岩溶地区地基处理及桩基施工技术

岩溶地区地基处理及桩基施工技术,岩土工程师考试真题,岩土工程师考试试题,

　　工程概况 

　　工程简介 

　　京福高速公路泰安至曲阜段全长49.863公里，其中在K15+450～K25+000 段集中了大汶河特大桥、土门特大桥等大、中、小桥11座。由于地质情况多变，桥梁桩长设计不等，且流砂、溶洞等不利因素的影响，给桩基成孔造成了很大的困难，使桩基施工成为该项目的重点和难点。 

　　地质概况 

　　大汶河特大桥处于大汶河流域区，其特征是北岸略有淤积，南岸侵蚀后退。南侧河床基岩近乎裸露，北侧河床堆积有较厚的中粗砂层，场地堆层大致分为 3层，自上而下为：中粗砂、风化页岩、石灰岩、裂隙岩溶，主要发育在孔深（自施工地算起）7～15米和孔深19～23米处。土门特大桥位于大汶口盆地的东南部边缘，大汶河北岸二级阶地一线，地下水位埋深9～14米，地层按成因共分3 层，上部发育有较厚的汶河冲积砂层，厚度10～15米，最厚处达24米，其下为汶口组强风化泥岩（已完全风化为粘土），第3层为中奥陶系石灰岩，本层次变化较大，各桩号处深度，结构均不一致，溶洞裂隙特别发育，已基本串通，且与汶河地表水有水力联系，水量丰富，部分桩号形成了极软及流塑状粘性土，（稀泥），构成场地复杂的水汶地质及工程地质条件。 

　　施工方案及其实施情况 

　　本段的地质条件有两大难题困扰着桩基成孔，一是上部厚砂层遇水形成流砂，极易造成淤积、塌孔；二是岩层中的溶洞，溶液沟和部分桩基处形成的流塑状粘性土（稀泥）极易造成塌孔、斜孔、卡（掉）钻、缩孔，尤其是上部厚砂层在遇到未充满的大溶洞时，钻孔可能出现整体坍塌，损坏钻机，危及人身安全。为确保桩基成孔顺利，进场后我们对部分桩基进行了钻探，目的在于查明地质情况和岩溶发育规律，共增设地质钻孔166个，加上设计提供的地质钻孔88个，基本上概括了本段的地质情况，地层结构，确定采用挖孔和冲击钻钻孔两种方案。施工中根据实际情况，部分桩基采用了挖孔和钻孔相结合的方案，实施效果比较成功。 

　　挖孔桩施工 

　　1、挖孔桩施工遇到的主要问题是排水和流砂处理，最早施工的挖孔采用沉井法砖砌护壁，汶河桥0#台，1～3# 墩采用此法施工，但挖至10～12米时，遇水形成流砂，因流向不均，造成孔位偏移，多次纠偏而不能较正。经研究后改用现浇混凝土护壁，为10～15 厘米厚C25混凝土护壁，采用525水泥，掺加早强剂等措施，提高混凝土护壁的早期强度，加快拆模时间。为保证护壁不坍塌，不脱落，在护壁内加设竖向及环形拉结筋，采用Φ8盘条钢筋，环形筋0.4～0.6米设一道。竖向拉结筋根据孔径不同分别为6根、8根、10根。 

　　2、砂层挖孔施工在深入地下水位后，极难挖进，基本上是边挖边被淤平。该处施工时缩短了护壁长度。每挖进0.3～1.5米左右便支模浇筑护壁，并以袋装水泥、片石、草袋堵塞等措施封堵流砂。对于溶洞、暗流及承压水造成的排水困难或涌砂现象，采用注浆法封堵，具体作法：清理桩孔后，填放袋装泥土充填桩孔，浇筑50厘米厚水下混凝土封顶盖，待48小时，封顶凝固后进行压浆，压浆24小时后重新抽水开挖。压浆给进程序为：泥浆→水泥浆→水泥砂浆。砂浆配合比例为：水泥∶砂=1∶1，掺入水泥用量1%的水玻璃，水泥砂浆稠度控制在2s～10s，浆泵压力控制在0.4～0.6MPa。 

　　3、K22+062通道桥12根Ф1.2米桩基，挖孔至12～14米深时，因水量大，很难挖进，0#台右1桩，1#台右3桩因流砂现象变成涌砂，原先已挖至14米深，但第二天量测时变为11米，涌进3米厚砂。我们采用注浆法封水，12根桩共注浆19次，投入水泥123吨。 

