复杂地质条件下挖孔桩施工技术

1、复杂地质条件下大直径挖孔桩施工技术工程概况澜沧江悬索桥索塔桩基均采用直径5.5m的大直径挖孔桩，每个塔柱设置一根桩， 桩基铅垂设置，单桩桩顶轴向最大反力6844t，桩基采用C25砼。由于地质构造可能 存在偏差，因此在施工过程中桩底标高的确定以实际揭露的地质情况为准，再根据设 计要求的标准判断，祥云岸索塔桩基桩长30m，桩间距21.2m，临沧岸索塔桩基上游 桩长45m，下游桩长55m，桩间距21.4m。祥云岸索塔因地形条件限制，比临沧岸索 塔晚开工6个月，成为制约大桥总工期的关键性工程，大直径挖孔桩基位于澜沧江侧， 工程地质、水文地质复杂，桩基施工为关键环节。地形地貌、工程地质和水文地质2.1地

2、形地貌澜沧江大桥两岸山势峭立，坡陡水深，施工场地狭小，交通运输较为不便。祥云索塔位于公郎河口右岸鸡冠山，桩顶标高995.964，常水位994.0m左右时， 孔桩边缘距水边分别为4m、2m。祥云岸山体陡峭，约成45斜坡，索塔处及锚锭处 无路可循，且山体表面覆盖着碎石、浮土、腐木，灌木丛生。临沧岸山势稍缓，自然坡度25，山体在江岸边过渡成一小平台，且江边在水 位退后形成淤泥滩地，索塔距水边较远。桩顶标高993.964，常水位994.0m左右时， 孔位距水边分别为9m、5m。两根塔柱挖孔桩中的上游一根位于山脚冲沟之中，下游 一根位于冲沟外侧的山坡上。2.2工程地质祥云岸索塔桩基位于澜沧江左岸鸡冠山，

3、桩基处山势陡峭，横坡约45。中心里 程K122+426，桩顶高程995.964米。临沧岸索塔桩基位于澜沧江右岸平缓的山坡处， 桩基处山势陡峭，横坡约25。中心里程K122+806，桩顶高程993.964米，均属漫 湾水库淹没区，库区常水位994米时，桩基边缘位于水中。因索塔和大桥加劲梁施工 需要，前期在索塔位置利用路基弃方构筑了施工平台，同时为挖孔桩施工提供了便利 条件。孔口 07米为碎石土填方，下伏地层为寒武系无量山地层，为灰色、褐灰色、 灰白色、深灰色变粒岩夹石英片岩、石英片岩夹变粒岩，强一弱风化，碎石一碎块状， 节理裂隙发育，基本沿竖向分层，裂隙可达23cm，透水性强，岩石完整性一般。祥

4、云岸桩基在K122+316右10米范围内有一断层，对该岸岩石破坏较严重，为 澜沧江大断裂的次级断裂。该段的主要不良地质为边坡稳定性差，横坡较陡，其四系堆积物较为松散，易形-11 -成崩塌及滑坡。2.3水文地质地下水主要为孔隙水、裂隙水。孔隙水主要分布于河流洪积层中，一般流量4 50L/s。裂隙水主要赋存于寒武系无量山群第一段，为碎屑岩风化裂隙水。澜沧江悬 索桥位于澜沧江漫湾电站库区上游30Km，江宽水深，水位受下游漫湾电站控制，电 站水库的控制水位为999.4m，江水常水位为994.0m，桥址处江面宽约360m。雨季期 间水库放水，将水位控制在981.0m左右。根据地质勘测资料，岩层裂隙发育且

