岩溶区特大桥桩基施工与边坡支护技术（鉴定文件技术报告之一）

1、 岩溶区大跨大吨位T型刚构桥转体法成桥关键技术 文件二鉴 定 文 件技术报告之一岩溶区桩基施工与边坡支护技术中铁十一局集团有限公司中铁十一局集团第三工程有限公司二一四年八月 岩溶区大跨大吨位T型刚构桥转体法成桥关键技术 文件二 2 岩溶区桩基施工与边坡支护技术余家湾上行特大桥位于临近既有京广线的复杂岩溶区，溶洞主要呈多层、串珠状分布，发育最大深度61m，单个溶洞最大高度23.36m，溶洞多充填软塑和流塑状粘土，部分为充填或半充填红粘土，桩基距离既有线线路中心线最近距离为6.9米。因此，合理制定桩基施工和边坡支护措施，避免其对既有运营线的影响是确保本工程顺利推进的先决条件。本章通过分析工程所在区

2、域的地质特点，改良岩溶区地质情况，辅以合理的成桩和防护措施，主要是采用多种开挖基坑时防护措施与桩基防护措施一同综合防护，解决此类地区和环境条件下的桩基施工与边坡支护难题。2.1地质特点根据余家湾T构现浇梁支撑处地勘资料，场地地质情况从上至下依次为（图2.1-1）：（1）素填土：杂色，潮湿，主要成分为粉质黏土。层厚：1.32 m，基本承载力可忽略；（2）粉质黏土：褐色，软塑，土质较均匀，局部见铁锰质氧化物，层厚：4.99m，基本承载力：120kPa。（3）淤泥质黏土：褐灰色，软塑，土质均匀，有腥臭味，层厚：4.76m，基本承载力：60kPa。（4）粉质黏土：灰褐色，软塑，粉粒含量较高，手感近似粉

3、土，夹薄层粉砂，层厚：5.13m，基本承载力：100kPa。（5）粉砂：灰色，松散，饱和，砂质主要成分为石英、长石，其次为云母，泥质含量约20%，层厚：2.7m，基本承载力：200kPa。（6）粉砂：灰色、青灰色，中密，饱和，自上而下，粉粒含量降低，颗粒渐粗，泥质含量降低，泥质含量约510，砂质成份为石英、长石，其次为云母，层厚：5.4m，基本承载力：120kPa。（7）溶洞：全充填，充填物为可塑软状粉质黏土，钻进中进尺不均匀，间夹0.10.3m不等的弱风化灰岩隔板，钻进中少许循环液不漏失。层厚：9.68m，基本承载力：无。（8）灰岩：浅灰色、紫红色，弱风化，隐晶质结构，中薄层状构造，顶部岩心

4、破碎长柱状呈58cm短柱状，中下部较完整、多呈柱状，间夹薄层泥质灰岩，多见溶蚀现象，层厚：4.49m，基本承载力：1200kPa。根据地勘资料和武汉地区经验，各土层性能参数如表2.1-1所示：表2.1-1 土层性能参数土层厚度(m)压缩模量E（MPa）渗透速度粘聚力C(kPa)内摩擦角()渗透系数k(m/d)强度标准值fk(kPa)粉质粘土3.5100.323130.0001120淤泥质粘土7.05.00.41070.000160粉质粘土5.5100.323130.001120粉砂8.0200.31301200岩溶充填物10m100.3520100.001100灰岩52500.21000420

5、.11200上述地质情况表明，自然地面24m以下，溶洞比较发育，地面至24m范围内，基本为黏土及粉砂，承载能力较低。2.2岩溶区桩基施工2.2.1面临的问题根据地质勘测情况，本工程桩基施工面临的问题如下：（1）表层软弱流塑的淤泥质粘土在冲击钻的施工震动下可能出现软土震陷，导致既有线路基基底下沉、路基失稳。（2）饱和的深厚粉砂层在冲击钻的震动下可能产生液化失稳，丧失承载力，导致既有线路地基沉降，路堤边坡失稳。图2.1-1 地层分布图（3）桩基施工至揭露溶洞标高时，由于溶腔无规律性与连通性、比重较大的泥浆可能沿溶腔通道漏失，导致桩基溶洞附近泥浆比重逐渐下降，避免塌孔的泥浆护壁措施可能失效。同时，在

