先采用小锤穿过顶部，搞清楚溶洞填充情况，然后再采取相应的对策，加强护壁。

避免掉锤问题，要勤检查吊索及卡具，确保其工作性能良好。一旦出现卡锤、掉锤的事故，首先要分析原因，再采取积极有效的解决办法。

2.3 埋锤

在施工该桥12#墩桩基时，发生孔壁坍塌埋钻的事故。坍孔后立即拉紧吊索，力图提出钻锤。向上仅提出0.4m后，由于坍孔量较大，里面夹杂大量石块，无法提起。有些时候埋锤较严重的，必须由专业人员打捞；对地质条件复杂，不具备打捞条件的，只能采取重锤击碎被埋的冲击锤。

2.4 偏孔

由于岩面倾斜、呈台阶状、基岩溶蚀程度不均匀或者岩层质地不均匀，都有可能造成偏孔。钻进到岩土界面或者溶洞底面时，及时调整钻进冲程，改用低冲程高频率钻进，并抛填土石混合物或者灌注低标号混凝土，人为创造出水平、匀质的冲击界面，顺利穿过斜岩面。

2.5 缩孔

钻进进入黏土层时，有些黏土由于含水量较大，塑性比较大，施工中极易黏住冲击锤，有些穿过黏土层进入岩层后，上部黏土层缩孔。出现缩孔后，及时提起冲击锤处理缩孔部位，缩孔长度较大的要抛投片石、碎砖等回填加固护壁。塑性较大的黏土层，施工中提锤较困难，根据提锤难易程度粗略辨别土层性质，及时抛投土石混合物及袋装木屑，加强护壁，顺利穿过黏土层；同时每工班交接班后，首先进行扫孔处理，上下往复几次，及时解决出现的问题。

3 护筒跟进法施工工艺

3.1 钢护筒跟进施工方法

钢护筒采用卷制钢管，一般钢护筒外径应比设计桩径大20cm～30cm，壁厚为10mm～12mm。本工程案例墩位共计9根桩，桩径1.0m，内护筒采用外径1.32m、壁厚10mm钢管，外护筒采用外径1.524m、壁厚12mm钢管。在钢护筒顶内侧加焊一道5cm宽的加劲箍，用25t吊车将护筒吊起，采用定位桩将钢护筒底进行定位对中，调整护筒的垂直度，用挖机配合吊车将护筒下至孔底。将4.5TDZ-90振动桩锤安放在护筒顶，进行振动下沉，在跟进过程中应及时调整钢护筒的垂直度，振动锤的振动点应多次调动，保证钢护筒均匀下沉。钢护筒跟进至岩土界面上，如果溶洞顶板较薄时，钢护筒跟进至溶洞底板，跟进完后继续钻孔。当需要护筒接长时，应对钢护筒进行焊接，必须保证好焊接质量，继续进行振动下沉，直至设计高程。施工顺序为钻孔→抛填粘土和片石混合物→钢护筒跟进(接长)→钻孔→钢护筒接长跟进→钻孔……成孔→浇筑混凝土。

3.2 钢护筒跟进施工要点

由于安装钢护筒时，会产生振动，将影响相邻孔位灌注不久混凝土的质量以及孔壁的稳定，因此钢护筒锤击施工要在相邻孔位浇筑混凝土施工1d之后。

钢护筒安装至岩土界面以后，及时进行溶洞顶板以及上部覆盖层的钻进。覆盖层中成孔方法与一般地层相同；在岩层中采用十字实心钻冲击成孔，采用泵吸反循环方式，泥浆浓度控制在1.15～1.20。击穿溶洞顶板后，挪开锤头，进行溶洞空腔低标号水下混凝土灌注。为避免混凝土流失太远造成浪费，采取间歇灌注方法，灌注高度超过溶洞顶板1.0m以上。施工配合比现场确定，合理确定混凝土的扩展范围，一般3m左右。待混凝土强度满足要求后，再击穿低标号混凝土成孔。

3.3 溶洞桩基施工注意事项

3.3.1 岩溶区必须进行超前地质核查。施工前，进行必要的水文、工程地质调查，核实墩台处岩溶发育情况，根据不同的地质条件采取相应的处理原则，做好溶洞处理的准备工作，在施工中不可盲目完全依赖地质资料。

3.3.2 每个墩台只用一台钻机施工。如果在施工中发生坍孔事故，这些桩孔可能要报废回填重钻，同时开孔越多损失就越大，又延误工期。

3.3.3 合理设计施工顺序。先安排外围桩而后中间桩，先安排含有较深、较大、较多溶洞的桩孔施工。先外后内，小洞处先开孔，长桩先开孔，桩位之间交叉开孔，步步包围，隔开和封闭的原则。按这种顺序施工，在中间桩冲击成孔时，漏浆现象明显减少、减弱，使得工效得以提高。

