浅谈不良地质条件下的钻孔桩施工

浅谈不良地质条件下的钻孔桩施工

郑继飞

中铁大桥局集团第五工程有限公司江西九江332001

摘要：新建向塘至莆田铁路XPJX-2标段桥梁工程钻孔桩数量庞大，且地质条件复杂。本文重点阐述不良地质条件下的钻孔桩施工。

关键词：钻孔桩；溶洞；注浆；加固

1概述

向莆铁路是以客运为主兼顾货运的快速铁路干线，位于赣东南、闽西北和闽中地区，西起江西省南昌市，经抚州市、福建三明，东至福建中部沿海地区的福州市和莆田市。

其中新建向塘至莆田铁路XPJX-2标段正线长度为51.871km，标段内桥梁工程钻孔桩数量庞大，且地质条件较复杂。

2施工方案及施工方法

2.1总体施工方案

根据本标段工期要求、钻孔桩地质条件、桩基础根数、桩径及设计总延米，统筹安排钻机型号和钻机数量，合理采用旋转钻机和冲击钻机成孔。在地质条件允许的情况下，优先采用旋转钻机。

对于粘土、砂层、砂卵石层及软质岩石中，选择能快速成孔的GPS-15型旋转钻机；对于硬质基岩中，采用CJF-20型冲击钻机冲击成孔。

钻孔桩施工前，先对溶洞和存在地面塌陷隐患的桩孔位采取压浆、灌注混凝土、填砂石料后压浆等方法处理，再进行钻孔作业。大型空洞及流塑淤泥质粘土地层则采用护筒跟进法施工。

处于溶洞区的桥梁，先对溶洞处桩孔位采取压浆方法处理后再进行钻孔作业，并注意采取以下措施：

⑴施工前应做好溶洞处理预案，并根据预案配足必要的材料；

⑵同一基础的基桩逐桩施工；

⑶合理规定施工顺序，先安排外围桩而后中间桩，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；

⑷地质资料不详的柱桩，柱孔在达到设计标高后，应探明桩底以下不小于３倍桩径深度范围内的岩层情况，确认没有溶洞后方可终孔，如发现桩底以下还有溶洞，应提请设计单位进行变更设计。

2.2不良地基处理

本标段桥梁基础工程处于地基主要有浅埋岩溶地层或存在地面塌陷隐患的桩孔，基础施工采取先处理后再钻孔。

⑴钻孔前地面塌陷区的处理

A、加强超前地质钻探，探清塌陷区域及塌陷深度；

B、禁止抽取塌陷区地下水；

C、桩周塌陷区注浆加固；

D、施工时采取措施阻止泥浆及地表水渗入塌陷区内；

E、加深护筒埋设长度。

⑵钻孔前溶洞的处理

A、岩溶处理原则

每根桩先用地质钻机钻探，详细记录地质状况、溶洞深度、高度、填充物类型，并画图列表，为制定相应施工方案提供详实依据。

对填充物进行土工试验，分析其物理力学特性，检测容重、含水量、孔隙率等，为注浆参数计算提供依据。

根据地质钻探资料和填充情况，为每根桩设计出相应的溶洞处理方案、成孔方法及施工措施。

对每种处理方案，都要进行仔细的计算，施工前在桥位外进行溶洞注浆及钻孔试桩试验，取得经验数据，完善施工方案，指导施工。

遇到大溶洞时，请监理工程师核查，明确处理方案，并报监理批准后实施。

根据溶洞的大小、形状、特征等分类采取相应的处理方案，具体见表1所示。

B、一般溶洞处理

对于封闭的比较小的溶洞，采取注浆措施，提供成孔条件穿过溶洞。若洞内无填充物或填充物不满，则采取先填充碎石或干砂，然后注浆或直接灌注混凝土；若充填物呈松散或软塑状态时，直接注浆固结即可；若充填物已固结呈硬塑状态时，则可以直接冲孔，但需加强泥浆护壁。