6、失去泥浆护壁的情况下，深厚的粉砂层在冲击钻的作用下，也极可能沿溶腔管道流失，从而导致地面呈漏斗型下沉，影响直径可能达10-20m，从而导致既有线基底下沉边坡失稳，影响既有线安全。（4）串珠状发育的溶洞在机械扰动或荷载作用下，可能出现溶洞顶板塌陷（图2.1.1-1、2.1.1-2），从而导致地面进一步沉降，既有线突然下陷。如下图为相邻地段未进行地基处理时的事故。图2.1.2-1墩位塌陷（直径25m，深度3m）图2.1.2-2机位塌陷由于地质变化复杂且该地段砂岩与灰岩互层，勘探无法准确探明溶洞的位置、大小、形状，针对溶洞发育现象，桩基施工前采取了注浆处理的方案，但试钻进过程中仍时有漏浆和坍孔现象发

7、生，特别是在终孔后清孔过程中由于泥浆比重下降后特别容易在粉砂层和淤泥层坍孔，造成回填二次冲孔；成桩过程仍出现较多问题，主要是在灌注混凝土时挤破溶洞护壁造成边灌混凝土边流失的现象、已经灌注完毕后混凝土突然漏失现象、桩基施工钻进一切正常，砼灌注完毕后顶面砼与中间砼下降不一致，造成中间是泥浆，上下两端为砼的断桩、砼灌注时串孔现象。经分析认为是上覆粉砂及流塑淤泥等极易塌漏流入溶腔造成塌孔。2.2.2处理措施20#-22#墩因距离既有线较近，且溶腔顶板上为流塑状粉砂层，为防止溶腔击穿造成地面坍塌，对既有线安全产生影响，20#-22#墩采用旋喷桩隔离既有线，同时对上部流塑状粉砂层采用旋喷桩固结粉砂层，再采

8、用岩溶注浆封堵填充溶洞，桩基冲孔时，再次遇到溶洞，出现漏浆时，采用抛片填充处理溶洞，最后全护筒跟进完成桩基施工。1岩溶注浆（1）岩溶注浆方案先在桩孔中心原位注浆，然后在相邻桩位之间中心位置布置孔位注浆。注浆水泥采用P.O42.5水泥，水玻璃3843Be，模数2.43.0。水泥浆液水灰比为0.8:11:1。若遇空的岩溶通道、较大溶洞或裂隙处，视具体情况先灌注稀的水泥砂浆对溶蚀腔体进行充填，再采用水泥浆液或双液注浆，全充填溶洞一般采用单液注浆。注浆压力，基岩中为不小于0.10.3Mpa，岩土界面附近逐步加大至0.30.5Mpa；岩溶注浆前，确定合理的岩溶地基深度为溶洞底以下2-5m，范围为溶洞宽度

9、加1.5m扩散半径（表2.2-1）。表2.2-1 岩溶注浆设备及参数地质机械材料比例注浆压力基岩XY-100地质钻机和2MPa注浆机水泥浆水：水泥=1:1（质量比）0.3-0.5土层XY-100地质钻机和2MPa注浆机水泥浆水：水泥=1:1（质量比）0.1-0.3空洞和裂隙XY-100地质钻机和2MPa注浆机水泥砂浆水：水泥：砂=0.6:1:0.6（质量比）0.3-0.5双液水泥浆：水玻璃=1:0.25(体积比)0.3-0.5（2）注浆工艺施工准备提前作好岩溶注浆孔位布置平面图、施工技术交底等技术工作。然后进行场地平整，根据岩溶注浆孔位平面布置图，对各孔位进行放样，并测量、记录对应的孔口地面高

10、程，埋设好沉降观测桩，施工期间进行沉降观测。 eq oac(,2)钻孔1）钻进：土层和岩层部分均采用水钻进行成孔。a.土层、粉砂层钻孔：采用108mm钻头钻进，每一回次钻完后，取出土芯，摆放整齐，并用标签记录不同土层的深度。采用110套管，长度为护壁套管露出地面0.20.5米。b.岩层钻孔:基岩面以下采用91mm钻头，钻孔过程中均取出岩芯，摆放整齐，用小标签记录不同岩性和溶洞的深度。如岩层厚度25m，采用92套管，从地面下到溶洞底板以下1m。如岩层厚度25m，则分2次下套管，先用92套管从地面下至钻至岩层25m处，再用72套管下至溶洞底板以下1m，达到设计深度后，用对钻孔进行清洗，清孔时间不少