　　钻孔桩施工 

　　1、场地准备 

　　钻孔桩施工场地必须合理布置，首先应保证工地便道畅通，保证混凝土浇筑时的车辆，设备具备工作面，土门特大桥钻孔施工时泥浆池尽量避开连续的工作区，降低地基处理费用。汶河特大桥首先填筑一条8米宽便道，主河道处设置2孔×5米的便桥，然后对各排桩孔处进行筑岛，岛面高出水面0.5～1.0米。 

　　2、护筒的制作与设置 

　　护筒的作用是固定位置，导向钻头，隔离地面水，提高孔内水位，保证孔口不坍塌，防止钻机坍塌，其埋设情况对成孔、成桩的质量有重大影响。汶河桥 13～27号桩位于河道中，尤其13～20号桩，河床上淤积有3～4米的砂层，地下水位与地表河水相当，钻孔时易出现坍塌或反穿孔现象。我们采用10毫米厚的整体式钢护板，其内径比桩径大30厘米，长为6～8米，采用16吨的吊车配合90KW的震动锤将护筒穿过新填土及砂层，进入风化页岩约2米，土门特大桥为6毫米厚钢板焊制2.5米长护筒，采用挖埋法将护筒就位。后期基本为挖孔与钻孔相结合，即以挖孔桩的混凝土护壁作为长护筒进行冲击钻孔。 

　　3、泥浆制备 

　　泥浆性能指标 

　　表1指标 相对密度 粘度 含砂率 胶体率 酸碱度 数值 1.2～1.4 22s～26s ≤4% ≥95% 8～11 

　　为保证泥浆性能，我们从20公里外的北山购买优质红粘土，为提高泥浆的胶体率和稳定性，降低失水率，经实验后，按孔中泥浆的0.2%掺入纯碱粉。

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　　4、成孔工艺 

　　对流砂岩溶地区桩基成孔，只有全套管钻机或冲击钻机适用，普通旋转钻机不能处理溶洞，且对洞底坚硬灰岩层钻进困难，极易损坏钻头，经综合考虑，确定为冲击钻冲击成孔，利用冲击锤尽力冲击，在砂层或溶洞处冲砸、挤压泥石，填塞孔洞形成泥石护壁。 

　　（1）在砂层、回填土、软塑粘土层和卵石层钻进时，采用小冲程（50～75 厘米），并提高泥浆的粘度和相对密度，抛填小片石反复冲击。尤其护筒底脚下2～4m范围内，应认真施工，使孔壁坚密不塌不漏。此时施工应缓慢渐进，桩孔上部护壁相当于建筑物的基础，如施工质量不好，向下钻进时稍遇问题，有可能整体坍塌。如土门桥33～37号桩，开工初期，施工人员对地质熟悉不够，急于求成，一天钻进10多米，结果遇溶洞时，稍微漏浆均出现不同程度的坍塌。 36号右2桩，在钻进28米左右遇溶洞，施工人员来不及处理，使整体坍塌，钻机倾覆，锤头被埋住。测量定位后，重新埋设护筒，配置锤头重新钻进，将近埋钻位置时，用铁管伸入孔中以高压水冲射，用吊车配合钻机提上锤头。前后处理时间长达37天。 

　　（2）在岩溶层钻进时，应熟悉地质资料，作好准备，将钻至溶洞时，改用小冲程缓慢钻进，防止突然打穿溶洞顶板，造成卡钻，备足粘土、片石、袋装水泥等材料，漏浆时，马上回填，以小冲程反复冲砸，形成泥壁，堵塞洞内的通道，防止孔壁坍塌和泥浆流失。必要时提前对溶洞进行注浆处理。 

　　汶河桥4号左2桩在钻至25米深时，遇溶洞，出现漏浆，立即向孔内回注浆液，同时用装载机配合，向孔内抛粘土13立方，片石9立方，回填到16米深度，止住了漏浆，用小冲程缓慢钻进，该桩施工共投入粘土28立方，片石20立方，用17天时间成孔。 

　　土门桥42号右桩，桩址处有高达11米的大溶洞，半充填，右4桩孔施工中，大小塌孔达12次，共投入粘土160多方，片石107方，水泥20吨，用67天才成孔，经研究我们对右1、右2、右3桩孔，提前进行注浆填充，用21天时间，共注入水泥230吨，3个桩孔用56天时间成孔。 

