深水、裸岩、溶洞复杂地区桩基施工工艺

朱汝振

摘要：深水、裸岩、溶洞地区桩基施工具有鲜明的特点，施工难度大，代表性强。文章结合左江大桥桩基施工案例，针对地质水文条件复杂地区的钻孔灌注桩无法采用常规的泥浆循环钻进等施工工艺，提出了捞渣工艺钻进施工方法，并对采用护筒跟进和下放多层内护筒处理裸岩、溶洞、塌孔埋锤等突发状况进行了探讨，分析了这类特殊复杂地质桩基施工常见事故出现的原因及处置方法，可为相关施工提供参考。

关键词：深水、裸岩、溶洞;捞渣工艺;桩基施工;内护筒

0 引言

崇水西环线左江大桥桩基施工水深超过20m，裸岩容易导致护筒底口泥浆及灌孔过程中混凝土泄露，而多层溶洞、流沙、暗河、暗沟则给施工造成埋锤、卡锤、串孔等各种困难，但经过不断摸索，最终桩基施工全部顺利完成。本文通过崇水西环项目左江大桥桩基施工来探讨此类基础施工的工艺和常见问题的处理方式方法。

1 工程概况及难点分析

1.1 工程简介

崇左西左江大桥位于广西崇左市宁明县亭亮乡，为崇左至水口高速公路的组成部分。大桥长度为389.04m，距离下游左江电站约1.25km，属于左江水利枢纽库区范围。主桥为（77+145+77）m预应力混凝土连续刚构形式，下构主墩为钢筋混凝土实心墩，主墩4#墩和5#墩基础为钻孔灌注桩，两个主墩基础分别采用18根1.8m的钻孔灌注桩基础，主墩桩基共36根。

1.2 地质水文条件

根据地勘资料，桩位处为全溶洞覆盖，地质复杂，桥位区属剥蚀溶蚀准平原地貌，地层主要为第四系冲洪积层，为淤泥、粉质黏土、卵石、中风化白云质灰岩、中风化碎裂状白云质灰岩、中风化构造角砾岩、微风化白云质灰岩、微风化碎裂状白云质灰岩。

其中，4#墩河床标高为87.5m左右，覆盖层为2～8m的卵石层，并伴随着石笋石芽;5#墩河床为裸露的斜坡岩。为了保证后期钢围堰能顺利下放到位，已经将河床采用水下爆破炸平至封底混凝土标高87.0m左右。下游左江电站正常蓄水位为108.0m，死水位为106.3m。根据水库调度运行方式，枯水期（11月初至次年4月末）水库维持在正常蓄水位108.0m运行。汛期当水库入库流量接近3000m3/s时，枢纽所有10扇闸门全部打开，排泄洪峰流量，电站停止发电，坝前水位最低降至106.30m;入库流量>3000m3/s时，所有闸门全开，按泄流曲线泄洪。近十年最大水流流速为2.09m/s，并从上游伴随着漂流物，对栈桥和施工平台有一定的冲击力。

1.3 工程难点分析

（1）水深20m，栈桥平台离水面6m，钢护筒下放过程中悬空26m，钢护筒垂直度难以控制，容易偏位。

（2）主桥桩基地质100%溶洞发育，桩基施工需要打穿多层溶洞，溶洞内有卵石等填充物，个别桩基还需穿透流沙层，容易造成埋锤。同时，还存在暗河、暗沟、造成串孔。

（3）4#墩有2～8m的卵石层覆盖层，护筒无法跟进，经常发生卵石层塌孔埋锤;5#墩桩基无覆盖层为裸岩，钻孔过程中钢护筒底口容易漏浆，灌孔过程中护筒底口容易泄露混凝土，造成灌孔失败。

2 施工工艺

2.1 护筒下放

护筒单根长7.5m，直径为210cm，壁厚为14mm，通过逐节焊接加长进行护筒下放。

因水深20m，钻孔平台至河床26m，护筒下放容易偏位，护筒倾斜度1%，则偏位超过26cm，再加上焊接变形和累计误差以及水流的冲击影响，护筒偏位将会更大。而护筒外壁与承台边及围堰内壁的净距仅为45cm，护筒下放定位精确度不够则容易造成偏出承台外，导致钢围堰将无法下放。

