巖溶區(qū)碼頭樁基成孔施工研究

李紅旗

（長江重慶航道工程局，重慶 400011）

九江港湖口港區(qū)銀砂灣作業(yè)區(qū)綜合碼頭工程位于江西省九江市，長江中下游東北直水道進(jìn)口段右岸一側(cè)，屬湖口水道向東北直水道的過渡段。本工程共有625 根樁，其中Φ1450 鉆孔灌注樁425 根；Φ1250 灌注型嵌巖樁59 根；Φ850 灌注型嵌巖樁104 根；Φ1000 鉆孔灌注樁37 根。本文結(jié)合該工程施工管理的實(shí)踐，就樁基施工中遇到巖溶問題，作一些思考研究，供大家探討。

1 溶洞分布與特征分析

根據(jù)已有319 個(gè)逐樁鉆孔資料顯示，見溶洞總數(shù)321 個(gè)，見溶洞的鉆孔243 個(gè)，鉆孔見洞率為76.2%。其中，1#引橋逐樁鉆孔總數(shù)39 個(gè)，見溶洞的鉆孔24個(gè)，鉆孔見洞率為61.5%；2#引橋逐樁鉆孔總數(shù)50 個(gè)，見溶洞的鉆孔27 個(gè)，鉆孔見洞率為54.0%；碼頭平臺(tái)鉆孔總數(shù)230 個(gè)，見溶洞的鉆孔192 個(gè)，鉆孔見洞率為83.4%。

2 巖溶分類

2.1 根據(jù)溶洞高度分類

根據(jù)溶洞的高度及發(fā)育規(guī)模可將溶洞分為特大型、大型、中型及小型溶洞。已有探明的321 個(gè)溶洞中存在14 個(gè)特大型溶洞，占4.3%；22 個(gè)大型溶洞，占6.9%；110 個(gè)中型溶洞，占34.3%；175 個(gè)小型溶洞，占54.5%。

表1 巖溶發(fā)育類型（高度）

2.2 是否填充分類

根據(jù)溶洞是否填充分為全填充、半填充、無填充三種類型，已探明的321 個(gè)溶洞中全填充型溶洞為277 個(gè)，占86.3%；半填充型38 個(gè)，占11.8%；無填充型溶洞為6 個(gè)，占1.19%。填充物主要為軟塑狀粘性土夾溶蝕的灰?guī)r碎塊，少量角礫混粘性土或圓礫石。

表2 巖溶發(fā)育類型（填充）

2.3 根據(jù)溶洞頂板厚度分類

溶洞頂板厚度直接影響成孔過程中覆蓋層的穩(wěn)定性，將已探明243 孔有溶洞的樁位，根據(jù)溶第一層洞頂板厚度進(jìn)行分類。第一層頂板厚度≤1.5m 的數(shù)量為124，占51.03%；第一層頂板厚度＞1.5m 的數(shù)量為119，占48.97%。

表3 巖溶發(fā)育類型（填充）

2.4 根據(jù)護(hù)筒位置分類

本工程碼頭平臺(tái)為灌注型嵌巖樁，其鋼護(hù)筒已打設(shè)完成，根據(jù)錘擊沉樁記錄和地質(zhì)勘探資料顯示，水上作業(yè)平臺(tái)超前鉆探數(shù)量共計(jì)248 孔，發(fā)現(xiàn)有溶洞數(shù)209 孔，鋼護(hù)筒位于砂層數(shù)量為160 根，占75.6%，具體數(shù)量如下：

