岩溶地区冲钻孔工程难点解决办法

岩溶地区冲钻孔工程难点解决办法

摘 要抓住carst地层的特点和冲击成孔技术的关键,探究溶洞内成孔的规律性和冲钻成孔过程的难点和解决办法。

关键词岩溶;冲击;成孔;难点;解决办法

0引言

地层以风化砾、卵石,漂石为主体,基岩溶蚀、溶沟、溶槽、裂隙等地质构造较为复杂,加上地下水位较高或存在有毒气体地层时,冲击钻进是岩溶发育区等层间非匀质地层最佳的嵌岩桩基础施工手段。

对岩溶地区的冲击成孔,我们应注意解决以下工程难点:

1补充桩位地质资料,完善施工组织设计

岩溶地区地质的复杂性,不是时下流行的“一桩一钻探孔方式”所能全面反应的。施工过程的地质补钻孔验证,如沿桩周布设3~4孔,代价高昂且历时长,易受承包人的抵制而放弃。对群桩结构的基础,采用物探,如单孔声波测井和地震CT成像,与钻探方式结合,查清岩溶发育与地层分布,为桥梁桩基施工提供翔实的地质资料。

通过补钻孔资料或(溶洞)地层的CT检验和超声波桩孔检测,了解桩位溶洞分布及填充情况,并尽可能地在取得充分的资料的基础上,完善施工组织设计,让司钻过程心中有数。

岩溶地区成孔施工组织设计,一般由成孔工艺和溶洞处理工艺两种设计组成,贯穿于全过程则要求把安全工作放在首位。为此,需要我们根据地层的补充钻探、增加CT检验和超声波桩孔间检测,了解溶洞的分布情况(如桩位及桩作业区间范围内溶洞的分布位置、大小、填充情况等);补钻孔并配合土工试验补充设计资料的不足,揭示充填材料的材性、成份,物理力学性质(容重、含水率、空隙率等)。

前者主要用于成孔过程工艺控制方面资料(如高程控制)和护孔方式的选择,对地下补给水源的情况作大致分析验证;后者侧重在溶洞的填充工艺的选择,为护孔和填充手段提供依据。

2泥浆及填充材料备料充足

以备桩孔恶意漏浆时,有足够补浆能力,溶蚀地层的成孔,不管是否有填充、填充物是否充盈等,都必须准备足够的粘土、片石(或碎石)、水泥(包状)、钢护筒等固、护壁材料和设备、人工等,以备出现事故苗头时,能有足够的措施给予补救。

3改善泥浆的品质,加大泥浆的密度、粘度

流沙是承压的淤沙层成孔过程中常有的。成孔过程中,钻锤的上下起落形成的紊流作用,促成孔壁的沙层被裹挟进而进入泥浆而破坏。松散而细粒的淤沙层在紊流和冲击振动下还会发生局部液化,破坏孔壁,甚至引发坍孔。

常规的解决方法,多通过将自然泥浆中掺用纯碱等分散剂,使之成为粗分散泥浆,改善泥浆的浮渣、护孔性能。加大泥浆的密度(一般在1.25~1.45之间),使同等高度下的泥浆获得更大的水头高度。加大泥浆的粘度,使泥浆抗劣变能力得到较大增强;同时加强抛填片石、粘土互层(或碎石粘土团)反复用重锤小冲程钻进方式,进行桩孔的“造壁”。用人工改善后的钻孔壁代替淤沙层的孔壁结构。

江门潮连大桥主墩直径2.2m桩的成孔,属在海相淤积型淤沙层中无套管成孔就有20余米,加上护筒埋深极浅(一般3~4m,筒外河床面填草袋泥包护面防冲),采用冲击钻机的上述成孔手段,全桩成孔历时近30天,没有出现坍孔的现象。就较好的证明了上述方法的可行性。

4小冲程对付溶洞特殊的地质条件下成孔

溶洞区的成孔,除已查明的匀质基岩,坚硬密实的碎石层或碎石土层允许采用大冲程(常规2～4m,最大不超过6米)作业外,大块石、漂石等不均匀地层回填细粒径片石和粘土互层后,可以大冲程或中高冲程,确保造孔的强力破碎、挤密、和泥结强度。其他地层,尤其是未明地质条件下成孔,均采用小冲程作业(1.0~2.0m),特别在溶洞上、下壁附近,及洞身侵入桩孔内部时更应如此。

