浅析岩溶区桥梁桩基人工挖孔配合冲击钻孔施工

许秋刚

（山西路桥第二工程有限公司，山西 临汾 041000）

1 工程及地质概况

贵州黔南州山区某高速公路某大型互通立交桥工程所在地地形地貌复杂，地表及地下水丰富。根据施工设计图提供的桥位处地质资料显示：主线桥9号、10号、11号墩、A匝桥5号墩桩位处分布有溶洞，且溶洞数量多、发育大。9号墩位地下分布有多层溶沟、溶槽及溶穴，且路线左、右幅溶洞分布不均、大小不一；10号、11号墩范围内溶洞较大，其中最大的溶洞深约27 m、宽约27 m，部分溶洞相互贯通。工程地质勘察报告说明部分溶洞内无填充物、部分溶洞填充物为灰黑色、饱和、软塑-硬塑状，以黏粉粒为主，含少量角砾、砂粒。溶洞中岩溶水及卵石、漂石层中孔隙潜水受大气降水补给，向当地沟谷排泄，局部灰岩地段岩溶水具有承压性，部分地质钻孔出现涌水现象，最大涌水量为2.0 L/s。

由于岩溶的发育，若桩基础落在溶洞顶部，当顶板厚度达不到设计安全厚度时，就容易造成严重的质量隐患。因此，岩溶地区桩基必须在详细的地质勘探资料的基础上选择合理安全的桩底标高[1]。地质勘探必须具备足够的深度，以保证桩基加长，判断桩底岩层地质情况的需要。鉴于设计文件提供的地质资料不能准确地判定较大溶洞的边界，且部分地质钻孔距离桩位较远，在确定施工方案前进行了地质补勘，通过补勘的地质钻孔并结合原有地质孔准确绘制出了地层及溶洞分布图（详见图1，其他桩基地质柱状图省略）。根据重新绘制的柱状图，原地面下24.5 m以下有较大溶洞，最大高度约20 m，与原设计地质资料略有出入，且较大溶洞内充满含砾黏土、无明显承压水。

图1 10号墩地质柱状示意图（单位：m）

2 桩基成孔工艺的选择

溶洞区桩基的成孔工艺一般依据以下原则进行选择。当然，具体使用何种施工工艺，必须在确保技术可行、经济合理的前提下择优选择，在实际施工中还要根据地质、水文情况的变化而灵活调整，并考虑各种施工方法的综合选用。

2.1 在以下地质、水文条件下可选择人工挖孔成孔工艺

a）溶洞距地表深度较浅或溶沟、溶槽及溶穴等较发育。

b）没有厚层流砂或卵（砾）石，无承压水或地下暗河。

c）溶洞内无填充物，或填充物为硬塑状且稳定性较好。

d）溶洞高度不大，或溶洞相互贯通等情况。

2.2 在以下地质、水文条件下可选择冲击钻成孔工艺

a）溶洞距地表深度较大，采用人工挖孔无法保证安全。

b）桩基穿过较厚流砂或卵（砾）石层，地下有承压水或暗河等情况。

c）溶洞高度较大，洞内填充物为软塑、流塑状或流砂层等情况时。

2.3 其他辅助成孔措施

无论采用人工挖孔还是机械钻孔施工溶洞桩基，选择必要的辅助措施十分关键，常见的辅助措施包括以下方面。

a）混凝土或钢筋混凝土护壁。b）钢筋混凝土或钢制护筒。

c）压注水泥浆或化学浆液固化等措施。

根据以上原则，本工程最终选择了地面下约20 m以内采用人工挖孔、钢筋混凝土护壁（必要时采用钢制护壁）及20 m以下采用冲击钻钻孔、泥浆护壁的工艺。

3 施工方案及质量、安全措施的制定

3.1 主要施工准备工作

a）做好技术交底。使相关的管理、技术及施工人员熟悉工艺流程、控制要点及各项保证措施。

b）绘制每个孔位的地质柱状图并据此细化单桩施工方案下发有关人员，让参与施工的所有人员都清楚地掌握溶洞位置、大小、充填情况以及拟采取的施工方案等。

c）采购足量的片石、黏土、水泥等材料并运到指定位置堆放[2]。

d）对机械设备及安全措施进行全面检查，确保运转良好。

3.2 护壁支护的设计和施工要点

护壁支护是挖孔桩施工的关键性措施，其结构形式及尺寸应根据桩位处地层分布、挖孔深度、孔周土质等情况确定，并重点考虑最不利地段的需要。通过计算得出本工程桩基护壁采用C25混凝土、厚度大于16 cm即可满足要求。