表4 鋼護(hù)筒位置分類

3 樁基成孔施工工藝

水中鉆孔樁遇溶洞地段施工多采用沖擊鉆和正反循環(huán)回轉(zhuǎn)成孔兩種方式，施工工藝各有其特點(diǎn)。沖擊鉆成孔系用卷揚(yáng)機(jī)懸吊沖擊錘連續(xù)上下沖的沖擊力，破碎巖石來成孔，用掏渣筒把大部分石渣、泥漿掏出，少量被擠進(jìn)孔壁。大都采用高頻低振短沖程的吊打沖孔工藝，這樣既不會(huì)卡鉆又不易出現(xiàn)斜孔。正反循環(huán)回轉(zhuǎn)成孔系在泥漿護(hù)壁條件下，用普通地質(zhì)鉆機(jī)慢速鉆進(jìn)，利用泥漿排渣成孔。鉆頭、巖石間不會(huì)劇烈沖撞，不會(huì)造成卡鉆。回轉(zhuǎn)鉆成孔也可能產(chǎn)生斜孔，但多次重復(fù)提升鉆桿鉆進(jìn)就可修復(fù)，工藝相對簡單。本項(xiàng)目樁基直徑大、樁較長，故采用沖擊鉆成孔。

3.1 鋼護(hù)筒埋設(shè)

護(hù)筒的作用為固定樁位，引導(dǎo)鉆頭方向，隔離地面水流入孔內(nèi)，保證孔內(nèi)水位高出地下水位或施工水位，增加水頭高度，保護(hù)孔壁不坍塌，確保成孔質(zhì)量。碼頭水上護(hù)筒采用打樁船施打，護(hù)筒中心與樁中心重合，其偏差不大于30mm，護(hù)筒的垂直度偏差不大于0.3%。

3.2 泥漿制備與循環(huán)

泥漿采用膨潤土泥漿，由粘土、膨潤土、堿等按一定比例利用泥漿攪拌器拌合而成。攪拌時(shí)，先將加入定量的清水，然后慢慢地加進(jìn)與水量相應(yīng)的膨潤土，并開動(dòng)機(jī)器攪拌。成漿后，打開出漿門出漿注入泥漿箱。拌制好的泥漿放入泥漿箱，利用泥漿泵從泥漿箱通過管路向孔內(nèi)添加泥漿。

3.3 鉆機(jī)就位

沖擊鉆機(jī)就位時(shí)，事先檢查鉆機(jī)的性能狀態(tài)是否良好，保證鉆機(jī)工作正常。使用鋼枕作機(jī)座，使底座平穩(wěn)，鉆機(jī)底座交叉對稱拉緊，保證在鉆進(jìn)和運(yùn)行中不產(chǎn)生位移和沉陷，鉆架和鉆桿要豎直，錘頭和樁徑中心在一鉛垂線上，其最大偏差不得大于50mm，以保證孔位正確，鉆孔順直通。在鉆進(jìn)時(shí)，先啟動(dòng)泥漿泵，待泥漿進(jìn)入護(hù)筒內(nèi)一定數(shù)量后，方可開始鉆進(jìn)。根據(jù)孔內(nèi)泥漿情況調(diào)整泥漿配比，適當(dāng)控制進(jìn)尺及加強(qiáng)掃孔。在鉆進(jìn)過程中注意排渣與進(jìn)尺速度的匹配情況。鉆進(jìn)過程中注意向孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿，維持護(hù)筒內(nèi)泥漿水頭高度。升降鉆具應(yīng)平穩(wěn)，尤其是當(dāng)鉆頭處于護(hù)筒口位置時(shí)，必須防止鉆頭鉤掛護(hù)筒。鉆孔過程應(yīng)連續(xù)操作，不得中途長時(shí)間停止。停鉆時(shí)，必須保持孔內(nèi)具有規(guī)定的泥漿水位和要求的泥漿相對密度和粘度。每隔2 小時(shí)進(jìn)行一次泥漿性能指標(biāo)檢測，記錄并檢查。鉆孔過程中，注意孔內(nèi)泥漿的濃度。

3.4 鉆渣處理及余漿回收

水上平臺(tái)設(shè)置4 臺(tái)50 型泥沙分離機(jī)，滿足沖擊鉆機(jī)的泥漿與殘?jiān)姆蛛x要求。每臺(tái)沖擊鉆機(jī)旁邊將配備一個(gè)大鐵桶，回收分離機(jī)分

