岩溶地区钻孔灌注桩施工技术

高洪生，马跃原，张小兵，庞帅齐

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛 066002）

1 工程概况

贵隆高速公路项目（K9+909—K26+200）共有465根桩基处于岩溶地区，其中桩径为1.2～1.8 m、桩长12～24 m不等，总桩长为7 388 m。地层岩性以中风化灰岩为主，并含有溶洞、硬质斜岩和破碎岩。

1）溶洞：溶洞规模较小，连通程度低，最大溶洞高度为1.9 m，平均溶洞高度为0.94 m，最大溶洞体积为9.36 m3，平均溶洞体积为3.86 m3；表现形式为单一和串珠两种形式，见图1。

图1 串珠式溶洞地质纵剖面图Fig.1 Geological profile of bead type karst cave

2）硬质斜岩：岩石强度高且地质构造为单斜构造，钻孔取芯室内岩石试验结果表明，多数岩石的单轴抗压强度平均值≥60 MPa，最大值为159.6 MPa。

3）破碎岩：多数破碎层的RQD指标≤30%，破碎程度较高，且破碎层呈现出厚度小、层数多的特点。

2 施工重难点分析

2.1 任务重、工期紧

广西地区雨季长（一般为5—9月），能够进行桥梁施工作业的有效天数十分有限，如果桩基施工不能及时完成，将直接制约桥梁下部结构的施工，甚至影响箱梁架设等后续作业。

2.2 岩溶地质条件复杂

岩溶地貌又称喀斯特地貌，这种地貌主要由石灰岩、石膏、岩盐等可溶性岩层组成，因常年受地下水流的侵蚀而逐渐形成溶蚀的沟槽或溶洞，使得施工过程中易发生漏浆、塌孔、埋钻、打空锤等现象[1]。

2.3 岩层较硬且斜岩分布

部分岩溶地区因基岩面凹凸不平，岩石坚硬，严重制约桩基施工速度，且钻头在剧烈冲进基岩面时容易被“V”形的岩沟卡住，容易发生斜孔现象[2]。

3 施工工艺

3.1 超前钻孔

在岩溶区域桩基施工之前进行超前钻孔以探明基底溶洞发育情况，确保桩基处于坚实稳定的基础上。设计总桩长为7 388 m，超前钻孔总长度为9 043 m，获取每个桩孔的地层结构及分布特征、溶洞分布及大小、溶洞顶板厚度等地质信息，并形成钻孔取芯记录表、钻孔桩状图等地质资料。

3.2 溶洞处理

由于溶洞规模较小，平均溶洞高度为0.94 m，因此采用片石回填、黏土挤压，低锤高频的方法，在处理石排分离1-3桩基溶洞过程中关键施工步骤有以下几点[3]：

1）通过测绳量测并计算判断出冲击钻头在到达溶洞顶板上2 m位置（高程为32.195 m）时，适当降低冲击钻冲程（≤1 m），避免发生打空锤现象，并时刻注意孔内泥浆面的变化[4]。

2） 钻头凿穿溶洞顶板后，若发现泥浆面下降，此时立即用挖掘机添加片石加黏土（按1∶1体积比）回填，并适当加入部分水泥，回填1层、采用钻头冲击至少3遍，使片石和黏土保持密实，回填至溶洞顶部以上1 m位置。然后向钻孔内注入稠度较大的泥浆，使其浸入片石缝隙内，然后采用钻头低冲程高频冲击，使片石和黏土挤入溶洞内，形成泥石护壁。

3）若溶洞内泥石护壁出现漏浆时，应再次回填，反复回填、反复冲击，直至不再漏浆为止，直至通过溶洞区。

穿过溶洞区域后，就可以正常钻进，直至终孔，最终桩基检测结果显示为Ⅰ类桩[5]。

3.3 旋挖成孔

3.3.1 工艺选取的原因

1） 前期在完整性好（RQD≥75%）、硬度高（单轴抗压强度≥60 MPa）的斜岩地层中采用冲击钻成孔，平均功效不足1 m/d，且需要不断进行斜孔纠正，机械台班和片石等材料消耗较多。

2）前期部分桥位无变压器电力供应、取水困难；桩位基本都在稻田段，没有影响旋挖钻施工的构造物。

3）由于溶洞及地下水较丰富，人工挖孔危险系数高，同时广西地区限制使用人工挖孔桩施工工艺，所以不采用该工艺。

综合以上因素，对于满足前两个条件的桩基，采用旋挖钻成孔。

3.3.2 旋挖钻机、钻具和钻头的选择

1）选择山河智能牌一体化液压旋挖钻机，最大扭矩为416 kN·m。

2）结合钻机性能参数和地质因素，选择截齿筒钻和截齿钻斗。

3）通过委托具有检测资质的贵港市科达工程检测公司对钻孔取芯后的岩石进行室内岩石试验，得到岩石最大强度值为174.7 MPa，平均值为159.6 MPa，依据桩位岩石数据，选择优质高强合金钻头，减少钻头损坏，同时大大提升钻进效率。

3.3.3 施工钻进

1） 动态调整钻速

当旋挖钻头处于软硬底层过渡段桩基钻进时，应调整钻进速度。由硬到软时，应提高钻进速度；当软地层进入硬地层时，由液压系统给钻杆适当加压（加压过程均匀，加压力也不应过大），减速慢进；在易缩径的地层中，应适当增加扫孔次数，防止缩径；在斜岩地层，适当降低钻进速度，防止卡钻现象的发生同时减小对钻头的磨损；针对破碎地层，在护筒跟进的基础上，以较低的钻速钻进[6]。