考虑到桩基20 m以下将采用冲击钻孔的方法施工，人工挖孔段的混凝土护壁内径比设计放大20～30 cm，另考虑抵抗钻锤碰撞的需要，最终确定的混凝土护壁采用25 cm厚的C25混凝土，同时加设钢筋网，以加强上、下节护壁的连续性和整体抵抗能力（内箍采用φ16的钢筋，竖向主筋为32根φ22的钢筋，所有钢筋连接均在孔外绑扎成型后吊入孔内安放就位，两节护壁之间的主筋连接采用弯钩挂接）。第一节护壁的主筋预留2.5 m长，弯曲后锁定在孔口地面上。混凝土浇筑采用孔内模注方式。

3.3 桩孔开挖方案及施工控制要点

孔口的开挖同一般挖孔桩，每挖完一节，经检查断面尺寸符合要求后，立即浇筑护壁混凝土。混凝土掺加早强剂，坍落度控制在30～50 mm，以提高护壁的早期强度和加快模板周转。当护壁有渗漏水现象时，采取封堵措施，当遇到漂石、石牙等，或进入基岩部分时进行孔内松动爆破，爆破时严格控制装药量，并严格控制爆破时间，以免破坏已浇筑的护壁混凝土而造成塌孔[2]。

挖孔作业时，孔内施工人员必须系安全绳，而且与孔口的固定物牢固联系。根据已探明的溶洞位置并结合实际情况确定挖孔进尺和方法：若为小溶洞，则在到达溶洞顶板时，采用风钻钻一个φ100左右的小孔，查看溶洞内是否有承压水，若有，施工人员应迅速撤离到地面，等压力释放完毕，水位稳定后再进行抽水，然后继续开挖；若溶洞内无承压水，在挖穿顶板前，作业人员要检查身上的安全绳与孔顶爬梯或其他固定物的连接情况，以确保人员安全；遇到无填充且较大的溶洞，或桩基开挖已经较深时，必须经常检测孔内有害气体。进入溶洞后，要根据溶洞内填充物及渗水情况分别采取不同的措施。

a）若为空溶洞，首先将积水抽干，用砖砌外围，然后立模浇筑钢筋混凝土。

b）溶洞内有填充物，则根据填充物的种类分别采取不同的措施：填充物为软塑状时，应浅进尺，强支护，沿上层护壁外围每20 cm打入φ20的钢钎，钢钎上绑扎草袋等作为防护,每节护壁最大高度0.5 m；填充物为硬塑状时，每挖深1 m左右则必须及时护壁。

c）孔内渗水量不大时可用铁皮桶盛水，人工提引排走；渗水量大时，使用水泵或泥浆泵抽排。

由于本工程的桩基处于溶洞区域，且拟挖孔的深度较深，因此，制定完善的安全保证措施非常重要，除配备专门的通风设备并单独敷设送风管道外，还配备了专用吊篮、安全绳、防水照明设施等。

3.4 冲击钻孔方案及施工控制要点

当挖孔至拟定深度，或出现较大涌水、淤泥、孔壁坍塌等异常情况时，改用冲击钻钻孔工艺进行施工。

3.4.1 钻进至溶洞位置的施工方案

在钻进过程中，如出现泥浆在短时间内迅速下降或流失，应立即停钻并提出钻锤，然后向孔内投放片石、黏土和水泥（片石∶黏土∶水泥=1∶0.5～1.0∶0.02，片石和黏土按体积，水泥按重量,片石粒径为30～70 cm）至溶洞顶1.0 m以上，待回填物沉积密实后再重新钻进，并视后续钻进情况进行补充。在钻进过程中，需小冲程不断提、落锤，通过反复冲击挤压填充物，使其在溶洞内形成锥形围护结构墙并堵塞洞内的通道，从而保证孔内泥浆高度，确保冲钻顺利进行。

需要注意的是，在钻进过程中钻机操作手要随进尺快慢及时准确下放主钢丝绳，使钢丝绳在每次冲击过程中始终处于拉紧状态，既不少放，也不多放。放少了钻头落不到孔底，打空锤，不仅无法获得进尺，反而会造成钢丝绳拉断和掉锤。放多了，可能造成卡钻或孔位偏斜，破坏已形成的围护结构墙。因此，在钻孔过程中应在钢丝绳上作明显标记，以更好地掌握和控制其下放长度。

