武广客运专线铁路岩溶发育区桥梁钻孔桩施工技术总结

1、武广客运专线桥梁岩溶发育区孔桩施工技术朱建勋彭景1.工程概况1.1. 规模、范围章水河特大桥全长2400.66m ，共有 72 墩 2 台，其中 58 个墩台为桩基础，共 519 根 7689 米。桥址区处于大面积岩溶发育区域，钻探资料中表明，钻孔岩溶可见率达75% 以上，溶洞范围广、深度大，普通深度为18m，最深溶洞达 29.3m ，基岩面相差悬殊，溶洞内填充物复杂且部分为空溶洞。大部分桩基为糖葫芦串式溶洞，部分桩基处于半岩溶半填充物状态，有的桩基岩层斜面较大且有探头石。1.2. 施工设计简介、技术标准及主要工程数量1.2.1 施工设计简介：施工图中要求本桥施工时应根据覆盖层、岩溶发育情况和

2、溶洞填充等情况，制定安全可靠的施工方案，并根据方案配足必要的材料；施工过程根据地质变化情况随时修订施工方案，防止斜孔、弯孔、埋钻、卡钻、掉钻、塌陷等事故的发生。特别要求在每根孔桩达到设计标高后，报请设计单位到现场进行地质核对，地质与设计相符后，方可终孔。1.2.2 技术标准1）设计技术标准(1) 铁路等级：客运专线(2) 设计速度目标值： 350km/h(3) 正线数目：双线(4) 正线线间距： 5m2）钻孔灌注桩质量标准见钻孔灌注桩成孔质量允许偏差和检验方法钻孔灌注桩成孔质量允许偏差和检验方法编项目允许偏差检验方法号1孔的中心位置不大于 5cm测量检查2孔径不小于设计桩径测量检查3倾斜度小于

3、 1%测量检查4孔深不小于设计规定测量检查5孔内沉淀厚度不大于 5cm测量检查6比重不大于1.1 ，含砂率小于2% ，黏清孔后泥浆指标度 17-20s测量检查1.2.3. 章水河特大桥岩溶钻孔工程数量岩溶钻孔主要工程数量表工程项目单位工程数量C30钢筋砼孔桩m/根7689/519C30钢筋砼基础m39654压浆加固m312065压浆钻孔m5720填充片石、粘土m3370护筒跟进t4761.3. 专题技术内容及要求在发育的岩溶地层中进行钻孔桩施工，由于地质结构复杂，不可预见因素多，施工过程中缩径、漏浆塌孔、斜孔、掉钻、卡钻、埋钻现象常有发生，常常成为控制工期、威胁施工安全、影响工程质量的技术难题

4、。本专题目的在于总结岩溶地层钻孔桩如何解决施工过程中遇到的技术难题，为以后岩溶地区桩基施工提供参考。1.4. 工程特征1.4.1 工程地质特征本桥桥址区范围内地层主要有第四系松散覆盖层和石炭系下统大塘阶组石蹬子段（ C1d1 ）灰岩，局部存在人工填土；第四系松散覆盖层主要包括人工填土、黏土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、砾砂、卵石土、漂石土、淤泥；石炭系下统大塘阶组石蹬子段主要包括全、强风化灰岩、弱风化灰岩、灰岩夹含碳灰岩、含碳灰岩、溶洞。本桥除溶洞给施工带来麻烦外，粉细砂、中粗砂常常给清孔带来困难，泥浆比重达到 1.1 后，周边泥浆护壁对砂质土护不住， 常常塌到孔底， 反复清孔和重钻现象突出。1

5、.4.2 水文地质特征桥址区地下水类型主要有：碳酸盐岩溶水：主要赋存于石炭系下统大塘阶组石蹬子断灰岩、含炭灰岩中。松散岩类孔隙水：主要赋存在章水河两案阶地和漫滩冲洪积砂卵石层中，含水层厚度一般在0.5 8m，局部达 13m 以上，含水量较丰富，地下水水位埋深较浅，一般为0.54m。根据地质勘察报告，桥址区地表和地下水质对混凝土无侵蚀性。2.施工过程2.1. 钻孔过程中各种溶洞处理简述章水河特大桥孔桩孔径有1.0m,1.25m,1.5m 。其中1.25 米居多 ,钻孔桩共 519 根,最深 40m, 目前已经施工 295 根桩 ,从施工的情况看 ,情况非常复杂,是典型的“灰岩岩溶发育构造区”,溶

