浅谈岩溶地区钻孔灌注桩施工

浅谈岩溶地区钻孔灌注桩施工

张玉军

张玉军(中铁十七局集团第四工程公司)

摘要：首先介绍了在岩溶地区进行钻孔灌注桩施工的难点和钻机选型；然后，分析了钻孔灌注桩施工技术要点；最后，阐述了岩溶地区钻孔灌注桩常见事故出现原因及处理措施。

关键词：岩溶地区灌注桩施工技术

0引言

我国各地广泛分布着岩溶地貌，其地质及水文地质构造极为复杂，形成了许多诸如石林、石笋、钟乳石、溶洞、暗河、悬泉、瀑布以及隐藏于地层中的溶洞、溶槽、石芽、溶穴等奇特的地貌景观和地质构造。在这些地区进行道路建设常常会需要架设桥梁跨越沟谷，当桥梁采用钻孔灌注桩基础时，需要在岩溶地层中成孔。

1工程难点

岩溶地区地质形态异常复杂，现有地勘手段无法完全摸清。从实际已完工程项目的施工情况来看，岩溶地区成孔有以下几大难关。

1.1成孔过程中漏水、漏浆由于溶洞的大小、分布、走向等地质资料反映不可能十分准确，施工过程中往往出现一些意外情况，在钻进过程中因突然漏水、漏浆导致孔内水头迅速下降，导致护筒挤压变形或塌孔、埋钻，甚至地面大范围沉降等重大安全事故。

1.2成孔事故多由于岩溶地区地质构造复杂，在施工过程中可能会遇到大溶洞、多层溶洞或孔内有石笋、溶沟、孤石、岩面呈斜面、陡坎、异形等复杂情况，在成孔过程中塌孔、埋钻、卡钻、掉钻、钻孔偏斜、移位、弯孔等事故较为普遍。

1.3孔内涌砂当岩面倾斜较大，加之因溶蚀产生溶槽、溶沟或有大块孤石等情况，钢护筒没有完全着岩，在成孔时，由于冲击锤的上下起落引起孔内水位波动，会发生孔壁砂向孔内涌流的情况。

1.4清孔难度大当采用冲击钻机冲击成孔工艺．特别是大直径桩成孔后，怎样清孔，使沉渣厚度及泥浆性能同时符台规范要求，是非常关键的环节。有时换浆达到规范要求时，由于泥浆比重降低，粘度下降，又会重新发生渗漏、塌孔事故。

1.5混凝土灌注难度大由于桩超长，混凝土方量大、灌注时间长，所以桩身混凝土质量控制难度很大。而且通过溶洞段时，还易发生混凝土压力过大引起孔壁坍塌造成混凝土流失或断桩。所以必须精确计算、精心组织，控制好混凝土坍落度与灌注速度。

2钻机选型

岩溶地区因其特殊的地质情况：溶洞发育的不规则性、分布的不确定性、溶洞孔壁的不稳定性、溶洞内充填情况的不确定性、以及是否漏水等，给岩溶地区钻进成孔带来了巨大困难。特殊地质情况下选择何种类型的钻机，适应各种不同类型溶洞成孔问题显得至关重要。

2.1覆盖层钻机选型当覆盖层主要是砂层和粘土层时，为保证钻进成孔，可采用全护筒跟进的施工方法，以保证钻进中覆盖层不塌落而造成塌孔事故。

在覆盖层的施钻工作中，因回旋钻采用气举反循环排渣，进尺效果明显，又能有效的控制成孔的垂直度和孔径，因此在覆盖层施工中，最好选用气举反循环回转钻机。

2.2过渡段施工钻机选型对于溶洞的断裂破碎带即过渡段，岩层表面地质复杂，岩面起伏倾斜、表层破碎、裂隙发育，并伴有溶沟、溶槽和孤石等。在钻进岩面后，护筒刃脚处常脱落掉块而涌沙，这就需要根据不同的地质特点，选择不同类型的钻机，以渡过破碎层。