11、于20min。2)钻孔完成后，及时对岩芯进行编录，分层记录不同土层和岩层的深度，岩溶发育的情况以及地下水位的深度。3)采用水泥砂浆对注浆套管进行固定；然后进行注水试验：选取代表性孔进行注水试验，确定注浆前单位长度吸水量。注浆：1)在套管上安置盘混合器(法兰盘)，调试注浆机，对管路进行试压、检查管路、接头的连接、密封质量，接好压力表，作好注浆准备。2)注水试验完成后，开始注浆。如遇岩溶通道、较大溶洞和裂隙处视情况充填中粗砂、水泥砂浆等。如有岩溶发育但吸浆量少或不进浆时，先采用高压清水洗孔或钻机清孔后疏通岩溶裂隙通道，再注浆。3)对溶洞内有充填物的注浆孔或者对注浆质量怀疑的注浆孔在注浆完成12小时

12、后采用钻机进行清孔再注浆，确保浆液已至溶洞下限或满足设计注浆量和注浆结束条件。封孔：注浆结束后，检查确认终孔条件。卸下法兰盘、拔出套管，回填M7.5水泥砂浆封孔，捣鼓密实，并作好孔口标记。注浆效果检测：注浆后通过物探、钻芯、水压试验法检测处理效果。2 旋喷桩固结旋喷桩采用双排孔加固，布桩参数：半径0.3m，间距0.5m，梅花形布置；布桩范围：第一组距桩基外缘0.5m布置一圈双排旋喷桩加固，第二组距承台外缘1.5m布置一圈双排旋喷桩加固，第三组20#、22#墩对应既有线坡脚处以承台中心为准30m范围内布置双排旋喷桩加固；加固深度：溶腔顶部的淤泥层和粉砂层。（2）旋喷桩施工工艺1）施工工艺流程钻机

13、就位钻孔到设计标高插管搅浆由下向上旋喷作业到设计顶冲洗移位2)确定工艺参数 如下：注浆管：提升速度1520cm；旋转速度2025r/min。水：压力1015Mpa；流量85L/min。浆液压力：15Mpa；流量60Lmin。空气：压力0. 81Mpa；流量0. 7m3/min。水灰比：1:0.81：13）钻机就位 ：钻机安放在孔位上并应保持垂直，施工时允许倾斜度在1.5%内。4）钻孔：采用MJ-50型旋转钻机，钻进深度以钻进至粉砂层底溶腔顶部为准，钻孔的位置与设计位置的偏差不得大于50mm。5）插管：插管是将喷管插入地层预定的深度。使用MJ-50钻机钻孔时，插管与钻孔两道工序合二为一，即钻孔完

14、成时插管作业同时完成。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可边射水、边插管，水压力一般不超过1 MPa，若压力过高，则易将孔壁射塌。6）喷射作业：当喷管插入预定深度后，由下而上进行喷射作业，技术人员必须时刻注意检查浆液初凝时间、注浆流量、风量、压力、旋转提升速度等参数是否符合要求。7）冲洗：喷射施工完毕后，将注浆管等机具设备冲洗干净。 8）移动机具将钻机等机具设备移到新孔位上。3 墩桩成孔过程中应急措施20#-22#墩桩基在钻孔过程中采取抛片填充和全护筒跟进方式，钢护筒跟进至完整基岩面。在钻孔过程中，一旦击穿溶洞，发生漏浆情况，马上回填1:1的黄土、片石混合物并且及时补水，保证孔内水头的高度。施

15、工中控制锤击高度及冲击力，减小扰动，避免塌孔。（1） 抛片填充抛片填充主要针对钻孔中突发漏浆较少的较小溶洞。 首先准备足够的小片石或狗头石（直径10-20cm）和粘土，粘土要做成泥球（15-20cm），对于半填充和无填充的溶洞要组织足够的水源。其次在1-1.5m范围内变换冲程，逐渐将洞顶击穿，以防止卡钻。 根据钻孔的进尺情况，在击穿洞顶之前，设专人观测护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，迅速补水。击穿洞顶后，在溶洞内钻进时，根据填充物的不同，要采取不同的钻进方法。当充填物为软弱粘性土或淤泥时，向孔内投入粘土、片石混合物（比例1：1），冲砸固壁；当为砂层、卵石层时还应提高泥浆的粘度和相对密度。只

