岩溶地区冲孔桩成孔技术
摘 要：深圳地铁3号线某标段地处岩溶强烈发育区，基岩岩面起伏、倾斜陡峭、
溶洞分布广泛，软（流）塑和中粗、粉细砂层在场区内连续分布，桩机冲进过程中极易出现偏孔、漏浆、塌孔现象，针对岩溶地质对成孔影响的不同表现形式，施工过程中不断摸索经验，保证了桩基质量、加快了施工进度，取得了良好的处治效果。
关 键 词：岩溶地区 冲孔桩 成孔
1.工程概况
深圳地铁3号线某标段全长5.985km，包括五站四区间。区间为高架桥梁，结构由下至上依次为冲孔灌筑桩基础——四桩或六桩承台——花瓣型或Y型桥墩——现浇连续箱梁或简支箱梁；墩柱平均高度10米，标准梁跨30米。车站为高架站，采用‚桥（梁）—（房）建‛合一结构型式，下部为桥梁结构（与区间类似），上部为房建结构，站顶为钢结构屋盖，单站总长120米，标准站宽16.7米。
2.地质概况
该标段全线地处岩溶发育地区。在基岩上覆第四系全新统人工填土（Q4ml），冲洪积（Q4dl+pl）粘性土、中粗（粉细）砂层、圆砾土、角砾土、砾砂、卵石土、碎石土，下伏基岩为石磴子组（Cls）灰岩、大理岩。杂填土层厚0.8～3.5m，粘土呈流塑—软塑—可塑—硬塑状存在，最大层厚27m，饱和粉细砂层厚0～27m，饱和中粗砂层厚0～12m，饱和圆砾土、卵石土、碎石土零星分布，中等风化灰岩、大理岩广泛分布。灰岩、大理岩节理裂隙极其发育，特别是陡倾节理较发育，岩体破碎，大气降水易下渗，受岩溶裂隙水垂直运动作用，岩溶发育，呈溶孔、溶洞等溶蚀现象，溶洞多呈串珠状发育，钻探揭示最多发育七层，一般溶洞高0～12.95m，单个溶洞直径最高达22.5m，洞内多有软至流塑状粘性土或粉细砂充填，为覆盖型岩溶分布区。段内溶槽十分发育，基岩中等风化埋深起伏很大，根据钻探揭示最浅埋深5.6m,最深埋深48.8m,同一墩台基岩起伏相差最大达38.65m。四个区间的岩溶提示率分别为16%、35%、25%、28%，根据根据工程地质分区标准，分属中等-强烈岩溶发育区。
3.桩基情况
该标段桩基分三种桩径：φ1.2m、φ1.5m、φ1.8m；受溶蚀影响，桩长差异极大：最短的桩长8m、最长的桩65m。主体工程共有桩基1032根，其中有溶槽（岩面倾斜陡峭）、溶洞需采取特殊措施处治的达696条，占67.4%；平均桩长21.7m，平均凿岩深度达9.5 m，兼有溶槽和溶洞的桩最为严重——平均凿岩深度17m，相当一部分桩超过20 m最深达29 m；桩基混凝土设计方量31662m3，实际灌筑方量48306 m3（充盈系数1.53）。具体见下表：
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序数据名号 称 1 根数及比例 桩基类别 数据类别 溶槽溶无溶槽溶总计 溶槽桩 溶洞桩 洞桩 洞桩 根数 1032 484 73 139 336 比例 100.0% 47.0% 7.1% 13.4% 32.6% 合计(m) 22390 9651 2045 4281 13 平均单桩21.7 19.9 28.0 30.8 19.1 (m) 合计(m) 9756 4498 688 2360 2210 平均单桩9.5 9.3 9.4 17.0 6.6 (m) 理论方量31662 15179 2463 6056 79 (m3) 实际方量48306 23956 4241 10262 9847 (m3) 充盈系数 1.53 1.58 1.73 1.70 1.24 2 桩长 凿岩深3 度 4 混凝土灌筑 4.岩溶地质处治措施 4.1复杂溶洞或地质不明 4.1.1带来的问题
复杂的岩溶地质是目前的地勘手段难以全面、真实、准确揭示的。一般情况下，岩溶地区会提供逐桩钻探资料，但因每桩只布臵一个探孔并且因直径过小而无法反映桩径全断面范围内的地层情况，对于溶洞、溶槽密集、岩溶形态复杂多变的桩孔，可能会导致桩基持力层深度不足而影响结构安全。