6、洞形态多样 , 部分钻孔桩需穿过多层溶洞才能抵达完整基岩，使本桥的钻孔作业施工难度大，工艺2.1.1. 施工前的预案 :岩溶地层的岩面及各层溶洞的顶盖和底板高低不平，相差悬殊，溶洞有被充填的，也有空的，施工常常会发生泥浆急剧损失、坍孔、卡钻、埋钻、偏孔等现象。如在施钻过程中措施不力成桩十分困难，为确保钻孔时顺利通过溶洞，必须根据桩位的地质柱状图，经过分析，掌握桩基通过溶洞的层次、溶洞顶板厚度、溶洞的大小范围及填充物性质，预先编制溶洞处理方案（预注浆、钢护筒跟进或预备泥球土及片石土等），且向每一位操作工人及现场管理人员清楚交底。并随着施工的进展，对地质情况进一步了解，随时修订技术措施。2.1.2

7、. 钻具的选择：因为本桥为岩溶发育区且灰岩厚度厚，所以全部选用冲击钻机。钻进时，冲能控制在 2-6t.m 之间。因为冲能过小对孔壁裂隙和孔壁周边的溶洞槽挤压能力小，孔壁不够密实易于渗漏，同时破碎能力小，进尺慢。但冲能过大通过顶板速度快，易于卡钻，同时所成孔径较设计大得多。2.1.3. 钻孔顺序：由于岩溶形态复杂，溶沟、溶槽、溶洞相互连通，对开墩开孔顺序十分讲究，根据岩溶裂隙走向，溶洞的大小、多少、岩面的高低等地质条件，仿围棋投子的方法，先按排长桩，溶洞密集处的桩施工，逐步进行。桩与桩之间的施工顺序应十分注意，钻孔时应做到：先外后内、先小溶洞后大溶洞、先长桩后短桩、桩位之间交叉开孔。步步包围、隔

8、开和封闭溶洞的原则。2.2. 施工中遇到的重大技术问题，采取的措施和效果。根据该桥溶洞实际情况，分类叙述如下:2.2.1 第一类 :高度小于 1m 发育面积小的溶洞这种溶洞处理非常方便， 在开钻前准备 20m 3 左右的粘土袋及部分小于 25cm 的片石。在钻孔距溶洞顶板 1m 后利用 0.5m 左右的冲程钻进且制备 20m 3 左右比重为 1.3 1.4 的泥浆，如击穿溶洞后泥浆损失，可一边补浆一边投掷粘土袋及片石，然后钻机小冲程冲击，直至不再漏浆为止。本桥目前约有 200 个小溶洞，按此方法施工顺利通过 ,典型的比如：7# 墩 9#孔、9#墩 2#孔、9#墩 5#孔、19#墩 6#孔、 2

9、2#墩 6#孔、22#墩 7#孔、 51#墩 1#、4#及 7#孔，并且成桩顺利，桩基检测均为类桩。2.2.2 第二类 :高度在 1-4m 且发育较大的溶洞这种溶洞处理较为麻烦，因为在溶洞击穿后，泥浆突然下降可达 10m 之多，所以在此类桩基施钻前，护筒埋深必须超过易坍塌地层（特别是流沙层及砂卵层） 1m 以上，如地质为硬塑状粘土层，护筒埋深在4m 左右即可。在距溶洞顶板 1m 左右时，要制备大量比重为 1.4 的泥浆、粘土袋、 15-25cm 片石、两台以上的泥浆泵、挖机、翻斗车等，且要有随时制造泥浆的能力，在击穿溶洞后，立即补浆及投掷。待基本稳定，边小冲程钻进边补浆，待泥浆面稳定后停止补浆

