浅谈钻孔灌注桩在岩溶桥址的成孔方案

2022-10-19湖南湘江新区投资集团有限公司王玉屏

人民交通 2022年18期

文 / 湖南湘江新区投资集团有限公司王玉屏

钻孔灌注桩目前常用成孔机械有冲击钻机、螺旋钻机、旋挖钻机等，遇到岩溶地质条件时，成孔及灌注施工难度大，存在地面塌陷、塌孔、缩径、断桩等安全质量隐患。本文结合工程实例，在桥址遇到岩溶地质，特别是桩基础分别位于不同岩溶发育情况时，探讨了相对应的桩基础成孔工艺，结合实际选择了适宜的成孔方案，采取钢护筒跟进、注浆防塌陷、回填防漏浆等辅助措施，最终保证了施工安全及施工质量。

工程概况

大王山片区绕城高速入口优化工程位于湖南省长沙市岳麓区，是潭州大道快速化改造中的一段，道路为双向六车道。起点设置桥梁顺接湘府路快速化（河西段），高架桥长317m，桥梁基础采用钻孔灌注桩，桩基础共48根，下部结构为双柱式桥墩，梁体为现浇预应力混凝土连续箱梁，共四联，标准桥面宽度为25m。

根据地质详勘资料显示，桥址内出露地层主要包括第四纪覆盖层及下伏基岩，其中：第四系覆盖层包括人工填土，其下为第四系更新统粉质黏土、粉细砂（中粗砂）、砾卵石、局部黏土夹碎石角砾，厚度一般10～30m，局部可达40m；下伏基岩为泥盆系石灰岩等。场地内溶洞发育，充填软塑～可塑状黏土，填充物松散，含孔隙，局部含碎石。局部为空洞，局部溶洞与灰岩、角砾岩（角砾为灰岩）交替分布，溶洞层串珠状。根据逐桩钻探资料，几乎全部桩基均座落于溶洞上，部分钻孔揭示的溶洞规模较大，溶洞有连通可能。

桩基成孔方案选取

本工程桩基设计为嵌岩桩，桩端应座落在连续完整基岩之上。根据以往施工经验，在溶洞发育区域进行桩基施工，需要仔细研究地勘资料，采取正确的施工方案。

经查逐桩勘探资料，在充分掌握溶洞分布规律后，根据不同桩径、桩长及溶洞发育情况，结合桥址现场环境及施工工期等因素，本工程选取3种成孔方案，达到既能保证质量、安全，又经济的目的。分述如下：

1.对于Pm3、Pm7、Pm9、Pm10墩，桩径为D1200mm、D1500mm、D1600mm，桩长在30m内，采用冲击钻机冲击成孔，共配备6台JZQ650-4冲击钻机，用1.5-2.0t冲击锤冲击成孔，冲击钻施工应遵循堵洞护壁、重锤轻击的原则，溶洞内采用片石、麻袋、稻草、膨润土填充后复冲，溶洞处形成有一定厚度的环状护壁。

2.对于Pm1、Pm2、Pm4、Pm5墩，桩长37m-56m，采用旋挖钻机成孔，泥浆护壁，辅助钢护筒跟进。旋挖钻机是一种高度集成的桩基施工机械，施工是利用钻杆和钻斗的旋转，加液压作为钻进压力，先用小直径截齿筒钻取芯创造自由面，再根据岩石硬度用不同尺寸截齿筒式钻头分级钻岩扩孔、双底捞渣斗捞渣、直至终孔的施工方法。具有施工时间短、安全、环保的优点，处理桩基溶洞可快速反应。

结合溶洞特点及桩长，以上桩基采用XR360旋挖钻机成孔，XR360旋挖钻机整机工作质量95t，输出扭矩最大360kn，最大钻孔直径2.5m，最大钻孔深度90m，旋挖钻机采用一体化设计，履带式回转底盘及桅杆式钻杆，为全液压系统，钻杆无需接长，钻孔时注意保持孔内泥浆面稳定，因此在溶洞位置成孔可以极大的缩短成孔时间，消除成孔时间长而造成的塌孔隐患。

3.对于Pm6、Pm8墩桩长55-73m，各2根，桩径D2200mm，根据地勘资料，桩位处于断裂带，溶洞上无基岩，无顶盖保护，原地面以下为软土覆盖直接接溶洞填充物，钻探揭露溶洞填充物为淤泥、流砂呈软塑状，地勘钻探时还有钻杆自沉现象。而且下接的溶洞分布呈串珠状，溶洞规模大，单洞最大洞高达30多米。根据桩基长度及溶洞规模，为确保施工中不出现塌孔等事故，同时考虑机械功率，在施工过程中不发生意外情况，故采用XR550旋挖钻机成孔，XR550旋挖钻机整机工作质量185t，输出扭矩最大550kn，最大钻孔直径3.5m，最大钻孔深度132m，可最大化的控制施工风险，同时采用地面注浆加固后全钢护筒跟进施工。

钢护筒跟进技术

旋挖钻机成孔时，采用钢护筒辅助跟进，可变截面跟进，也可单护筒跟进，如pm1墩5根桩，没有串珠状溶洞，直接成孔至溶洞下基岩层，下钢护筒。但对于pm6和pm8共4根桩，则采用钢护筒变径分节跟进的方法，分段成孔，分节下沉、接长。

