岩溶地质斜拉桥索塔钻孔灌注桩施工技术

蔡晓男 张文渊 王禹栋

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200030)

0 引言

岩溶是指可溶性岩石中因岩溶作用所形成的地下空间，溶洞在我国分布广泛，特别是云南、广西、贵州、湖南等地。在这些地区建造桥梁不可避免地会遇到岩溶发育条件下桥梁桩基如何有效施工的难题。王海怀以肇庆大桥为例，强调前期地质勘察掌握溶洞参数的重要性，并采取钻埋多层护筒变级振沉工艺保证成桩质量[1]。夏 林等人针对桩基施工时基岩裂隙发育且溶洞形式多样的问题，提出防渗灌浆、扩孔钻头等解决方法[2]。方小睿等人对轻微溶洞、一般溶洞、复杂溶洞分别提出钻孔成桩的技术要点，特别是复杂溶洞其处理重点是全护筒跟进至岩层，防止漏浆导致覆盖层塌孔[3]。戴祖生等人针对特殊溶洞地段采用桩周覆盖层旋喷帷幕压浆处理工艺防止覆盖层塌孔事故[4]。李武军等人根据溶洞特征和填充情况将溶洞分为四类，并针对不同类型的溶洞提出黏土回填、灌砂压浆、护筒跟进等解决措施[5]。汪小东等人分析了岩溶地质钻孔成桩的施工难点，其解决方案以控制泥浆比重和回填土方片石为主[6]。张 烨等人针对海域岩溶地质分析漏浆塌孔的主要原因，并采取逐孔超前钻探、控制泥浆指标、保持水头高差、设置长护筒等措施[7]。由瑞凯等人以沌口长江公路大桥为例提出了导向平台的安装方法，并且详细论述溶洞条件冲击成孔发生埋钻的处理方法[8]。

上述文献对岩溶地质钻孔成桩技术进行了有益探索，但是对于桥梁基础临水作业如何搭设施工平台涉及较少，并且在溶洞发育条件下施工钻孔灌注桩不仅要保证安全也需要更高效、更经济的优化方案。

1 工程概况

杨梅洲大桥位于湖南省湘潭市境内，连接湘潭市内雨湖区和岳塘区，是跨越湘江的重要过江桥梁。桥梁全长2129.04 m，两岸设置两座半苜蓿叶形互通立交，主跨采用658 m双塔双索面混合梁斜拉桥，河西侧22#索塔总高度181 m，河东侧23#索塔总高度181.68 m，承台为直径36 m、厚8 m的圆形结构，基础为24根直径3 m的钻孔灌注桩，桩长为30～60 m。(见图1)

图1 杨梅洲大桥总体布置图

桥址处湘江两岸有两条沿江发育的断裂带，根据《湖南湘潭市供水水文地质详查报告》，河西侧白垩系上统灰质砾岩中溶洞可见率为75%，在垂直方向呈串珠式分布，水平方向分布无规律。溶洞填充物主要为可塑—软塑状黏性土、水、砂、碎石及风化岩块等，且填充物多呈稍密状。

2 平台搭设

河西22#索塔位于水陆交界处，为满足桩基和承台施工需要，设计直径40 m锁口钢管桩围堰，围堰顶标高+36.0 m，底标高+10.0 m，设置三道内支撑，详见图2。围堰结构通过验算并满足规范要求。

图2 河西22#索塔锁口钢管桩围堰

根据现场水陆区位将钢管桩分为水上打桩区和陆上打桩区两个区域。水上采用100 t起重船配合APE200--6振动锤顺圆弧单向打设，陆上采用120 t履带吊配合APE200--6振动锤沿圆弧对向打设，最后十根桩根据桩位偏差及时纠偏，保证钢管桩顺利闭合。同时为保证闭合质量，在合拢桩位置施作两排直径800 mm高压旋喷桩，桩中心间距600 mm，桩顶标高+33.0 m，桩底标高+10.0 m，共计19根。钢管桩锁口采用高压水枪清管，高流动低强度砂浆止水。然后安装围堰内第一道双拼H400围檩并抽水回填。围堰内侧下部回填黏土，上部2 m范围内回填砖渣或砂砾石;围堰外侧填筑砖渣或砂砾石至+27.0 m，不填筑黏土防止浸水下沉。至此，完成施工平台锁口钢管桩围堰搭设。

3 施工顺序

22#索塔基础为24根直径3 m钻孔灌注桩，施工平台为直径40 m锁口钢管桩围堰，如何在有限作业面内合理组织施工、减少设备周转是决定桩基施工工效的关键。经分析，影响桩基施工效率的主要因素包括：

(1)相邻桩基施工净距尽可能保持5 m以上;

(2)预留桩机排架作业空间;

(3)根据土层参数和溶洞分布情况预估成桩时间;

(4)规划黄土、片石、护筒、钢筋笼等材料运输通道;

