翟广辉
中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司
【内容提要】:阐述岩溶地区复杂地质条件下， 冲击成孔过程中采取合适的施工工艺, 能确保孔壁稳定、桩孔垂直,不良地质溶洞、裂隙处理方法。
【关键词】:岩溶地区,溶洞,冲击钻孔,施工方法
1.工程概况
某某客专为时速350公里的高铁运输线，整个标段最长的一座特大桥，某某特大桥位于我们标段内。本桥穿过岩溶地区，桥址区岩溶属埋藏型，部分地段属浅覆盖型，岩溶发育强度分级属强发育型，岩溶发育带主要位于季节变动带，垂直岩溶。溶洞高度大，最大的溶洞高度超过10米，且溶洞形状千奇百态，溶洞内基本没有填充物质。另外，勘察资料有一定的局限性， 有时出现实际施工揭露的地质情况与勘察资料不符的现象， 这就使桩基施工难度增大， 稍有不慎就可能出现事故，泥浆易漏失、孔壁易坍塌，工程施工难度大。
2.施工准备
由于桩基承载较大, 要求持力岩层有较好的完整性和较大的抗压能力, 对桩身混凝土质量要求严格。岩溶地区施工冲孔桩除了应该按规范要求严格控制, 还应根据岩溶地区的具体情况做好以下准备工作:
(1)施工前应仔细研究图纸，详细了解施工的桩基岩溶发育情况，确定好溶洞位置， 做到心中有数， 避免盲目施工。
(2)准备充足泥浆和一定量的片石(10 cm～20 cm)、粘土包、水泥, 以便冲孔过程中出现严重漏浆时及时向桩内补给泥浆, 抛填泥包、块石堵漏成孔,或灌注水泥堵漏。
3.施工工艺
冲击钻成孔灌注桩施工流程包括: 平整场地→桩位放线, 开挖泥浆池、泥浆槽→埋设护筒→钻机就位、校正孔位→冲击造孔、泥浆循环、清除废浆和泥渣→清孔换浆→终孔验收→下钢筋笼→下导管→水下灌注混凝土。在冲击成孔过程中, 为了确保桩孔顺利完成,应该把握好以下几个环节。
3.1确保孔壁稳定
孔壁稳定是顺利进行冲击成孔的关键，同时还直接影响水下混凝土的灌注质量， 影响冲击进度。埋设好孔口护筒和控制好孔内泥浆性能是孔壁稳定的关键。埋设护筒的作用是防止孔口坍方、桩孔定位导向、维持泥浆水头高度； 始终保持孔内有较高密度和粘度的泥浆以及合理的水头高度, 以增加液柱压力,或在捞渣时及时补充浆液, 维持钻进平衡, 否则容易造成孔壁失稳。如果施工场地内溶槽、溶沟、溶洞发育, 使桩孔间溶洞互相贯通, 对桩孔孔壁的稳定性有很大的影响, 施工现场要时时刻刻关注孔内泥浆性能，避免泥浆严重流失, 引起孔壁不稳。
3.2 选择合理的冲击规程
冲击钻机就位后， 冲击钻头应对准护筒中心，偏差不大于±20 mm，开始低锤(小冲程) 密击，锤高0.4～0.6 m， 并根据土层性质粘土块， 利用冲击钻头捣碎粘土块，使之与清水充分搅拌成为泥浆，或注入配好的泥浆, 依靠浓泥浆护壁, 使孔壁挤压密实, 直至孔深达护筒下3～4 m 后, 才可加快冲击速度和加大冲程。正常钻进时, 冲击行程可控制在2.50～4.00 m ,若钻进坚硬基岩时, 还可适当加大, 但应防止扰动孔壁和夹钻事故。 快要进入溶洞时, 冲程控制在1 m 以内, 以防突然打穿溶洞顶板, 导致卡钻、掉钻。
3.3 冲击时应随时测定和控制泥浆性能参数
在冲击钻进过程中, 泥浆担当两重作用: 稳定孔壁, 携带钻渣。其性能的好坏直接关系到桩孔孔壁稳定性和钻进效率。泥浆的相对密度大、粘度大, 可增加孔壁的粘结作用和加大对孔壁的静压力，并可浮起钻碴并流出孔外；泥浆的相对密度过大、形成的泥皮过厚则会增加钻头的阻力, 影响冲击速度， 因此应根据底层地质情况和桩孔大小合理选择泥浆性能参数。比如在易坍地层中泥浆的相对密度为1.20～1.40 , 粘度为30 s 左右, 泥皮厚2～3 mm/ 30 min , 并在钻进中随时测定和控制泥浆性能。在粗粒土层(砂土、碎石土等) 、漏失地层及岩层中钻进时, 一般要求用膨润土配制性能良好的泥浆来达到护壁和携砂功能。 如遇含细颗粒土较高的粘土层(红粘土、黄土等) , 亦可采取自然造浆护壁。