护筒下放过程中在水面上和钻孔平台之间架设5.5m高的导向架作为定位工具，为避免误差，保证钢护筒能下放又不影响下放精度，导向架空间预留4cm空隙，净距为214cm。同时，在下放过程中采用全站仪全程监控垂直度。为了避免累计误差和水流冲击的影响，测量放样定位护筒中心点时，在规范容许范围内往上游侧和承台内侧分别挪5cm。护筒下放到位后，用90kW振桩锤进行振动下沉至无法再下沉为止，再检测垂直度。护筒的垂直度检测方式若采用超声波检测仪检测则非常精确，能确保万无一失，但是不经济。经过研究，最终采用冲击钻直径180cm锤头定位，从护筒中心点垂直缓慢下放的方式。若锤头不碰触护筒壁，则护筒偏位在容许范围内;若偏位过大，则会造成卡锤，需要返工重新处理。通过以上方法控制护筒下放精度，两个主墩护筒下放均满足要求。

2.2 钻孔施工工艺探索

钻孔施工过程中，因无相关经验可以参考，首先采用常规的泥浆循环出渣的工艺，失败后将护筒孔内泥浆水头高度降至与江面水平面一致，采用正循环出渣的方式但依然不行，最后采用护筒跟进和在护筒底口处引孔2m，再浇筑混凝土，待达到一定强度后，重新冲孔造浆以泥浆循环的方式进行钻孔施工，却依然未取得成功。最终经过摸索采用捞渣工艺施工取得成功。

2.2.1 常规的泥浆循环施工工艺

常规的泥浆循环工艺跟陆地桩基施工类似，采用红土根据一定的配合比造浆后，将孔内泥浆水头高度引至钻孔平台，并利用旁边钢护筒作为泥浆循环池和沉淀池正循环出渣，泥浆又从循环池流回孔内，补充泥浆循环出渣。

当钻孔至护筒底口位置时，因护筒内泥浆比重大，水头压力大，且护筒底口为裸岩或卵石层，没有较深的淤泥粉质黏土覆盖，导致护筒内泥浆从护筒底口突然泄露，泥浆水头高度降至比江水面标高低4m才达到平衡，无法通过泥浆循环钻进施工。

2.2.2 降低护筒内水头高度泥浆循环施工工艺

常规的泥浆循环正循环出渣钻孔工艺失败后，分析原因是因为护筒內泥浆水头高，压力大于江水压力导致护筒底口泄露，遂将护筒内泥浆由钻孔平台高度下降6m至和江水面平齐，减小护筒底口压力，泥浆循环利用泥浆泵从孔内抽至隔壁护筒循环池，泥浆又从循环池流回孔内，补充泥浆达到循环出渣的目的。

当钻孔至护筒底口时，同样出现泥浆突然泄露的状况，泥浆水头高度降至比江水面标高低4m才达到平衡，主要原因是泥浆比重比水要大，孔内压力仍然大于孔外，且采用泥浆泵抽泥浆出渣的方式工效非常低，不方便操作。

2.2.3 护筒跟进和护筒底口封堵泥浆循环施工工艺

通过护筒底口的封堵，让其能承受孔内压力不泄露，再采用泥浆正循环出渣。护筒底口的封堵方式为用直径205cm的锤头钻孔至护筒底口以下2m，再进行护筒跟进，因护筒垂直度精度不高和底口裸岩或卵石，一般跟进效果不是很好。跟进完成后，再冲孔至护筒底口2m处，抛入红土和袋装水泥4m高，用锤头捣碎，或直接浇筑C30混凝土4m高，24～48h后，再进行冲孔，但依然有护筒底口泄露现象，无法封堵严实。

2.2.4 捞渣施工工艺

通过多种方案的尝试，最终摸索出捞渣施工工艺，成功高效完成桩基施工。

2.3 捞渣施工工艺

2.3.1 捞渣施工工艺简介

捞渣施工是不通过泥浆循环出渣，而是通过红土造浆后，冲孔1m左右，使钻渣悬浮于孔内，再利用吊车起吊捞渣桶直到孔内捞出钻渣的一种工艺。此工艺高效快捷，简单实用，成功解决了护筒底口泥浆泄露的问题。