10、及投掷粘土袋、15-25cm 片石，但机具及人员不得离开，待顺利穿过溶洞后再调走。但此类溶洞如果和周边暗河连通往往在穿过后，冲击过程中泥浆还会损失， 大约每分钟下降0.5m左右，如有这种现象， 补浆不能停止，同时灌注低标号水下砼且高出溶洞顶板1m左右，让砼填充后堵住周边裂缝。 3-4 天后继续钻进即可，这种方法在本桥10#墩 1#孔、 11# 墩 5 号孔得以成功应用，且大大的减小了扩孔难度。且比钢护筒跟进方法节约时间，既经济又便捷。2.2.3 第三类 :高度大于 4m 的溶洞本桥高度大于 4m 的溶洞很多，处理的最好办法应该是护筒跟进，但该办法程序繁琐、工期长、难度大、费用高，所以本桥旱地区

11、大溶洞，拟采用双液注浆填充加固堵漏，本桥目前有35 个墩均采用钻孔压浆后再开钻，特别是大溶洞力求注浆越多越好的原则。对于靠近河边的水中墩采用护筒跟进的方法。2.2.4 第四类 :地质为半填充物半岩石的溶洞。由于软硬不均、岩石存在斜面及有探头石，容易发生偏孔、斜孔、弯孔等现象。遇到此类情况， 在距溶洞顶板或斜面 1m 左右时，在孔中回填大片石及粘土块 1.5m 左右，同时采用 0.6m 左右的冲程钻进。如后续孔位还是没有得以纠正，反复进行上述方案。如多次都没纠正过来，可在灌注水下砼 3 天后重钻。如遇探头石，可将钻机架移向探头石一侧，采用冲锤高锤猛击斩断探头石后续钻，上述方法在该桥38 #墩2#

12、 孔、60#墩1#孔的钻进过程中得以成功应用。2.2.5 第五类:裂隙漏浆处理在该桥桥址区，不但岩溶大量存在，而且裂隙也非常发育，所以分清裂隙及溶洞非常重要。裂隙的判断：桩基施工由于隐蔽性，情况不很明了，当发生漏浆时只有根据经验和反应在地表的某些现象判断。一般来说，有裂隙的孔底是硬底，而溶洞则是软底或空底，可根据落锤的感觉及进尺的快慢来判断，落锤有回弹感、进尺慢为裂隙，反之为溶洞。其次可从漏浆的速度和进程来分析，一般溶洞的漏浆有突发性、漏浆量大，而且停止较快。裂缝的漏浆也有漏浆巨大的，但裂隙的漏浆一般停止较为缓慢。判断为裂隙后，即可采用下面的方法处理：为了填满裂隙，可以就地倒入钻渣和粘土，同时

13、及时补浆，在此过程中如仍有漏浆，继续倒入约1m 3 的孔渣，在倒入0.5m 3 粘土，同时及时补浆，直到漏浆被堵住，后再倒入0.5m 3 的钻渣、 1m3 的粘土加固，后重新冲孔，这种方法 9#墩 3# 孔、53 #墩 10#孔得到成功应用。 如漏浆特别严重、速度快，在倒入钻渣的同时加入水泥，比例为 1：0.2，由于裂隙大且连续，加入水泥后有凝固作业，这种方法在10#墩 1#孔中得以成功应用。2.2. 工期安排与施工进度岩溶区施工，溶洞处理方案的确定，直接影响工期和进度，在工期安排上，要注意以下几点：2.2.1. 根据全桥岩溶发育情况，确定需要压浆处理的孔位，尽量提早安排压浆钻孔，在压浆钻孔的

