岩溶地层钻孔灌注桩施工质量控制

■刘 科 ■中铁大桥局股份有限公司，湖北 武汉 430050

1 工程概况

普兰店跨海湾特大桥是哈大客运专线重点控制工程，全桥共计140个墩台，基础钻孔灌注桩共1447根。本标段溶洞较为发育，溶洞较多且较大，岩溶面标高起伏较大，形成溶洞的位置和大小均不相同，无规律可循，加上有些桩位在同一垂直面上可能有2个以上的溶洞，地质情况很差。因此施工钻孔桩基础时易发生掉钻、卡钻、漏浆、坍孔等现象，从而影响工期和质量，给钻孔桩施工带来风险和难度。施工时要制定确实可行的、确保成孔质量控制措施。

2 水文、地质

普兰店海湾特大桥横跨在面向渤海的普兰店海湾上，桥址处分布有软土，地震液化层，岩溶，岩石构造破碎带、断层。溶洞较为发育，普兰店海湾特大桥桥址区岩溶主要集中在南引桥和主桥部分，在不同深度有大小不等的溶洞，局部形成串珠状溶洞连续出现。DK62+315．20～DK63+035．1(陆地南引桥)溶洞一般埋深20～30m，最大溶洞高度2．4m，洞内多为全充填粉质粘土和原岩风化细角砾土，呈中密～密实状;DK64+098．82 ～DK65+075．21(71#墩 ～88#墩，海湾主桥)溶洞、溶隙、溶蚀发育，其中72#～80#墩溶洞极为发育，多呈串珠状(图一)，溶洞大小不一，一般洞高0．1～13．5m，最大溶洞高度18m(图二)，埋深21．7 ～59．8m，底面高程 -22．82 ～ -60．97m，多为无充填空洞，少为半充填及全充填，洞内多充填粉质粘土和原岩风化细角砾土。溶洞多沿节理面、层理面发育，岩面上凹凸不平，溶蚀、风化较为发育，使基岩表面起伏较大。

图一: 桩位串珠状多层溶洞 图二: 桩位超大溶洞

3 岩溶地质钻孔桩质量控制

3．1 钻机、钻头选型

针对本桥深水岩溶、桩基孔径大、钻孔深、钻孔桩施工难度大的特点，我们对目前常用可供选择的钻机从使用的范围、现场施工的适用性及经济性等方面进行了综合比较，认为采用冲击成孔具有设备简单，操作方便，动力消耗小，机械设备故障少等特点，可通过回填片石和黏土有效处理岩面倾角大，溶洞和裂隙等问题，通过砸实挤密解决漏浆问题，更能有效防止塌孔。因此决定本桥钻孔桩施工采用CJF-20型冲击钻机和十字形冲击钻头冲击成孔。

3．2 钻孔施工主要实施原则

实施原则考虑到溶洞地质的多样性和不确定性，在既有地质资料情况下，结合本工程的施工特点、工期要求和关键线路，确定了如下溶洞地质钻孔施工实施原则:

(1)开钻前根据掌握的资料用地质钻机进行超前钻孔，以核对溶洞位置、大小等资料的准确性，掌握溶洞、裂隙等有害地质情况的分布规律，同时根据钻孔过程中的漏浆情况在需要时进行预注浆处理，对溶洞内的松散填充物进行固结或对岩层裂隙进行封闭，降低溶洞地质对钻孔施工可能造成的影响。引桥对地勘资料反映存在较大、较复杂溶洞的墩位，每墩在桩位间穿插钻5个孔，根据实际情况可适当增加数量;主桥施工是工程的关键线路，为保证节点工期，钻孔施工不能出任何问题，每根桩均要求在桩位中心钻一个孔，必要时沿桩周边按等边三角形增设钻探孔进行探查和预注浆处理。

