巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工技術

高洪生，馬躍原，張小兵，龐帥齊

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

1 工程概況

貴隆高速公路項目（K9+909—K26+200）共有465根樁基處于巖溶地區(qū)，其中樁徑為1.2～1.8 m、樁長12～24 m不等，總樁長為7 388 m。地層巖性以中風化灰?guī)r為主，并含有溶洞、硬質斜巖和破碎巖。

1）溶洞：溶洞規(guī)模較小，連通程度低，最大溶洞高度為1.9 m，平均溶洞高度為0.94 m，最大溶洞體積為9.36 m3，平均溶洞體積為3.86 m3；表現(xiàn)形式為單一和串珠兩種形式，見圖1。

圖1 串珠式溶洞地質縱剖面圖Fig.1 Geological profile of bead type karst cave

2）硬質斜巖：巖石強度高且地質構造為單斜構造，鉆孔取芯室內(nèi)巖石試驗結果表明，多數(shù)巖石的單軸抗壓強度平均值≥60 MPa，最大值為159.6 MPa。

3）破碎巖：多數(shù)破碎層的RQD指標≤30%，破碎程度較高，且破碎層呈現(xiàn)出厚度小、層數(shù)多的特點。

2 施工重難點分析

2.1 任務重、工期緊

廣西地區(qū)雨季長（一般為5—9月），能夠進行橋梁施工作業(yè)的有效天數(shù)十分有限，如果樁基施工不能及時完成，將直接制約橋梁下部結構的施工，甚至影響箱梁架設等后續(xù)作業(yè)。

2.2 巖溶地質條件復雜

巖溶地貌又稱喀斯特地貌，這種地貌主要由石灰?guī)r、石膏、巖鹽等可溶性巖層組成，因常年受地下水流的侵蝕而逐漸形成溶蝕的溝槽或溶洞，使得施工過程中易發(fā)生漏漿、塌孔、埋鉆、打空錘等現(xiàn)象[1]。

2.3 巖層較硬且斜巖分布

部分巖溶地區(qū)因基巖面凹凸不平，巖石堅硬，嚴重制約樁基施工速度，且鉆頭在劇烈沖進基巖面時容易被“V”形的巖溝卡住，容易發(fā)生斜孔現(xiàn)象[2]。

3 施工工藝

3.1 超前鉆孔

在巖溶區(qū)域樁基施工之前進行超前鉆孔以探明基底溶洞發(fā)育情況，確保樁基處于堅實穩(wěn)定的基礎上。設計總樁長為7 388 m，超前鉆孔總長度為9 043 m，獲取每個樁孔的地層結構及分布特征、溶洞分布及大小、溶洞頂板厚度等地質信息，并形成鉆孔取芯記錄表、鉆孔樁狀圖等地質資料。

3.2 溶洞處理

由于溶洞規(guī)模較小，平均溶洞高度為0.94 m，因此采用片石回填、黏土擠壓，低錘高頻的方法，在處理石排分離1-3樁基溶洞過程中關鍵施工步驟有以下幾點[3]：

1）通過測繩量測并計算判斷出沖擊鉆頭在到達溶洞頂板上2 m位置（高程為32.195 m）時，適當降低沖擊鉆沖程（≤1 m），避免發(fā)生打空錘現(xiàn)象，并時刻注意孔內(nèi)泥漿面的變化[4]。

2） 鉆頭鑿穿溶洞頂板后，若發(fā)現(xiàn)泥漿面下降，此時立即用挖掘機添加片石加黏土（按1∶1體積比）回填，并適當加入部分水泥，回填1層、采用鉆頭沖擊至少3遍，使片石和黏土保持密實，回填至溶洞頂部以上1 m位置。然后向鉆孔內(nèi)注入稠度較大的泥漿，使其浸入片石縫隙內(nèi)，然后采用鉆頭低沖程高頻沖擊，使片石和黏土擠入溶洞內(nèi)，形成泥石護壁。

3）若溶洞內(nèi)泥石護壁出現(xiàn)漏漿時，應再次回填，反復回填、反復沖擊，直至不再漏漿為止，直至通過溶洞區(qū)。

穿過溶洞區(qū)域后，就可以正常鉆進，直至終孔，最終樁基檢測結果顯示為Ⅰ類樁[5]。

3.3 旋挖成孔

3.3.1 工藝選取的原因

1） 前期在完整性好（RQD≥75%）、硬度高（單軸抗壓強度≥60 MPa）的斜巖地層中采用沖擊鉆成孔，平均功效不足1 m/d，且需要不斷進行斜孔糾正，機械臺班和片石等材料消耗較多。