5、裂隙 中粘土状充填物少，易成为江水渗透通道。大直径挖孔桩施工主要技术难点3.1挖孔桩下部地质为褐灰色、灰色石英片岩夹变粒岩，弱风化碎块状，整体性较差， 挖孔桩开挖最重要的技术难点为：选择针对性强的爆破方式，达到较好的爆破效果， 加快开挖进度。3.2挖孔桩孔壁支护是挖孔施工的关键。爆破开挖孔桩成型后，防止坍塌，要进行及 时支护。孔壁支护的厚度应综合考虑土层参数、特点、地下水分布情况、桩孔深度、 周边荷载和施工工艺等因素进行护壁计算。3.3富水围岩挖孔桩施工为保证桩基混凝土浇筑质量，满足桩基施工要求，必须针对 出水情况和工程特点采取必要的防渗止水措施。施工方案的确定4.1根据索塔挖孔桩下部地质为褐

6、灰色、灰色石英片岩夹变粒岩，弱风化碎块状，整 体性较差等特点，选择适用于中硬围岩，且岩层整体性较差的碎块状结构的预裂爆破 方法，按微震控制爆破设计，电雷管引爆塑料导爆管起爆，并在开挖施工中根据选择 的爆破设计，结合现场地质情况进行爆破试验，不断修正设计参数，优化爆破设计， 以达到最佳爆破效果。4.2经过对挖孔桩的土层参数、特点、地下水分布情况、桩孔深度、周边荷载和施工 工艺等因素综合考虑，按最不利状态考虑，孔深45m全部按碎石土计算，孔壁砼厚度 tN0.102m。由于孔径较大，挖孔较深，为确保施工安全，砼护壁厚度采用15cm厚 C25砼。每次支护高度2m，错台10cm，所以上部25cm，下部1

7、5cm。4.3挖孔桩的止水要根据桩孔出水情况和工程特点采取必要的止水防渗措施，从技术 上的可行性、经济上的合理性，以及工期和现有施工条件等因素，并结合满足挖孔和 混凝土浇注等临时性防渗要求，根据不同的施工阶段，分别选取了孔内超前小导管注 浆、帷幕和化灌联合灌浆。方案实施5.1挖孔桩爆破施工索塔基础挖孔桩下部地质为褐灰色、灰色石英片岩夹变粒岩，弱风化碎块状，整 体性较差，故采用预裂爆破，并按微震控制爆破设计，非电毫秒雷管起爆。挖孔桩开 挖施工中根据预裂爆破设计，结合现场地质情况进行爆破试验，并不断修正设计参数， 以达到最佳爆破效果。5.1.1测量放线利用澜沧江大桥三角导线点进行孔口投点，并将中心

8、点十字线交叉引在挖孔桩孔 口砼护壁上，下部开挖过程中十字线和重锤球向下传递中心线。施工过程中，经常较 核十字线的准确性。在每排炮开钻前准确绘出开挖轮廓线，周边眼、掏槽眼的位置，钻孔布置见索塔挖孔桩爆破设计图。索塔挖孔桩爆破设计图锥形掏槽眼布置图周边眼装药结构图5.1.2钻爆设计说明本设计适用于中硬围岩，且岩层整体性较差的碎块状结构。采用预裂爆破，按微 震控制爆破设计，电雷管引爆塑料导爆管起爆。在挖孔桩开挖施工中根据预裂爆破设计，结合现场地质情况进行爆破试验， 并不断修正参数，以达到最佳爆破效果。成立爆破作业小组，实行定人、定位、定标 准的岗位职责。具体技术措施如下：在每排炮眼开钻前，要准确绘出

9、开挖轮廓线，周边眼、掏槽眼的位置，做出明 显标记，严格按照钻爆设计实施。对周边眼、掏槽眼要由经验丰富的钻工施钻。严格控制炮眼间距，误差不得大于5cm，方向相互平行，严禁相互交错，炮痕率要求达70%以上，炮眼利用率要求达90%以上。周边眼外插角为56，且外斜率不大于10cm/m，周边眼与内圈眼距离误 差不大于5cm,且内圈眼孔深宜大于周边眼5cm。装药作业要定人、定位、定段别，装药前，所有的炮眼必须用高压风吹净尘沫， 严格按设计的装药结构和药量装药。爆破采用RJ_2乳胶炸药(中32药卷长20cm，重190g，中22药卷长20cm， 重90g)，电雷管引爆非电毫秒延迟雷管起爆，采用锥形掏槽。本设计