16、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过溶洞。（2）全护筒跟进临近京广线钻孔桩先进行注浆，再采用护筒跟进或多级护筒防护的施工方案，21号主墩桩基直径为2.5m，20号、22号墩桩基直径为1.5m。 护筒直径与溶洞层数的关系根据地质情况对21号主墩桩基2.5m钻孔桩拟采用内2.7m开孔护筒，套插内2.6m小钢护筒跟进，套插的护筒要求跟进至桩底，遇多级护筒跟进时，各级护筒级差控制在10cm15cm之间，各级护筒要求搭接1.5m左右，多余部分予以切割，修整后以备其他孔用。各级护筒直径与溶洞层数关系：21#墩桩基护筒层数直径开孔护筒一级护筒二级护筒三级护筒四级护筒12.72.6

17、/22.82.72.6/32.92.82.72.6/43.02.92.82.72.620#、22#墩桩基护筒层数 直径开孔护筒一级护筒二级护筒三级护筒四级护筒11.71.6/21.81.71.6/31.91.81.71.6/42.01.91.81.71.6 护筒插打覆盖层厚度大于10米，护筒受周围土层约束，下沉困难，难以达到岩面，所以采取边钻、边吸、边跟进或者套插小一级差护筒的办法使护筒底口至岩面。 技术要求护筒的制造及施工要求如下：1）钢护筒采用=14mm厚A3钢板卷制而成(符合GB700-88的规定)，直径和长度根据各桩位地质情况确定，护筒底口焊接23道300mm宽10mm厚钢板加固环，以

18、增加底口刚性和强度。2）钢护筒按要求进行焊接，卷边、坡口符合钢结构制造规范。护筒制造对接时要求接缝牢固，轴线一致，无折弯，要求钢护筒周圈及焊缝无孔眼，防止钻孔时漏浆。3）护筒直径制造精度误差小于5mm，为防止运输及插打下沉过程中护筒变形，要求护筒内每间隔34m加一道临时十字木撑或型钢进行加固，护筒制造完毕，经检查合格后才能投入使用。4）安装导向架，在导向架上安装导向框并测量定位抄平，必要时需对导向架进行加固，防止导向架移位或插打时发生跳动。5）导向架导向框安装完毕，调整护筒垂直度，收紧导向架上的上下导向框轻锤打入一定深度后再重锤插打。6）护筒每下沉0.52.0米，检查纠正一次桩位和垂直度，震动

19、打桩机插打时，下沉速度小于0.3m/min时，应暂停下沉，查明情况后进行必要处理。7）护筒最终偏差应垂直度应小于1%，同时小于5cm。图2.2.3-1 钢护筒图2.2.3-2 钢护筒吊装2.3 深基坑开挖及既有线边坡支护余家湾上行特大桥T型刚构分为21#主墩及20#、22#两个辅墩；21#主墩承台为七边形异型承台，长15.2-17.65，宽15.2-17.65，高7.9m，承台内设置转体系统，转体完成后上下承台固结。2.3.1深基坑方案设计由于承台距离既有线太近，基坑开挖深度大、开挖范围大、暴露时间长，所以必须采用稳妥的支护方案来确保基坑开挖时和承台施工期间的既有线安全和施工人员及设备安全。有

20、三个方案备选：（1）、人工挖孔桩+桩间钢筋混凝土挡板；（2）、沉井基础；（3）、钢板桩；（4）、钻孔桩+系梁+冠梁。采用钢板桩施工的几个主要问题：1)钢板桩施工租赁费用过高；2)基坑开挖后由于地基承载力不足，基坑底面容易产生底鼓现象；3)钢板桩基础开挖完毕后需要作钢管横向钢管支承，会影响承台施工。采用人工挖孔抗滑桩施工的几个问题：1)根据计算书，挖孔桩桩长过长，成本高；2)挖孔桩试桩开挖至地面以下6m左右时渗水较大，难以施工；3）需要开挖砂层，安全隐患大。采用沉井的几个问题：1）需要调整调整刃脚宽度以控制下沉速度；2）因地基承载力不足，在开挖过程中需做凹形开挖，防止基坑底部底鼓现象的出现；深入