3.4防孔斜
冲击成孔要始终保持桩孔的垂直度，一般每隔1～2 m 要检查一次。如发现偏斜应立即停钻纠斜， 若斜孔发生在硬塑粘土层中, 用砂、粘土混物回填至偏斜处以上1～2 m , 低锤冲击慢慢通过倾斜位置； 而在基岩内发生偏斜时, 可投入20～40 cm 粒径块石,略高于偏斜处1 m 左右, 低锤冲击纠偏, 一次纠偏不成功则反复几次, 一般均能纠正。对于变层处和易于发生偏斜的部位, 应采用低锤重击, 间断冲击的办法穿过, 以保持桩孔垂直和孔形良好。
3.5溶洞部位的冲钻处理
在冲击钻成孔过程中,要想使钻孔顺利穿超溶洞区,并保证孔壁的稳定,在钻进中,必须结合勘查地质资料,按如下工艺流程施工,以确保成孔质量。
(1)在冲钻至溶洞顶部1 m 左右时, 准备足够数量的片石(10 cm～20 cm) 和粘土,粘土宜做成泥球(<15 cm～20 cm) ,如溶洞内无填充物或半填充物时,还应组织足够的水源。
(2)当钻孔至溶洞1 m 左右时,冲击操作要平稳,尽量不碰撞孔壁,冲程宜小,在1 m～1. 5 m 范围内变换总冲程,逐渐将洞顶击穿,防止卡钻。
(3)对于空溶洞或半充填的溶洞,在击穿洞顶之前,要派专人密切注意护筒内泥浆的变化,一旦泥浆面下降,应迅速补水,然后依据溶洞的大小按1∶1 的比例回填粘土及片石,进行冲砸堵漏,只有当泥浆漏失现象全部消失后,才转入正常钻进,如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。
(4)对于溶洞内填充物为软弱粘土或流塑状粘土的溶洞,进入溶洞后,也应向孔内投入粘土及片石混合物(比例为1∶1) ,冲砸固壁。
3.6 裂缝漏浆的处理
在岩溶发育地区钻孔施工,由于经常会遇到裂缝及断层破碎等复杂地质情况,在钻孔过程中,极易漏浆,由于护筒埋深较浅,极易引起孔壁坍塌,在施工过程中应采取如下措施:
(1)在入岩前,必须准备充足的水源及2 台～3 台水泵,且保证完好。
(2)准备足够数量的粘土,并将粘土做成泥球(15 cm～20 cm) 和一定数量的小石片(10 cm～15 cm) 。
(3)在冲砸过程中,密切注意护筒内浆面的变化情况。当泥浆面迅速下降时,说明正在漏浆。首先要赶快补水,保证孔内水平衡,然后将泥球投入孔内,将裂缝堵住。再将粘土和片石的混合物投入孔中大于2 m 深,重新冲砸。这样砸碎的片石和大颗粒的粘土可将裂缝填充一定的距离,可钻进一定的深度而不漏浆。当再次漏浆时,仍按上述方法处理,即可逐步至设计标高。
3.7 终孔原则
综合分析桩端设计深度和地质勘察资料中岩层面深度以及周边已完成桩孔基岩面起伏情况, 判断桩端全断面嵌入持力基岩层的深度, 继续冲击钻进满足嵌岩设计深度要求即可终孔。
4.常见事故分析与处理
由于岩溶地区特有的复杂地层, 用冲击法成桩过程中经常出现一些特殊施工问题, 采取常规的施工工艺无法施工, 应根据具体情况采取一些特殊方法处理。
4.1 桩孔孔壁坍塌
成孔中排出的泥浆不断出现气泡, 有时护筒内的水位突然下降, 均为塌孔的兆头。
4.1.1坍孔的主要原因
桩孔孔壁坍塌现象主要是发生在稳定性差的地层, 如遇到松散地层或破碎岩层、吸水膨胀土层、软塑—流塑状土层；另外, 不恰当的施工规程参数和操作方法也是导致孔壁坍塌的原因。