施工工序

以pm8-1为例，桩径2.2m，桩长73m，溶洞规模大，单洞最大洞高36m。且溶洞的分布呈串珠状，采用钢护筒变径分节跟进的方法，施工工序如下：

①采用Φ2.8m钻头钻进至第1层溶洞底中风化岩以上约1m位置。

②先自重安装、后振动下沉Φ2.6m钢护筒，穿越第1层溶腔底部至无法下沉。注意一定采用小功率振动，防止钢护筒偏斜。

③钢护筒固定。方法为护筒顶部焊接固定在支架上，护筒底部固定采用灌注水下混凝土的方法浇筑5-7米深的混凝土，保持固定2-3天。

④等待2-3天混凝土强度上来后，换直径为2.5m钻头钻进。进入到第2层溶洞后，观察泥浆，如发现漏浆，停机回填，继续钻进，如此循环，直到穿越第3层溶洞底。

⑤下第二次钢护筒，钢护筒直径为2.4米。

⑥再次固定内钢护筒。方法还是在护筒底部固定采用灌注水下混凝土的方法浇筑5-7米深的混凝土，保持固定2-3天。

⑦等待2-3天混凝土强度上来后，换直径2.2m钻头钻进持力层。⑧检验持力层与嵌岩深度、终孔。

钢护筒制作

钢护筒采用机械集中卷制加工，厂家制作好后运至施工现场。经计算，本工程外护筒采用壁厚δ=12㎜的钢板，内护筒采用壁厚δ=18㎜的钢板，每节制作长度为4.5～7.5米，焊缝全部为双面坡口，其中外钢护筒的内径D'=d+40cm（d为设计桩径），内钢护筒的内径D'=d+20cm（d为设计桩径），以地勘资料的溶洞深度为依据计算好外、内护筒总长度，留有一定的备用节段，以防地勘资料有出入。

钢护筒下沉

钢护筒下沉采用25T汽车吊辅助20T振动锤的方案。下沉前，应在桩孔上设置控制支架和卡具，用来控制下沉过程不偏斜。

钢护筒顶部与振动锤焊接，第一节钢护筒下沉时，采用水平尺控制水平度，全站仪控制垂直度，平面位置的居中则通过控制支架和卡具控制，如此循环直至钢护筒沉至底部。

施工要点为要求钢护筒保持垂直下沉，垂直度控制在1%以内，确保钢护筒下放的精度和质量。若一旦发现有偏斜的趋势，须马上停止下沉，稍稍提起钢护筒进行纠正后再次下沉。

钢护筒连接

钢护筒下沉过程中的各节段连接是保证钢护筒施工质量的关键。节段间连接采用双面坡口焊接，焊缝须满焊。同时在两节护筒连接端采用钢带加强措施，加强钢带宽60mm，壁厚10mm。

施焊前，在外部卡具范围内将上部钢护筒初步就位，接口对齐，下部钢护筒垫平固定，接口部位采用垫铁调平，护筒体经全站仪测量垂直度、水平尺检测水平达到要求后，两节护筒的竖向壁成一直线时方可将两节钢护筒点焊，再次检查水平、垂直度及稳定性后，再进行满焊。待焊缝冷却后，进行钢护筒的下沉施工，上述工序循环进行。

施工重点难点

地表塌陷防治

地表塌陷有可能直接由溶洞塌陷造成，也可能因旋挖钻机自重荷载过大造成。一旦出现塌陷，将造成钻机倾斜、卡钻，甚至发生严重安全事故。故在钻机就位前应充分查阅地勘资料，依据溶洞顶部是否有基岩覆盖、溶洞顶部基岩厚度及风化程度、地面至溶洞顶覆土厚度、地面土质等因素，综合评估塌陷风险，采取应对方案。

一般可在平整好的钻机位铺垫碎石层后，再铺设路基钢板作为旋挖钻机的施工平台。

本工程8#墩桩基溶腔上部没有顶板，地勘资料显示溶洞以上为圆砾，如不采取措施，钻孔揭穿溶洞顶圆砾层后，持续排渣导致溶腔顶部负压增大，可能会导致地表塌陷，故桩基施工前在8#墩地表进行双液浆注浆加固，加强地表监控量测，施工过程未出现塌陷事故。

偏孔防治

冲击钻施工冲至溶洞底时，一般会发生偏孔或卡钻。因为溶洞发育无法预测，溶洞填充物中有孤石，随冲锤冲至溶洞底溶洞，底板大概率不平整或者倾斜，岩面高低不平、软硬相间，造成偏孔。当桩位位于溶洞的一边时，整个冲孔过程都将面临偏孔和卡钻。解决的办法为重锤轻击、反复扫孔。同时回填抗压强度与基岩相当的花岗岩片石，反复冲孔。回填厚度一般须至偏孔部位以上1 -2m，如斜面岩严重时，可改用大的片石或C25以上砼(加早强剂)进行反复回填、冲击。本工程pm3、pm7、pm9墩各桩均不同程度的发生偏孔，最后均处理到位。

旋挖钻施工时，因旋挖钻机功率大，一般不会发生偏孔。但施钻半岩半溶洞桩孔时，不论是在钻芯筒取芯阶段还是扩孔阶段，要特别注意受力不均匀造成钻机摆动的现象，应随时关注芯样状况，调整施钻力度、控制进尺，确保施工安全。