岩溶地区桥梁桩基施工方法及管理探讨

岩溶地区桥梁桩基施工方法及管理探讨

孙军溪

中铁上海工程局集团有限公司上海201101

摘要：岩溶区灌注桩在施工中会因地质条件复杂而造成施工困难。以昌吉赣高铁5标部分桥梁的钻孔灌注桩为例，提出了合理的施工方法、机械选型、成本效益、管控模式以解决岩溶区钻孔灌注桩施工中的关键问题，研究成果有效地指导了昌吉赣5标的基础施工，为同类条件下的桩基础施工提供了丰富的经验和成套解决方案。

关键词：岩溶区；钻孔灌注桩；施工方法；机械选型；成本效益；管控模式

1概述

岩溶又名喀斯特（Karst），是可溶性岩层（石灰岩、白云岩、石膏、岩盐）以被水溶解为主的化学溶蚀作用，并伴随以机械作用而形成沟槽、裂隙、洞穴，以及由于洞顶塌落而使地表产生陷穴等一系列现象和作用的总称。岩溶地层因其特殊性，桩基础冲孔灌注桩施工难度较大，施工质量难以保证，后期运营存在安全隐患。溶洞种类很多，按其填充状态可分为无填充、半填充和完全填充这3类，按其填充物的性质可分为粘性土、砂砾和稀土这3类，按其漏水情况可分为漏水和不漏水这2类。正是由于岩溶地区岩溶形态、充填物、地下水流动的复杂性，施工中主要有泥浆漏失和坍孔、孔壁失稳、偏孔与斜桩、混凝土流失、断桩等现象发生，给施工质量及安全带来隐患。

本人有幸参与昌吉赣高铁建设，施工区段位于峡江和吉水县境内，地质存在岩溶发育现象，在桩基施工过程中采取了多种措施，下文就各种工艺简单介绍及比选。

2国内普遍采用的施工方法

2.1人工挖孔法

人工孔挖桩具有自身的特点和优势。人工挖孔桩能够有效的控制孔底的沉渣，对溶洞和岩石的裂隙能够及时处理，能够很好的保证成桩质量；人工挖孔需求场地小、一次投入成本小，所以在一些场地条件有限、又需要大面积抢工的环境下，仍受大部分施工单位青睐。

一般在岩溶地区挖孔采取短进尺（每0.5m一循环），护壁混凝土掺加速凝早强剂，进入岩溶底层后采用小型取芯机在孔壁周围密排打孔，最后掏芯的方式钻进。

人工挖孔桩受地质和桩长限制较大，且成桩速度缓慢，一般采用人工挖孔桩可施工桩长小于20m、溶洞不大于3m、地下水不丰富的桩基，最关键的是人工挖孔桩需人工地下进行施工，存在很大的安全隐患。

2.2冲击回填法

本方法在岩溶桩基施工中应用广泛，冲击钻成孔的适应能力较强，一般不会受地质的情况限制，安全隐患小。正常成孔方法施工，当钻穿溶洞漏浆时，增加泥浆的供应，反复投入粘土和片石，利用钻头冲击将粘土和片石挤入溶洞和岩溶裂隙中。

如果溶腔较大、无填充物、地下水流动，在回填片石粘土混合物效果不佳的情况下，用导管灌注低标号的混凝土，在灌注7天左右可进行钻孔施工。

但此方法成孔速度慢且用电量大，在工期紧张、需大量投入设备，需充分考虑施工用电；溶洞处理效果一般，一般都需反复回填多次，在成桩质量上会略有不足，且混凝土超耗量大。

2.3钢护筒跟进法

在正常钻孔桩施工中，护筒起着定位、导向、保护孔口和维持孔内水头压力的作用。当岩溶地质情况极为复杂，溶沟、溶洞、溶槽相互连接串通，填充物多为软塑、流塑和无填充的空洞，采用钢护筒跟进是一种行之有效的施工方法。但钢护筒跟进施工工序多，配合设备多，进度慢，成本高。因此这种方法适合于深水桩穿越串珠状溶洞或溶洞大而空的情况。

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地层或岩石上。可用单层护筒跟进或双层护筒跟进。单跟或者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，因此在选型时要特别注意。

对串珠状溶洞其洞内填充物为软塑或卵石土且溶洞不大可采用单护筒跟进成孔。对填充物为流塑且溶洞范围大或者溶洞为空洞状宜采用内外双护筒跟进成孔。单跟或者双跟，不一定要跟至桩底设计标高。在桩底以上一段长度内可根据地质的具体情况用以上两种方法综合使用，也能达到成孔之目的，这样可加快速度，降低成本。

3本项目采用的其他一些改进方法

3.1钢护筒配合人工挖孔法

传统人工挖孔法采用钢筋混凝土护壁，施工过程中需等护壁混凝土达到一定强度后方能继续进尺，且遇岩层后不能爆破作业，施工速度慢。采用钢护筒代替钢筋混凝土护壁能有效解决此问题。

开孔前，采用振动锤将1.5cm厚钢护筒按设计桩位打入土体，第一节以3-4m为宜（具体根据覆盖层厚度，覆盖层较厚、土体较软时可适当加长护筒），然后开始人工开挖，开挖至钢护筒底部以下1m时，接长钢护筒并向下打入1.5m，依次循环直至岩面；然后采用爆破法开挖岩层，循环进尺改为0.5m，直至桩底。

此工艺特点主要有：采用1.5cm厚钢护筒代替钢筋混凝土护壁，有效的控制了孔壁坍塌的可能性，从而杜绝了串孔、地面塌陷等安全风险，为同一墩台位置多开作业面提供了条件；较传统挖孔桩节约了护壁等强时间，从而提高了成孔速度；但存在一次性投入1.5cm厚钢护筒量大，成本较大的缺点。

