复杂岩溶地区地质勘察及钻孔施工技术

复杂岩溶地区地质勘察及钻孔施工技术

1溶洞地质构造及施工京沪高速公路四标段后的八丁桥、陈山特大桥、徐州京杭运河特大桥和芦河特大桥位于徐州。该地区地质条件复杂，灰岩岩溶裂隙和地下水非常发育，岩面高低起伏不平，溶洞顶板厚薄不均，溶洞的遇见率达到80%以上，溶洞层数1～9层，溶洞呈单个或串珠型分布(溶洞群)，洞高最小0.1m，最大11.8m，顶板为灰岩、泥灰岩或泥质灰岩，部分溶洞为空洞，部分为硬塑～软塑粉质黏土，粉质黏土夹碎石全填充或半填充，少量为溶蚀明显的蜂窝状灰岩碎块。由于地质构造的特殊性，在钻孔施工中很容易出现塌孔、串孔、斜孔、卡钻、地面沉陷等意外情况发生，在灌注过程中出现混凝土流失大、混凝土面突然下降导致导管悬空出现断桩等。因此在施工前,必须根据地质钻探揭示的地质情况,制定安全可靠的施工方案,施工过程中,并应根据掌握准确的地质情况随时修订施工方案,防止各类质量安全事故的发生。2施工准备2.1地质钻进资料在设计院提供的逐墩桩基地质钻孔展示图的基础上，对部分岩溶较突出的墩台及地质资料不详的桩孔进行了有针对性的地质钻探，做到每根桩都要有详细的地质钻探资料，进一步探明岩溶的覆盖层、发育情况、溶洞填充及岩面倾斜等情况。桥梁桩基探测一般采用钻芯取样法探测是否具有溶洞及其发育情况。但由于钻芯取样的密度受限，很难通过单个孔取样情况，准确得到地层岩溶发育的准确情况。因此在钻孔施工中，必须结合岩溶地区钻孔施工经验，正确判断并及时处理钻孔中遇到的岩溶，为顺利完成钻孔灌注桩施工打下良好基础。2.2控制各根桩岩溶处理方案根据地质核查的结果，编制适合溶洞地区技术要求的钻孔施工工艺。在钻孔桩施工之前，由工点技术负责人编制出每根桩的溶洞处理方案。对作业队伍进行详细的地质、安全技术交底，交底内容主要包括溶洞的标高、大小、形状、填充情况，以及对击穿顶板、岩面倾斜、探头石处理等应采取的措施和操作要领，让每个机手做到心中有数，提前做好预防措施。2.3泥浆泵的准备在钻孔桩施工之前，必须准备充足的溶洞处理材料，包括片石、碎石、粘土、钢护筒等。另外需要准备好泥浆泵，以防漏浆时及时向孔内注浆，防止塌孔。为保证钻机不因塌孔、扩孔、地面沉陷等因素而倾斜，钻机纵、横向支撑应加长，超出预计的塌孔范围，特别是钻机前端的横向支撑不得小于15m，一般采用钢管（壁厚10mm以上，管径400mm左右）作为支撑梁。2.4试验单元启动3闭岩溶地下桩施工钻孔桩施工前，应结合现场实际情况，决定钻孔顺序。同一基础的桩基按照有利于及时封闭溶洞，隔断通道的原则进行组织，先施工外围桩而后中间桩，先安排含有较深、较大、较多溶洞的桩孔施工，先安排长桩施工的顺序进行。岩溶地区钻孔桩一般采用冲击钻成孔。施工过程中应根据岩溶发育程度及溶洞填充情况选择适宜的溶洞处理方法，以确保工程质量。4充填岩下地下水流、桩底有岩溶钻孔桩开钻前，要在掌握溶洞地质资料的基础上，依据溶洞分布情况，即溶洞大小、溶洞垂直分层（层数）、溶洞填充情况和地下水流、桩底顶板范围内有无溶洞、基岩顶表层土层厚度及土层分布的不同情况编制不同的施工工艺，指导钻孔作业。4.1预埋砂浆4.1.1设计要求根据设计要求，桩底顶板3倍桩径深度范围内的溶洞需要充分压浆，将溶洞完全充填、充满，桩底及桩身范围内注浆加固约7天后，再进行桩基施工。