表1溶洞处理对策一览表

C、大型及复杂溶洞处理

溶洞内无填充物或填充物较少需向洞内充填砂子时，选择一个合适的孔位，放入并固定钢套筒，将注砂管与钢套管相连接，在注浆前灌砂。根据成桩直径、围护体积的最小直径及堆积体成形规律，计算填砂量。用压风机将干砂压入，为防止洞内高压阻止灌砂，利用其它孔作为减压孔。待达到计算的填充体积，压力稳定时，即可停止。

若需要灌入碎石则必须钻一个大孔（直径不小于30cm）放入钢管并固定，钢管上置碎石料斗，碎石粒径不大于20cm，投料时振动钢管，以防止堵塞，填充量控制与填砂控制方法相同。

对于一些溶槽、溶沟、小裂隙等，冲孔时可采取投放片石、碎石夹粘土，甚至投入整袋水泥堵塞起到护壁作用，保证泥浆不流失，使钻孔顺利通过岩溶区。

D、溶洞注浆

溶洞注浆设备采用3SNS高压注浆泵，水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥。溶洞注浆工艺如下：

根据地质情况在每一根桩的中心位置或桥墩承台的四角钻注浆孔。钻注浆孔也是对地质情况的进一步勘探，通过取芯探明溶洞的高度及填充物的详细情况。

用注浆泵注浆，注浆压力控制在0.5～1.0MPa范围，注浆速度15～20Ｌ/min，渗透最小直径保证3.0m，以保证冲钻成孔时溶洞内有足够的固结体。注浆时注浆管必须插入填充物的底部，然后边注浆边缓慢上提，提管速度不宜太快，根据注浆速度确定，应使渗透半径控制在允许范围内。浆液选用水泥浆，水泥浆配合比为水：水泥=0.8：1.0。若需用水泥砂浆，则配合比采用水：水泥：砂=1：1：0.8，需要用双液浆时，水玻璃的含量根据现场试验确定。

单花管注浆，管头花管段长度为100cm，孔眼直径和间距根据现场试孔后确定，注浆管外径为70mm，比钢套管内径要小。

图1泥浆循环系统平面布置图

为防止浆液流失太远造成浪费，采用间歇注浆方式，间歇时间≥6h时，使得先注入的浆液与砂子（或碎石）初步达到胶结后再注浆，循环注浆多次，直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值为止。

注完一个孔后，继续对其余孔进行注浆，后注浆的孔洞压力必须调高，最后封孔。

溶洞处理完毕后，通过物检、取芯或连通试验来检测处理效果。

2.3钻孔桩施工

⑴施工准备

施工前先对桥址处的场地进行平整，并根据地表、地质情况进行处理，防止钻孔过程中钻机失稳，发生安全事故，影响工程质量。钻孔前必须对各桩坐标认真核对，确认无误后方可施钻。

位于旱地上的墩台钻孔桩施工按陆上钻孔要求进行施工，浅水和水塘中基础根据水深分别采用筑岛围堰（水深＜3m）或钢板桩围堰施工方案。

⑵钻进成孔

钻孔前，先埋置导向护筒，灌入护壁泥浆。护筒采用10mm厚的钢板卷制，长度≥2m，其直径要比桩径大20cm。

泥浆采用优质膨润土造浆，造浆配合比见“表2膨润土造浆配合比”。制备及循环分离系统由泥浆搅拌机、泥浆池、泥浆分离器、泥浆沉淀处理器等组成。泥浆循环系统平面布置见“图1泥浆循环系统平面布置图”。

表2膨润土造浆配合比（单位：kg）

配比中掺加剂的用量，要先进行试配，检验配合液的各项性能指标是否符合表中所列指标要求。各种掺加剂宜先制成小剂量溶剂，按循环周期加入，并经常测定泥浆指标，防止掺加剂过量，搅拌好的新鲜泥浆其性能必须适合于地基条件和施工条件。

不同地层下泥浆的性能指标要求见“表3不同地层下泥浆的性能指标表”。

表3不同地层下泥浆的性能指标表

钻机钻孔时尽量安排两相邻桩跳开施工，确实无法错开时，则要等到相邻钻孔桩混凝土强度达到2.5MPa以上后方可施钻，避免扰动相邻已施工完毕的桩基。

在钻孔桩施工过程中，对沉淀池中的沉渣及灌注混凝土时溢出的废弃泥浆随时清理，严防泥浆溢流，并用汽车弃运至指定地点，禁止就地弃渣，污染周围环境。

钻进过程中随时捞取钻渣，判断地层并检验泥浆指标，根据地层变化情况，采用不同钻速、钻压，适时调整泥浆性能，始终保持孔内液面高于孔外水位1.5～2.0m，加强护壁，保持孔壁稳定。