(5)优化泥浆池布置。

综合考虑上述因素，围堰内计划安排四台钻机同时施工，施工顺序见图3。

图3 22#索塔钻孔灌注桩施工顺序

4 成桩技术

22#索塔场地土层从上到下分别为杂填土、粉砂、圆砾、粉质黏土、灰质砾岩，见图2。根据24根桩的逐桩钻孔数据，其溶洞可见率为62.5%，垂直方向呈串珠状分布，埋深18.0～58.1 m，高度0.8～10.8 m。此外，22#索塔位于水陆交界处，原地势为陡坡，基岩面起伏大，高程+11.74～-18.37 m。

为达到安全、经济、高效的目的，钻孔灌注桩施工工艺为：围堰搭设→地基处理→测量放样→振沉外护筒至原泥面1 m→旋挖钻就位→钻至粉质黏土层2 m→下放内护筒→冲击钻就位→正常钻进至溶洞顶板以上2 m→小冲程钻进至溶洞→回填黄土、片石并补浆→小冲程挤密溶洞→正常钻进→重述上述操作至桩底标高→一清并下放钢筋笼→二清并浇筑混凝土→成桩。

4.1 地基处理

钻孔采用XR60D旋挖钻和CZL--16冲击钻，即旋挖钻施工至粉质黏土层2 m后改换冲击钻继续钻进至设计标高，目的是降低四台冲击钻同步施工对围堰结构的冲击。此外，该组合钻孔技术可以显著加快施工进度、缩短工期。由于XR60D旋挖钻整机质量150 t，为满足地基承载力的要求，围堰内局部施作直径500 mm水泥搅拌桩，桩底深入原泥面不少于0.5 m，其平面布置见图4。

图4 围堰内水泥搅拌桩加固平面布置图

4.2 护筒沉放

外护筒直径3.4 m，采用免共振DZP150振动锤下沉至原泥面1 m，以减少护筒振沉对围堰结构的影响。内护筒直径3.2 m，采用XR60D旋挖钻先期钻孔至稳定粉质黏土层2 m，泥浆护壁(泥浆池选用临近外护筒)，再辅以80 t履带吊或100 t起重船完成内护筒下放。(见图5、图6)

图5 外护筒沉放

图6 内护筒沉放

4.3 钻孔成孔

围堰内基岩面起伏大，钻孔过程中当冲击钻钢丝绳出现明显的左右摇摆，表明遇到斜面岩或垂直半面岩，应及时回填黄土、片石(以片石为主，直径15～30 cm)，并用钻头反复打密，一边挤石造壁，一边削除岩面，直到全部钻进基岩层。继续钻进至溶洞顶板以上2 m，此时冲击钻应轻锤慢打严格控制冲程与进尺，一般要求冲程在50 cm左右，以达到孔壁圆滑坚固的效果。

当击穿溶洞发生严重漏浆时，应即刻抛填黄土、片石(以黄土为主)充塞溶洞空隙，并迅速补灌优质泥浆(1.3～1.5)。待泥浆液面稳定且不再下降后，继续短冲程挤密钻进。因溶洞呈串珠式发育，故重复上述操作直至设计标高。串珠式溶洞的传统处理方式为多层护筒跟进，即在钻进过程中下放多层不同直径的钢护筒，防止溶洞漏浆引发的塌孔事故。而本工程采用单层护筒下放至稳定粉质黏土层2 m，主要预防粉砂层漏浆塌孔。考虑溶洞埋深和桩基孔径较大，孔内泥浆充足且溶洞孔壁挤密良好，所以只要及时补浆，下层土质发生塌孔的可能性很小。因此，施工中采用单层护筒而非多层护筒，此方案在保证安全的前提下显著减少施工措施费，例如本工程22#索塔灌注桩施工节省钢材约1300多吨，经济效益约950万元。

4.4 混凝土浇筑

成孔后采用外径大于钢筋笼直径5 cm，长度为孔径5倍的探笼(检孔器)进行检孔，以探笼能上下顺利通过为准，若孔斜严重应抛填黄土、片石重新钻进。清孔采用泥浆分离器，确保含砂率≤2%，泥浆比重1.15(防止溶洞新造壁塌孔)。用测锤法检查沉渣厚度，符合要求后安装钢筋笼，进行第二次清孔。桩基水下混凝土浇筑应满足首灌量要求，工程中采用3 m3料斗连续不间断浇筑，导管埋深控制在2～6 m，末批混凝土浇筑面应高于桩顶标高1 m。至此，完成岩溶地质的钻孔灌注桩施工。

5 总结

湘潭杨梅洲大桥22#索塔位于水陆交界处且溶洞地质发育，为保证桩基施工的安全、经济、高效，本文详细论述了锁口钢管桩围堰的结构参数和搭设方法，群桩基础施工的影响因素和优化顺序，以及溶洞发育条件下钻孔灌注桩施工的技术要点。特别是旋挖钻与冲击钻的组合钻孔技术，不仅可以保证围堰结构安全还可以大幅提高施工效率，此外溶洞地质钻孔采用单层护筒下放至稳定粉质黏土层而非多护筒层层下放至桩底标高可以显著降低施工成本、提高作业效率。因此，论文研究成果对于类似工程施工有重要的借鉴参考意义。