岩溶地区钻孔灌注桩施工技术研究

李贵，张健

（中国建筑第七工程局有限公司，郑州450000）

1 工程概况

鄂州市凤凰大桥桥长1 026.2m，桥宽27m，主桥为40m+3×60m+40m 连续箱梁，两侧引桥采用20m 跨径空心板简支结构。桥梁基础采用端承桩，全桥共有240 根桩基，直径分为1.2m、1.5m、1.8m 3 种，一般桩长约30m，最大桩长54m。

桥位区地貌属洋澜湖湖区，水深0.5～3.5m，场地所在区域的下伏基岩为三叠系（T）大冶群的灰岩，属于可溶性岩，区域岩溶发育。

根据地勘钻探芯样，桥位区域溶洞发育，地质情况较为复杂，溶洞率达到90%。灰岩层中主要存在裂隙、破碎体、串珠式多层溶洞，最大溶洞竖向高度达15.2m，多层溶洞累计层厚达39.9m。

2 桩基成桩方案分析

2.1 岩溶地质对成桩的影响分析

2.1.1 岩体破碎、裂隙发育对成桩影响

岩体破碎、裂隙发育在钻孔过程中主要会造成漏浆，少量的漏浆通过及时补浆，调整泥浆比重可以得到解决；严重漏浆会导致泥浆面迅速下降，很有可能导致护壁垮塌。在灌注混凝土的过程中，由于混凝土比重较大，灌注达到一定高度后底部压强过大会冲破护壁，导致混凝土沿裂隙流失。

2.1.2 岩面不平整对成桩影响

造成岩面不平整的原因主要为溶洞底板岩面倾斜、探头石凸起过高造成的岩面不平、基岩表面差异化风化造成岩面不平等。岩面不平整会造成钻头或冲锥移位，特别会造成冲锥的冲击能大量损失，从而发生偏空、扩孔、钻进无力、卡钻等成孔问题。

2.1.3 溶洞对成桩影响

岩溶发育区溶洞存在多层溶洞、区域溶洞密集、区域内各个溶洞之间窜通情况，溶洞内的填充情况也很复杂。在成孔过程中一旦击穿溶洞，很有可能发生漏浆塌孔问题，甚至会发生地表局部塌陷风险。此外，击穿溶洞顶板的过程中存在较大的卡钻风险。在灌注混凝土的过程中存在混凝土冲破护壁流入溶洞大量流失的风险，在规模较大的溶洞地质条件下甚至出现无法灌注成桩的问题。

2.2 成孔方案选择

岩溶地区地质及水文地质构造复杂，风险相对较大。因此，选择成孔方案时，应结合场地条件和设计要求，慎重保守确定。

常用的成孔工艺有螺旋钻机成孔、冲击钻成孔等。对于地层中由于土石粒径较大、风化程度不是很严重的岩土体或基岩组成，并且地下水很丰富时，优先采用冲击钻。该工程桩基设计为端承桩，需嵌入稳定基岩层，而场地区域内基岩为硬度较大的灰岩且位于湖区，综合比较，采用冲击钻成孔为最优方案。

3 成桩措施

3.1 预注浆法

对于岩溶地区，一般会对桩位处地质条件采用“一桩多孔”的详勘措施进行确认，勘察工作结束后，利用地勘钻探孔位，在有裂隙和溶洞的孔位安装压浆管道，压注水泥浆进行预处理。

主要原理为：将水泥浆以高压形式通过导管注入裂隙、空洞或溶洞充填物中，使浆液填充裂隙、空洞或与充填物混合，并在溶洞裂隙中固结成整体，如图2 所示。

注浆水泥采用普通硅酸盐水泥，水灰比控制在约1∶1；若添加水玻璃，控制水泥∶水玻璃∶水=5∶9∶10。注浆预处理可以有效减轻岩溶地区桩基成孔、灌注过程处理难度，减小施工成孔过程中漏浆、塌孔等现象的发生概率，并减少灌注过程中的混凝土流失[1]。

图2 预注浆示意图

3.2 回填造壁法

钻穿溶洞漏浆时，反复投入黏土和块石，利用钻头冲击将黏土和块石挤入溶洞和岩溶裂隙内，还可以掺加水泥、烧碱和锯末，以增加孔壁的自稳能力。

掺加比例：正常情况采用黏土掺加块石，黏土、块石比例1∶3；当掺加水泥时，每立方米回填料掺加200kg 水泥。

掺加方法：块石直接投放，石块粒径15～30cm。水泥掺入黏土后装袋投放。块石、黏土袋采用分层投放，每层控制在约50cm，回填高度至溶洞顶板以上1～2m，重新进行冲孔作业。再次冲孔采用小冲程通过溶洞，让钻锤击碎块石和黏土并挤入到溶洞内壁发挥保护作用（见图3）。钻孔通过溶洞段后方可加大冲程按照常规方式进行钻进。若出现漏浆，则继续少量多次投入块石、黏土，直至漏浆现象全部消失。如此反复，直至钻孔顺利穿过溶洞。