14、过程中，做好记录，并进一步核实溶洞情况,为后续开钻提供依据 ;2.2.2. 找出全桥的岩溶处理重点墩位和重点孔号，估计成孔时间，合理安排开孔日期，对于溶洞大，桩长深的，有必要安排多台钻机同时上，从而加快施工，保证工期。3.施工方案3.1 施工方案总体概述本方案主要采用在钻孔进入岩溶地层时，投入大量潮湿的粘土块和片石并立即补水，利用钻头冲击将粘土块和片石挤入溶洞及其裂缝中，堵住溶洞和岩溶裂缝，形成一个封闭的环形壁，完成钻孔桩成孔，并且桩孔内的岩溶裂缝及溶洞由于已挤入了粘土、石块，可减少成孔后的混凝土超灌量。3.2 施工工艺3.2.1. 施工准备1)2)根据地质资料制定桩位施工流程图，并向操作人员

15、交底3)若设计有钻孔压浆，则先进行钻孔压浆处理4)5)对钻机事先进行保养、维修检查6)7)钢护筒根据桩径大小、地层条件分别采用 610mm 厚钢板卷制焊接成圆形，直径较桩径大 50mm ，护筒长依据地质、水文情况选定，由单节或多节短护筒焊接而成。钢护筒的埋设过程为：第一节由人工埋设，使筒顶高出地面 30cm ，焊接第二节后，在护筒顶放置打板 (50mm 厚钢板制作 )，利用钻机提起钻头，将钢护筒冲击入土，然后冲孔，孔深达到护筒底后，再焊接第三节护筒，如此循环，直至达到需要深度。深度根据土层和溶洞发育情况确定。护筒埋设好后，护筒中心与设计桩位中心偏差不得超过 50mm ，斜度不得大于 1%。8)

16、确定所使用的钻机，一般都用CZ30 型和 JZQ8T 型3.2.2 1)(1)(2)(3) 在护筒内投入土块和15-25cm 片石，并注水，用钻头把粘土冲击成膏(4) 取样测试泥浆各项指标，(5) 开孔时用小冲程冲击钻孔，要打得准，打得稳，间断冲击，少抽碴，使开口圆顺。(6) 加入小于 15cm 片石，反复冲击 24 次，挤密护筒底部周围土层。(7) 钻进至护筒底 23m 后加大冲程，主绳放长量为 35cm(8) 密切注意观察钻机工作情况、周围地表沉降和护筒内水位变化，防止不正常情况发生。(9) 根据地质柱状图，在接近溶洞时勤观察、勤检查，根据手握冲击主绳的手感，钻头击岩层的响声，抽取的岩样判

17、断(10) 接近岩溶时主绳松绳量应为 12cm(11) 钻穿岩溶地层上壳时一旦漏浆，要及时投放粘土块、片石并补水，保持孔内水位高度。若遇特殊大溶洞及时报请工程技术人员和监理，赶到现场，根据实际情况进行应急处理。2)清钻碴随着孔内钻碴增多，钻速下降，应进行抽碴。每钻进0.6 0.8m 抽碴一次。每次抽碴后加入0.6m 3 粘土块，注入清水，保持孔内水位。对钻碴作取样分析，核对设计地质资料。3)检孔孔深钻至设计标高后，应对孔深、孔径、孔的倾斜及孔位偏差进行实测检查，并填写检查证，合格者即将钻碴抽净。岩溶钻孔灌注水下混凝土前必须清除孔内钻碴和泥浆，客运专线要求沉碴小于5cm 。4.重大工程技术问题探

18、讨4.1. 泥浆造壁问题对一般性隐形小溶洞应侧重于加强泥浆造壁护壁功能，采用以下方法,造壁可以起到很好效果泥浆比重及所加材料表项目泥浆比重（ g/cm 2 ）备注覆盖层 /砂土 /砂卵石1.25 1.4加稀泥浆或抛黏土块溶洞 /砂黏土夹角砾（塑性）1.35 1.5加稀泥浆、黏土块，水泥灰锯木屑、碎石溶洞 / 砂石土混合物（流塑）1.4 1.5加稀泥浆、黏土块、水泥、木屑、草袋碎石、片石1.4 1.5袋装黏土块、 袋装碎石、 片石、塌孔层重新成孔水泥、木屑、1.2 1.3加稀泥浆，若岩石有高低时，岩层需加大块碎石在一般地层进行钻孔桩施工，泥浆护壁的效果好坏是成孔的关键。但在岩溶地区除在施工中加强