10、每循环进尺1.0米，风动凿岩机打眼，采用中32钻头开凿，周边眼采 用中22小药卷不偶合装药，以减少对周边围岩的扰动破坏。掏槽眼及辅助眼采用标 准药卷以充分提高炸药的爆破效率。装药结构采用反向装药，即先装引爆药卷，次装普通药卷，雷管聚能穴朝向 眼口，掏槽眼和辅助眼采用孔底连续装药。5.1.3钻爆设计参数钻爆设计参数表周边眼间 距周边眼至内侧崩落眼间距(cm)周边眼装药集中度(kg/m)装药不偶合系数炮眼直径(mm)开挖面积(m2)每循环进尺(m)单位耗:/m3 量40400.181.453428.31.01.0455.1.4钻爆设计炮眼装药量炮眼装药量名 称周边眼掏槽眼辅助眼备 注炮眼数量(个)

11、44566药卷直径(mm)中22中32中32单孔装药量(卷)231.5装药总量(kg)7.922.8518.81E29.585.1.5爆破注意事项爆破时应严格执行土方和爆破工程施工及验收规范的有关规定，并按下列要求施工：（1）装药前电灯、电线应撤离开挖工作面，装药时可用投光灯、矿灯、风灯照明;（2）起爆主导线应敷设在电线和管路的对侧；在地下水较多时，所用爆破材料应 能防水，连接线应采用塑料导线；（3）采用电雷管引爆非电毫秒延迟雷管，由非电毫秒延迟雷管起爆炸药。（4）在闪电打雷时，禁止安装电雷管和联接电线操作，应迅速将雷管脚线和电线 主线两端连成短路。如要继续爆破，可用导爆管引到孔口，改由火雷管

12、引爆。（5）在闪电打雷时，禁止安装电雷管和联接电线操作，应迅速将雷管脚线和电线 主线两端连成短路。如要继续爆破，可用导爆管引到孔口，改由火雷管引爆。5.2挖孔桩护壁施工5.2.1开挖支护形式碎石土及强风化地段砼护壁厚度采用15cm厚C25砼。每次支护高度2m，错台 10cm，所以上部25cm，下部15cm。5.2.2砼护壁参数为了防止塌方，保证施工安全，挖孔桩施工采取分段挖土，分段护壁的方法施工。现根据人工挖孔桩护壁厚度的计算表，计算如下：（1）计算公式：p=Y htg2（45 - /2） + （y -y w）（H-h）tg2（45 - /2） + （H-h） y w，tNKpD/2fc（2）

13、计算参数：P一土和地下水对护壁的最大总压力，N/廿；Y 土的重度，土 20000，石 24000N/m3；y w水的重度，10000N/m3；W 土石内摩擦角，碎石土 50 ，岩层65 ；H一挖孔桩护壁深度，3045m；h地面全地下水位深度，取0m；D一挖孔桩外径，6m；Fc一砼轴心抗压强度值，25000000Pa；K一安全系数，1.65。（3）计算结果：按最不利状态考虑，孔深45m全部按碎石土计算，孔壁砼厚度tN0.102m。由于孔径较大，挖孔较深，为确保施工安全，砼护壁厚度采用15cm厚。每次支护高度2m，-15 -错台10cm，所以上部25cm，下部15cm。5.2.3砼护壁施工本挖孔桩

14、处上层碎石土较为松散，裂隙较大，易渗入，为防止孔口坍塌和河水上 升时渗水，在孔桩上部12m （暂定）范围内拟采用内齿式现浇砼护壁，护壁采用C25 砼，每节2.0m；壁厚15cm，为便于砼浇筑，上口扩大为25cm，且上下两节砼搭接10cm。当孔内挖掘深度达到2.0m左右时，须及时立模支护，灌注护壁砼，模板拟采用 组合钢模拼装，方木或钢管顶撑。环带采用0 22钢筋弯制而成，分成两段，螺栓联 接。为防放炮震动影响，护壁砼中靠内径方向可设中8钢筋网（竖筋间距20cm，环筋 间距30cm），C25砼在搅拌站集中搅拌，现场料斗提升倾倒，人工灌注，振动棒振捣密 实。5.3挖孔桩止水施工5.3.1涌水情况及原