(2)准备充足的泥浆和1～2台泥浆泵，并准备充足的片石、粘土、袋装水泥和素混凝土，在钻孔过程中遇溶洞发生漏浆或遇溶洞斜岩面等问题时，首先及时向孔内补浆，同时根据所遇到裂隙、溶洞的具体情况及裂隙、溶洞大小等，通过反复向孔内抛粘土、片石、混凝土等材料，以小冲程反复冲砸、钢护筒跟进等方法进行处理，直到穿过不良地质不再漏浆、钻孔施工能够正常进行为止，保证岩溶地质钻孔施工的安全和工程施工质量。施工过程中应遵循堵洞护壁、重锤轻击的原则。

(3)根据掌握的溶洞分布、大小情况，采取先易后难的策略，制定合理的钻孔施工顺序，分期分批进行施工，根据先期在简单溶洞地层的钻孔施工为以后的复杂溶洞地质条件下的钻孔施工积累经验。

3．3 常见病害及成因分析

在溶洞地质进行钻孔施工常见的病害主要有:漏浆、坍孔、卡钻、掉钻、斜孔及混凝土外漏等，各病害成因如下:

3．3．1 漏浆

溶洞地质钻孔施工最突出的病害就是漏浆，因地下溶洞相互贯通、基岩裂隙发育、溶洞连通地下河流等原因，漏浆现象发生普遍，漏浆若处理不及时则极易造成坍孔，给钻孔桩施工的安全和质量都带来极大隐患。

3．3．2 坍孔

坍孔产生的原因:

⑴因漏浆处理不及时造成孔壁外侧压力大于内压力，进而破坏孔壁泥皮，使松散易坍地层发生坍塌，严重时甚至危及施工平台、机具设备、人员安全，危害很大;

⑵在溶洞内的填充物因钻进过快、处理不到位，在冲击钻的冲击振动下发生局部溶洞内填充物的局部坍孔，有可能造成埋钻，给施工造成麻烦。

3．3．3 卡钻

卡钻是岩溶地区桩基施工遇到的普遍问题之一，其主要原因有:

⑴溶洞顶板薄，一锤打穿溶洞时，因顶板开口的大小与钻头的大小几乎相等，在提钻的过程中发生卡钻;

⑵溶洞发育，存在严重的溶沟、溶槽、狗齿石等现象，挤住钻头导致卡钻;

⑶溶洞顶底板不平，基岩面倾斜厉害，冲击时钻头歪斜而卡钻;

⑷在高度与钻头高度接近的溶洞内钻进时冲程过大，钻头落下孔底后因反弹倾斜使上部绳柄部位卡入溶洞。

3．3．4 掉钻

在穿越溶洞顶板时，若冲程较大，在一锤砸穿顶板后造成打空锤，钢丝绳因受力太大断掉而造成掉钻。

3．3．5 斜孔

当岩面倾斜，或桩位处一半土一半岩，若冲程较高、钻进过快、抛填处理不到位，均有可能造成斜孔。

3．3．6 混凝土外漏

在灌注水下混凝土过程中，因在溶洞内钻进时抛填处理不到位，孔壁强度不够，而造成孔壁被孔内混凝土压垮，孔内混凝土面突然下降，有可能因此造成导管口脱离混凝土面断桩，或者灌注时混凝土面上升缓慢，浪费大量混凝土。

3．4 现场主要问题处理

3．4．1 超前钻孔预注浆处理

超前钻孔预注浆处理的目的主要有两个:一是摸清桩位溶洞准确位置和漏浆程度，全面的掌握桩基处的溶洞分布规律和溶洞漏浆情况，取得第一手地质资料，制定相应的钻孔施工方案，指导下一步的钻孔、成桩施工;二是注浆补漏，根据地质情况和钻孔过程中的漏浆情况，对钻孔时遇到的裂隙、溶洞等有害地质情况及时进行注浆封闭、固结处理，加固溶洞内的填充物和封闭岩石裂隙，并达到一定强度，防止正式钻孔桩施工时因漏浆而导致坍孔等情况的发生，保障钻孔桩成孔及水下混凝土浇注等一系列施工工序的顺利完成。