19、泥浆护壁外，还存在一个通过溶洞的造壁问题。这是因为溶洞内填充物种类多且性质复杂，多为塑性或流塑性。因此，在配制优质泥浆护壁的基础上，对不同溶洞内土的不同性质，按一定的比例分别加入水泥、木屑、草袋、片（碎）石等混合材料。这些加入的材料经钻头的冲击捣动作用，将挤入溶洞周边和岩溶裂缝中，这就既可以达到溶洞孔壁封闭环的形成，又能增强泥浆护壁的效果。本桥施工过程中采用了以下材料，护壁效果不错4.1.1. 水泥在遇到溶洞内填充物为细砂或流塑性填充物时，加入适量水泥灰，可以提高泥浆对孔壁的渗透能力，增强护壁功能，防止坍孔漏浆和改善酸碱度提高 pH 值。掺量按粘土重量的 1/81/5 掺入。4.1.2. 片（

20、碎）石在溶洞孔壁中起骨架加固作用。一般选用1525cm 的片石和 7cm 以下的碎石。4.1.3. 草袋在孔中起堵漏和孔壁固结作用。4.2. 岩溶区斜面开孔问题由于岩面倾斜，岩质软硬不均，造成钻头刃脚受力偏心，以至产生偏孔、斜孔、弯孔故障。岩面倾斜判断：一是根据设计提供的地质钻探剖面图；二是在施钻过程中通过观察钻绳的摆动和听冲击声音的变化来判断。通过上述判断钻进接近顶板进入斜面时，应采用以下方法作业。在孔内回填片石和粘土块 1.5m 左右，同时调整钻机冲程于 0.6m 左右，然后继续冲孔，混合填料经反复冲砸在孔内形成高出顶板处有一个较坚硬的混合柱体，具有足够传递冲击能，达到破碎斜面的目的。同时

21、形成坚实、圆顺的过渡孔口，为以下的钻孔作业起到良好的导向作用。当斜面倾斜严重或桩位置于溶洞边缘时，在钻进中钻头偏向软土一侧，用该法无法解决偏孔或弯孔的问题时，采用填充水下砼方法 3d 后重钻。4.3. 穿越大溶洞顶板时卡钻，掉钻问题在施钻过程中由于施工不当，在穿越顶板厚度时经常发生卡钻头，或由于严重失浆，孔内失去压力平衡，引起塌孔埋钻头等现象。为了避免或者减少这种事故的发生，利用缓冲原理来攻克这个难关。既是当钻进接近穿越顶板进入溶洞前， 在顶板已成孔段内回填混合材料 1m 左右。同时变为小冲程，先放小钻头冲击，然后再用标准钻头扩孔成桩。这个办法效果明显，能起到缓冲作用，大大减少了因一锤击穿顶板

22、，造成卡钻和因失浆过急造成埋钻的现象发生。有利于施钻的顺利进行。4.4. 钢护筒跟进方案问题护筒跟进施工工序多，配合设备多，进度慢成本高，因为本桥施工工期紧，护筒跟进主要用在水中墩、桩基穿越串珠状溶洞或溶洞大有流塑填充物时采用。钢护筒跟进是在施钻过程中将钢护筒用震动打桩锤逐步下沉到需要保护孔壁的岩层或岩石上。单跟或双跟和跟进的深度应根据设计提供的孔位地质钻探资料初步选定。单跟和双跟所需的钻头大小和护筒大小不同，单跟较双跟简单。确定为单跟的孔位因各种原因造成不能成孔后改为双跟更为复杂，因此在选定时要特别注意。对串珠状溶洞其洞内填充物软塑或卵石土的且溶洞不大可采用单护筒跟进成孔。对填充物为流塑且溶

