溶洞群地層橋梁鉆孔樁施工技術

賈 波

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

1 工程概況

梅花店特大橋位于乾佑河上游峽谷區，兩跨乾佑河河道及西旬公路，全長530.54 m，為16孔32 m預應力簡支梁，直線圓形橋墩，橋高22 m。每個墩臺均為4根Φ1.5 m的鉆孔樁基礎。8#～14#墩為溶洞區樁基，樁長26～51 m，共計28根，總長1 006.5 m。其中，8#～10#墩樁基為柱樁，11#～14#墩樁基為摩擦樁。橋梁與主流斜交約8°～14°。地表覆蓋約6～13 m厚砂黏土，其下為碎石土及角礫土，厚約5～15 m不等，其下為千枚巖；河床內覆蓋約5～18 m卵石土夾砂層，其下為具溶蝕性的灰巖。該橋尤以8#～14#墩地質最復雜，位于巖溶發育區及大斷層破碎帶。該段地質主要為斷層壓碎巖，局部為斷層泥及斷層角礫，節理裂隙發育，巖溶混雜其間且極發育。溶洞高度一般為1～2 m，最大為12.45 m，位于14#墩。溶洞孔隙發育，極不規則，多數為松散角礫及砂黏土充填，局部為未充填空洞，存在連通現象。該地層為國內罕見的溶洞群不良地質，施工難度極大。

2 施工方案比選

在施工方案研究中，提出了兩種方案。方案一是先處理、加固溶洞，再按常規鉆孔。具體做法：采用Φ80～150 mm孔徑鉆機鉆孔打穿溶洞，壓注水泥砂漿填充溶隙并加固孔內填充物；對大于50 m3的空洞，則進行間歇壓漿使其固結成島狀，然后按設計鉆孔。該方案需要購買有關設備，壓漿工藝復雜，施工費用大，且壓漿效果無法評估，施工風險大[1-3]。方案二是采用鋼護筒跟進以保證覆蓋層穩定，再采用片石及黏土擠壓等處理加固溶洞段孔壁，通過溶洞。具體做法：先利用Φ1.8 m孔徑鉆機鉆至基巖面下0.5 m處，下入鋼護筒，再用Φ1.5 m孔徑鉆機鉆至規定標高。該方案操作工藝簡單，所需設備少；處理溶洞時，即使發生嚴重漏漿，鋼護筒仍能起保護作用，施工安全度高[4-5]；該方案費用低。通過認真比選，決定采用方案二。

3 鉆孔施工

沖擊鉆孔是溶洞樁基施工的關鍵。本工程采用4臺GCF型正循環沖擊鉆機施工，覆蓋層采用直徑為Φ1.78 m的鉆頭，基巖鉆進采用Φ1.48 m的鉆頭，鉆頭均為十字型。

3.1 施工準備

(1)搭設鉆機平臺，并安裝鉆機。準備好水泥、黏土、片石等溶洞處理材料。(2)埋設孔口護筒。鋼護筒采用厚度大于10 mm的鋼板制作，如圖1所示。吊裝采用16 t吊車，貼角連接采用滿焊，逐節下沉跟進。下護筒前，采用低沖程清洗孔壁探頭，同時制作護筒時外徑應小于孔徑5 cm。如出現護筒下不去，可在護筒頂加蓋，用鉆頭輕擊，使其下至設計標高。下護筒時，以孔口夾板及繃繩定位，并用2臺經緯儀相交校側，以保證鋼護筒下沉斜度不超過1%，孔中心線與軸線相差不大于50 cm。

圖1 制作鋼護筒示意圖

3.2 覆蓋層施工

開孔前對樁位進行復核，孔口護筒埋設應用土密實，以防孔口漏漿、坍孔。開孔采用低、中沖程鉆進，為防止提速過快出現內負壓引發坍孔和鉆桿撞擊孔壁，應均速提鉆。鉆進時應勤抽碴、勤換漿。粉砂層鉆進時更應注意泥漿濃度，加強護壁，并向孔內及時補水，保持水頭高度。

3.3 基巖及溶洞鉆進

進入基巖或溶洞底板時均用片石、黏土回填2～3 m，低沖程沖砸，以防出現斜孔。正常鉆進時采用大沖程。根據設計地質柱狀圖和泥漿漏失情況判斷是否接近溶洞頂板，在離溶洞頂板1.5～2.0 m時，采取小沖程鉆進，通過溶洞時采用擠石造壁等措施。

