内陆河道岩溶发育地区深水钻孔桩基础施工解决办法

2021-08-12安徽省高等级公路工程监理有限公司赵忠海

交通建设与管理 2021年3期

文／安徽省高等级公路工程监理有限公司赵忠海

1 工程概况

本项目主桥采用四塔五跨矮塔斜拉桥，桥跨布置为（122.42+230+230+206+104.42）m，主桥长892.84m，中间两个墩采用墩、塔、梁固结—刚构体系。边上两个墩设置支座，塔梁固结。主桥下构12~13号主墩为刚构墩。主墩下接承台，承台采用六边形承台，承台下设15根φ2.5m群桩基础，布置3排，每排5根。主桥上构主梁为混凝土变截面箱梁，采用整幅式斜腹板单箱三室截面。

2 项目的地质条件、水文条件

2.1 地质条件

受区域性断层影响，场地次生构造发育，据钻探工作成果显示，湘江河道中存在多条北东向展布的断裂穿越大桥线位，沿断裂构造岩体破碎，岩溶发育，断层带中碎裂岩、糜棱岩、构造角岩及断层泥普遍发育，沿断裂及次生构造岩溶明显，形成溶槽、溶沟、溶洞等岩溶地貌，对工程影响较大。

2.2 水文条件

项目走廊带内地表水系较发育，较大的常年性地表水体主要有湘江、禄水、铁河等河流。区内地下水类型主要为：上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、基岩类裂隙水及碳酸盐岩类岩溶裂隙水三大类型。一般每年 4～8月为汛期，10月至次年的2月为枯季。水位涨落主要受大气降水、上游来水和潮水影响，在汛期及大潮期水位较高，在枯水期水位较低。

3 本项目桩基施工特点

3.1 复杂地质构造技术难度大

本项目钻孔施工难度大，钻孔桩易出现斜孔、塌孔、断桩、缩径、掉钻等现象。由于桩基是后续工程施工的制约因素，必须在短时间内完成，工期比较紧张。桥位因地质复杂，前期勘察时主桥和引桥孔内共存在49项钻孔遗留物，对施工进度与设备安全影响巨大。

3.2 水上作业安全风险大

株洲湘江特大桥跨越湘江河道，施工最大水深达26m，流速1.9m/s，河床卵石层厚度达10～20m，常规振动锤振打护筒难以到岩，栈桥及钢平台稳固难度大，一旦打穿溶洞，将引发护筒下口塌陷，诱发平台悬空等一系列地质灾害。

4 桩基施工方法

根据《桥梁工程地质勘察报告》说明中结论与建议：施工时注意突然漏浆致使埋钻事故；桩基施工中也易形成掉块及坑壁坍塌，尤其是溶沟充填物易突入孔内，造成孔内事故，应加强护壁；施工时注意地下水的承压性，防止出现涌水、突泥、涌砂、地面塌陷等事故，同时应注意钻孔遗留物。鉴于场地岩溶发育状况，建议对主墩全程采用先注浆再成桩的施工工艺，对引桥成桩困难的墩位可采用先注浆后成桩的施工工艺，施工前需进行专项论证。

（1）鉴于复杂的地质条件，因前期地质勘探遗留大量钻杆、套管等，如采用回旋钻，钻孔遗留物对牙轮磨损较大，引发成本激增。

（2）株洲湘江特大桥项目具有较多、各种尺寸溶沟溶洞，如采用回旋钻，容易卡钻头，引发钻孔事故。

（3）两种钻孔方式成孔机理不同：回旋钻成孔属于掏空地层，依靠泥浆形成的泥壁，水头差来稳固孔壁，冲孔钻依靠对土层高频冲击，挤压至两侧，形成致密的孔壁，如果破开溶洞的瞬间形成水头差，突泥、涌砂将会导致孔壁坍塌事故。基于冲击反循环工艺成本低，能更好适用于本项目施工条件，因此桩基拟采用冲击反循环成孔工艺。

表1 主要设备技术性能参数

5 护筒施工方案

因无法用振动锤一次性将外护筒穿透10米厚覆盖层，使护筒底嵌入岩面。如果其后用泥浆钻钻进，破开溶洞的瞬间会形成水头差，突泥、涌砂将导致孔壁坍塌，造成事故。而平台和栈桥因同样原因未能着岩，次生事故有可能导致平台垮塌，在平台上工作的设备人员风险巨大。故采用3.1m外护筒，2.8m钻头引孔后，跟进2.8m第一层内护筒入岩，2.7m钻头穿透溶洞后采用2.7m二层内护筒跟进，桩周用注浆处理和挤石造壁的全泥浆钻进工艺。

6 泥浆制备及循环

泥浆站由制浆系统、泥浆池、泥浆净化器、膨润土仓库组成，其中泥浆池分为新浆池、膨化池、回浆池和净浆池等，所有泥浆池均由钢制组合式泥浆箱组成。封闭式泥浆循环系统由泥浆泵、钢护筒、泥浆净化器、泥浆箱、排渣桶等组成。泥浆由钻孔内泥浆泵循环排除，经过泥浆净化分离器净化后，进入泥浆箱内临时存储，然后利用泥浆泵循环至桩孔底。

7 钻井施工

（1）在埋好护筒和备足护壁泥浆泥土后，将钻机定位，立好钻架，对准桩孔中心，就可以冲击钻进。

（2）开始时，先在孔内灌注泥浆，如孔内有水，可以直接投入粘土，用冲击钻以小冲程反复冲击造浆、开孔，并应使初成孔的孔壁坚实、圆顺，能起到导向的作用。待钻进深度超过钻头全高加冲程后，方可进行正常的冲击。冲击钻进过程中，应采取有效措施防止坍孔;掏取钻渣和停钻时，应及时向孔内补浆，在整个冲击过程中，始终保持孔内水位高度出地下水位1.5m～2.0m，在钻孔排渣、提钻头除土或因故停钻时，应保持孔内具有规定的水位及要求的泥浆相对密度和黏度。处理孔内事故或因故停钻时，必须将钻头提出孔外。

（3）在护筒中及其刃脚下3.0m以内用低冲程1.0左右、浓泥浆、高频率反复冲砸，使孔壁坚实、不塌、不漏；在砂卵石等松散层冲击时，可按1:1投入粘土和小片石（直径不大于15cm），用冲击钻小冲程反复冲击，使泥膏、片石挤入孔壁；在岩溶易塌孔或不完整岩层时，用低、中冲程1～2m，勤加粘土和片石、浓泥浆使孔壁坚实；遇有流沙现象时候，加大粘土，减少片石的比例，使用小冲程、高频率，力求孔壁坚实；在基岩层时，用高冲程3～4m，适量加入粘土。

（4）注意均匀的放松钢丝绳的长度，一般在松软土层，每次可松绳5cm～8cm；在密实坚硬的土层，每次松绳3cm～5cm。注意防止松绳过少，形成“打空锤”，使得钻机，钻架及钢丝绳受到过大的意外荷载，遭受损坏；松绳过多，则会减少冲程，降低冲击速度，严重时，使钢丝绳绞缠，发生事故。

（5）及时排渣。当钻渣太厚时，泥浆不能将钻渣全部悬浮起来，冲击钻头冲击不到新的土层，还会使得泥浆逐渐变稠，形成弹簧垫，吸收大量的冲击能，并妨碍钻头转动，使得冲击进尺显著下降，或有冲击成梅花孔的危险，必须按时排渣。