2）前期部分橋位無變壓器電力供應、取水困難；樁位基本都在稻田段，沒有影響旋挖鉆施工的構造物。

3）由于溶洞及地下水較豐富，人工挖孔危險系數(shù)高，同時廣西地區(qū)限制使用人工挖孔樁施工工藝，所以不采用該工藝。

綜合以上因素，對于滿足前兩個條件的樁基，采用旋挖鉆成孔。

3.3.2 旋挖鉆機、鉆具和鉆頭的選擇

1）選擇山河智能牌一體化液壓旋挖鉆機，最大扭矩為416 kN·m。

2）結合鉆機性能參數(shù)和地質因素，選擇截齒筒鉆和截齒鉆斗。

3）通過委托具有檢測資質的貴港市科達工程檢測公司對鉆孔取芯后的巖石進行室內(nèi)巖石試驗，得到巖石最大強度值為174.7 MPa，平均值為159.6 MPa，依據(jù)樁位巖石數(shù)據(jù)，選擇優(yōu)質高強合金鉆頭，減少鉆頭損壞，同時大大提升鉆進效率。

3.3.3 施工鉆進

1） 動態(tài)調(diào)整鉆速

當旋挖鉆頭處于軟硬底層過渡段樁基鉆進時，應調(diào)整鉆進速度。由硬到軟時，應提高鉆進速度；當軟地層進入硬地層時，由液壓系統(tǒng)給鉆桿適當加壓（加壓過程均勻，加壓力也不應過大），減速慢進；在易縮徑的地層中，應適當增加掃孔次數(shù)，防止縮徑；在斜巖地層，適當降低鉆進速度，防止卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生同時減小對鉆頭的磨損；針對破碎地層，在護筒跟進的基礎上，以較低的鉆速鉆進[6]。

2） 分級擴孔

適用于樁徑1.8 m且?guī)r石強度高的樁基，采用分級擴孔的方法進行施工。先采用直徑1.2 m的鉆頭鉆至設計樁底標高，再換用直徑1.5 m的鉆頭鉆孔，最后采用直徑1.8 m的鉆頭鉆進，提高了施工功效[7]，與正常旋挖鉆孔功效對比見表1。

表1 功效對比分析Table 1 Contrastive analysis of efficacy

3.4 破碎地層處理

1） 靜漿護壁

①對于破碎程度較低（RQD≥30%）的地層，采用水+膨潤土+火堿配置膨潤土泥漿，組分重量比為水∶膨潤土∶火堿=100∶6∶0.3，在施工過程中配備專門的試驗人員，及時檢測泥漿指標，并根據(jù)地層的變化，及時調(diào)整泥漿的比重。

②對于采用膨潤土泥漿效果不佳的破碎地層，采用專用高效化學泥漿。首先用火堿調(diào)節(jié)水的pH值在8～10之間，然后按照100 m3水加入25 kg的比例加入高效泥漿粉末，攪拌均勻，使黏度控制在30 Pa·s，然后隨鉆進過程不斷補充該泥漿即可。該高效化學泥漿是一種高分子量的人工合成的具有水溶性、易混合特點的粉末顆粒聚合物，在水中充分溶解后成半透明狀，黏度大，在孔壁上形成一張薄薄的富有很強張力的保護層，保證周圍地層的穩(wěn)定，實踐證明具有良好的處理效果。

2） 護筒跟進

鉆進過程中遇到破碎程度較高（RQD≤30%）的巖層，僅僅依靠靜漿是無法保證孔壁穩(wěn)定的，為避免出現(xiàn)塌孔，采用護筒跟進的方法。將厚度為12 mm、單節(jié)長度為1.5 m的鋼護筒跟隨鉆進過程向下沉放，每節(jié)護筒之間通過焊接連接在一起，同時現(xiàn)場專業(yè)試驗人員分析每循環(huán)鉆出的渣樣，指導現(xiàn)場鉆進作業(yè)，確保順利通過破碎地層。

