桥梁课题6岩溶地区钻孔灌注桩施工技术研究.docx
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桥梁课题6岩溶地区钻孔灌注桩施工技术研究
武广客运专线桥梁课题研究之六
岩溶地区钻孔桩施工技术
一、前言
岩溶地区钻孔桩施工成功的例子很多,例如,在市雉山公路大桥施工中克服了重重困难,成功地在岩溶发育地区建成钻孔桩基础,采用了钢护筒跟进冲击成桩工法;衡广复线北乡大桥桩基施工,在冲击钻的冲击作用下,将粘土块和片石挤入溶洞和岩溶裂隙中,完成护壁和成孔工作;京九铁路赣江特大桥处于岩溶发育地区,地质结构复杂,岩溶发育程度高、规模大,溶洞成串出现,暗河纵横交错,该桥钻孔桩施工采用了单护筒及双护筒跟进、回填冲钻、泥浆护壁等综合施工工法。
武广客运专线第1、5标段桥梁数量众多,所占比例大,大多桥位处存在溶洞,溶洞形状各异,错落无序,有的溶洞发育规模大,部分上下分布有2~3层溶洞。
为摸清溶洞的分布、大小、填充情况、漏水情况等,以指导施工,在全面铺开桩基础施工前,除根据设计提供的初勘、施勘地质资料外,还应进行补勘、电磁波层析CT探测等多层次勘察。
根据溶洞的不同特点,采取冲击钻机成孔并配合相应的施工方案,确保成孔、成桩的可靠性。
二、施工工艺
(一)关键技术
岩溶地区钻孔灌注桩施工的关键技术是如何保证成孔过程中不漏浆、或虽漏浆但不发生坍孔,保证桩孔顺利成孔、成桩并满足承载力要求。
(二)施工方法
1、对溶蚀发育轻微、空洞不大、施工时漏浆量小的桩基施工
采取正常成孔方法施工,当钻穿溶洞漏浆时,反复投入黄土和片石,利用钻头冲击将黄土和片石挤入溶洞和岩溶裂隙中,还可掺入水泥、烧碱和锯末,增大孔壁的自稳能力。
(1)工艺程序
施工准备→埋设护筒→移动钻机、定位→护筒投入土、片石、水→钻孔→抽碴→吸泥清碴。
(2)施工要点
①开孔时用小冲程冲击钻孔,要打得准、打得稳,间断冲击,少抽碴,使开口圆顺。
②加入小于15cm片石,反复冲击2-4次,挤密护筒底部周围土层。
③密切注意观察钻机工作情况、周围地表沉降和护筒水位变化,防止不正常情况发生。
④根据地质柱状图,在接近溶洞时勤观察、勤检查,凭手握冲击主绳的手感,钻头冲击岩层的响声,抽取的岩样判断是否接近岩溶地层。
⑤接近岩溶时主绳松绳量应为1-2cm,防止击穿岩壳时卡钻。
⑥钻穿岩溶地层上壳时一旦漏浆,要及时投放粘土块、片石并补水,保持孔水位高度。
2、空洞较大且充填物为软塑状的单层溶洞条件下的桩基施工
采取振动锤下沉钢护筒到基岩,然后冲击钻孔至溶洞顶板,利用冲击钻穿溶洞顶板后,灌注低标号砼,使砼面高于溶洞顶面,砼灌注时采取间歇方式。
待砼达到一定强度后再继续钻孔,穿过低标号砼成孔。
(1)工艺流程
空洞较大的单层溶洞条件下钻孔桩施工工艺流程图
(2)施工要点
反循环冲击钻孔:
采取冲击成孔时,为防止冲击振动使邻孔壁坍塌或影响邻孔刚灌注的砼凝固,待邻孔砼灌注完毕24h后开钻。
钢护筒下到岩面以后,即开始对覆盖层和顶板进行冲钻。
在覆盖层中可采用正反循环钻进,冲钻方法与一般冲击钻孔相同;在岩石地层中以十字型钻头冲击基岩成孔,钻进方式为泵吸反循环。
岩层中钻进时,泥浆浓度控制在1.15~1.20。
当钻穿岩溶顶板时暂停钻孔,拆移钻头,进行溶洞区水下砼的灌注,砼采取低标号砼,砼配合比由现场试验确定,保证每批砼坍落围在3米左右。
砼灌注采取间歇灌注方法(以免砼流失太远造成浪费),直至到达溶洞顶面以上1.0米,待砼达到强度后继续钻孔,钻孔穿过低标号砼成孔。
3、充填物为流塑状或空洞较大的多层溶洞条件下的桩基施工
采用双护筒跟进方式冲击成孔。
(1)工艺流程
空洞较大的多层溶洞条件下钻孔桩施工工艺流程图
(2)施工要点
①外护筒直径应较设计桩径大20cm,护筒直径应较设计桩径大5cm。
②施工程序:
根据地质钻探资料提供的溶洞分布情况,按照先短后长,先易后难,先外后的原则确定各桩施工顺序。