在开始每个墩位的第一根桩基时,需要的片石、黏土等材料数量最大，必须提前备足，并保证需要时能及时运输到位。

3.4.2 清孔环节的注意事项

终孔后进行首次清孔时，泥浆比重和稠度可适当放大，以防止在安放钢筋笼的过程中发生塌孔[2]。

3.5 混凝土灌注过程的施工控制要点

a）勤量测，准确掌握混凝土面的标高变化。

b）灌注至溶洞范围时，必须保证连续、匀速进行，导管埋深可适当加大（一般控制在6～10 m即可），避免对孔壁造成瞬间冲击而塌孔。

c）要尽可能避免在混凝土灌注至溶洞的底、顶面附近时进行拆管而造成混凝土灌注停顿等情况。

d）在接近设计桩顶时可适当放缓灌注速度，并注意观察混凝土面（或泥浆面）的变化情况，确认无异常后方可终止灌注。

4 在施工中重点进行控制的要点及采取的措施

根据本工程桩基的地质、水文情况，经认真分析后在施工过程重点加强的控制要点及采取的措施如下，取得了很好的效果。

a）采用人工挖孔段（桩基上部）的护壁质量的好坏，将直接影响到桩基下部冲击钻孔的成败。因此，在施工中严格控制混凝土的强度、厚度及钢筋配置数量等。另外，按照挖孔灌注桩的质量标准对孔径、垂直度、孔位偏差等进行严格控制。

b）在回填土、卵石层、溶洞内软塑状充填层钻进时，极易发生塌孔。因此采用小冲程（50～75 cm），并提高泥浆的黏度和相对密度，抛填小片石反复冲击。尤其在护壁底脚下2～4 m范围内，缓慢渐进认真施工，使孔壁达到了坚密不塌不漏的效果。

c）将钻至溶洞顶部时，改用小冲程缓慢钻进，防止突然打穿溶洞顶板，造成卡钻或掉钻。现场备足黏土、片石、袋装水泥等材料，漏浆时，马上回填，以小冲程反复冲砸，形成泥壁，堵塞洞内的通道，防止孔壁坍塌和泥浆流失。

d）因岩溶层地质复杂，溶洞内岩面高低不平，或一面有岩，一面悬空，容易造成卡钻和斜孔。在出现上述情况的征兆时，立即停钻并抛填黏土、片石，用低冲程冲砸，反复循环，多次修整桩孔，保证冲孔质量。

5 实际施工情况简述

a）由于参建各方高度重视，管理到位，承包单位制定的方案科学合理，过程控制严格且施工队伍在岩溶区桩基施工方面经验比较丰富，本工程施工过程较顺利，施工质量、工期及成本控制均达到预期目标，具体详见表1。

表1 溶洞处理工程数量

b）施工中出现的问题：在10-2号桩基开钻前，当钻机就位时发生桩孔周围地表塌陷，导致塌孔。塌孔事故除造成钻机倾斜外，未造成其他损失。事故发生后，参建各方技术人员对原因进行了全面分析，认为主要是桥墩范围内存在浅层小溶洞，且钻机的行走轨道下支垫的方木承压面偏小，浅层小溶洞的顶板无法承受钻机的重量而塌陷。原因分析清楚之后，采取了如下处理措施：对已经塌陷的桩孔和浅层小溶洞进行回填，对桩基周围进行夯实；在钻机行走轨道下支垫长枕木形成轨排，加大地表承压面；原位钻孔。在后续施工时，对其他桩基周围先进行勘探，如有浅层空溶洞则砸穿顶板后回填密实，然后按照原定方案进行施工。

6 结语

a）岩溶地区桩基在设计或施工时，应该逐孔进行地质钻探，必要时加密地质钻孔，查明地质情况，并尽可能探明较大溶洞的边界范围，为工程设计和施工方案的制定提供详尽资料。

b）在小溶洞、溶沟、溶槽、溶穴等较发育地层，采用人工挖孔及钢筋混凝土护壁（或钢护筒）的工艺比直接钻孔效果更好，可有效避免卡钻等情况的发生，但必须做好安全防护措施，确保工程及施工人员、机械的安全。在超过一定深度后，应改用冲击钻孔工艺施工，且上部挖孔时必须为后续钻孔提供条件。

c）溶洞范围内的处理采用抛填片石、黏土及水泥，小冲程反复冲砸等方法，形成泥石护壁，堵塞空洞和通道，成孔质量一般都能够满足要求。

d）使用长枕木和钢轨制作的轨排作为钻机工作平台，加大承压面，可有效避免孔口坍塌及地表局部塌陷等事故的发生。

e）岩溶地区桩基的成孔工艺应综合考虑地形、地质、水文及施工能力等条件，做到因地制宜、灵活调整。