4.1.2桩底砂胶结充填岩钻进4.1.2.1根据地质情况选择合适的工程地质钻机，每根桩钻1～4个地质钻探孔作为注浆孔，注浆孔布置一般在钻孔桩中心及桩侧四周一定范围内，当钻探发现地质异常时，尚需增加注浆孔。4.1.2.2设备就位：注浆孔位确定后，移动钻机至钻孔位置，完成钻机就位。钻机就位后，用倾斜尺、水平尺等工具调整钻机角度，安装牢固，定位稳妥。4.1.2.3钻机钻进：将钻杆对准所标孔位，用Φ108mm岩芯管开孔钻进，保证开孔直径≮110mm。开孔时要轻加压、慢速、大水量，防止将孔开斜。每一节钻杆完成后进行取芯、取样后方可继续钻进。4.1.2.4下套管：钻至基岩0.5～1.0m后，下入覬108mm套管，并嵌入基岩；套管出露地表0.2～0.5m。用75号水泥砂浆（或用水泥与水玻璃混合浆更好）固结套管，并将孔口套管四周捣实封闭，防止浆液从套管周围冒出，影响注浆效果。4.1.2.5基岩钻进：待固结套管水泥初凝后，继续钻进。孔内一般采用清水循环钻进，终孔前用清水冲洗，直至返清。如遇硅质灰岩或燧石团块时即改用金刚石等钻进工艺。钻至溶洞充填物改用干钻并取样鉴定，钻进时注意岩溶空洞会出现掉钻具的危险，同时量测空洞的深度、大小，描述充填物的情况，记录要详细。4.1.2.6终孔：(1)根据设计要求确定孔深钻至桩底顶板3倍桩径深度；(2)洗孔；(3)自检；(4)请监理工程师验孔后，拧上孔口盖，准备注浆。4.1.3注浆及总控制4.1.3.1按设计要求，备足42.5级普通硅酸盐水泥，。38°～43°Be、模数2.4～3.0的水玻璃以及注浆管材等，并做好小样配比试验。4.1.3.2注浆前准备：根据设计图及注浆孔岩溶发育程度，做好浆液配比用料。检查搅拌机、注浆泵等设备运转情况；注浆孔孔口盖换上混合器(法兰盘)，对管路进行试压、检查管路、接头的连接、密封质量，搅拌浆液不少于5分钟，且制成浆液停留时间不超过4h。4.1.3.3注浆：选择注浆机及相应注浆设备。先稀后浓，依吸浆情况逐步加浓浆液，配比控制在0.8:1～1.：1；注浆压力应在0.1～0.3MPa，岩土界附近逐步加大至0.3～0.5MPa，最大应不超过1.5MPa。(1）连续注浆不升压，吸浆量不减少时，采用提高浆液浓度或双液注浆措施。双液注浆时采用水泥浆与水玻璃之体积比1:0.5～1:0.4，总量综合配比控制1:0.2。(2）在遇到岩溶空洞或岩溶极发育时，根据其深度在浆液中掺粉煤灰、灌中粗砂等措施。(3）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。4.1.3.4注浆结束：单孔注浆结束除遵循规范、符合设计意图外，综合以下条件可结束注浆。(1）压力控制标准：在正常压力下进浆量不大时，逐渐加压，当压力为500kPa，进浆量小于4L/min时，持续稳定20分钟。(2）地质条件控制标准：清孔确定浆液已至溶洞下限，达到处理效果时。(3）注浆范围控制标准：冒浆点超过有效范围，工艺控制无效时。(4）特殊条件控制标准：当压力不高，注浆量不变，地表出现异常，影响地表环境时。4.1.3.5注浆结束后，由监理工程师检查确认终孔条件。将注浆孔填实封闭，留下标记备查。最后清理场地，去除污染。4.1.3.6施工过程中根据地质条件的变化及特殊情况，在满足设计的情况下及时做好施工方法的调整和处理，确保工程质量。4.2桩基充填物选择在施工中，现场必须根据实际岩溶发育及溶洞填充物情况，分别选择采取长钢护筒跟进、直接回填冲击或两种方法综合使用，确保桩基顺利通过岩溶发育区。