15、因分析5.3.1.1涌水情况由于桥址处地形复杂，前期勘探又未能提供足够的工程和水文地质资料，设计 对该索塔桩基施工可能遇到的挖孔止水困难未作考虑。我们根据已经施工的临沧岸挖 孔桩情况，对祥云岸桩基施工可能的涌水情况作出了一些预计，由于临沧岸桩基距江 水相对较远，且桩基位置地势平缓，淤泥较厚，对渗水起一定封堵作用，从开挖情况 来看，渗水量较少，施工时通过施作护壁、集中引排、局部小导管注浆等措施即得到 解决。祥云岸施工前因资料不充分以及成本等原因未作超前止水施工，希望能通过开 挖地质揭示情况采取针对性措施。开挖时库区水位较低，大致保持在984米左右。当 桩基施工至高程982米左右时（孔深约14米）

16、，一次爆破作业后，孔内突发涌水，经 抽水测定左孔涌水量达200m3/h,右孔水量较小，约150m3/h，为有压水流，喷射距离 可达3米。孔内挖孔作业仅能采用边抽水边开挖的方式进行，开挖和护壁施作极其困 难，且难以保证作业质量和工程进度。通过现场观察、测定，孔内涌水具有以下特征：（1）出水点多为大股集中水流，水质清，压力大；（2）出水点分布于孔壁周边及孔底，顺岩石较大竖向裂隙出露，成喷射状，裂隙 中充填物少；（3）经抽水试验，两个桩孔之间裂隙贯通，孔内水位受江水涨落影响较为明显， 在抽水机械较少的情况下，孔内水位与库区水位高程基本相同，孔内水流应与库水相 通。但不能排除受地下裂隙水影响的可能。根

17、据地质揭示情况来看，孔深13-14米位置发育有一软弱破碎带，该处渗 流明显。5.3.1.2原因分析根据现场施工情况和已经掌握的工程和水文地质资料，孔内出水原因有三：一是 施工平台回填方和表层岩石破碎，容易渗水；二是桩基围岩裂隙发育，充填物少，易 成为江水侵袭通道；三是桩基穿过一软弱破碎带，与江水贯通，渗流明显。5.3.2防渗止水方案的比选确定为满足桩基施工要求，必须针对出水情况和工程特点采取必要的防渗止水措施。 研究认为，选择渗入式灌浆设计防渗止水具有较强针对性。在选择灌浆方案时，我们 充分考虑技术上的可行性、经济上的合理性，以及工期紧迫、现有施工条件等因素， 并结合满足挖孔和混凝土浇注等临时

18、性防渗要求，根据不同的施工阶段，分别选取不 同的防渗标准。挖孔过程中单孔渗水量忍20 m3/h，干孔灌孔作业孔内渗水标准根据公路桥涵施 工规范要求则应达到单孔渗水量8.5 m3/h (渗透系数k 6.75 X 10-6m/s)。不同阶段，我们分别研究实施了以下方案：孔内超前小导管注浆本止水方案应用于涌水初期开挖作业，主要考虑施工简易可行，成本较低，临沧 岸挖孔桩做过局部注浆，现场有配套施工机具，而且能够实现注浆和开挖作业可以交 替进行，争取时间，并为进一步探明下伏地质及涌水状况和选择高标准防渗灌浆提供 依据。帷幕和化灌联合灌浆结合工程特点和施工状况，为满足干孔灌注混凝土较高的防渗要求，经过充分