2） 分级扩孔

适用于桩径1.8 m且岩石强度高的桩基，采用分级扩孔的方法进行施工。先采用直径1.2 m的钻头钻至设计桩底标高，再换用直径1.5 m的钻头钻孔，最后采用直径1.8 m的钻头钻进，提高了施工功效[7]，与正常旋挖钻孔功效对比见表1。

表1 功效对比分析Table 1 Contrastive analysis of efficacy

3.4 破碎地层处理

1） 静浆护壁

①对于破碎程度较低（RQD≥30%）的地层，采用水+膨润土+火碱配置膨润土泥浆，组分重量比为水∶膨润土∶火碱=100∶6∶0.3，在施工过程中配备专门的试验人员，及时检测泥浆指标，并根据地层的变化，及时调整泥浆的比重。

②对于采用膨润土泥浆效果不佳的破碎地层，采用专用高效化学泥浆。首先用火碱调节水的pH值在8～10之间，然后按照100 m3水加入25 kg的比例加入高效泥浆粉末，搅拌均匀，使黏度控制在30 Pa·s，然后随钻进过程不断补充该泥浆即可。该高效化学泥浆是一种高分子量的人工合成的具有水溶性、易混合特点的粉末颗粒聚合物，在水中充分溶解后成半透明状，黏度大，在孔壁上形成一张薄薄的富有很强张力的保护层，保证周围地层的稳定，实践证明具有良好的处理效果。

2） 护筒跟进

钻进过程中遇到破碎程度较高（RQD≤30%）的岩层，仅仅依靠静浆是无法保证孔壁稳定的，为避免出现塌孔，采用护筒跟进的方法。将厚度为12 mm、单节长度为1.5 m的钢护筒跟随钻进过程向下沉放，每节护筒之间通过焊接连接在一起，同时现场专业试验人员分析每循环钻出的渣样，指导现场钻进作业，确保顺利通过破碎地层。

4 功效、成本分析

4.1 功效分析

1）在硬质斜岩的地质条件下，旋挖钻成孔功效是冲击成孔的9～10倍。

2） 在软质砂砾地质条件下，4～5台冲击钻同时作业可以达到1台旋挖钻相同的功效。

4.2 成本分析

1）公路工程中前期进场施工时，大多受制于永久（或临时）电路未接通，供电只能依靠发电机，导致耗油量高，增加额外的费用。岩溶地区桩基处理过程中，需要不断抛填块石、黏土、水泥或同标号混凝土等进行斜孔纠正和溶洞填充，这些处理措施使桩基总体施工成本不断攀升。

2）通过超前钻孔得到的相关信息，结合不同工点的客观条件，及时调整冲击钻和旋挖钻的作业范围，硬质斜岩用旋挖，软质砂砾用冲击，旋挖钻与冲击钻交替进行桩基施工。虽然部分桩基采用旋挖钻的施工单价略高，但是综合对比各种费用及对总体工期的影响，实际表明采用旋挖钻不但缩短施工工期，还节省施工费用。

5 结语

1）岩溶地区桩基施工前，应对每根桩基超前钻孔取芯，明确岩层结构特征，保证桩底无溶洞等不良地质，同时为制定相应施工方案提供依据。

2） 在岩层完整性好、强度高（单轴抗压强度≥60 MPa）的斜岩地质条件下，相比冲击钻，旋挖钻具有成孔功效高且成本低的优点，针对工期紧、施工场地又满足要求时，应采用旋挖钻，起到缩短工期和节约造价的效果。

3） 在旋挖钻施工直径1.8 m及以上的桩基时，为提高钻进效率和避免钻杆损坏，应采用分级扩孔的方法。

4） 针对规模小（溶洞高度≤1 m）、连通程度低的溶洞，可采用抛填片石、黏土挤压、低锤高频的方法进行处理，同时可适当添加水泥，起到降低混凝土充盈系数的效果。

5）根据超前钻孔揭露出的岩层变化特点，应动态调整冲程和旋挖钻速，以降低综合扩孔率，防止塌孔现象发生。

参考文献：

[1] 黄俊光，方引晴.岩溶地区地基基础处理的几个问题分析[J].广州大学学报：自然科学版，2006，5（1）：74-77.HUANG Jun-guang,FANG Yin-qing.Application analysis on selecting type of karst area foundation[J].Journal of Guangzhou University:Natural Science Edition,2006,5(1):74-77.

[2]王连玉，王浩.浅析岩溶地质对桩基施工的影响及应对措施[J]. 科技信息，2009（5）：86-87.WANG Lian-yu，WANG Hao.Analysis of the influence of karst geology on the construction of pile foundation and Countermeasures[J].Science and Technological Information,2009(5):86-87.

[3] JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].JGJ 94—2008,Technical code for building pile foundations[S].

[4]JTG F80/T F50—2011，公路桥涵施工技术规范[S].JTG F80/T F50—2011,Technical specifications for construction of highway bridge and culverts[S].

[5]JTG F80/1—2004，公路工程质量检验评定标准[S].JTG F80/1—2004,Quality inspection and evaluation standards for highway engineering[S].

[6]姜明和.桩基施工中岩溶地质危害的治理 [J].地质与勘探，2000，36（2）：19-21.JIANG Ming-he.Treatment of geological calamity about karst in execution of pile foundation[J].Geology and Prospecting,2000,36(2):19-21.

[7] 王际好.复杂地质超长桩旋挖钻施工技术[C]//蒙文砚高速公路施工技术现场交流材料汇编.2016：293.WANG JI-hao.Complex geological long pile rotary drilling technology[C]//Mengzi-Wenshan-Yanshan Expressway construction technology field exchange materials compilation.2016:293.

小贴士

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