在岩溶发育的地区，钻孔桩在同一个墩台内，每根桩因所含岩溶程度不同，其桩长往往十分悬殊。要先施工基岩面较低、较长的桩。如先施工较短的桩，再施工较长桩时，一旦发生塌孔，容易使已完成的较浅桩周围土层松动，桩底岩面变动，造成桩体沉陷报废或降低承载力。如果钻孔施工顺序安排不当，将极易发生坍孔、断桩等事故[1]。

桥墩岩溶复杂，溶洞变化很大，而且可能有溶洞使桩孔相互间连通。因此很难避免地下的相互干扰和影响。施工要根据所含溶洞的情况，由深到浅、由多到少、由大到小的原则安排钻孔桩的钻孔顺序。这样做可以及时封闭和堵塞各桩孔间的岩溶孔洞和通道，使施工顺利进行[2]。

3.3.4 重视溶洞的桩孔护壁方法。按照常规，桩孔护壁方法是采用黏土泥浆护壁，如果溶洞较大要采用“草袋黏土包”抛填的方法进行护壁。当溶洞高度或纵横宽度超过1m、埋藏深度超过5m的溶洞地段，桩孔护壁应改用片石与黏土混填的方法，向溶洞地段大量抛填片石和干黏土。因为干抛片石的比重为1.8-1.9，与混凝土比重接近，这样处理后，桩孔护壁就不容易被挤破。

3.3.5 加强岩渣清理。钻孔桩钻进过程中，击碎的岩石大部分用掏渣筒或泥浆循环取出，小部分被挤入孔壁。当岩渣太厚，泥浆不能将其全部悬浮上来，沉淀到孔底形成沉渣。沉渣厚度是桩基工程主控项目之一。桩底沉渣厚度，影响混凝土与基岩结合程度，而且直接影响到桩基础的沉降量，严重的导致沉降观测不收敛。因此，灌注前必须将沉渣厚度控制在规范要求之内。

桩基清孔过程中，既要保证孔底沉渣厚度满足设计要求，确保清孔质量；又要尽量缩短清孔时间，及时进行桩基灌注。避免时间过长，泥浆浓度降低，护壁坍塌，溶洞内的填充物涌进孔内，地下水发育的区域尤其要注意。较浅桩基，钢筋笼骨架安装时间较短，仅采用换浆法清孔就能满足要求。较深桩基，灌注混凝土与清孔间隔时间较长导致桩底沉渣较厚，采用如下3种方法清孔：换浆法、掏渣法、喷射法等，掏渣法粗略清孔，再用换浆法清孔，待钢筋笼骨架安装完毕后及时采用喷射法彻底清孔。现场检验清孔效果可以采用测绳拴钢筋头检验：清孔不太彻底时，上下提升测绳比较重；如果提升测绳上下感觉一致，同时能够清楚感觉到金属碰击基岩清脆的声音，则表明清孔效果较好[3]。

3.3.6 确保基桩基岩稳定。未完全探明地质状况的桩基，根据要求要及时进行地质核查。钻至设计标高后，补小钻，钻入基岩不小于3倍桩基直径的深度，确认地质完整，没有溶洞，嵌岩桩确保入岩深度后，才进行清孔，安装钢筋笼，灌注水下混凝土。如揭示基岩不完整，存在溶洞等不良地质情况，则必须穿过溶洞，确保桩基基础稳定。

3.3.7 钢护筒封底必须严密。在岩溶极发育、地下水极丰富的地区，护筒都应穿过砂层、卵石层，以防突遇溶洞漏浆，造成孔口坍塌。

3.3.8 灌注时确保混凝土供应充足。灌注前，根据钻进时揭示的地质条件，预估可能出现的情况，准备好应急物资，同时保证混凝土的充足供给。在成孔过程中，孔壁周围或孔底都有可能有溶槽、土洞、裂隙，成孔时这些空间被泥浆充填，而在灌注水下混凝土时，容重较大的混凝土将容重较小的泥浆从溶槽、土洞、裂隙中置换出来，占据了这些空间，从而增加了混凝土体积；有时溶洞中的填充物密度比混凝土小，由于混凝土进入溶洞破坏了原来的平衡，使得成孔时并未发现的溶洞在灌注混凝土时却多用成倍的混凝土。鉴于这些原因，在灌注混凝土前备料一定要留有余地，防止发生因无料停工或间断时间较长造成断桩。

3.3.9 嵌岩桩桩底高程的确定与终孔判断。

由于桩尖必须嵌入坚实的基岩，且嵌岩深度不小于1.5m；桩径越大，嵌岩越深，对基岩的规模性与整体性要求也越高。由于溶洞裂隙发育，溶潭、溶洞、石笋、“乌龟壳”、“半边岩”、“鹰咀岩”可能存在，这就很难保证成桩完全满足设计要求。因此在施工中勤观察，特别注意桩底基岩是否平整。

由于灰岩质地坚硬致密，冲击成孔时钢丝绳呈反弹状态，孔底可传出“咚、咚”的碰撞声；如果没有入岩或松软层，钢丝绳不会反弹，桩底声音嘶哑甚至无声。根据设计标高及实钻孔深、具体的岩面坡度与岩溶形态，结合现场情况能够较为准确的判断能否终孔。