3.2改进型冲击回填法

传统冲击钻成孔施工，遇到钻穿溶洞漏浆时，采取增加泥浆的供应，反复投入粘土和片石，利用钻头冲击将粘土和片石挤入溶洞和岩溶裂隙中。本项目在实际施工中进行了针对性改进。

①强型泥浆造壁法

对一般隐形小洞侧重于加强造浆护壁功能，采用加强型泥浆护壁的方法。岩溶地区溶洞内填充物种类多且性质复杂，多为塑性或流塑性。在配制泥浆时，根据不同溶洞内土的不同属性，按一定的比例分别加入烧碱、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振捣，挤入溶洞周边和岩溶裂缝中，这就既可以形成溶洞孔壁封闭成环的目的，又能增强泥浆护壁的效果。

②不分散混凝土水下封闭法

在施钻过程中遇到洞隙洞槽或深度3～4m空洞的溶洞时，采用其他方法不能奏效可改用不分散混凝上水下封闭。此方法虽然成本较高，但操作简单。掺用VWB-2型絮凝剂配制的不分散混凝上有较好的流动性、粘稠性、水下耐冲刷而不分散的性能。因此具有遇水不离析、水泥不流失的特点，在水中直接下落和浇注，减少导管法作业程序，操作十分方便。施工中利用它的粘稠性和遇水不离析的特点，提高溶洞封闭的效果。

此方法较原冲击回填法在溶洞堵漏上有一定改进，能缩短一定的成孔时间，但在成桩质量上还是略有不足，混凝土超耗量大。

3.3筒钻旋挖法

目前，国内大功率的旋挖钻机大量投入市场，技术逐渐成熟，加上旋挖钻成孔快的优势，各单位纷纷尝试将旋挖钻机用于岩溶桩基施工中。本项目也进行了应用和改进。

由于旋挖机自重较大，针对岩溶地区覆盖层易塌等情况，修筑钻机平台时一定要换填压实到位，桩顶护筒一定要深入稳定层，一般采用筒钻旋挖土质覆盖层。

进入岩层后采用筒钻加高强耐磨合金斗齿进行钻进，岩溶地质岩面极不规则，因软硬不均极易出现斜孔，采取回填高标号混凝土等强后重新钻进。

遇溶洞后，根据溶洞的特点做不同处理，当溶洞漏浆速度慢或溶洞不大时，采取回填低标号混凝土的措施堵洞；漏浆速度快或溶洞较大时，采用护筒跟进的方法。

此工艺特点主要有：施工速度快，工期紧张的情况下一般优先考虑；但溶洞处理效果一般，在成桩质量上略有不足，混凝土超耗量大；另钻机自重较大，对钻机平台质量要求高，如覆盖层地质条件差，存在较大的安全隐患。

3.4全套管跟进法

全套管全回转钻机是集全液压动力和传动、机电联合控制于一体的新型钻机，具有全转套管装置，压入套管和挖掘同时进行。

该钻机在岩溶地层中施工，不需回填块石，不用另外下套管，利用其自重的良好的垂直度调节性能及钻速、钻压与扭矩的自动控制性能，可顺利地完成穿过溶洞的钻进任务；在溶洞中灌注混凝士时，在套管内进行，添加速凝剂的混凝上不易散失；另外钻机具有强大的起拔力，还可以延时起拔，从而顺利地完成溶洞中的灌注桩施工作业。

全套管全回转钻机灌注桩施工工法的优越性：①环保效果好。由于全套管护壁，不使用泥浆，无泥浆污染环境的缺点。②孔内所取泥士，含水量较低，方便外运。③钢套管的护壁作用，避免了成孔过程中出现塌孔等安全隐患。④挖掘时可直接判别土层和岩层特性，便于确定桩长。⑤应用全套管护壁可避免泥浆护壁法难以解决的流砂等问题。⑥成孔和成桩质量高。⑦成孔直径和挖掘深度大，钻进速度快。

该钻机施工对复杂地层下桩基成孔效率高，但配套机械设备较多，占用较大的施工场地；灌注过程中易发生混凝土坍塌至溶洞中，灌注中易发生砼面突降的风险，灌注中应缓拔套筒及导管并保证混凝土连续供应。

上表所述混凝土超耗量与岩溶发育情况有关，上表数字主要体现各种处理措施下对混凝土超耗的控制效果；人工挖孔和旋挖钻用电非常少，未备注。合理的方案是保证效益最大化的基础。

4.3管理模式的影响分析

目前常见的分包模式有两种，一种按土层、岩层、溶洞处理、泥浆外运及灌注混凝土分项计价分包，一种是综合单价分包。大多数情况下，主材混凝土超耗都是由总包方承担。对于第一种，溶洞处理往往都是采用现场签证的方式，对于分包队伍来讲，溶洞处理采用回填比钢护筒更容易操作且出工程量，往往施工队伍会隐瞒一些实际的溶洞情况要求采用回填方式处理，就会造成回填处理的量比较大且混凝土超耗严重。对于第二种，由于岩溶地区地质情况复杂多变，，往往存在先期制定的综合单价与实际情况不符而改变。

因此前期要根据地勘资料，制定合理的分包模式，尤其是在溶洞处理和主材超耗方面要有有效的控制措施。

结束语

综上所述，岩溶桩基施工在施工成本控制、成桩质量和施工工期控制上很难做到完美，在施工前认真熟悉设计图纸、地质资料、制定切实可行的施工方案尤为重要。随着科技的发展，高机械化施工必然取代传统的人工作业，因此笔者认为，在岩溶桩基施工工法上还需进一步研究，在今后的实践中，应该加强关键要素与环节的研究创新，并注重在具体施工过程中的适用性。

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