2.3.2 捞渣施工工艺流程

护筒下放→钻机就位并校准对中→孔内造浆→直径205cm的锤头冲孔2m并捞渣→护筒跟进→浇筑4m高C30混凝土→等强→钻进1m→捞渣→加红土造浆→钻进捞渣至终孔→下放钢筋笼→下放导管→灌注混凝土。

2.3.3 捞渣桶的设计

捞渣桶采用直径82cm，高15m的钢护筒加工而成，底口钢板采用合页型设计。放入孔内时，底口钢板打开，沉入孔底，往上提时，合页封闭，装满钻渣提出泥浆面时，桶内泥浆流出，剩余钻渣留在桶内，将钻渣倒出孔外指定位置后，再反复进行捞渣，捞干净后继续冲孔施工。

2.3.4 捞渣工艺工效

桥位处均为凝灰岩，强度为50MPa左右，钻孔1m需要10h左右，钻孔1m后必须将悬浮的钻渣捞出，否则每次锤头冲击的都是钻渣，直至将钻渣冲碎而不能进尺。捞渣1m的时间为1h左右，24h钻孔施工，白天晚上均需捞一次，每天进尺能保证2m左右，工效和常规的泥浆循环出渣相差无几。

2.3.5 清孔

捞渣工艺清孔是一大难题，若处理不好，清孔不干净，孔底沉渣过厚，容易造成质量事故。因捞渣清孔过程中，悬浮的钻渣不断地落入孔底，造成不断清孔但清不干净的情况。随着捞渣的时间过长，孔内泥浆稠度不断稀释，钻渣不易悬浮，若加红土造浆容易加入更多的沉渣，有时清孔长达10h依然不能清干净。

经研究摸索，最终采用二次捞渣清孔工艺成功解决此类问题。初次捞渣清孔后，依然在孔内有部分悬浮的钻渣未完全沉入孔底，此时在孔内丢入若干包袋装水泥，用锤头捣碎后静置，数小时后钻渣完全沉入孔底并悬浮，再进行二次捞渣清孔，即可清理干净。

2.3.6 混凝土灌注

清孔干净后迅速下放钢筋笼和导管，检验合格后迅速灌注混凝土。混凝土灌注施工工艺和常规的施工工艺基本类似，但护筒底口若因石笋石芽未封闭严实，容易造成混凝土泄露而灌注不成功。为了确保混凝土灌注成功，护筒必须尽量跟进，再用直径205cm的锤头冲孔2m后，灌注4m高C30混凝土，待强度达到一定程度后再进行钻进，尽可能地对护筒底口进行封堵，防止灌孔失败。

2.3.7 捞渣工艺注意事项

（1）捞渣工艺不需要泥浆循环，也不要求孔内的水头高度，往往造成为图方便不造浆而采用清水捞渣。清水捞渣对于地质良好的地区可以采用，而本桥位处全溶洞覆盖区域，溶隙裂隙发育，每次捞完渣后，必须加红土和片石对已发现的溶洞进行封堵。而没有发现溶洞的位置，同样需要造浆钻进，因为溶隙裂隙未封堵严实，混凝土灌注后，地下水将顺着溶隙裂隙冲刷桩身，造成质量事故。

（2）在清孔过程中，如捞渣发现孔内水位不下降，说明护筒底口在河床处与外界是相通的，灌孔过程中存在混凝土泄露灌不起来的风险，需要再次对护筒底口进行封堵处理。

3 常见事故及处理

3.1 卵石层、溶洞填充物、流沙埋锤、卡锤

（1）原因分析：4#墩河床为2～8m的卵石层，且卵石层下面的河床存在大量的石芽和石笋，4#墩桩基施工过程中，因护筒无法跟进穿透卵石层，经常出现卵石层塌孔的现象，而且一次塌孔能埋孔7～10m，造成埋锤，而且捞锤非常困难，严重影响工期。

部分桩基需要穿透多层溶洞和流沙层，溶洞内填充物多为卵石和凝灰岩，经常突然塌入孔底埋锤或卡锤。

（2）处理方式：一般埋锤埋深较大，常规的处理方式难以将锤头捞出。经过反复试验，最终通过18m3空压机连通导管底口插入孔底，采用气举反循环抽渣工艺捞锤，取得成功。右4aG4桩，2018-04-04塌孔埋锤，尝试多种方式捞锤未果，最终采用气举反循环捞锤方式于2018-04-29捞出，历时25d。