2.2.1岩面起伏、倾斜较大。在回转钻进中，因滚刀钻头受力不均而令钻机晃动严重，钻杆受扭力而易受损，因此可采用冲击钻进行施钻。

2.2.2岩面倾斜较小，但破碎严重。对此种地质，在用回转钻施工时，会因钻头的搅动而破坏护筒刃脚下的破碎岩石，致使护筒刃脚涌沙，无法继续钻进。因此，可采用冲击钻进行施钻，并抛填粘土和块石，或者回填水泥袋，用冲击钻反复冲钻，挤压破碎岩石，使其在护筒刃脚下形成稳固体，粘土(或水泥)与块石粘结在一起，形成桩孔护壁。

2.2.3岩面倾斜较小，且表面较完整。对此种地质情况，为了达到最好的进尺效果，选用回旋钻机是最为适宜的，并可在回旋钻头上加设长钻具，保证成孔的质量。

2.2.4岩石表面破碎，且有溶蚀沟槽时，回旋钻就不太适宜，最好是选用冲击钻机进行施工，用块石、粘土回填溶蚀沟槽，多次回填、冲钻，以冲过破碎层和溶蚀沟槽，又可达到加固护筒刃脚和造壁的效果。

2.3破除溶洞顶板的钻机选型溶洞顶板岩石一般都比较破碎，且不规则，厚薄不一。在用冲击钻破除顶板时，钻头角常会在伸出溶洞时而被卡住，造成卡钻事故。对大的空溶洞，在破除顶板时，如未控制好冲击钻头的冲程，可能会在顶板穿透时因失重而主绳断裂，会造成掉钻事故。因此，在溶洞顶板的破除施工中，选用回旋钻机较为适宜。

利用回旋钻机易控制钻压和钻进速度的优点，且可选用前导式长钻具钻头，安装钻进自动跟踪仪，根据溶洞顶板的岩石硬度，发育特点，选择合适的钻进参数，以保证钻进的顺利进行。

2.4进入溶洞后钻机选型溶洞顶板破除之后，在进入溶洞的钻进穿越过程中，因溶洞内的发育情况复杂多变，应根据其具体的发育特点，选择最适宜的钻机。

2.4.1洞为空间大溶洞时，选用回旋钻机并加设前导式长钻具进行施钻，效果较好。

2.4.2洞较小但地板岩面倾斜较大时，用冲击钻施工较为适宜。

2.4.3溶洞内为陡坎或半边溶洞时，选用冲击钻进行施钻较好。

2.4.4溶洞内有石柱或石笋时，选用冲击钻施钻，更见效果。

2.4.5溶洞内有溶沟槽时，选用回转钻机施工较好。

2.5单桩同时穿越几层溶洞时的钻机选型

2.5.1桩内几层溶洞较近，顶底板面基本平行，选用回转钻机，并配置长钻具钻头进行施钻，根据各层溶洞的具体地质特点，选择合适的钻压钻速进行钻进。

2.5.2当单桩内几层溶洞层距较大时，应根据溶洞内的发育情况，适宜的选择冲击钻或回转钻进行施工，以达到最有利的进尺效果和最节省的人力和物力。结合多年的桩基施工经验，总结钻机选型表如下

3施工技术要点

3.1成桩工艺流程钻孔灌注桩成桩工艺是：钻机平台塔设——250t振动锤下沉钢护筒——回转钻机钻进成孔(钻埋钢护筒)——振动下沉钢护筒至岩面——过渡段处理——冲击或旋转法成孔——溶洞处理——清孔、下钢筋笼——二次清孔、浇混凝土。

3.2成孔方案选择鉴于岩溶地区地质构造的复杂性，必须慎重选择基桩成孔方案。通常情况下，岩溶地区灌注桩采用冲击钻孔或挖孔施工工艺成孔。

冲击钻孔使用冲击锥这种有挤压侧壁作用的钻机，能广泛适应各种复杂的地质构造，尤其是在处理斜面开孔、半边岩、石笋、溶槽、溶沟及裂隙漏水、漏浆等情况时比较容易，并且施工成本较低；在发生漏浆时，提钻快，不易埋钻。但成孔事故多，进尺慢，对操作熟练程度要求高。