小冲程作业的主要目的,在于利用钻头对钻屑和片石、粘土互层成份的冲击,来挤密孔壁;由于地层条件的特殊性,小冲程作业在一定程度上也可减少卡钻、掉钻、斜孔、坍孔等工程事故。

这点,必须明确。

5溶洞非匀质地层的人工处理

对溶洞区域地质条件下的非匀质地层成孔,多采用抛填片石、粘土互层(或碎石粘土团)反复用重锤小冲程钻进方式,进行桩孔的填塞和桩壁挤密。开钻过程可以在少水状况下钻进,待地基加强到一定程度,可以满足止水要求时,再添加泥浆。这个过程是建立在造孔的基础上,因此,在进入稳定地层,转入正常成孔前,泥浆应尽可能的保持高密度和强粘性(注意,这里不存在推荐的泥浆控制参数的问题,也不需要泥浆循环)。不停地反复添加片石、粘土互层,重锤小冲程造孔是冲击钻无套管法穿越的前提。该工艺建立在添加片石(或碎石)强度相当于冲击部位岩石强度的条件下,(一般高0.5~1.0个等级)。强度低的软石在冲砸过程中被先行破坏,达不到与原位岩石形成匀质人工冲击面的作用,也达不到护钻的目的。

现实工程中,对于渗流性土堤或围堰、沙卵石河床上、建筑垃圾场填埋场内

的大直径桩成孔,由于孔壁组成松散,通道广泛,成孔过程中,钻孔自然水渗入或孔内泥浆的渗出通道开放,采用此方式造孔经济可行。

6灌浆预处理(压浆)法消除承压水、流动水对成孔过程的影响

一般来说,承压水过大的区域是不太适合于钻孔桩施工的。但部分含承压水地层中有硬塑性填充材料的溶洞或裂隙、溶槽发育地段的成孔,为防止钻穿隔水层后水对桩孔泥浆的稀释引起坍孔,可以采取注浆等手段封闭溶洞内容物内水源,达到填充和止水目的。

常用的注浆材料包括水泥、膨润土,水泥砂浆和有机止水材料,如水玻璃等。

压浆法也常用于对泥浆流失地层的补救。笔者曾参与一个有潮汐感应地区的桥梁工程钻孔桩的事故分析。事故桩所在地区的地质条件并不离谱,上层厚厚的淤沙层覆盖下,于13.5-15.4m以下段有一层砂卵石层,由于地质资料的不完备,对此层针对性处理措施不够,前期的多根成桩多在此高程出现离析现象,超声波检测的结果是该地质层处桩身水泥和细沙成份被冲走。后经补钻探揭露,该层为流动富水层,是地下潜流的过水通道。潜流的冲刷造成刚浇筑完成而未凝固的混凝土中水泥成份的丧失,造成事故。后经采用桩位压注有机速凝浆液后才解决问题。

灌浆预处理法,也可用高压旋喷灌浆,给溶洞成孔施工提供选择灌浆预处理法主要适用以沙质、粘沙质非均匀、可压注填充材料填充为主的溶洞、局部溶洞或有溶沟、溶槽、孔内承压水或潜流水出入通道发育地层成孔的前期处理。地质分布已前期侦知,是预处理工序应用的特点。预先的地层处理,利于建立工序间的流水作业,防止发生钻孔桩施工时泥浆流失、流砂及坍孔等事故,利于保障成孔及桩身混凝土灌注等系列工序的顺利完成。