19、调 研，为在此种类型的围岩中建造较高标准的防渗帷幕，根据工程特点，先在孔外进行 “孔口封闭法，自上而下分段灌浆”防渗帷幕施工，灌注纯水泥浆以封闭较粗的裂隙， 然后在孔内利用混凝土护壁，配合进行浆液粘度低、可灌性好、止水效果快、操作简 便的聚氨酯化学灌浆，封闭残余微细裂隙。确定“以堵为主，以引为辅，先帷幕后化 灌联合注浆”的原则，分阶段对高压富水围岩进行帷幕注浆和水活性化学灌浆。5.3.3方案实施5.3.3.1超前小导管注浆本方案利用隧道工程小导管超前注浆技术，在孔壁周边按100左右的外插角将小 导管打入围岩中，通过小导管进行渗透式注浆，封堵岩石裂隙和孔隙，以达到降低渗 流和止水的效果。方案实施

20、情况：小导管采用42X4的花管、长350cm，环间距为40cm；环与环之间的小导管交错布置；作用半径R = 40X0.6 = 24，取25cm；外插角100；考虑护壁分节高度，环间高度亦采用2.0米，以方便施工，环间搭接长度不小于 1.0 米。采用水泥、水玻璃双液注浆，根据现场注浆试验，水泥浆水灰比采用1： 1-0.8:1;水玻璃浓度35波美度，水泥、水玻璃浆体积比为1：1-1：0.3,注浆压力不小于0.5MPa。该方案在实施前期，对止水起到较明显效果，但随着江水上涨、桩孔加深，孔内 渗水压力加大，效果逐渐变差，部分注浆不好的导管反而成为新的渗水通道。5.3.3.2水泥帷幕注浆5.3.3.2.

21、1帷幕灌浆设计基本情况灌浆方法：由于桩孔表层为回填方和碎石土，设计选择“自上而下孔口封闭 分段灌浆法。”全部岩层均可自行复灌，也利于加固上部松散土体。帷幕平面布置由于桩孔位置岩层节理裂隙发育，透水率大，涌水压力高，结合工程经验和现 场试验，采用梅花孔双排布孔，注浆孔沿孔周布置，每周布设30个，内圈孔半径3.95 米,外圈孔半径5.0米。外圈注浆孔孔距取1.05米，排距1.05米，为加强防渗效果， 内圈孔适当加密，孔距取0.83米。设计帷幕厚度1.5米。电枣注浆深度挖孔桩设计深度30m，最大灌浆孔深取32m，孔底如出现渗漏，采用注浆封堵， 形成封闭帷幕。5.3.3.2.2施工顺序设计为双排孔布置

22、，II序施灌，按照“先外排，后内排，先I序孔，后II序孔” 的施工顺序，循序渐进，逐序加密的原则施工。施工中根据不同地段选择5%的I序孔作为先导孔，全面了解桩基地质情况和压 水灌浆情况，以验证灌浆试验资料，并及时整理分析孔段成果资料。5.3.3.2.3施工工艺采用“自上而下、分段造孔、分段灌浆、循环式灌浆法”方法。钻孔测量放线布孔造孔：开孔直径为？ 110mm，终孔直径不小于？ 75mm。钻进方式：采用XY-1型 钻机，金刚石钻头和硬质合金钻头钻进。下护壁套管，防止孔壁坍塌。压水灌浆孔灌前要进行简易压水，主要了解岩层的渗透率，卡塞是否漏水，灌后也 要做简易压水，吕容值45为合格，压力为80%的

23、灌浆压力。灌浆工艺灌浆程序钻孔一钻孔冲洗一简易压水一灌浆一待凝24小时一钻原灌浆段压水f451u 一合格，往下段钻进，不合格，复灌。分段长度和灌浆压力孔口段4米，2-6段控制在5米。灌浆压力通过现场灌浆试验取得，自上而下 分段设计孔口压力在0.5-2MPa范围内。浆液浓度灌浆时浆液浓度应由稀全浓逐级变换水灰比，采用6:1，4:1，2:1，1:1，0.8:1， 0.6:1六个比级的浆液灌注。灌浆过程控制要点当某一比级浆液的注入量已300L以上或灌注时间已达60min而灌浆压力和注入 率均无改变或改变不明显时，应改浓一级。当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。灌浆过程中，灌浆压力或