23、洞范围大或溶洞为空洞状的最好采用内外双护筒跟进成孔。单跟或双跟，不一定要跟至桩底设计标高，其跟进深度可根据地质情况确定。不跟钢护筒后，桩施工也可用以上几个方法综合使用。这样也能达到成孔目的，加快速度，降低成本。4.5. 岩溶区桩底全岩面判断问题本桥为客运专线桥梁 ,按设计要求桩端最小嵌岩深度为 1-3 米,因此 ,设计院对终孔后桩端全岩面的正确判断成为本工程成孔质量的关键。影响全岩面判定的因素较多 ,而现有的桩基技术规范、规程等均未列出统一的判定标准 ,受地质条件复杂的影响 ,全岩面的判断往往意见不一 ,成为质量控制的一大难题。本桥实际施工中,根据岩溶地区地质条件的特殊性、复杂性及工程特点 ,

24、主要从 4 个方面来进行全岩面的综合判断。4.5.1. 以桩孔实际入岩高程为主要依据,超前钻孔柱状图揭示的岩面高程只作为参考。4.5.2. 查阅钻孔施工记录 ,可将基岩进尺速度 0.10.2 /作为进入全岩面的控制速度 ,由此钻孔记录入岩后 ,必须按照小于或等于 2 小时记录一次;4.5.3. 可观察井口钢丝绳的摆动情况,锤头触岩面时会出现轻微晃动；4.5.4. 使用细目筛网捞取岩渣 ,岩屑含量 50% 70% ，且含泥、含砂量小于 4% 时,认为入岩完整。如出现特殊情况或判断标志不明显,意见分歧较大时 ,则采用钻探揭露的办法来证实 ,即在桩孔中心四周均匀布设4个5个勘探孔 ,用地质钻机进行钻

25、探 ,用触探到的各点岩面高程进行比较,判断出全岩面。5.“四新”技术应用5.1.在本桥的溶洞处理过程中,主要运用了孔位钻碴和水泥混合处理溶洞的方法 ,该方法运用原位钻碴 ,不但可以让废弃的钻碴得到一定运用 ,减少弃碴量 ,而且处理部分溶洞效果好 ,成本低。5.2.本桥在施工管理过程中指派专人负责钻孔地质的变化情况， 做好施工记录，从钻头冲击地层的声音强弱、钻绳的摆动、钻进速度、钻头滑移、护筒内水头变化、抽碴取样等情况中，通过分析比较，绘出施工孔内地质剖面图与勘查资料对比，确定桩基穿过地层的性质及岩层的完整程度，从而较明晰地判断桩基嵌入岩层的厚度和桩基下卧层的情况，特别是遇到穿越串珠状地层，操作

26、要格外的小心谨慎，记录资料详尽，以备设计院专业人员到现场后，有依据判断岩溶情况，确保成桩质量。6.岩溶地区施工应注意的安全措施6.1.作业前必须认真检查操纵系统是否灵活准确， 机械防护罩、 钻机各部联接紧固的可靠性，以及绞车总成卷扬机死绳端的紧固牢靠程度，发现异常立即采取措施排除隐患。6.2.应检查钢丝绳是否牢固， 卷扬系统保护罩是否安装完好，严禁带病作业。6.3.钻杆的倾斜度不得超过全长的的1，10m 以上的钻杆， 不得在地面接好后一次吊装，以防止自重造成弯曲变形。6.4.钻机应放置平稳、坚实，如汽车式钻机，应打好支腿架起轮胎。6.5.启动后，应将操作纵杆置空挡位置，空转运行，经检查无误后再进行作业。6.6.钻机应安装钻深限位报警装置，当钻机发出下钻限位报警信号时，应停钻，将钻杆稍稍提升，待解除报警信号后，再继续下钻。6.7.作业中，如遇卡钻，立即切断电源，再没查清原因之前，不得强行启动。6.8.作业时，发生机架摇晃、移动、偏斜等，应立即停钻，查明原因，处理后再行作业。6.9.作业中，设专人负责监护电缆。 如遇停电，应将各控制器放置零位，切断电源，将钻头接触地面。6.10. 孔径达到要求时，应停止扩削，使管内存土全部输送到地面即可停钻，成孔后，必须将孔口加盖保护。