4.2.1钻机冲程冲击对于一些溶槽、溶沟、裂隙、溶蚀明显的蜂窝状灰岩碎块、全充填溶洞，该类溶洞当冲锤穿过覆盖层或顶板时，钻孔内会出现一些漏浆，在及时补浆的同时提起冲锤，抛填片石和粘土，待孔内泥浆面基本稳定后，恢复冲孔；减小钻机冲程（一般冲程为1～2m，每分钟冲击6～8下；遇溶洞时冲程可改为1m以下，冲击频率适当减小），利用钻头冲击将其挤入溶洞及裂隙中，完成护壁和成孔工作。4.2.2冲穿岩溶的施工4.2.2.1对于较大单层无填充溶洞，孔口钢护筒打入长度视灰岩顶板以上土层性质而定，如易受钻孔内漏浆引起坍塌的砂层、饱和黏土层则钢护筒要穿过易坍塌地层，或打至溶洞顶板面，钻进过程应注意：(1）根据地质柱状图掌握钻进标高或冲击声判断，钻至距离溶洞顶部1～1.5m时变换冲程，慢慢将溶洞顶板击穿，防止卡钻。同时准备足够的片石和粘土，要组织足够的水源。(2）在击穿顶板时，应有专人密切注意护筒内泥浆面的变化，装载机要在孔口旁就位，一旦漏浆，迅速补浆，按1:1的比例立即回填粘土块和片石，进行冲砸堵漏，只有当泥浆漏失现象全部消失后才能转入正常钻进。如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。同时控制好冲程，以免钻头突然进入空洞，造成钢丝绳断裂。(3）钻头穿越溶洞时要密切注意主钢丝绳的情况，以判断是否钻歪。若钻歪应回填片石或填充素混凝土至弯孔处0.5m以上，素混凝土必须达到一定强度后才能重新冲砸。4.2.2.2若为多层空溶洞或半充填溶洞，采用多层单层钢护筒跟进，第一层钢护筒为孔口开钻段，根据孔口地质条件，确保穿过易坍层,第二层钢护筒待钻至第一层溶洞顶板时，停钻沉放第二层钢护筒，第三层钢护筒待钻孔钻至第二层溶洞顶板时再将钢护筒沉放至该层溶洞顶板。对于钢护筒用几层，在钻孔前应根据地质资料对溶洞各层标高、填充物情况在开钻前编制详细的施工工艺，做好开钻孔口直径和钢材备料，应尽可能避免因坍孔后再采用多层钢护筒。(1）护筒内径选择最下层护筒内径应大于钻孔桩直径20cm，同时外径应小于上层护筒内径10cm左右，壁厚选择12mm。如果下两层或多层钢护筒，护筒直径的选择以此类推。(2）施工步骤(1)测量放样，正确放出桩位中心。(2)埋设钢护筒，钻机就位，钻头对中，开钻。(3)当钻进至溶洞顶板之上1m左右时，沉放第二层钢护筒至孔底，其中心位置应与桩中心重合。(4)护筒间空隙及钢护筒与溶洞底部间空隙使用碎石、水泥浆及粘土冲填固结。(5)冲穿溶洞后，钢护筒及时跟进，防止漏浆，并向孔内投放片石、碎石夹粘土，甚至投入整袋水泥堵塞护筒与岩面之间不能密贴的地方。然后小冲程钻进，使用冲击钻冲砸密实，起到护壁作用，保证泥浆不流失，对于多层溶洞，依此类推，使钻孔顺利通过岩溶区成孔。4.3钻孔过程中的漏浆现象由于钻孔时泥浆比重较大，清孔时泥浆比重较小，在钻孔过程中没有漏浆现象，而在清孔时容易出现漏浆现象。在出现漏浆时，先往孔内加泥浆或水，若泥浆面不再下降，继续清孔，否则回填重钻。4.4灌桩机运行优化岩溶地区钻孔桩灌注水下混凝土与一般地区相同。施工中必须注意：4.4.1保证混凝土生产和运输能力，采用足够的运输罐车，全力以赴保证灌桩,尽量压缩灌桩时间。4.4.2灌注过程中适当加大导管埋深，一般控制在4～8m，防止混凝土面突然下降，导管悬空，造成断桩事故。5.