24、注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的 处理措施。灌浆宜尽快达到设计压力(特别是第四段以下)，但在灌浆过程中必须注意控制 压力，压力与注入率必须相适宜，在12MPa灌浆压力下，注入率宜小于10L/min。灌浆中特殊情况处理：冒浆用封堵，加浓浆液，降压处理；串浆用两孔同时灌浆 方法进行处理；吸浆量过大时，采用限量、加浓、降压、间歇停灌等方法处理。灌浆过程中应经常转动和上下活动灌浆管，回浆管宜有15L/min以上的回浆量， 以防止灌浆管在孔内被水泥凝住。灌浆结束标准：在设计压力下，吸浆量不大于1L/min时，续灌60分钟可以结束，但浆液浓度 必须与岩层单位吸水率相应，不得随意加大浆液而加

25、快结束时间。封孔基岩自下而上分段灌浆封孔，封孔压力0.4MPa，时间30分钟。灌浆质量检测检查标准一看效果，二看施工程序，三看指标，是否达到设计要求。效果：孔桩内渗水量是否明显减少，能否保证施工。施工程序：施工单位在施工过程中，是否严格按设计及有关技术要求精心施工， 灌浆资料分析结果是否正常及符合灌浆要求规律。设计指标：选10%的检查孔，根据灌浆情况选取布孔位置，钻孔分段试验，根据 压水所得透水率，结合灌浆施工质量，挖孔桩内单位时间渗水量，全面考核评定工程 质量等级。5.3.3.3水活性化学注浆按照确定的联合注浆原则，在帷幕注浆产生一定效果，孔内有压水流明显减小的 情况下，在孔内利用混凝土护壁

26、，配合进行浆液粘度低、可灌性好、止水效果快、操 作简便的聚氨酯化学灌浆，封闭残余微细裂隙。化学注浆使用比利时特护化工de neef系列产品TACSS Cat实施化学注浆止水防 渗。TACSS Cat是一种水溶性较强的高渗透、高膨胀的聚氨酯灌浆材料。未经固化的 TACSS Cat是深褐色、透明状的不易燃烧液体。当与水接触，会立即膨胀并快速（取 决于温度和使用的催化剂量）固化成坚硬的、全封闭的聚氨酯泡沫，迅速封堵渗漏水 部位岩石裂隙，形成致密的防水层。5.3.3.3.1设置截水密封环该桩开挖直径6米，深度30米，其表面积达到1550多平方米，必须针对开挖护 壁处松散圈进行分段截水，开挖孔设置三道截

27、水密封环，按垂直径向80cm，环向间 距100cm布置。5.3.3.3.2护壁接头止水由于浇筑砼时，底部有一定的积水，砼中的水泥浆被抽水时带走，留下一些漏水 的隐患，同时下次开挖爆破对砼的损坏，所以必须对护壁进行修补止水防渗。（1）对砼缺陷部位，用快十水泥进行修补；（2）对漏水部位，埋设引水管道，减低水压；（3）待缺陷砼强度达到70%后，打设注化学浆管道；（4）注入化学浆，形成堵水层。5.3.3.3.3护壁砼蜂窝，密实度较差部位止水由于浇筑护壁砼井下操作有一定难度以及振捣砼的缺陷，使砼产生不同程度的蜂 窝、密实度较差的部位，产生渗漏水现象，须进行处理。（1）打设注化学浆管，标准按打在水源处，直到注浆管有水流出为有效管。（2）安装单向注浆管，实施化学灌浆。5.3.3.3.4施工工艺（1）清除渗漏区域周围表面污染物；（2）研究和确认渗漏类型，并证实渗漏根源；（3）在渗漏区域内，沿渗漏缝以45度角依次钻凿注浆孔，截取渗水通道，注浆 孔深度大于该处护壁厚度；（4）通过钻凿的注浆孔观察渗漏转向，确认注浆孔是否有效；（5）如果在钻凿的注浆孔中没有出现渗漏水，则必须改变位