離出的石頭、碎石、廢棄泥漿等殘?jiān)F通內(nèi)殘?jiān)b滿后由浮吊船回收至船內(nèi)指定位置，達(dá)到一定規(guī)模后運(yùn)至最近的海洋廢棄物傾倒點(diǎn)進(jìn)行傾倒。在樁基施工完成后，將泥漿箱剩余的泥漿和原裝土攪拌，以不發(fā)生滴漏為原則，攪拌后外運(yùn)。

3.5 鉆進(jìn)成孔

在護(hù)筒底部以下2～4m 范圍內(nèi)鉆孔時(shí)，應(yīng)在護(hù)筒內(nèi)加滿相對密度1.2～1.4 的泥漿，進(jìn)尺應(yīng)適當(dāng)控制，在護(hù)筒刃腳處，應(yīng)短沖程鉆進(jìn)，使刃腳處有堅(jiān)固的泥皮護(hù)壁。待鉆進(jìn)深度超過鉆頭全高加正常沖程后可按土質(zhì)以正常速度鉆進(jìn)。如護(hù)筒外側(cè)土質(zhì)松軟發(fā)現(xiàn)漏漿時(shí)，可提起鉆錘，向孔中倒入粘土，再放下鉆錘沖擊，使膠泥擠入孔壁堵住漏漿孔隙，穩(wěn)住泥漿繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)鉆進(jìn)砂層時(shí)，易坍孔。宜選用平底鉆錐、控制進(jìn)尺、低沖程、稠泥漿鉆進(jìn)。以相對密度為1.2～1.4 的泥漿護(hù)壁，中小沖程沖擊鉆進(jìn)。進(jìn)入溶洞前1m 位置，采用小錘、高頻、低振、短沖程的方式?jīng)_擊，同時(shí)根據(jù)不同溶洞大小選擇相應(yīng)方案鉆進(jìn)。始終保持孔內(nèi)充滿相對密度1.3～1.5的泥漿，若發(fā)現(xiàn)漏漿，應(yīng)立即填入相應(yīng)材料進(jìn)行下一步處理。每鉆進(jìn)一段深度后應(yīng)在泥漿池中撈取鉆渣樣品，及時(shí)排除鉆渣并置換泥漿，使鉆錐經(jīng)常鉆進(jìn)新鮮地層。同時(shí)注意地層的變化，在地層變化處均應(yīng)撈取渣樣。當(dāng)鉆穿溶洞漏漿時(shí)或遇到傾斜巖面時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況填入C20 混凝土，間隔一定時(shí)間后采用沖擊鉆沖擊成孔。對于傾斜巖面，為校正孔位，回填混凝土應(yīng)與傾斜巖面頂面平齊；鉆進(jìn)過程中如遇到傾斜巖面時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況填入C20 混凝土或片石，間隔一定時(shí)間后采用沖擊鉆沖擊成孔，

為校正孔位，回填混凝土應(yīng)與傾斜巖面頂面平齊。成孔達(dá)到設(shè)計(jì)高程后，對孔深、孔徑、孔形、傾斜度和孔底沉淀厚度等進(jìn)行檢查，滿足要求后進(jìn)行清孔。

4 溶洞處理

4.1 常規(guī)成孔法

當(dāng)溶洞內(nèi)全部填充硬塑或軟塑亞粘土?xí)r，而且溶洞不漏漿，可以不考慮溶洞的大小、數(shù)量，按照常規(guī)的沖擊鉆鉆孔樁施工工藝進(jìn)行施工。