4.1.2处治措施
在开孔前需对复杂地段桩周进行补勘，补勘的位臵和孔数可参考逐桩钻探的柱状图、剖面图进行判断和选定。尽可能的通过补勘掌握溶洞、溶槽的发展方向和影响范围，为桩基终孔及指导施工提供依据。
4.2溶洞处治： 4.2.1带来的问题 在溶蚀作用下，基岩内形成上有岩石顶板的溶洞或裂隙，有的桩孔内为串珠状多层溶洞，洞内有全充填、半充填、空洞多种状态，充填物饱和、松散、稳定性差。击穿顶板或冲至裂隙时，半充填和空洞易出现孔内失浆、水头下降，桩周土在孔外压力作用下坍塌，导致坍孔甚至引起地面坍陷。全充填溶洞易出现坍孔、缩径而难以成孔。此外，穿越顶板时可能会有掉锤、卡锤、埋锤、钢护筒掉落的情况发生。
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4.2.2处治措施。a.全填充流（软）塑状粉质粘土溶洞。在冲至溶洞顶板时，冲锤低冲程轻击（亦可换用小冲锤冲击），避免顶板突然大块掉落，穿过洞顶板后提出冲锤，向孔内直接投放粘土+片石（粒径20cm 左右）+水泥，抛填比例片石：粘土：水泥=3：6：1，先抛片石，再抛水泥，最后抛入粘土，依次循环进行，直至填充物高出溶洞顶以上1～2m 后，再放入正常冲锤小冲程高频率冲击穿过溶洞，将粘土和片石挤入孔壁实现人工造壁，同时可避免卡锤。b.空洞和半充填溶洞。在孔内添加水泥、膨润土造浆加强护壁，冲穿溶洞顶板时泥浆会大量流失，此时要及时向孔内补充泥浆，然后再抛填片石、粘土、水泥小冲程冲进，如此往复循环直至不漏浆并穿过溶洞后逐渐加大冲程至正常冲孔速度。必要时灌注水下砼予以填塞，在砼达到70％强度后重新冲击成孔。对于高度大于3m尤其是溶洞顶板较薄时，可沉埋钢护筒护壁综合进行处治。c.串珠状溶洞。根据地质资料揭示，串珠状溶洞较多，在冲进过程中对于溶洞间距离较小的会形成连体溶洞，两溶洞间均为中风化灰岩。对于洞高较小的串珠状溶洞，一般可能通过填充片石粘土块的方式予以解决，对于高度较大的溶洞，可根据有无填充物及填充物性质按照前述方式进行处理。d.全填充细砂溶洞。主要以预防塌孔、涌砂事故为主，调制高性能泥浆，并在冲击溶洞顶板上砂层时投入大量粘土块，使用中冲程1.0～1.5ｍ冲击，以减少震动，防止溶洞顶板突然打穿坠落。冲击顶板时因冲程较小需勤捞渣以提高效率；在冲击洞内细砂层时投入粘土块夹碎石，并减小冲程勤掏渣加快冲击进度，缩短裸孔时间，快速安装钢筋笼进行灌注。如果冲进过程中，始终无法成孔，采用下沉钢护筒（护筒直径=设计桩径+5cm）穿过溶洞的方式解决。e.护筒沉埋。对于难以止漏的裂隙、溶洞和难以造孔的软弱土层，沉埋钢护筒处治效果良好。钢护筒采用12mm厚螺旋管制作，直径大于桩径20～30cm。护筒长度超过12ｍ时分节制作, 底节长度一般为4.5ｍ较为适宜，便于护筒定位、垂直度控制以及上节护筒的接长。底节护筒定位时，紧贴护筒外轮廓线对称插设6条钢筋桩或木桩，振动锤夹紧护筒后按照放样位臵定位，由两台经纬仪或全站仪在相互垂直的方向观测垂直度，满足要求后施打。振动锤选用90kw以上的电动锤或液压锤，并配备专用夹桩器。振动下沉过程中，始终要对垂直度进行观测，发现问题及时纠正。开始下沉时选择低速，待位臵垂直度均满足要求后开足马力下沉。沉埋深度尽量达到溶洞顶板或穿透软弱土层，若难以达到该深度，则以尽可能深、打不动为止。为便于护筒接长，一般底节护筒外露长度1ｍ。护筒中心线与桩中心线重合，平面误差不大于50mm，竖直倾斜不大于1/100，下沉完毕后复核其中心位臵是否正确。f.泥浆制作。溶洞桩冲孔过程中必须严格控制泥浆性能，如不能满足施工要求，可加入膨润土、纯碱来调节配臵高性能泥浆。冲孔过程中常用泥浆性能指标参考下表。