超前钻孔预注浆处理主要包括钻孔和预注水泥浆两个工艺环节。施工采用普通地质钻机进行，预注浆直接用注浆泵通过钻杆完成。钻孔过程中，边钻孔边以套管跟进，这种情况下套管的作用相当于护筒，起着保护钻杆和容纳护壁泥浆的作用。当钻机钻至松散渗透性地层、裂隙发育岩层及溶洞地层发生漏浆时，采用间歇压浆的方法，使不良地层得到充填、封闭和固结。采用注浆泵注浆时，压力不宜太大，控制在0．5～1．0Mpa范围，具体压力根据现场试验确定;水泥浆浆液水灰比W/C=0．8～1．0，浆液配合比按实际情况进行调整，遵循先稀后浓的原则，依吸浆情况逐步加浓浆液;根据透气孔返浆情况，判断洞内充填情况是否达到要求，当注浆达到要求后，即可停止注浆。注浆采取从上到下，随钻随注的方式，逐渐将孔位处漏浆底层和溶洞内充填物封闭或固结。为防止浆液流失太远造成浪费，采用间歇注浆方式，使得先注入的浆液与溶洞填充物初步达到胶结后再注浆，如此循环注浆多次，直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值为止。

3．4．2 穿越溶洞钻孔施工技术

本工程钻孔桩均采用冲击钻机成孔，冲孔过程中，结合地质柱状图上溶洞情况，针对不同地层采取不同冲程、不同的处理方法;对地质异常复杂的桩，根据其不同特点，制定专门的工艺措施。每根桩开钻前，应将地质柱状图挂在钻机上，做到让每一位参与施工的人员都充分掌握要钻孔的溶洞的位置、大小和充填情况等地质资料。

⑴溶洞高度小于1．5m时的处理措施

此类溶洞较小，且溶洞内多填充粉质粘土和原岩风化细角砾土，针对此类溶洞特点，在穿越溶洞时均采用抛填一定比例的粘土、片石(粒径约20cm左右)等填料的方法反复小冲程冲砸挤壁成孔。进入溶洞发现漏浆时，先采用泥浆泵及时快速向孔内补浆，然后将粘土和片石按约1∶1的比例(比例根据溶洞内填充物适当调整)向孔内投至超过溶洞顶面约1～2m，采用冲击钻机以小冲程进行冲砸，使片石与粘土在溶洞内形成一道环壁，如此反复投料、冲砸，直到穿透溶洞后即可正常钻进。

图三 现场抛填片石

⑵溶洞高度在1．5m～5m时的处理措施

对于此类较大溶洞，在钻进发现漏浆时首先要及时向孔内补浆，向孔内按适当比例投放粘土、片石至超过溶洞顶面约1～2m，同时抛填一定比例的袋装水泥(根据有关试验数据和实践经验，当粘土、片石按1∶1的比例掺合时，水泥的掺量宜控制在0．35～0．67之间，在粘土、片石、水泥充分砸碎拌匀后能够达到一定的强度)，用冲击钻机小冲程冲砸，使水泥与粘土、片石的混合填料充分混合并尽量填充溶洞，如此反复投料、冲砸，直至穿透溶洞后即可正常钻进。溶洞处理混合填料因掺入了水泥而形成一定强度，在反复抛填钻进、充分填充溶洞后，在溶洞内沿孔位逐渐形成一圈有一定强度的环形护壁，即解决了漏浆和溶洞内局部坍孔的可能，又能避免成孔后灌注水下混凝土过程中孔壁因不牢固被混凝土压垮、孔内混凝土面突然下降而造成的断桩和混凝土超灌严重等问题。

⑶溶洞高度在5．0m～10m时处理措施

图四 现场抛填粘土

对于此类大溶洞一般也都先采用上述抛填粘土、片石和袋装水泥混合填料进行处理。在钻孔过程中发现漏浆时，首先应及时补浆，同时反复向孔内抛填粘土、片石钻进，当漏浆较严重时，应大量向孔内抛填粘土、片石和袋装水泥混合填料并补浆，然后钻进，如此反复进行抛填、钻进直至穿过溶洞。但因此类溶洞高度大，溶洞在水平方向也可能非常发育，采取上述措施很可能仍难以成孔，或者即便成孔，但成孔周期过长或混合填料构筑的孔壁护圈不足以承担灌注水下混凝土时的压力而被压垮造成断桩和混凝土超灌严重等问题时，则可采取向孔内灌注C15低标号素混凝土的方法进行回填处理，混凝土应灌注至溶洞顶面以上1～2m的位置，待混凝土达到一定强度后再继续钻进。为节约混凝土灌注量。抛填粘土在灌注混凝土前，可用粘土、片石和袋装水泥混合填料反复冲挤到一定程度后，再行灌注混凝土。无论溶洞是有填充或无填充，均可采用上述方法处理。