当然,事故回填后,也可以应用灌浆技术,加固和处理桩周漏失,达到加快土体固结、达到防坍、止水的目的。

7重视岩溶地区承载地基的勘测和桩长的修正

岩溶地区的桩基绝大部分都是端承桩(或柱桩),但不排除部分基桩采用摩擦桩的情况。这里,摩擦桩有一个承载力是否满足设计要求的问题。

目前桩基承载能力的设计,一般是先由设计人员根据地质勘测资料提供的材料,综合相类地层进行参数取值计算,而直接在施工图中标注其桩长标准值,随后由进场的施工单位进行试桩和桩基施工。这种为国家行规所认可的程序,减弱了试桩静载试验对地质资料的判据功能,而成为了设计计算结果的检验和复核功能。设计程式的不规范,也使试桩和静载试验的承载能力检定变成了一种单纯的施工质量判据。

部分施工单位为追求桩基几何参数的符合性(如:桩的平面位置、顶低面高程、桩径、桩长等)的同时,忽略了地层条件与设计条件的符合性要求(如:地质分

层高度,地层参数等),一味套用设计状态下的标准桩长,施工过程揭露的部分物理力学特性弱于设计条件的围岩对承载力有减低,却未得到应有措施的补偿修正,势必减小了桩基的承载能力期望值,部分后果在后期承载过程中表现出来,如基础(桩身)沉降量的加大等。

为此,对岩溶地区的摩擦桩,有必要增加一个根据局部桩基地质的特点,选择围岩相应的物理力学参数对桩基标准桩长修正的程序。即:施工技术部门必须根据设计和规范提供桩基承载力计算式,参照设计文件规范给出的《基础围岩勘测设计物理力学参数》,对钻孔过程揭露的桩位地质分层条件下单桩承载力进行复核,来补充相关程序的不尽完善。

8运用科学手段,正视岩溶地区地质的复杂性

端承桩的承载力,桩端承载占了主要部分。然而,着床基岩的整体性、厚度往往又是一个想当然的“匀质”、“无穷厚”等边界条件。如果岩溶地域的特点和部分设计地质勘探资料的不尽完善(如未取得足够深的钻探资料,钻探孔数量不够等),部分桩基的桩底着床于下伏更深溶洞的极薄顶板上,极有可能我们理想中的端承桩仅能提供摩擦桩承载。如广东广和大桥19-2、21-2号桩桩底1m深度内有溶洞存在,对承载能力的影响。由于在成桩后通过小应变检验发现,后经大应变复核后揭露,该桩基的处理采用了桩端以下3倍直径范围内的软弱地层(包括溶洞)及桩底下部桩周土高压单管旋喷注浆和充填、加固处理;湖南的浏阳天马大桥出现过类似情况的地质条件,由于施工过程发现及时,采用加长一节冲击成孔的变截面桩身给予解决。

设计应该重视这种“坐落在天然岩石拱圈较薄情况下桩基”的特殊结构特点,在桩基埋深的同时,考虑对钻探深度的修正。施工承包方,也应在补钻孔同时考虑桩底加深钻探,避免误判。

9重视对孔底沉淀层的处理

规范规定的“沉淀层厚度”是沉淀层表面到钻孔桩桩底的距离;实际施工中,为了减小清孔难度,个别施工单位偷换此概念为沉淀层顶面标高减出设计桩底标高的差值,冠以‘沉淀层厚度’。实际上由于被压缩厚度的加大,对桩基承载能力的影响是难能估计的。极个别的示例是,施工单位为了减少混凝土量,在桩孔遇到溶洞,一次性进尺数米后,竟采用片石、粘土互层回填至设计桩底标高后,浇筑桩身混凝土。由于各职能部门(单位)发现不及时,部分一期恒载加上后,桥墩发生无法预见的沉降而不能合拢(2001年)。另一项目由于同类问题,造成追加桩底处理资金就达1000万余元(2002年),占整个工程原造价的9%左右,给国家财产造成巨额损失,这是血的教训,希大家牢记。

10重视施工记录和交接班的作用

施工记录是施工过程的全程描述,是施工过程重现的主要依据,对将来的经验总结,和工程质量分析,事故过程及原因分析有着无可替代的作用。同时,施工记录

也是施工过程各项规章制度督促执行,并记录备案的手段之一,因此必须给予足够的重视。

参考文献

[1]交通部颁《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000版,人民交通出版社,2000.

[2]交通部颁《公路施工手册》桥涵部分(上册).人民交通出版社,2000.