內陸河道巖溶發育地區深水鉆孔樁基礎施工解決辦法

文／安徽省高等級公路工程監理有限公司 趙忠海

1 工程概況

本項目主橋采用四塔五跨矮塔斜拉橋，橋跨布置為（122.42+230+230+206+104.42）m，主橋長892.84m，中間兩個墩采用墩、塔、梁固結—剛構體系。邊上兩個墩設置支座，塔梁固結。主橋下構12~13號主墩為剛構墩。主墩下接承臺，承臺采用六邊形承臺，承臺下設15根φ2.5m群樁基礎，布置3排，每排5根。主橋上構主梁為混凝土變截面箱梁，采用整幅式斜腹板單箱三室截面。

2 項目的地質條件、水文條件

2.1 地質條件

受區域性斷層影響，場地次生構造發育，據鉆探工作成果顯示，湘江河道中存在多條北東向展布的斷裂穿越大橋線位，沿斷裂構造巖體破碎，巖溶發育，斷層帶中碎裂巖、糜棱巖、構造角巖及斷層泥普遍發育，沿斷裂及次生構造巖溶明顯，形成溶槽、溶溝、溶洞等巖溶地貌，對工程影響較大。

2.2 水文條件

項目走廊帶內地表水系較發育，較大的常年性地表水體主要有湘江、祿水、鐵河等河流。區內地下水類型主要為：上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、基巖類裂隙水及碳酸鹽巖類巖溶裂隙水三大類型。一般每年 4～8月為汛期，10月至次年的2月為枯季。水位漲落主要受大氣降水、上游來水和潮水影響，在汛期及大潮期水位較高，在枯水期水位較低。

3 本項目樁基施工特點

3.1 復雜地質構造技術難度大

本項目鉆孔施工難度大，鉆孔樁易出現斜孔、塌孔、斷樁、縮徑、掉鉆等現象。由于樁基是后續工程施工的制約因素，必須在短時間內完成，工期比較緊張。橋位因地質復雜，前期勘察時主橋和引橋孔內共存在49項鉆孔遺留物，對施工進度與設備安全影響巨大。

3.2 水上作業安全風險大

株洲湘江特大橋跨越湘江河道，施工最大水深達26m，流速1.9m/s，河床卵石層厚度達10～20m，常規振動錘振打護筒難以到巖，棧橋及鋼平臺穩固難度大，一旦打穿溶洞，將引發護筒下口塌陷，誘發平臺懸空等一系列地質災害。

4 樁基施工方法

根據《橋梁工程地質勘察報告》說明中結論與建議：施工時注意突然漏漿致使埋鉆事故；樁基施工中也易形成掉塊及坑壁坍塌，尤其是溶溝充填物易突入孔內，造成孔內事故，應加強護壁；施工時注意地下水的承壓性，防止出現涌水、突泥、涌砂、地面塌陷等事故，同時應注意鉆孔遺留物。鑒于場地巖溶發育狀況，建議對主墩全程采用先注漿再成樁的施工工藝，對引橋成樁困難的墩位可采用先注漿后成樁的施工工藝，施工前需進行專項論證。

（1）鑒于復雜的地質條件，因前期地質勘探遺留大量鉆桿、套管等，如采用回旋鉆，鉆孔遺留物對牙輪磨損較大，引發成本激增。

（2）株洲湘江特大橋項目具有較多、各種尺寸溶溝溶洞，如采用回旋鉆，容易卡鉆頭，引發鉆孔事故。

（3）兩種鉆孔方式成孔機理不同：回旋鉆成孔屬于掏空地層，依靠泥漿形成的泥壁，水頭差來穩固孔壁，沖孔鉆依靠對土層高頻沖擊，擠壓至兩側，形成致密的孔壁，如果破開溶洞的瞬間形成水頭差，突泥、涌砂將會導致孔壁坍塌事故。基于沖擊反循環工藝成本低，能更好適用于本項目施工條件，因此樁基擬采用沖擊反循環成孔工藝。

表1 主要設備技術性能參數

5 護筒施工方案

因無法用振動錘一次性將外護筒穿透10米厚覆蓋層，使護筒底嵌入巖面。如果其后用泥漿鉆鉆進，破開溶洞的瞬間會形成水頭差，突泥、涌砂將導致孔壁坍塌，造成事故。而平臺和棧橋因同樣原因未能著巖，次生事故有可能導致平臺垮塌，在平臺上工作的設備人員風險巨大。故采用3.1m外護筒，2.8m鉆頭引孔后，跟進2.8m第一層內護筒入巖，2.7m鉆頭穿透溶洞后采用2.7m二層內護筒跟進，樁周用注漿處理和擠石造壁的全泥漿鉆進工藝。

6 泥漿制備及循環

泥漿站由制漿系統、泥漿池、泥漿凈化器、膨潤土倉庫組成，其中泥漿池分為新漿池、膨化池、回漿池和凈漿池等，所有泥漿池均由鋼制組合式泥漿箱組成。封閉式泥漿循環系統由泥漿泵、鋼護筒、泥漿凈化器、泥漿箱、排渣桶等組成。泥漿由鉆孔內泥漿泵循環排除，經過泥漿凈化分離器凈化后，進入泥漿箱內臨時存儲，然后利用泥漿泵循環至樁孔底。