　　（3）因岩溶层地质复杂，洞内岩面高低不平，或一面有岩，一面悬空，容易造成卡钻和斜孔，此时必须抛填粘土、片石，用低冲程冲砸，反复循环，多次休整桩孔，保证冲孔质量。 土门桥26号左2、47号左1、左4、48号左2、左3桩孔均处于高差悬殊的岩石陡壁上，每个孔必须经过多次纠偏，才能成孔。28号左2桩自21米～35.8米处为陡峭的悬崖，每钻进1～2米便需抛填粘土、片石进行纠偏，共投入粘土120多方，片石80多方，历时35天才成孔。 

　　5、卡钻、掉钻的预防和处理 

　　在遇到探头石、落石、梅带孔、岩溶层的溶沟、溶槽或击穿溶洞顶板时，极易发生卡钻，此时应抛填片石，高频低程冲砸。如已发生卡钻，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，震松卡锤，吊车配合提出钻头。 

　　汶河桥14号左1桩，土门桥17号左3桩，因溶洞原因形成探头石，锤头被卡住，我们用钢轨焊制重约1吨的小冲锤，查处卡点位置后，在桩孔一侧反复冲击，同时将胶管伸入孔内以高压水冲射，使卡点松动后提出锤头。 

　　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，如掉钻后立即打捞，根据不同情况，采用能够适宜的打捞工具。条件允许时，可采用潜水员潜入桩孔打捞，如汶河桥5号右2桩，因大绳破断，多次打捞无效后，请青岛海军部队的潜水员潜入桩孔，挂上锤头提出。 

　　挖孔与钻孔桩相结合施工 

　　K21+851分离立交，是最早开始钻孔施工的，0号台左2桩在钻至14米深左右，孔内泥浆快速下沉，不到1分钟的时间，泥浆漏完，孔壁坍塌，而后我们又在0号台右3、3号台左3分别进行钻孔，都是钻至14米左右，突然漏浆，造成塌孔。根据钻探资料表明，该处底下有暗河发育，经过研究，决定人工挖孔，用现浇混凝土护壁，在挖至12.5米时，遇到岩层，此时渗水量极大，每个孔中放4台水泵，水面基本不下降，经过反复商讨，重新架立钻机，实验性的施工3号台1桩，在钻至14.2米时出现漏浆现象，因护壁座设在硬基上，护壁质量较好，未造成坍塌，在抛填粘土、片石后重新钻进，出现漏浆后，再填再钻，如此反复冲砸5次，终于穿过渗透层，4天后钻至设计标高。该桩实验成功后，又调入了 3台钻机，经过2个月时间，24根桩全部施工完毕，此时全线还剩312根桩基。我们集合钻孔和挖孔人员，开会商讨，经过反复论证，逐孔分析，认为此种方法可行，只要保证混凝土护壁施工质量，加设足够钢筋，钻孔时，冲击锤避免碰撞孔壁，以混凝土护壁代替长护筒施工，在出现漏浆时，不至于出现桩孔整体坍塌。 

　　土门桥20号、21号桩溶洞体积较大，上部为人工挖孔混凝土护壁，深度为 18～24米，下部采用冲击钻钻孔，在钻至27米时，出现漏浆，抛填粘土，片石重新冲砸，反复多次不能封堵，而且在20号钻孔时，发现21号浆面有反应，我们决定灌注砂浆封填溶洞，用M10砂浆，通过导管采用水下浇注从8个桩孔共灌进砂浆102立方米，7天后，重新钻进，只有20号左3出现漏浆现象，抛填粘土、片石后重新钻进成孔。 

　　体会 

　　1、岩溶地区桩基在设计或施工时，应该逐孔进行地质钻探，查明地质情况，为设计和施工提供详尽资料。 

　　2、在厚层挖孔施工，采用现浇混凝土护壁，加设钢筋保证护壁质量，此法基本可行，但是挖孔施工遇到大量涌水时，操作困难。 

　　3、在厚砂层和溶洞发育地段钻孔，上部砂层施工应缓慢钻进，反复冲砸，确保护壁质量，不可急于求进，防止下部岩溶层施工出现隐患。 

　　4、溶洞处理用抛填粘土、片石，小冲程冲砸等方法，形成泥石护壁，堵塞空洞，岩溶层施工应做事到“提前预防，及时处理，根治彻底”。 

　　5、对于厚砂层覆盖的岩溶地区桩基成孔，采用挖孔与钻孔相结合施工比较合适，以挖孔的混凝土护壁代替钻孔的长护筒。施工时，护壁内径比设计的桩径加大3～5厘米，其底部应设在粘土层或风化岩层中，钻孔施工遇到溶洞后出现漏浆，但不会造成大的坍塌，为处理溶洞提供了足够的时间。

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