3.4 清孔及灌注混凝土

清孔采用循環泥漿法。清孔前采用小沖程砸孔底10～15 min，以攪動孔底沉碴；換漿清孔至沉碴厚度滿足要求。下鋼筋籠前檢查孔徑和沉碴厚度，下鋼筋籠時，保證孔口偏差小于5 cm，斜度小于1%。下籠后，再測孔底沉碴厚度，如不滿足要求則采取在灌砼導管的頂部加蓋，與泥漿泵連接，用泥漿循環再次清孔，合格后才能灌注砼。

3.5 溶洞處理

處理溶洞時，應認真研究設計地質樁狀圖，并根據鉆孔中漏漿情況及其他現象，核對實際地質，以采取針對性處理措施。

(1)溶洞內有填充物的處理。此類溶洞填充物多為松散角礫、砂黏土或細砂，鉆進時泥漿漏失現象不明顯，漏漿量少且速度慢，由于孔壁松散，極易坍孔。處理此類溶洞的關鍵在于加固孔壁，并輔以堵漏，如圖2所示。處理時，采用比重1.2～1.4優質泥漿護壁，小沖程鉆孔。如溶洞高度較小，可投入黏土造漿固壁通過，不必采取其他措施，如溶洞高度較大，投入片石、黏土并用小沖程擠壓、沖砸，將其片石、黏土擠入孔壁。

圖2 填充溶洞處理示意圖

(2)溶洞內無填充物的處理。擊穿溶洞頂板時，該類溶洞易發生嚴重漏漿現象，投入片石、黏土等處理后漏漿現象即不太明顯。處理此類溶洞的原理是投入處理材料，在空洞內形成人工島，再鉆孔通過，如圖3所示。擊穿溶洞頂板后，應保持孔內水頭，及時補充泥漿。同時根據設計圖確定溶洞大小，投入處理材料，鉆孔高出溶洞頂板2～4 m時應及時堵漏。對體積較小溶洞體，投入比例為2∶1的黏土與片石，采用小沖程鉆孔通過；如空洞體積大于50 m3，則需投入袋裝黏土、片石等，其比例為1∶1.5～1∶2，必要時投入數袋水泥，采用小沖程沖砸10～15 min，靜置2～3 h后繼續鉆孔通過。

圖3 未填充溶洞處理示意圖

(3)連通溶洞的處理。擊穿此類溶洞頂板時，發生嚴重的漏漿現象，并在下游河內出現冒渾水現象。因有地下水活動，堵漏極為困難。施工8#墩鉆孔時，曾發現9#墩附近河床冒渾水。處理此類溶洞的關鍵在于堵漏，同時兼顧造壁，如圖4所示。擊穿頂板后，應及時拋投袋裝黏土及片石堵漏，并補充泥漿保持水頭，小沖程鉆孔。如無法止漏，可投入數袋水泥，采用小沖程沖砸10～15 min，靜置2～3 h，再小沖程鉆孔通過。

圖4 連通溶洞處理示意圖

3.6 鉆孔事故處理

14#墩1#樁首次鉆孔時，鉆至標高612.318 m時，因鉆頭磨損嚴重，提出補焊，焊好后繼續鉆孔時發生卡鉆。為取出鉆頭，采取了如下措施：一是在孔底放入炸藥炸松巖層；二是用短鋼軌另外加工半圓鉆，在發生卡鉆位置的四周擴孔；三是采用高壓風吹松孔底沉碴，并用泥漿泵抽碴；四是采用2臺鉆機及1臺吊車同時向上提拉。處理20 d未見效果，孔內繼而發生坍孔埋鉆，鉆頭無法取出，原樁報廢。經與設計、監理單位會商，采取補樁，按變更設計處理。

該墩地質最為復雜，溶隙極端發育且錯落無序，鉆孔難度最大，卡鉆處正位于溶洞底部。據分析，卡鉆原因可能有以下情況：鉆頭弧面磨損嚴重，造成上部孔徑不圓順或溶洞頂板出現探頭石，鉆頭易下不易上；鉆頭補焊過多，未緩慢下放及小沖程處理上部孔壁，導致卡鉆；溶洞底部溶槽未處理好，鉆頭下放時被卡在溶槽中；鉆頭下放速度過快，至底部時發生傾斜被卡住。由于溶洞段鉆孔泥漿濃度較稠，含砂率高，處理卡鉆時產生沉碴沉淀，增大了卡鉆的處理難度；由于處理時間過長，孔內換漿不及時，泥皮老化造成坍孔、埋鉆。

針對以上原因，在后續鉆孔施工中采取了預防措施：一是加強對鉆頭磨損的檢查，保證磨耗不超過1.5 cm，磨損后及時用耐磨焊條補焊；二是加強對溶洞頂板擴孔，避免探頭石及孔徑不圓順現象；三是投入足夠的袋裝片石、黏土，用小沖程擠入填平溶隙；四是輕提輕放鉆頭，避免鉆頭傾斜卡鉆。同時，還加強檢查鋼絲繩，發現斷絲立即更換，鋼絲繩接頭等處上足繩卡并擰緊，以防掉鉆。此后，未再發生類似事故。