③外护筒下到岩面以后,即开始对覆盖层和顶板进行冲钻,其钻孔方法与传统的冲击钻孔方法相同,但成孔的桩径比设计桩径大7cm,以便护筒顺利通过顶板。
护筒跟进示意如下图:
④当钢护筒打至第一层岩面或穿过溶洞到下一层岩面时,为使开孔坚实、竖直、圆顺和对继续钻孔起导向作用,应在钻孔前抛0.5-1.0m3的小片石和适量粘土,借钻头冲击力把泥浆、石块挤向孔壁,以加固护筒刃脚。
⑤当护筒下沉到位后,在外护筒间进行抛石压浆处理,以增加护筒的整体刚度。
之后进行护筒的排泥和稳固岩面的钻孔。
⑥双护筒冲击钻孔采用吸泥法清孔。
为使钻孔桩砼与孔底岩体粘接良好,灌注水下砼之前需用高压水冲射排除残碴。
(3)护筒刃脚固结处理
当钢护筒打至第一层岩面或穿过溶洞到下一层岩面时,钢护筒周边不可能与岩面完全接触,加上岩面岩面一般较为倾斜,护筒与岩面之间一般往往会形成较大间隙,若不加以固结,在入岩冲进过程中会成为桩孔与桩外的通道,极易造成埋钻和过护筒脚时产生偏孔或斜孔,留下质量隐患。
在施工中采取的方法如图所示。
利用冲击成孔时对孔壁会产生挤压的特点,在钢护筒刃脚围抛填块石、粘土,用2-4m冲程进行冲压,使其密实造壁,反复多次,直至孔底平整才可以向下冲进,处理同时可以冲平参差不齐的岩面。
4、溶洞发育且对墩台桩基有影响的桩基施工(在试验段投标中有此方法)
在桩基施工前进行石粉加水泥压浆堆填处理,使溶洞封闭,钻孔过程中不漏浆。
(1)压浆工艺
详见“岩溶桩基压浆工艺流程图”。
(2)施工要点
①钻注浆孔
根据地质情况在每一根桩的中心位置钻注浆孔,通过取芯探明溶洞的高度及填充物的详细情况。
钻孔施工方法如下:
钻机采用XU-600型地质钻机。
开孔采用φ108mm岩芯管开孔,钻进分层采样,直至钻入基岩面0.5m以下后,下φ108mm套管,并嵌入基岩;套管露出地表0.2~0.5m。
用75号水泥砂浆固结套管,并将孔口套管四周捣
岩溶桩基压浆工艺流程图
实封闭,防止浆液从套管周围串出,影响注浆效果。
待固结套管水泥初凝后,继续钻进,循环水采用清水。
根据取出的岩芯确定岩溶发育特征。
洗孔后按要求做注水试验,拧上孔口盖。
②压浆
压浆设备主要为JS350型搅拌机、KBY-30/120型注浆泵。
在压浆前先进行注水试验,确定单位长度吸水量。
浆液选用石粉水泥浆,用32.5级水泥,石粉水泥浆配合比为水∶水泥:
石粉=1∶1∶0.8。
压浆时注浆压力不宜太大,控制在0.5~1.0MPa围,具体压力值由现场试验确定。
为防止浆液流失太远造成浪费,采用间歇注浆方式,使得先注入的浆液初步达到胶结后再注浆,循环注浆多次,直至达到规定的单位注浆量、注浆压力控制值为止。
注完一个孔后,继续对其余孔进行注浆,后注浆的压力必须调高,最后封孔。
注浆顺序由现场自行掌握。
注浆完后采用钻孔检查,检查孔数为5%,根据取芯浆液充填情况直观判断注浆效果。
注浆完成等浆液凝固到一定强度后即进行钻孔桩的施工,施工按常规钻孔桩施工方法。
③在经过处理后的岩溶处成孔时,成孔方法基本上与普通石质地层成孔方法相同。
成孔时应注意以下几点:
A.成孔必须待注浆凝固、强度达到要求才能进行,岩溶注浆处理一般等待时间为10d左右。
B.为防止意外,冲孔前应有备用措施。
备好材料,一旦泥浆泄露,及时向孔投放粘土,依靠冲挤在溶洞形成粘土的围护结构墙,保持孔泥浆高度,使冲钻顺利进行。
C.接近岩溶地段,采取轻锤冲击、加大泥浆浓度的方法成孔,以防卡钻和掉钻。
三、常见事故的处理
1、卡锤
(1)原因:
①在基岩段成孔时由于桩锤磨损未及时修补;②在冲击时发生掉物、掉石;③钢丝绳冲放过多,致桩锤倾倒顶住孔壁;④溶洞底板倾斜或遇到半边溶洞。
(2)处理措施:
①慢试法:
钻头卡在中间任何部位时,应将主绳徐放—收紧—徐放—收紧,反复进行使钻头旋转从原位槽道提出;②冲击法:
将主绳放松3-5m,用钻头副绳吊一重物向下冲击钻头,使之产生松动,主绳重复慢试法;③辅助提升法:
用吊机、千斤顶或钻机副绳穿滑车组加力提升;④水下松动爆破法:
