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1、可液化砂土地区熔岩钻孔桩施工技术1、文献概述1.1技术简介钻孔桩基础因其具有广泛的适用性，成熟的施工工艺及较低的造价而越来越成为目前我国最为常用和最受欢迎的基础类型。钻孔桩施工是利用钻机钻孔、护壁成孔（对地基无挤紧作用）和就地灌注水下混凝土技术成桩的一种施工技术。为适应粘土层、砂土层、卵石土层、岩层（溶洞）等各种复杂地质条件下的钻孔桩基础施工，现已有冲击钻、正反循环旋转钻、螺旋钻、套管钻、冲抓钻等多种成孔方法。1.2国内外工程应用情况钻孔桩施工目前是国内外桩基础施工最常用的施工方法，施工工艺日趋成熟。随着钻孔设备性能的不断改进，设备功率的不断提高，钻孔深度越来越深，孔径越来越大，目前最大的施工
2、桩径已经突破2.5米，深度已经达到100多米。因此，正确地选用成孔方法和钻孔设备及采取相应的施工工艺措施，是能否克服各种复杂地质情况下的钻孔桩施工的关键。从而减少施工难度，缩短施工周期，提高桩基质量，保证工程安全，最终减少施工经济成本和质量成本。近年来我们根据自身条件使用旋转钻机和冲击钻机较多，根据各种复杂地质情况对工艺进行一些有效的改进，大都能适用。尤其是高强度基岩和溶洞地区的钻孔桩施工冲击钻几乎是首选施工方法。1.3目前应用存在的主要问题钻孔桩概述：钻孔灌注桩基础由于其施工设备简单、易于操作而被广泛用于桥梁建设中，目前已形成了一套比较成熟的施工技术。但是由于钻孔灌注桩的施工受多种因素影响，
3、处理不好容易引起断桩，因此对断桩的预防是钻孔灌注桩施工中的一个重要问题。断桩是指钻孔灌注桩在灌注混凝土的过程中，泥浆或砂砾进入水泥混凝土，把灌注的混凝土隔开并形成上下两段，造成混凝土变质或截面积受损，从而使桩不能满足受力要求。常见的断桩原因大致可分为以下几种情况：1.3.1由于混凝土坍落度过小，或由于石料粒径过大、导管直径较小，在灌注过程中堵塞导管，且在混凝土初凝前无法疏通好，不得不提起导管，形成断桩。1.3.2由于运输或等待时间过长等原因使混凝土发生离析，又没有进行二次搅拌，灌注时大量骨料卡在导管内，不得不提出导管进行清理，引起断桩。1.3.3由于水泥结块或者在冬季施工时因集料含水量较大而冻
4、结成块，搅拌时没有将结块打开，结块卡在导管内，而在混凝土初凝前不能疏通好，造成断桩。1.3.4混凝土灌注过程中发生坍孔，无法清理，或使用吸泥机清理不彻底，使灌注中断造成断桩。1.3.5由于检测和计算错误，导管长度不够使底口与孔底距离过大，首批灌注的混凝土不能埋住导管底部，从而形成断桩。1.3.6在提拔导管时，盲目提拔，将导管提拔过量，使导管底口拔出混凝土面，或使导管口处于泥浆层，形成断桩。1.3.7在提拔导管时，钢筋笼卡住导管，在混凝土初凝前无法提起，造成混凝土灌注中断，形成断桩。1.3.8导管接口渗漏，使泥浆进入导管，在混凝土内形成夹层，造成断桩。1.3.9处理堵管时，将导管提升到最小埋置深
5、度，猛提猛插导管，使导管内混凝土连续下落与表面的浮浆、泥土相结合，形成夹泥缩孔。1.3.10导管埋置深度过深，无法提起导管或将导管拔断，造成断桩。1.3.11由于其他意外原因（如机械故障、停电、材料供应不足等）造成混凝土不能连续灌注，中断时间超过混凝土初凝时间，致使导管无法提起，形成断桩。由此可见，钻孔灌注桩的施工受多方面因素的影响，灌注前应从各方面做好充分的准备，尽可能避免意外情况发生。1.4工程背景情况京福高速公路是中国国家“十五”期间的重点建设项目之一，它北起北京，南至福州，贯通北京、天津、河北、山东、江苏、安徽、湖北、江西、福建等9省市，全程约2600公里。福建段起于福建省与江西省交界
6、处的邵武沙塘隘，经泰宁、将乐、沙县、南平、尤溪，终于福州兰圃，东接同三主干线高速公路，北连京福主干线江西段高速公路。其中京福高速公路铜山五标作为江苏段施工中最大的互通立交项目，共设置匝道8个，主线桥梁2个，主线标准为双向6车道，设计荷载为汽20，挂100，验算设计荷载为挂120，与连徐高速相连。本项目地处徐州废黄河流域，地质条件差，施工难度大，主要以河水携带泥沙堆积而成的冲积平原地带。钻孔桩共1787根，总工程造价为8000多万元。桩基深度为4060米之间，全部以端桩为主，进入岩层厚度为1530米，地质情况复杂。铜山五标总体平面效果图2、设计总体情况2.1工程地质情况京福国道主干线徐州东绕城高