⑷溶洞高度在大于10．0m时处理措施

对于此类超大溶洞，一般位置较深，且横向也很发育，还可能连接着地勘资料未揭示的地下河，钻至溶洞时有可能严重漏浆来不及补浆，而造成大范围坍孔，危及施工平台及设备、人员安全;或者即便能够及时补浆保证孔内水头压力，不发生坍孔，但仅采取抛填粘土、片石和袋装水泥混合填料反复冲挤措施，因溶洞太高太大也是难以完成成孔和成桩施工的，若采取在溶洞内填筑素混凝土的处理方法，因溶洞大小未知，混凝土的灌注量也将是个未知量，因此从安全、施工成本等各方面上考虑，此类超大溶洞的钻孔应采用护筒跟进的方法进行施工。

护筒跟进是利用几种不同内径的钢护筒配合几种不同直径的钻头，利用振动打桩锤将护筒一直跟进到溶洞底部的施工方法。此法即解决了成孔过程中溶洞顶部覆盖层的坍塌问题，又保证了成桩的安全和质量。护筒均采用优质钢板卷制，护筒壁厚根据所属层位而不相同，施工按如下步骤进行:

①利用振动打桩机插打最外层钢护筒，按常规钻孔方法钻进至距溶洞顶板约1m的位置处。外层护筒壁厚一般不小于10mm，护筒内径应比桩径大约50cm，钻孔用钻头直径比设计桩径大35cm左右。插打钢护筒应严格控制竖直度和中心偏位，避免给后续各工序带来麻烦;

②提出钻头，利用吊机等设备将中间层钢护筒逐段接长并下放到孔底，然后对中、用压重或振动打桩锤将中层护筒下沉至溶洞顶岩面，在两层护筒之间灌砂使两层护筒同时受力，必要时可注浆固结、密封。中层钢护筒壁厚采用8～10mm，内径比桩径大约30cm;

③换用稍小钻头小冲程冲砸穿过溶洞顶板(直径比桩径大15cm左右)，此时即使发生严重漏浆，因中层钢护筒的防护溶洞顶上的覆盖层也不会发生坍孔。此时即可按照上述抛填粘土、片石和袋装水泥或灌素混凝土等方法进行溶洞内的钻孔施工，直至钻至溶洞底板以下约50cm。

④提出钻头，将内层钢护筒逐段接长并下放到距孔底约50cm位置，向孔内灌注低标号素混凝土将洞底已钻约50cm深的孔填满后，立即将内层钢护筒插入混凝土内将其与洞底岩层固结封闭，达一定强度后换用与桩径相同直径的钻头钻进至设计标高，清孔换浆完成后灌注桩基水下混凝土。内层钢护筒壁厚采用6mm，内径比桩径大约10cm。

此法无论溶洞是有填充还是无填充都适用，若在超大溶洞下仍存在若干超大溶洞，则需根据实际情况设置多层护筒和钻头进行跟进施工。

3．4．3 穿越溶洞顶板时的处理措施

钻进过程中根据地质柱状图和钻头冲击岩层的声响，判断钻头是否接近溶洞顶板。进入岩面以前，准备充足的泥浆和1～2台大流量泥浆泵，同时准备大量的粘土、片石。接近顶板时(约1m)，提前向孔内抛填片石，使钻锤能平衡冲击溶洞顶板，采用小冲程反复抛填、冲砸，缓慢穿透溶洞顶板，一是防止由于溶洞顶板岩层不均造成斜孔，二是防止一锤击穿溶洞顶板，造成卡钻、掉钻和泥浆大量流失而引起的孔口坍陷。冲砸过程中应密切注意护筒内泥浆面的变化情况，当泥浆面下降时，应迅速向孔内补浆和抛填片石、粘土至不再出现漏浆。