卡锤一般是在溶洞处，因孔位不垂直或落锤冲击时锤头偏进溶洞，导致卡住拉不起来。处理的方式是两台钻机同步去提，同时用炸药或雷管进行水下爆破让锤头松动并提出。左4aG1桩2018-04-13凌晨4：00卡锤，采用土炸药处理无效后，采用两台钻机提锤，并用雷管爆炸数次后，17：00终于提出。此方法的缺陷是因炸药爆炸的震动容易导致其他孔坍塌。

3.2 暗流、暗河导致串孔

（1）原因分析：桩位区域全溶洞覆盖，底下暗流、暗河遍布，部分桩基在钻孔过程中发现两个孔内水位同时升降变化。部分桩基在灌孔过程中发现混凝土面始终不上升，最后发现混凝土串入其他孔内。

（2）处理方式：在钻孔过程中发现已经串孔的桩基时，需保持两根桩基进度同步，分别下放导管同时灌注，同时开盘浇筑首盘混凝土，灌注速度也必须同步，避免串孔的孔道内泥块被挤入到另外一个桩基混凝土内。在灌孔过程中发现灌注不起来，混凝土串至其他孔内的情况，唯一的办法只有迅速將相邻已串的孔位回填，确保正在灌注的桩基能成功。

3.3 灌孔过程中混凝土突然坍塌下沉

（1）原因分析：部分溶洞在钻孔过程中采用红土加片石封堵，但混凝土容重比泥浆大很多，在桩基灌孔过程中，随着混凝土灌注的高度增加而对孔内四周压力增大，最终导致溶洞被压穿，混凝土突然泄露导致孔内混凝土面急剧下降。

（2）处理方式：在钻孔过程中发现溶洞后详细做好记录并认真封堵到位，灌孔过程中导管埋深尽量控制在8～10m，对混凝土性能进行优化，确保埋管足够深且能灌注下去。灌注完成后超灌高度尽量留高。左4aG2桩基2018-07-13晚灌注接近尾声时，突然混凝土将溶洞压穿，混凝土泄露严重，用测绳測得混凝土面下降10m左右，而且还在不断下降，所幸导管埋深13m，未脱空，否则将断桩，在抓紧跟料灌注后，最终在天亮时将孔灌注完成。

3.4 护筒底口混凝土泄露

（1）原因分析：护筒底口落在石笋石芽上，底口空隙较大，钻孔过程中护筒无法跟进穿透，护筒底口未封堵严实，灌孔过程中混凝土从护筒底口泄露而导致桩基灌注失败。

（2）处理方式：护筒底口在钻孔过程中进行封堵严实，提前预防。在捞渣清孔过程中可查看孔内水位是否下降来检验护筒底口是否泄露。

3.5 内护筒的成功应用

采用下放内护筒的工艺，可以成功解决以上所有困难。对于护筒底口卵石层塌孔、溶洞填充物塌孔、流沙、暗河、暗沟、护筒底口封堵不严实等问题，均可以采用直径190cm锤头冲孔到位后，下放壁厚为6mm，直径为190cm的内护筒，长度根据需要封堵的高度而定。内护筒顶口焊接吊筋用履带吊缓慢下放到位，将吊筋焊接在外护筒上固定，利用内护筒堵住护筒底口的卵石层、溶洞、暗河等，防止再塌孔，然后用180cm锤头继续冲孔。部分桩基同时遇到护筒底口卵石塌孔、多层溶洞或串孔问题，则需要下放多层内护筒进行封堵。

4 结语

针对崇水西环项目左江大桥桩基的特点，摸索出的捞渣施工工艺经济适用，工效高，简单易操作，能成功地解决深水、裸岩、溶洞地区等复杂地质水文条件的桩基施工问题。同时，桩基施工中常见的问题和处理方法，尤其是内护筒的应用，为后续类似桥梁施工提供了思路和相关经验，具有一定借鉴和指导价值。

参考文献：

[1]JTG/TF50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2]广西交通规划勘察设计研究院有限公司.工程地质勘察报告[R].2017.