4 功效、成本分析

4.1 功效分析

1）在硬質斜巖的地質條件下，旋挖鉆成孔功效是沖擊成孔的9～10倍。

2） 在軟質砂礫地質條件下，4～5臺沖擊鉆同時作業(yè)可以達到1臺旋挖鉆相同的功效。

4.2 成本分析

1）公路工程中前期進場施工時，大多受制于永久（或臨時）電路未接通，供電只能依靠發(fā)電機，導致耗油量高，增加額外的費用。巖溶地區(qū)樁基處理過程中，需要不斷拋填塊石、黏土、水泥或同標號混凝土等進行斜孔糾正和溶洞填充，這些處理措施使樁基總體施工成本不斷攀升。

2）通過超前鉆孔得到的相關信息，結合不同工點的客觀條件，及時調(diào)整沖擊鉆和旋挖鉆的作業(yè)范圍，硬質斜巖用旋挖，軟質砂礫用沖擊，旋挖鉆與沖擊鉆交替進行樁基施工。雖然部分樁基采用旋挖鉆的施工單價略高，但是綜合對比各種費用及對總體工期的影響，實際表明采用旋挖鉆不但縮短施工工期，還節(jié)省施工費用。

5 結語

1）巖溶地區(qū)樁基施工前，應對每根樁基超前鉆孔取芯，明確巖層結構特征，保證樁底無溶洞等不良地質，同時為制定相應施工方案提供依據(jù)。

2） 在巖層完整性好、強度高（單軸抗壓強度≥60 MPa）的斜巖地質條件下，相比沖擊鉆，旋挖鉆具有成孔功效高且成本低的優(yōu)點，針對工期緊、施工場地又滿足要求時，應采用旋挖鉆，起到縮短工期和節(jié)約造價的效果。

3） 在旋挖鉆施工直徑1.8 m及以上的樁基時，為提高鉆進效率和避免鉆桿損壞，應采用分級擴孔的方法。

4） 針對規(guī)模?。ㄈ芏锤叨取? m）、連通程度低的溶洞，可采用拋填片石、黏土擠壓、低錘高頻的方法進行處理，同時可適當添加水泥，起到降低混凝土充盈系數(shù)的效果。

5）根據(jù)超前鉆孔揭露出的巖層變化特點，應動態(tài)調(diào)整沖程和旋挖鉆速，以降低綜合擴孔率，防止塌孔現(xiàn)象發(fā)生。

參考文獻：

[1] 黃俊光，方引晴.巖溶地區(qū)地基基礎處理的幾個問題分析[J].廣州大學學報：自然科學版，2006，5（1）：74-77.HUANG Jun-guang,FANG Yin-qing.Application analysis on selecting type of karst area foundation[J].Journal of Guangzhou University:Natural Science Edition,2006,5(1):74-77.

[2]王連玉，王浩.淺析巖溶地質對樁基施工的影響及應對措施[J]. 科技信息，2009（5）：86-87.WANG Lian-yu，WANG Hao.Analysis of the influence of karst geology on the construction of pile foundation and Countermeasures[J].Science and Technological Information,2009(5):86-87.

[3] JGJ 94—2008，建筑樁基技術規(guī)范[S].JGJ 94—2008,Technical code for building pile foundations[S].

[4]JTG F80/T F50—2011，公路橋涵施工技術規(guī)范[S].JTG F80/T F50—2011,Technical specifications for construction of highway bridge and culverts[S].

[5]JTG F80/1—2004，公路工程質量檢驗評定標準[S].JTG F80/1—2004,Quality inspection and evaluation standards for highway engineering[S].

[6]姜明和.樁基施工中巖溶地質危害的治理 [J].地質與勘探，2000，36（2）：19-21.JIANG Ming-he.Treatment of geological calamity about karst in execution of pile foundation[J].Geology and Prospecting,2000,36(2):19-21.

[7] 王際好.復雜地質超長樁旋挖鉆施工技術[C]//蒙文硯高速公路施工技術現(xiàn)場交流材料匯編.2016：293.WANG JI-hao.Complex geological long pile rotary drilling technology[C]//Mengzi-Wenshan-Yanshan Expressway construction technology field exchange materials compilation.2016:293.

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方法——所用的原理、理論、條件、對象、材料、工藝、結構、手段、裝備、程序等。

結果——實驗的及研究的結果、數(shù)據(jù)、被確定的關系、觀察的結果、得到的效果、性能等。

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