适用范围：适用于冲孔过程中漏浆，存在溶洞或裂隙情况。施工方法简单，造价较低。

图3 回填造壁法示意图

3.3 内套护筒法

对于溶洞高度大于3m 的情况，可采用内套钢护筒穿越处理，其原理如图4 所示。其主要目的为解决溶洞、裂隙条件下，前期冲孔时回填造壁形成的护壁不稳定，灌注混凝土过程中压力过大，造成护壁击穿的问题。护筒跟进可以保证桩基混凝土灌注时不发生流失，避免断桩、超方、塌孔等病害的发生概率。

桩基施工前，应根据地勘钻孔勘测结果查明溶洞大小、层数、位置。桩基成孔到设计标高后，按桩径选取相应护筒分节沉入桩孔底部，一般护筒选择内径与桩径相同的护筒。护筒下沉时使用导向架。护筒沉入完毕后，进行清孔下放钢筋笼，再次清孔后灌注混凝土成桩。该方法适用于溶洞较大，或者多层溶洞等漏浆严重容易塌孔的桩位，但工序较复杂，费用较高。

图4 内套护筒法示意图

3.4 多层护筒跟进法

多层护筒跟进法与内套护筒法类似，其区别在于多层护筒跟进需根据地质条件多次分级打入护筒，辅助穿过溶洞区间。该方法钢护筒下沉难度大，护筒需进行加强，并采用大功率打桩锤下沉护筒，否则无法达到要求。对于个别较大的大溶洞，特别是多层溶洞，洞高较大时，可以采用多层护筒跟进的施工方案，但其经济性较差，打设施工难度大，时间长。

3.5 灌注低标号混凝土法

对于较大的溶洞，采用回填块石+黏土形式难以成孔，钢护筒跟进法无法将护筒打入，可采用低标号混凝土回填。此外，穿过溶洞漏浆或遇到较为倾斜的岩面造成斜孔时，也可以填筑低标号混凝土，间隔一定时间后冲击成孔。混凝土标号根据基岩强度确定，可在混凝土中添加一定的早强剂。施工中采用导管灌注混凝土至洞顶以上约1m，混凝土达到一定强度后方可进行冲孔施工。对于倾斜岩面，为校正孔位，回填混凝土与斜岩面顶齐平即可。该方法施工方法简单，造价相对较高。优势在于，其在漏浆比较严重的桩位，能迅速对裂隙和溶洞进行封堵，但对于大型溶洞，或者串联式溶洞时，造价会很高。

3.6 高压旋喷注浆法

该处理方法是采用高压旋喷桩，对桩基周围一定范围进行填充加固处理。其优点为：（1）充填、渗透固结作用。高压水泥浆渗入破碎层形成更大范围固结体。（2）压密作用。高压喷射流可以切割破碎土层。对于溶洞中的黏土、破碎岩体等，浆液通过劈裂、挤密作用加固岩土体。（3）加固范围内，材料的利用率较高，浆体的结石率高。

4 效果评价

通过现场施工效果反映，预注浆处理可以有效减轻不良地质对成桩的影响，是处理溶洞裂隙对桩基成孔影响的有效措施，实际运用时结合地勘超前钻，在有裂隙、溶洞发育的桩位处尽可能采用该方法预先处理。

回填造壁法是溶洞、裂隙处理桩基施工最直接、最有效、最经济的措施，运用该方法进行处理可解决漏浆、塌孔等病害。

内套护筒法在溶洞、裂隙发育的地质情况下，可以保证桩基成桩。但是施工难度大，经济性较差，仅在地质条件较为恶劣情况下使用。多层护筒跟进法作为备选方案，在本工程未使用，其辅助成孔效果较好，但工期和经济投入会相对更大。

灌注低标号混凝土法对成孔过程中漏浆、塌孔、偏孔问题的处理是有效可靠的，经济性较差，该方法通常在地质情况非常差，其他方法无法成功处理的情况下实施。

高压旋喷处理法不仅可以结合预注浆法进行钻孔预处理，还可以在成桩后通过对桩基周围一定区域内进行地基加固处理，填塞封堵裂隙，从而减缓溶洞发育，提高主体结构耐久性和安全性。但造价较高，推荐作为后期桩基加固处理时使用。