(1)遇土洞、溶洞和破碎地层时, 引起孔内泥浆漏失太快, 来不及补充而导致孔壁内外压力不平衡而坍孔。
(2)遇土洞、溶洞时只投粘土而未加片石, 或加片石、粘土、水泥后冲砸过快, 静置时间太短,泥石壁不能支撑洞内填充物或孔内泥浆。
(3)冲程过大, 突然打穿溶洞顶板, 加之此时护筒未打入稳定岩层, 导致溶洞顶板与护筒底口之间孔壁松动、破碎、坍塌。
(4)清孔时循环浆液太稀或孔内产生负压,导致溶洞内泥石壁坍塌。
(5)岩层表面的溶沟、溶槽与溶洞相互连通, 又有地下水形成暗流通过透水性强的砂砾层、卵石层极易造成漏浆, 使动水头下降, 或者当钻头击穿无填充物或仅有少量填充物的溶洞顶板时,孔内水头急剧下降, 孔壁外的液柱压力下降, 外部地下水渗透水压过高而产生动压力, 引起孔壁坍塌。
4.1.2 坍孔的预防与处理方法
(1)对那些容易导致坍孔的细节应严格要求, 减少坍孔产生的可能性, 比如在松散易坍土层中适当深埋护筒,并接高护筒, 保持足够的水头高度；使用优质泥浆, 提高泥浆密度和粘度；保证钢筋笼制作质量,防止变形, 吊放时对准孔位, 吊直扶稳, 缓缓下沉, 防止碰撞孔壁；成孔后, 待灌时间一般不应超过3 h , 并尽可能加快灌注速度, 缩短灌注时间。
(2)冲穿溶洞顶板不能太快, 采用“重锤轻打”方法, 一是保证漏浆不至于太快, 能够及时补充泥浆, 二是保证桩孔圆顺, 冲击钻头能自如地通过溶洞顶板, 避免卡钻。
(3)坍孔时及时补充泥浆保持孔内水头高度, 同时投入漏浆体积1.2 ～1.5 倍的粘土、片石, 小冲程冲孔固壁, 防止坍孔扩大。
(4)司钻员对照地质钻探资料, 检查孔内水头高度、泥浆稠度和孔外水位变化, 及时取渣分析, 发现异常及时处理, 视漏浆程度反复抛填片石、粘土及水泥混合物, 抛填高度一次应达1～3m , 直到稳定不漏为止, 当漏浆太快时, 要求迅速集中抛填粘土、成袋水泥和片石[。
(5)坍孔后, 在钢筋笼未下入孔内情况下,将片石、砂、粘土混合物回填到坍塌孔深以上1～2 m , 或全孔回填并冲击夯实后, 再用原径钻头和优质泥浆冲击成孔；若钢筋笼已下入孔内, 只是引起轻微坍塌的情况下, 用直径小于钢筋笼内径的钻头以优质泥浆扫孔或用导管清孔即可。
4、2卡钻、埋钻及歪钻的处理
卡钻常发生在冲孔过程中,多因先形成了梅花孔或钻锥磨损未及时焊补使钻孔直径变小,或由于岩面倾斜, 溶沟、溶槽挤钻, 溶洞侧壁侵入孔径, 加以钻头转向装置不灵活而卡钻。埋钻因塌孔而产生,歪钻多因操作过程中没有经常检查钢丝绳情况而发生。为了防止这些事故的发生,在钻进过程中,要求操作平稳,对钻孔冲程要根据不同的地质情况加以调整,遇起伏不平的岩面和溶洞时,应投入适量的粘土掺片石,将孔底填平,用十字型冲锥以小冲程反复冲击,慢慢穿过,并应经常检查钻锥磨损情况及密切注意大绳情况,以防止这些事故的发生。如发生的上述情况,应找出原因,想办法取出钻头,回填粘土及片石至一定的深度,重新冲砸,保证钻孔顺利进行。
5.结语
岩溶地区桩基施工中,要使施工顺利进行,关键在于针对难题的特点,找出行之有效的处理方法。冲击钻砼灌注桩属于隐蔽工程,有针对性地设置质量控制点,采取事前控制,事故是可以避免的,只有这样,钻击成孔施工才能充分发挥其优点,保证成孔质量。
参考文献:
[ 1 ]李斌;午向阳;罗卿;赵靓;朱浩波.新建铁路岩溶地区预钻成孔施工技术，铁道建筑，2010
[ 2 ]李刚，浅谈冲击钻成孔灌注桩施工工艺及质量预控制措施，农业科技与信息，2010
[ 3 ]赵国辉，简述冲击钻钻孔灌注桩施工工艺，民营科技，2017