4.2 充填粘土和片石法

當(dāng)沖孔至溶洞位置發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)泥漿液面迅速下降時(shí)，立即反復(fù)投入粘土和片石封堵溶洞，利用鉆頭沖擊將粘土和片石擠入溶洞或巖溶裂隙中，還可視情況摻入32.5水泥，以增大孔壁的自穩(wěn)能力，并從儲(chǔ)漿池向孔內(nèi)補(bǔ)注泥漿至孔內(nèi)泥漿面穩(wěn)定后再繼續(xù)成孔，防止漏漿及混凝土流失。為有效利用片石，片石與粘土的比例為1：2，如須摻配袋裝水泥，則按摻加比例為每米（按回填高度計(jì)算）4 包。片石采用花崗巖或石灰?guī)r，石塊粒徑以15～50cm 為宜。摻加粘土?xí)r采用水泥袋包裝后投放效果更佳。水泥投放方法以整袋投放為佳。片石、粘土袋和水泥分層間隔摻加。中小型溶洞（溶洞高度≤5m）充填高度宜為6～18m；大型溶洞（溶洞高度＞5m）充填高度宜為15～25m；特大型溶洞（溶洞高度＞8m）充填高度宜為20～35m；

根據(jù)地質(zhì)柱狀圖，在接近溶洞時(shí)勤觀察、勤檢查，憑手握沖擊主繩的手感，鉆頭沖擊巖層的響聲，抽取的巖樣來判斷是否接近巖溶地層。接近巖溶時(shí)主繩松繩量應(yīng)為1～2cm，防止擊穿巖殼時(shí)卡鉆。鉆穿巖溶頂板時(shí)一旦漏漿，要立即投放粘土、片石并補(bǔ)水，以保持孔內(nèi)水位高度。溶洞回填完成后，采用小錘、高頻、低振、短沖程的方式進(jìn)行沖擊，使溶洞內(nèi)擠進(jìn)片石和粘土，造成泥石護(hù)壁。若發(fā)現(xiàn)溶洞內(nèi)泥石護(hù)壁漏漿時(shí)，須再次回填，再次沖擊。存在多個(gè)溶洞時(shí)，先回填上層溶洞，再回填下層溶洞。

4.3 灌注混凝土充填法

當(dāng)溶洞規(guī)模較大時(shí)，采用粘土片石回填反復(fù)沖孔，仍然存在漏漿或滲漿的情況，可采用強(qiáng)度等級(jí)不低于C20 的混凝土進(jìn)行封堵。考慮混凝土充分填充入溶洞，并確保樁身質(zhì)量，每次回填方量暫定12～36 方，且回填至溶洞頂板往上至少3m 處。回填混凝土采用導(dǎo)管下至溶洞底部，采取自下而上的方式回填混凝土封堵后至少24h 后方可重新開鉆，并且要等相鄰孔混凝土灌注完終凝后才能進(jìn)行本樁位沖鉆，以防影響相鄰孔剛灌注混凝土的凝固或振動(dòng)沖擊致使相鄰孔壁坍塌。

4.4 注漿加固法

經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)驗(yàn)證，采用袖閥管注漿法效果最好，袖閥管注漿工具為“塑料管”，管為內(nèi)徑50～75mm，注漿段為帶射漿孔的袖閥管，注漿段以上為實(shí)管。袖閥管每隔50cm 鉆一組（4～8 個(gè)孔）射漿孔，射漿孔呈梅花形布設(shè)，其外為長5～8cm 的橡皮閥包裹。

注漿管分為實(shí)管和花管兩種，為了保證注漿填充質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)底板底至溶洞底下0.5m 段下花管，在底板底至地面段下實(shí)管。下管時(shí)注漿管底部加下悶蓋、下管完成后管口加膠蓋；止?jié){系統(tǒng)由皮碗式止?jié){塞、花管、寶塔頭和管堵組成，止?jié){塞必須采用雙塞系統(tǒng)，而且一套塞子只能包含一環(huán)灌漿孔。選擇注漿漿液一般采用先稀后濃、逐級(jí)加濃的原則進(jìn)行漿液濃度的變換，可采用水固比為1 ∶1，0.8 ∶1，0.6 ∶1 三種配比濃度供注漿時(shí)選擇，三種配比按總量的5:3:2 按先后順序分批次注漿。一般在巖層中注漿連續(xù)灌注40min 仍不起壓，則改用濃一級(jí)的漿液，當(dāng)加濃一級(jí)注漿壓力上升很快時(shí)，則應(yīng)更換原來較稀的漿液繼續(xù)灌注。當(dāng)采用最濃的漿液長時(shí)間灌注仍不起壓時(shí)，則應(yīng)采用間歇注漿，間歇時(shí)間為漿液初凝以后，終凝之前。注漿順序采取由外到內(nèi)約束－開放型方式，即先注溶、土洞最外側(cè)后注內(nèi)側(cè)，隔孔交替進(jìn)行，以控制漿液擴(kuò)散范圍，保證注漿效果。注漿方式采取后