3．4．4 漏浆、坍孔的预防和处理措施

发生坍孔的主要原因是因孔内漏浆，孔内变成负压，破坏了护壁泥皮而造成。因此在钻孔过程中如果能够有效地解决了漏浆的问题，坍孔也就得到了有效的预防。溶洞地质钻孔施工前，应准备充足的泥浆和1～2台大流量泥浆泵，同时准备大量的粘土、片石、袋装水泥等填充物，发生溶洞漏浆时即应采取前述“穿越溶洞钻孔施工技术”中所述方法进行补浆，并同时抛填片石、粘土、袋装水泥等进行处理，必要时可采用灌注素混凝土或采用护筒跟进的施工方法避免漏浆及坍孔。

针对岩石裂隙漏浆问题，主要采取以下处理措施:

⑴做好超前钻孔预注浆工作，在超前钻孔过程中及时发现岩石裂隙情况，并采取预注浆的方式将裂隙封闭，避免钻孔施工时发生裂隙漏浆。

⑵钻孔施工中发现裂隙漏浆时，首先应立即补浆，同时向孔内按大约1∶1的比例抛填粘土和袋装水泥至裂隙顶面以上约4～5m，采用小冲程反复冲砸，利用粘土水泥浆渗透进岩石裂隙后逐渐将裂隙固结封闭。

3．4．5 卡钻、掉钻的预防和处理措施

钻孔施工时应准确掌握地质资料和进尺情况，当钻进至溶洞顶底板、在与钻头高度接近的溶洞内钻进、发现岩面倾斜、或在溶洞内存在严重溶沟等不良地质条件时，应严格控制钻孔进尺和冲程，在不良地质处反复用片石回填、以小冲程冲砸，缓慢穿透该地层，避免在发生卡钻(在穿越溶洞顶板时避免掉钻)。

3．4．6 斜孔的预防和处理措施

在钻孔遇斜岩、钻至溶洞顶、溶沟溶槽内钻孔时，应采取反复抛填片石，以小冲程冲砸的措施，避免因受力不均而冲程过大、进尺过快造成斜孔。

在岩面倾斜过大，或桩位处一半土一半岩软硬程度极为不均时，则直接向孔内灌注低标号混凝土，待混凝土达到一定强度后，再行钻进。

钻进过程中要密切注意钢丝绳摆动情况以判断是否斜孔，发生斜孔时，应向孔内抛填片石至斜孔位置以上1～2m，以小冲程反复冲砸，将斜孔纠正。

3．4．7 混凝土外漏的预防和处理措施

针对混凝土外漏的成因，应采取以下措施来预防:

⑴当同一个无填充溶洞贯穿多根桩基时，应逐根完成该溶洞范围的桩基施工，使溶洞在施工过程中始终是个封闭的腔体，利用腔体的封闭效应来稳固桩孔护壁;

⑵在溶洞内钻孔时严格控制钻孔进尺，反复在溶洞内抛填粘土、片石和袋装水泥并以小冲程冲砸，增加护壁厚度和提高护壁强度，必要时灌注低标号混凝土形成护壁。在超大溶洞则利用跟进钢护筒避免混凝土外漏。

⑶灌注桩基水下混凝土进入溶洞范围时，派专人观察孔内泥浆情况，增加测深频次，增大导管埋深以避免混凝土面下降过大造成断桩，临近孔位应暂时停钻减少冲击振动。

4 施工实施效果

本工程溶洞地质条件下的钻孔桩施工已全部完工，在钻孔施工过程中，根据制定的溶洞施工技术措施，现场施工严格按要求执行，溶洞处理效果良好。经检测主墩钻孔桩均达到Ⅰ类优质桩的标准，可见溶洞地质钻孔施工技术措施的制定和执行是可行和有效的。