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性 能 地 层 一般地层 软弱地质 深厚砂层 砂卵石层 溶洞地层 基岩 密度粘度（g/cm3） (s) 1.0～1.2 1.1～1.3 1.2～1.35 1.3～1.40 1.3～1.40 1.3 18～22 20～24 24～30 30～34 30～34 20～24 含砂量失水量胶体率(%) (ml/30min) (%) <4～8 <4～8 <4～8 <4～8 <4～8 <4～8 <30 <30 <30 <30 <30 <30 ≥95 ≥95 ≥95 ≥95 ≥95 ≥95 PH值 7～9 7～9 7～9 7～9 7～9 7～9 4.3溶槽桩处治： 4.3.1带来的问题 在溶蚀作用下，基岩形成密集林立的石笋和连绵起伏的石脉，形态复杂多变、坡面倾斜陡峭，石笋和石脉之间即是深浅不一的溶槽。这种地层在桩孔平面内部分为岩石、部分为土，软硬不均。设计要求桩基必须全断面嵌入完整基岩一定深度，故倾斜的坡面岩层均要穿越，冲孔时冲锤会滑向土层侧而导致孔斜、扩孔，造成桩身垂直度超限、卡锤，处理不好可能会发生折桩事故。
4.3.2处治措施
一般情况下，可以通过挖孔桩爆破开挖、地质钻机钻孔水下爆破等方法纠偏。本标段尝试了挖孔桩爆破开挖，但因基岩上覆盖有较厚软弱富水砂层，施工过程中出现大量涌砂而难以继续挖进。也多次尝试了地质钻机钻孔水下爆破的方法，但因溶槽构造复杂，难以靠其完全纠偏而只能作为辅助手段。经过实践摸索，回填硬块石复冲虽耗时较长、回填复冲数量和次数较多，但能够可靠纠偏，适用范围广泛。
遇溶槽地层时，需提高警惕，加强观察。冲击过程中，一旦发现钢丝绳偏摆严重，即说明孔底不平或软硬不均，此时立即停钻、提钻并在桩孔内投入粒径20～40cm左右的新鲜花岗岩块石。投放高度高于倾斜岩面2～3m，每填1m左右用冲锤高频低冲程压实，以保证桩孔水平剖面内岩层硬度大致相同，然后采用1.0m 的小冲程，低锤密击，防止冲锤在倾斜岩面发生‘顺层跑’而造成斜孔，待岩面冲出台阶后再逐渐加大冲程。该标段基岩面大多倾斜且其上多为砂层，冲进时极易造成斜孔，强烈的震动极易造成基岩顶砂层塌孔，为此，在冲击到距岩面1ｍ左右时，投入粘土块夹片石（片石比例占70％左右，最大粒径15cm，投放高度超过砂层顶面2-3ｍ）小冲程冲孔，增强护壁并使孔底坚实平整，当桩锤底面全部冲进基岩后，再采用最大不超过2.0ｍ的冲程，以降低震动对孔壁的影响。
4.4事故的预防及处治 4.4.1事故类型
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漏浆、坍孔、缩孔、掉锤、卡锤、埋锤、钢护筒掉进溶洞等。
4.4.2事故的预防及处治措施。a.施工前对所有施工人员进行详细技术交底，让其了解岩溶分布情况、岩溶类型、地勘揭示形态和冲孔过程中可能出现的问题，掌握岩溶处治的方法和应急预案。b.施工过程中经常对钢丝绳进行检查，发现有断丝、死褶痕迹及时进行更换，钢丝绳必须有辅助保护，避免掉钻后长时间打捞。经常检查钻头磨损情况，若有裂痕、损坏情况及时修复。钢丝绳与冲锤之间必须设臵自动转向装臵并连接牢靠。c.因地质复杂，漏浆不可避免也难以预测，漏浆和软弱土层极易导致坍孔。要备用数量足够的泥浆（一般按桩体积的2—3倍），发现泥浆液面突然下落后立即回补。配备吊装、填筑设备，备用充足的块石、粘土，发现塌孔后立即回填；备用钢护筒，将原来坍塌部位回填后下沉钢护筒穿过塌孔区域。d.在接近溶洞顶板及在溶洞中冲进时严格控制冲程，冲至溶槽发现钢丝绳偏位时回填块石复冲，以免掉锤、卡锤、埋锤。e.优化泥浆性能，增强护壁效果，尽量缩短成孔时间。
5．施工效果
覆盖型岩溶地区桩基施工不可预见因素多，孔内事故多，处治周期长。在该标段施工过程中，通过不断摸索经验，保证了桩基质量、加快了施工进度。目前冲孔桩已经全部结束，经检测桩基质量全部合格，其中一类桩近90%，处治效果良好。
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