退式分段注漿工藝，即在注漿帶內(nèi)由孔底自下而上進(jìn)行注漿，每次注漿段長1 m，注完第一注漿段后，后退注漿芯管，進(jìn)行第二注漿段的注漿。終孔壓力根據(jù)孔深按0.6-1MPa 控制，并繼續(xù)注漿30min 以上，且有一定的注漿量，吸漿量在15L/min～20L/min 以下時(shí)，即可結(jié)束該孔注漿。袖閥管注漿工藝流程如下圖：

4.5 鋼護(hù)筒跟進(jìn)法

該方法就是在外護(hù)筒內(nèi)一面沖孔，一面沉放并接高內(nèi)護(hù)筒，并且將其壓到或震動(dòng)下沉至已鉆成的孔內(nèi)。水上樁基內(nèi)護(hù)筒直徑比外護(hù)筒直徑小20cm，內(nèi)鋼護(hù)筒原則上下至溶洞底部。當(dāng)鋼護(hù)筒打至第一層巖面或穿過溶洞到下一層巖面時(shí)，鋼護(hù)筒周邊不可能與巖面完全接觸，內(nèi)護(hù)筒與巖面之間一般會(huì)形成較大的間隙，若不加以固結(jié)，在入巖沖進(jìn)過程中會(huì)成為樁孔與樁外的通道，極易造成埋鉆、偏孔、斜孔等現(xiàn)象，留下質(zhì)量隱患，在施工過程中利用沖擊成孔時(shí)對孔壁會(huì)產(chǎn)生擠壓的特點(diǎn)，在鋼護(hù)筒刃腳范圍內(nèi)拋填1～2m3 的小片石和適量粘土，借鉆頭沖擊力把泥漿、石塊擠向孔壁，以加固護(hù)筒刃腳，用2～4m 沖程進(jìn)行沖壓，使其密實(shí)造壁，反復(fù)多次，直至孔底平整才可以向下沖進(jìn)。

塊石粘土沖壓孔壁示意圖

對于樁基穿越洞高較大且填充物為流塑狀溶洞時(shí)，泥漿的穩(wěn)定性差、側(cè)壓力大，若單采用回填粘土和片石法或片石回填后鋼護(hù)筒跟進(jìn)方法，填充物隨流塑狀填充物流入孔內(nèi)，回填數(shù)量巨大，而且清孔費(fèi)時(shí)費(fèi)力，造成混凝土大量流失或泥漿涌入樁孔，引起斷樁事故。可在護(hù)筒內(nèi)部灌注2 米厚度C20 混凝土，待其凝固并完成封閉之后，再換小直徑鉆錐鉆進(jìn)，擊穿至溶洞底，進(jìn)入巖層鉆至樁底標(biāo)高。

內(nèi)護(hù)筒外部防滲固化示意圖

5 溶洞處理方法選擇

經(jīng)對上述五種方法的反復(fù)研究試驗(yàn)，對溶洞頂板厚度≤1.5m 的小型溶洞（溶洞洞高≤1m）采用充填粘土和片石法處理，樁基成孔效果最佳；對溶洞頂板厚度≤1.5m 的特大型、大型、中型溶洞（溶洞洞高＞1m）注漿法處理，樁基成孔效果最佳；對溶洞頂板厚度＞1.5m的大、中、小型溶洞（溶洞洞高≤8m）原則上采用充填粘土和片石法處理，樁基成孔效果最佳；對溶洞頂板厚度＞1.5m 特大型溶洞（溶洞洞高＞8m）采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)法進(jìn)行處理，樁基成孔效果最佳。