岩溶地区采用挖孔桩，完全是出于地质构造及水文地质构造复杂性的特殊需要。任何钻孔灌注桩都很难克服岩溶地层的特殊地质构造给施工带来的严重困难，施工中经常会造成偏孔、弯孔、卡钻、掉钻等重大事故，严重时还可能形成埋钻、钻机倾覆、钻孔报废等恶性事故。但，人工挖孔技术含量低，设备投入少，投入大量人力即可保障施工进度。由于挖孔的这些优点，挖孔桩已经成为岩溶地区一项极为重要的灌注桩形式。

3.3溶洞处理接近溶洞顶板时，钻机采用小冲程(80cm以下)冲孔，根据溶洞的具体特点，制定相应的处理措施，并根据现场实际情况及时进行调整。

3.3.1体积较小的溶洞。若洞内有填充物且裂隙不发育，钻穿溶洞时，如水头无太大变化，可加大泥浆比重(13g/cm3以上)，按正常成孔方法施工。若为空洞，钻穿后孔内水头突然下降，可采用抛填片石、粘土、袋装水泥混合料等挤密填筑溶洞，直至停止漏浆。

3.3.2洞体较大的空洞或半填充溶洞。施工前应尽可能充分了解溶洞的发育情况、构造、填充物等，若遇发育明显、有裂隙穿过的空洞时，应将钢护筒埋至风化岩层，以防止覆盖土层的坍塌，并准备好片石、水泥包、粘土包等填塞物。

3.3.3埋藏较深、地下水丰富的发育溶洞。钻孔中遇到这种溶洞可打入全程钢护筒到溶洞底层以隔绝溶洞，采用静压化学灌浆法或喷射灌浆法，固结填充物，然后再钻孔施工。若洞内无填充物或填充物不满时，则采取先填充碎石或干砂，然后注浆。

3.4施工要点

3.4.1钻进要点冲钻要视岩石硬度情况确定冲程，若岩石强度低，冲程可略低；反之，则冲程可略高。对于岩溶地区地层中的大块石、漂石等，宜采用高锤猛击或高低冲程交替冲击，务必将大石块捣碎挤入孔壁，并通过粘稠的泥浆)和钻渣将孔壁石缝堵严，避免孔壁漏水，防止发生斜孔、坍孔事故。

3.4.2确定稳定基岩的要点岩溶地区嵌岩桩设计对基岩厚度有明确要求，这是为了避免桩基处于溶洞顶面，造成意外。为确保桩基位于稳定基岩上，“逐桩钻探”钻探深度必须大于设计桩长。在整个冲进施工过程中，必须严格管理，加强观察，尤其是在最后几米的冲进过程中，一旦发现进尺有异常，必须联系地质设计代表，探明情况方可进行下一步施工。

3.4.3掌握桩基的施工次序在一般地区灌注桩施工，尤其是人工挖孔施工中，同排桩往往同时施工，因为这样可以护壁和开挖交替施工，可以充分利用工效，同时可以使水头均匀下降，平衡压力，保障安全。但在岩溶发育区，溶洞往往具有联通性强的特点，这时需要特别注意桩基的施工次序，尽量避免相邻桩基同时施工，以免造成清孔困难，甚至串浆、坍孔。

4岩溶地区钻孔灌注桩常见事故及处理措施

4.1卡钻、掉钻在遇到探头石、落石、岩溶层的溶沟、溶槽或击穿溶洞顶板时，极易发生卡钻，卡钻事故发生的主要原因是击穿溶洞顶板过猛，钻头突然进入溶洞，造成孔形不圆顺或掉入大空洞中而卡钻。