3.7 坍孔事故處理

施工初期，8#墩1#樁及9#墩1#、2#樁均在628 m高程附近發生泥漿嚴重漏失，造成孔內坍孔，這說明兩墩溶洞存在溶隙相連，為開放型連通溶洞。對坍孔原因進行分析，認為主要有以下5個方面的原因：(1)該溶洞為開放連通型，溶洞內泥漿漏失快，水頭下降突然，無法及時處理；(2)實際地質與設計有出入，處理措施未跟上；(3)覆蓋層孔壁存在探頭石，護筒未下到位；(4)泥漿濃度不夠，護壁效果差；(5)操作不當，發現漏漿時上提鉆頭過快，在孔底引起負壓，或采用沖程過大，引起溶洞周圍風化巖層松動。鑒于上述3根樁坍孔不嚴重，護筒位移均小于5 cm，對下部施工影響小，施工中采取了以下措施處理：采用片石及黏土回填坍孔及四周，比例1∶1；重新補充泥漿保持水頭，比重1.6～1.8，小沖程沖砸鉆孔；效果差，則再次投入片石、黏土，并加入數袋水泥，小沖程沖砸10～15 min，靜置2～3 h后繼續小沖程鉆進。一旦發現坍孔跡象，應及時提出鉆頭，避免發生卡鉆、掉鉆、埋鉆事故，同時應派人觀察，如有引起鉆機四周坍方跡象時，應及時拆出鉆機，避免鉆機埋入溶洞中。如坍孔引起護筒位移過大，影響下部鉆孔，可采用壓重法等進行糾偏；如無法糾偏，可用片石及黏土填平孔樁，其比例為3:1，重新鉆孔。為預防坍孔，鉆孔前應備足片石、黏土及足夠的泥漿；施工中應根據鉆頭撞擊孔底聲音、鋼絲繩松緊、泥漿漏失情況判斷核對實際地質；確保鋼護筒下至設計標高；出現漏漿及時處理，并采用小沖程鉆進。

3.8 其他事故處理

由于溶洞段及粉砂層透水性強，或有地下水活動，鉆孔時均易發生漏漿現象。處理措施是：加稠泥漿或投入黏土造漿；回填黏土及片石、卵石等反復沖砸加固孔壁，必要時投入數袋水泥，沖砸后靜置數小時，固結孔壁堵漏[6-7]。本工程各樁均存在不同程度的漏漿現象，采用此法堵漏效果頗佳。由于溶洞鉆孔采用泥漿比重及黏度較大，泥漿中含砂率較高，若停止循環時間較長，鉆碴易沉淀，造成鉆頭糊鉆，或清孔困難。本工程施工未發生過糊鉆現象，但部分樁基長時間清孔，沉碴厚度仍不能滿足要求。后來在施工中加強了泥漿循環，同時采取了縮短停泵時間，補水保持泥漿比重及黏度適中，清孔時加強換漿，縮短下鋼筋籠時間等多種措施，并加強沉碴厚度測量，確保了沉碴厚度符合要求。

4 結語

(1)該橋溶洞區鉆孔樁施工較順利。除8#、9#號墩3次坍孔及14#號墩卡鉆、坍孔埋鉆外，未發生其他鉆孔事故。經隨機抽芯檢測，樁身混凝土強度及沉碴厚度均滿足驗標要求，質量優良；由于溶洞區鉆孔順利，竣工提前工期6個月。經統計，本工程溶洞樁基施工期間，每臺鉆機平均日進尺1.58 m。溶洞區實際鉆孔工期為6個月，表明采用的施工技術是可行的。

(2)溶洞樁基鉆孔時，應結合設計地質柱狀圖，并根據鉆頭撞擊孔底聲音、鋼絲繩松緊、泥漿漏失等情況判斷核對實際地質，并加強孔深、泥漿比重、孔底沉碴厚度等的測量，確保鉆孔安全及質量。

(3)采用GCF型正循環鉆機施工溶洞鉆孔樁，所需設備少，工藝簡單。此法可適用于覆蓋層為中等厚度的各種土層、基巖破碎且溶隙發育地層的鉆孔樁施工。

(4)溶洞處理的關鍵在于堵漏、造壁。處理時必須先弄清溶洞情況，處理方法必須有針對性，應堅持分類處理；堅持鋼護筒跟進、擠石造壁等措施，采用優質泥漿護壁，小沖程鉆進。