为溶解地区的钻孔事故辩护5.1施工时地质断面图石芽、溶沟、溶槽、溶蚀裂缝、溶洞等岩溶形态发育，或岩层倾斜。在冲击钻孔时，冲击锤向岩土中软弱方向滑移，形成斜孔、弯孔。在施工时，对地质断面图要了解清楚，特别要注意个别地段的基岩埋深，石芽、溶沟、溶槽、溶蚀裂缝、溶洞等发育特征；放慢冲击速度，采用低频率小冲程，时刻观察钢丝绳是否垂直，发现斜孔应及早处理。在钻孔过程中若发现斜孔、弯孔，应及时向孔内抛填片石，填入的片石应高于倾斜面0.5m以上，同时调整钻机冲程于0.6～0.8m左右，用低冲程冲击，反复循环，直至正常。5.2锤、卡锤、删除锤5.2.1导致埋钻事故上覆土层普遍分布有砾砂层，下伏基岩岩溶洞隙强烈发育。砾砂层受打击振动影响，易产生塌孔，导致埋钻事故；或冲击锤进入岩溶洞隙中，特别是竖向型岩溶洞隙中，洞隙较大，冲击锤倾倒；上部岩溶发育地段受冲击振动掉块或掉入异物卡住冲击锤；冲击锤的钢丝绳陈旧、连接处松弛，转向环、转向套等焊接处断裂，造成冲击锤掉入钻孔内。5.2.2检查制约装置的可靠性根据地层情况，控制冲程和冲击速度；在进入岩溶裂隙后，投入片石、碎石、粘土，然后低频小冲，填满裂隙，要经常检查钢丝绳及连接装置是否安全可靠。5.2.3冲击锤冲击法5.2.3.1埋锤、卡锤、掉锤后应及时摸清现场实际情况，不宜强行提拔；5.2.3.2冲击锤若被沉淀物或塌孔土石埋住应首先进行清孔，若在砂砾层中发生卡锤，可下设导管，采用泥浆泵或空压机配合用冲、吸的方法将冲击锤周围的冲渣松动后将冲击锤提出；5.2.3.3松动钢丝绳，使冲击锤转变角度；或用防水炸药（少于1kg）沿冲击锤滑槽放入锤底，然后引爆，震松卡锤；然后采用钻机反复进行冲击，将冲击锤提出；5.2.3.4对严重的塌孔埋锤、卡锤，采用比原来直径大的冲击锤将塌落在原锤上的土、石用捞渣筒清除掉，接触原锤后，再用比原锤直径大的空心锤（建议壁厚为1.4cm的钢板进行制作）冲击至原锤底部使原锤与孔壁分离，然后采用泥浆泵或空压机配合，用冲、吸的方法将冲击锤周围的冲渣松动后将冲击锤提出；5.2.3.5对于上述方案仍不能将冲击锤打捞上来，可采用人工挖孔的方法，为确保护壁稳定，防止坍孔，护壁采用C20钢筋混凝土护壁。护壁厚度为20cm，主筋为φ12mm，间距为10cm上下端带有弯钩，每榀护壁用弯钩筋连接成整体；螺旋筋为φ8mm，间距为15cm。井口护壁应高出地面20cm以上，混凝土用吊桶运送，人工浇筑插捣密实。混凝土可由试验室确定掺入早强剂，以加速混凝土的硬化。人工挖至冲击锤处，对其四周及底部掏松后，用钻机的钢丝绳挂住锤头将冲击锤提出。5.3坍塌孔5.3.1．加强护筒建设5.3.1.1泥浆相对密度不够及其泥浆性能指标不符合要求，使孔壁未形成坚实泥皮。5.3.1.2未及时补浆（或水）或河水、潮水上涨，或孔内出现承压水或钻孔通过砂砾等强透水层，孔内水流失等而造成孔内水头高度不够。5.3.1.3护筒埋置太浅，下端孔口漏水、坍塌或孔口附近地面受水浸湿泡软，或钻机直接接触在护筒上，由于振动使孔口坍塌，扩展成较大坍孔。5.3.1.4在松软砂层中钻进进尺太快。5.3.1.5吊入钢筋骨架时碰撞孔壁。5.3.2卵片石层深护筒5.3.2.1严格按规范要求进行施工，常观察空内泥浆高度，并监控泥浆质量；5.3.2.2储备足够的粘土和片石；5.3.2.3卵石层埋置深护筒，防止上部反复塌孔；5.3.2.4施工人员要密切注意空内情况。一旦发现空内泥