遇到卡钻时，应仔细分析原因，不可妄动，以免造成越卡越紧或掉钻事故，当钻头可活动时，可上下提动钻头，并使钻头转动一个角度，反复尝试，有可能提出，或用吊车配合钻机，同时或交替提动，有时能将锤头提出。用小冲锤(以圆钢或钢轨焊接)在桩孔一侧冲击，并配合高压空气或高压水冲射，使卡点松动后提出钻头。必要时可试用水下爆破法，震松锤，吊车配合提出钻头。

掉钻的原因主要是大锤的老化破断，或大绳与锤头连接不好，钻孔中应时常检查机具设备防止掉钻。

4.2漏浆漏浆是指孔内泥浆突然大量漏失的现象。漏浆产生的主要原因是钻穿溶洞顶板遇无充填物或少量充填物的大空洞，孔壁失去孔内压力，孔内水头急剧下降，外部地下水渗透水压过高而产生水压力，引起孔壁坍塌，造成泥浆严重流失。

遇到漏浆时应立即提出钻头，向孔内补浆或补水，保持住孔内浆(水)面高度，如浆面仍不断下降，应及时进行散抛填，将片石、粘土及水泥制成混合物，视漏浆程度反复抛填，每次应达到1-3m，直到不漏浆为止。当漏浆太快，散填难以达到目的时，应采用集中抛填将粘土袋、袋装水泥、片石等集中在短时间内大量填入。对于溶洞较发育地区，如抛填措施无效时，可采用全护筒跟进方法，并使其长度跟进至岩溶底部岩层。

4.3钻孔偏斜由于钻机钻孔时产生位移、局部下沉或倾斜，或在倾斜的岩面上钻孔、岩质软硬不均时容易造成斜孔和偏孔。

遇到钻孔偏斜时，可采取下列预防补救措施：①在入岩部位、溶洞处理部位要时刻观察钢绳在冲击过程中的摆动情况，校正钢绳与桩孔中心的偏差。②如遇到探头石引起，可用小型钻机对探头石打眼爆破。也可回填片石、卵石，用冲击锤打掉探头后，或将钻架略移向探头石一侧，用冲击锤高锤猛击，斩断探头石。③当发生孔斜时，应立即进行修孔，对于高度小于lm的斜孔段，用小冲程修孔，在倾斜的岩面上冲击出一个台阶，再采用较大冲程冲击。对于斜孔段高度在1m以时，应采用填石修孔法。

4.4塌孔塌孔主要是由于漏浆严重，补水来不及造成的。

常用的处理方法：及时补足泥浆，保持孔内水头高度，同时加粘土、片石混合料，采用小冲程冲孔固壁，防止塌孔扩大；若塌孔扩大，导致地表塌陷时，其处理方法是：小面积塌陷护筒无位移时，应及时回填粘土并用袋装粘土加固护筒后再重钻；若护筒口有较大横向位移并且无法纠偏时，拔出刚护筒，回填塌孔，重新压入护筒在钻。

4.5断桩岩溶地区桩基断桩产生的主要原因是由于溶洞相互沟通，灌注时难以测出混凝土数量，水下混凝土流失严重，造成断桩。预防断桩的措施有：①每次灌注时应备足砂石料及水泥，还应有相应的备用机械。②施工过程严密监测混凝土面上升速度，要保证2m的埋管深度，减少对下部混凝土的扰动。

5结束语

5.1岩溶地区钻孔桩施工的难点主要在于地质条件的复杂性和施工中不可预见的因素太多。因此，在前期勘测中要准确掌握溶洞情况。

5.2根据不同的溶洞发育情况，选择不同的钻机和施工方案。

5.3溶洞钻孔桩施工的事故频繁发生，对可能发生的问题合理预测和有效控制可以将损失降到最小。

5.4拥有富有经验、熟练的操作人员以及进行严密的施工组织与管理也是施工成败的关键。

参考文献：

[1]张忠亭等.钻孔灌注桩设计与施工.中国建筑工业出版社.2007.2.

[2]郭纯青等.岩溶多重介质环境与岩溶地下水系统.化学工业出版社.2006.9.

[3]王靖涛等.桩基础设计与检测——21世纪高等学校教学用书.华中科技大学出版社.2005.9.