测准钻头被卡高度后,迅速将乳化防水炸药捆成两组,加配重对称放入钻头刃脚部位,之后将钻机主绳带紧或以吊机辅助紧提,采用电雷管起爆;⑤确实无法取锤时请设计单位提出桩基修改方案。
2、掉锤
(1)原因:
①锤体质量有问题,造成锤体断裂;②钢丝绳断裂;③进尺时遇到大溶洞,且填充物为软塑性土质或空洞时,因为控制进尺,冲锤一下进尺数米,引起掉锤。
(2)处理措施:
①选用打捞钩、冲抓锥等合适的打捞工具将锤体捞起;②确实无法捞起时,请设计单位提出桩基修改方案。
3、塌孔埋钻
(1)原因:
施工时由于碰到溶洞或与桩位外溶洞相通的裂隙,引起突然间大量泥浆漏失。
(2)处理措施:
发生漏浆时要及时补浆补水,维持孔水头,防止孔外产生过大的水头差,并迅速堵漏。
4、其它事故
因地质条件复杂,在勘测设计阶段,进行地质钻探时,出现了掉钻现象。
在钻孔桩施工中,一旦碰到钻探时留下的钻杆、钻头等,将用打捞钩、冲抓锥等合适的打捞工具进行打捞,确实无法捞起而又影响钻孔桩钻进时,则请设计单位提出桩基修改方案。
四、机具设备
1、冲击钻机,YKC30、CZ30型
2、震动锤,BMI-1500型
3、起重机,25t
4、空压机,12m3/min
5、潜水泵
6、吸泥机
五、质量控制措施
1、施工组织管理方面的措施
(1)邀请设计、监理、科研和大专院校等单位专家参加技术攻关研讨会,制订切实可行的施工方案。
(2)对施工人员进行技术培训,制定相应的规章制度,使施工人员有章可循,强化组织指挥,建立必要的奖惩制度。
(3)组织技术革新、质量管理和科技攻关组。
2、施工技术对策
溶洞地质同一般地质相比较,其特点表现在它的非均质性和非密实性,反映在钻孔施工中的形式为:
A.空隙漏浆造成塌孔;B.难以形成符合设计桩径的标准圆孔;C.水下砼灌注流失无法估量,容易造成断桩。
(1)漏浆、坍孔的技术对策
①要求司钻人员随时对照地质钻探资料检查孔水头高度、泥浆稠度和钻头负荷是否正常。
②长护筒跟进。
③进行散抛填。
将坚硬片石、粘土及水泥作成混合物,视漏浆程度反复抛填冲击。
(2)偏孔的技术对策
①溶沟、溶槽、岩面起伏不平。
在钻孔穿过覆盖层或溶洞填充物接触溶洞顶板时,钻孔速度会明显降低,主绳摆动大,遇此情况应马上提出钻头,抛入坚硬片石、碎石和块状黄土,以小冲程冲击,待冲到原位后第二次抛入相同配备的混合物以大冲程冲击,反复进行,直到不偏孔为止。
②溶洞侧壁侵入孔径。
以加入大块片石为主,并适当降低泥浆比重,回填后以小冲程钻进,钻头平稳后再加大冲程造孔。
(3)卡钻的技术对策
①司钻人员随时观察钻机负荷和主绳摆动情况,发现卡钻征兆及时提起钻头进行抛填处理。
②在距溶洞顶板以上30-50cm处改变钻孔冲程和冲击次数,采用慢打轻击,进入溶洞后反复抛填片石、黄土及水泥。
③改变钻头形式。
在原十字形钻头上焊圈,把十字形连接起来,使之减慢钻进速度,一次成孔并圆顺。
(4)掉钻的技术对策
①钻头龙门与钻体区段间加工成圆弧过渡,防止断面尺寸突变,形成薄弱部位引起应力集中而断裂。
②在钻孔过程中要经常检查钻具、钢丝绳、钻头直径磨损程度,发现超限应及时更换。
(5)桩底嵌入岩层深度的保证措施
①钻头应用优质45号铸钢制造,几何形状要能避免铸造时产生热拉应力和使用时应力集中现象,现场补焊以履带板、钢轨头做补焊材料,用铸钢焊条堆焊,施焊部位先预热,由技术娴熟的电焊工施焊,确保补焊质量。
②钻孔各阶段应采用不同的泥浆比重及粘度。
③清孔前将水泥、锯末、烧碱、黄土混合物抛入孔冲击60分钟,使泥浆比重达到1.6以上,这对减少更换钻头、补焊次数,提高成孔速度极为有利。
六、安全控制措施
1、岩溶地区的钻孔桩施工易发生漏浆,因此要备足粘土块和片石,出现漏浆要马上补充,保持孔水头高于地下水位1.5m。
2、钻孔接近溶洞时,必须严格掌握松绳量,要勤松、少松,防止击穿岩壳卡住钻头。
3、钢丝绳及卡子要勤检查,勤保养,松动的卡子要及时补拧。
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