钻孔连续进行，当遇到特殊情况需停钻时，提出钻头，补足孔内泥浆，始终保持孔内规定的水位和泥浆的相对密度、粘度。在砂土层中钻进时，要及时开启泥浆分离器，降低含砂率，保证钻进速度和孔壁的稳定；在粘土层中钻进时应采用改造过的钻头，钻头上设射水管，通过高压射水等措施，及时清除糊钻的粘土，同时要控制钻进速度，加强观察，防止因糊钻而扭断钻杆。

⑶溶岩地段的钻孔作业

钻机支撑点要远离桩位，支点距离应根据可能造成坍塌范围进行估算，严禁将钻机直接支撑在孔口，同时用“八”字缆风绳拴拉钻机。钻机安装就位后，底座和顶端要平稳，不得产生位移或沉陷。

当钻至溶洞顶1m左右时，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（φ15-20cm），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范围内变换冲程或钻头，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，要有专人观测护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，应迅速补水。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，应向孔内投入粘土、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。

对于特大型溶洞或半充填的溶洞或溶洞上方有较厚的砂砾层时，为防止泥浆突然流失，造成孔壁坍塌，采取护筒跟进法施工。

⑷清孔

当钻孔深度达到设计要求时，立即用超声波桩孔检测仪（K-400型侧壁仪）对孔深、孔径、孔形和孔底沉渣量进行检查，确认满足设计要求后，报批后，立即进行清孔。

⑸钢筋笼加工与吊放

钢筋笼加工采用长线法施工，根据桩长整节或分节加工制作。

钢筋笼吊装时配备专用托架，平板车运至现场，在孔口利用汽车吊吊放。

钢筋笼安装就位后立即将钢筋笼中四根加长主筋与钢护筒顶部焊接固定，防止混凝土灌注过程中钢筋骨架上浮。

⑹水下混凝土灌注

采用导管灌注水下混凝土。

混凝土灌注标高比设计标高高出1m以上，多余部分在承台施工前凿除，确保桩头无松散层。

⑺减少钻孔桩沉降主要技术措施

通过桩底压力灌浆使桩底沉渣密实，减少工后沉降，提高承载力。取有代表性的桩进行桩底压浆，作承载力与沉降试验，与未压浆桩作对比，验证压浆的效果，确定是否需做桩底压浆处理。

桩底压浆主要设备：注浆泵、制浆机、储浆箱、其他配件（压力表、球形阀、浆液分配器、溢流安全阀、高压软管、管路接头等配件）。

开始压浆前，制备足够的浆液存放在储浆箱内，在压浆过程中，用直尺测量储浆箱内浆液高度的变化，即可计算出每一次的注浆量。

待桩身混凝土灌注完，声测完成后，开始压水，出浆管口出水后，关闭出浆阀，继续加压，使套筒包裹的注浆孔开裂，裂开压力为2～6MPa。桩底压浆施工在钻孔桩混凝土灌注10d后进行，分三个循环进行桩底压浆，每个压浆循环之间间隔6小时。

⑻桩身质量检测

钻孔桩正式开工前先进行试桩，验证钻孔桩设计承载力，优化钻孔桩设计长度，选择合适的成孔工艺和压浆工艺，指导全线施工，确保桥梁钻孔桩的施工质量。选有代表性的桩作为试验桩，并根据具体情况在适当位置增加试桩，以取得可靠参数。对于摩擦桩，可采用自平衡测试技术进行试桩。

3结束语

新建向塘至莆田铁路XPJX-2标段桥梁工程钻孔桩施工克服了各种不良地质影响，圆满地完成了该项任务，在保证工程质量、工期的同时，没有出现安全事故，为以后同类型的施工积累了经验。

参考文献：

[1]《铁路桥涵施工规范》（TB10203-2002）

[2]《铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB10415-2003）

[3]《桩基工程》（7112096650）