7 鉆井施工

（1）在埋好護筒和備足護壁泥漿泥土后，將鉆機定位，立好鉆架，對準樁孔中心，就可以沖擊鉆進。

（2）開始時，先在孔內灌注泥漿，如孔內有水，可以直接投入粘土，用沖擊鉆以小沖程反復沖擊造漿、開孔，并應使初成孔的孔壁堅實、圓順，能起到導向的作用。待鉆進深度超過鉆頭全高加沖程后，方可進行正常的沖擊。沖擊鉆進過程中，應采取有效措施防止坍孔;掏取鉆渣和停鉆時，應及時向孔內補漿，在整個沖擊過程中，始終保持孔內水位高度出地下水位1.5m～2.0m，在鉆孔排渣、提鉆頭除土或因故停鉆時，應保持孔內具有規定的水位及要求的泥漿相對密度和黏度。處理孔內事故或因故停鉆時，必須將鉆頭提出孔外。

（3）在護筒中及其刃腳下3.0m以內用低沖程1.0左右、濃泥漿、高頻率反復沖砸，使孔壁堅實、不塌、不漏；在砂卵石等松散層沖擊時，可按1:1投入粘土和小片石（直徑不大于15cm），用沖擊鉆小沖程反復沖擊，使泥膏、片石擠入孔壁；在巖溶易塌孔或不完整巖層時，用低、中沖程1～2m，勤加粘土和片石、濃泥漿使孔壁堅實；遇有流沙現象時候，加大粘土，減少片石的比例，使用小沖程、高頻率，力求孔壁堅實；在基巖層時，用高沖程3～4m，適量加入粘土。

（4）注意均勻的放松鋼絲繩的長度，一般在松軟土層，每次可松繩5cm～8cm；在密實堅硬的土層，每次松繩3cm～5cm。注意防止松繩過少，形成“打空錘”，使得鉆機，鉆架及鋼絲繩受到過大的意外荷載，遭受損壞；松繩過多，則會減少沖程，降低沖擊速度，嚴重時，使鋼絲繩絞纏，發生事故。

（5）及時排渣。當鉆渣太厚時，泥漿不能將鉆渣全部懸浮起來，沖擊鉆頭沖擊不到新的土層，還會使得泥漿逐漸變稠，形成彈簧墊，吸收大量的沖擊能，并妨礙鉆頭轉動，使得沖擊進尺顯著下降，或有沖擊成梅花孔的危險，必須按時排渣。

8 特殊地質處理

13號墩墩位在高程-40m以上主要為溶溝充填物所致，為溶溝、溶洞發育區;-40m以下孔間主要為破碎巖體的反應，該段發育大型巖溶的可能性較小。覆蓋層：礫砂，覆蓋層厚度在10m，頂標高26.0m。基巖：厚40～50米，頂標高11.0～19.0m，巖體極度不完整。

采用3.1m外護筒，2.8m鉆頭引孔后，跟進2.8m第一層內護筒入巖，2.54m鉆頭穿透溶洞后采用2.5m二層內護筒跟進，樁周用注漿處理和擠石造壁的全泥漿鉆進工藝。

9 溶洞處置通用工藝

9.1 溶洞判斷方法

（1）鉆頭入巖后鉆孔出現漏漿或漏塌，當溶洞頂壁被擊穿時，護筒內的泥漿液面急劇下降時，可作為判斷鉆孔遇溶的特征。

（2）鉆頭入巖一定深度后，突然進尺加快，不用提鉆頭而鉆頭自動下沉。

（3）取到的樣巖中，分化巖樣較多，且有鐘乳石碎塊。

9.2 處理方法

樁基施工的巖溶處治，大體可分為靜態化學灌漿法、擠石造壁法、護筒跟進法等三種方法。施工前對樁基施工區域加密勘探，確認地質情況。

10 清孔及終孔檢測

10.1 清孔

鉆孔完成后，提起鉆頭至距孔底約20cm，繼續旋轉。用泥漿泵抽取孔內泥漿至泥漿池，經過沉淀，返回孔內，逐步把孔內浮懸的鉆渣換出。在清孔排渣時，保持孔內水頭，防止坍孔。通過泥漿凈化器及沉淀凈化，調整泥漿至規范要求。

10.2 終孔檢測

針對孔深、孔徑和孔斜的檢測，我部擬采用ZBL-H9000超聲波成孔質量檢測儀進行測孔，此儀器能同時測出4個方向的側壁數據，能在記錄紙上打印測試結果，而且能將測試數據傳輸至PC供日后分析用。樁基檢測圖必須可以確切反映孔壁、孔斜及孔深的信息，檢測結果圖應掃描存檔。

11 結語

株洲湘江特大橋12#墩、13#墩的地形條件十分復雜，我們在實踐中根據不同的情況采用護筒跟進的方法解決穿透巖溶層問題。實踐證明這種方法在巖溶發育地區施工的合理性與安全性。由于在這種特殊的河床地質條件下鉆孔施工安全得到解決，從而保證了鉆孔灌注樁順利施工，為同類地形的鉆孔樁樁基施工提供參考價值。