21、砂层后容易存在涌砂；3）工期比较长，场地小，难以施工。在充分考虑支护方案施工实施的难易程度和对支护效果的科学分析后，最终确定采用在承台和既有线之间施工冲击钻成孔灌注桩的支护方案。2.3.2防护桩方案设计21#墩承台原地面标高为22.00，承台垫层底标高为15.8，开挖深度为6.2m，为保证承台两侧既有线安全、及承台两侧通行便道的稳定及梁体现浇支架的承载力，施工防护采用抗滑桩进行围护。抗滑桩布置设计：抗滑桩沿承台四周布置，桩径1m，桩中心距承台边1.7m，中到中间距1.5m，即保留承台同抗滑桩之间1.2m的预应力张拉工作空间。桩顶设置1m1m的冠梁将承台围起，组成整体、同时在桩底靠近承台底侧设置

22、系梁，对桩基限位固定，系梁高度1.0m、宽度1.0m。抗滑桩之间采用钢筋混凝土挡板将抗滑桩连接为一个整体（图2.3.2-1、图2.3.2-1）。图2.3.2-1 承台基坑防护立面示意图由于桩基在原地面以下9.3m位置为粉砂层且地下水丰富，故采用冲击钻成孔灌注桩，桩身混凝土强度为C35，根据计算书桩长13.5米，桩总量49根，跳桩施工，按四台钻机同时进场，每台钻机每天施工3根抗滑桩，每天可施工12根，5天施工完成。图2.3.2-2 承台基坑防护平面示意图抗滑桩长为13.4m时，基坑稳定性安全系数 K = 1.484总的下滑力 = 584.848(kN)总的抗滑力 = 867.822(kN)土体部

23、分下滑力 = 584.848(kN)土体部分抗滑力 = 867.822(kN)通过计算：沿支架搭设方向桩长埋入端达到抗滑桩足可抵抗桩侧土压力，桩长设13.5米，上设1米厚冠梁；靠近既有线两侧便道位置考虑到行车对抗滑桩影响，抗滑桩能够达到桩侧土压力+行车荷载的土压力。2.3.3冲击钻灌注桩施工抗滑桩采用两批次进行施工，间隔一个孔位施工，防止冲击钻对临孔位桩基的扰动。在钻进过程中，控制泥浆比重，在易塌地层中钻进时，提高泥浆比重，要适当降低成孔钻速，成孔过快易坍孔，泥浆中添加外加剂如CMC（羧甲基纤维素钠）、纯碱等，以确保孔壁稳定。桩孔钻至设计标高后,对成孔的孔径、孔深和倾斜度等进行检查满足要求后开

24、始第一次清孔，完成后吊装钢筋笼、下导管，再进行第二次清孔，待沉碴厚度、孔内泥浆性能满足设计及规范要求后，进行灌注混凝土，完成抗滑桩施工。抗滑桩全部完成后，凿除桩头，绑扎冠梁钢筋，安装模板浇筑混凝土，将抗滑桩桩顶连成整体。2.3.4基坑开挖及承台施工承台开挖采用挖掘机开挖，人工配合清理边坡及基底，基坑开挖完毕后，浇筑抗滑桩之间的钢筋混凝土挡板及承台底的抗滑桩系梁。基坑围护完成后，凿除承台桩基桩头，待桩基检测完成后迅速开展承台施工，先浇筑3.5m高的承台下转盘第一层混凝土，在转动体系的球铰和环形环道钢结构安装完毕后，进行1m高的下转盘第二层混凝土，承台施工高度完成4.5m（图2.3.4-1）。图2.3.4-1 承台基坑开挖2.3.5方案实施效果1支护变形监测方案在进行抗滑桩施工前在承台临近的30m范围内既有线路堤坡脚布置变形观测点，观测点间距3m，每侧11个，承台两侧共设置22个观测点（图2.3.5-1）。施工期间根据施工工序确定观测频率，并及时整理数据，如有异常马