7、速公路铜口五标，工程地质处于废黄河泛滥区，地貌单元属黄河冲积平原，地形平坦低洼，是河水携泥沙堆积所致。地层岩性主要由第四系松散堆积物和白垩系及寒武系基岩组成，整个桥址位于潘塘断陷盆地中，其断裂主要为废黄河断裂和柳集断裂。总体而言，桥址地区地形条件良好，地层结构稳定性一般，但地层结构与地质构造复杂。2.2设计指导思想2.2.1由于桥址有活动断裂通过，设计中采用了地震基本烈度为度的抗震设防。2.2.2由于上部覆盖土结构松软，可液化，其力学强度低。设计中采用了钻孔灌注桩深基础，持力层在弱风化基岩上，按嵌岩桩考虑，桩长多为4045m，以增强抗震性能。2.2.3对于深洞片般情况采用穿过溶洞进入持力层，且
8、不小于嵌岩桩的持力层最小厚度。2.3具体设计方案2.3.1针对本桥的溶洞地质，我们在施工前就进行了分析，具体的施工对策和施工方法如下：2.3.1.1技术人员及钻机充分掌握地质情况，每个孔的地质资料都发给相关人员，让其充分了解溶洞的位置，大小等，做到钻孔时心中有数。2.3.1.2各孔周围准备足够的小片石和粘土，粘土要做成泥球状(1520cm)或饼状，用薄膜包裹，防止干裂。同时，在施工过程中最好配备一台ZL50C型装载机，司机随时候命，当遇到溶洞漏浆时，迅速铲起片石和粘土填孔，同时集中水泵往孔内大量补水。2.3.1.3当钻至离溶洞顶部附近时，采用小冲程，逐渐将洞顶击穿，防止卡钻。一旦发现泥浆面下降
9、，应迅速补水，然后根据溶洞的大小按1：1的比例回填粘土和片石，仍采用小冲程轻砸，让粘土和片石充分挤入溶洞内壁。要特别提醒的是：千万不要有抢工期、抢进度的思想，一定要待粘土和片石充分挤入溶洞内形成稳定护壁后并且泥浆漏失现象全部消失后才能转入正常钻进。2.3.2针对上层覆土为可液化砂土和下卧溶洞、裂隙发育的灰岩等特点，成孔主要技术方案为：2.3.2.1考虑到钻机施工的震动易造成砂土液化，形成塌孔、护筒偏位或基底沉陷等。施工中考虑了将护筒加深（46m），或者将护筒周边砂土挖出重新填筑粘土，同时对机座底加铺垫层加以防治。2.3.2.2泥浆制备采用外运粘土现场制备，必要时可按规范要求加入添加剂以改善泥浆
10、性能，泥浆比重宜控制在1.31.4。2.3.2.3机型选择为：循环钻机与冲击钻配合施工，循环钻机施工土层，用冲击钻施工岩层。2.3.2.4循环钻机施工上层时，对易液化砂土土层，泥浆比重要大，施工应适当轻压、低档慢速、大泵量、稠泥浆钻进，确保护壁良好。2.3.2.5进入基岩后，循环钻机撤离，冲击钻就位，重新对中进行岩层的施工。2.3.2.6逐桩钻探资料已明确显示了每一钻孔灌注桩下卧岩层的特性，溶洞大小、位置，有无充填物等情况，因此，首先选用能自由调节冲程的和选用质量较重的钻头进行冲击，其目的是：2.3.2.6.1在冲击坚硬灰岩时能获较大的冲击能。2.3.2.6.2在接近溶洞时，可以小冲程进行冲击
11、，以便安全进入溶洞，防止断绳掉钻、卡钻、埋钻等施工事故的发生。 3、施工过程3.1施工前的准备工作 京福国道主干线徐州东绕城高速公路铜山五标仅钻孔灌注桩就有1787根，其工程造价就达8500多万元。如此大的工程量，势必需要大量的钻机来处理由于地质复杂带来的施工事件。因此，必须做好施工前的一切施工技术准备工作，为全面指导工程施工，减少事故发生率提供技术保障。3.1.1对工程地质资料进行详细、全面的分析、研究，掌握工程地质的一般特点和特殊部位的特殊性，以便针对性地采取措施。整个施工范围的所处位置、地形地貌、水文地质、道路交通等。详细逐层分析工程地质特点，对上覆土层的属性、特点以及由此可能对施工产生
12、的影响等。对下卧岩层的种类、特点、硬度等进行分析，以便合理选择机型组合及钻锥。对溶洞形成的原因进行分析，同时包括溶洞的大小、准确位置、有无充填物，以及溶洞是否相互贯通等。注意对工程地质中有无断裂层破碎带，裂隙发育程度等进行系统分析。做到充分、详细地了解工程地质情况，一定要避免毫无针对性和实用性的施工技术方案。特别应注意，在熔岩地区施工时，由于缺少全面详尽的地质资料，将会给施工带来较大的困难，施工基本方案中将对溶洞处理和预防措施针对性不强，易造成偏孔、塌孔、掉钻、埋钻等，必将有严重影响工程施工进度的事件发生。同时，铜山五标孔灌注桩的设计是按嵌岩桩要求进行的，桩底标高在如此复杂的地质条件下，仅按每
13、50m一个的钻探点推算确定，是不适宜的。为保证工程质量，设计单位对我标段岩溶发育地段进行了逐桩补探，重新确定桩底标高，同时，也给钻孔施工逐桩探明了情况，使钻孔施工过程能采取更有针对性预防措施，为施工带来了极大的方便。3.1.2根据地质情况选择机型组合，配置合适的钻锥。确定施工技术方案，并对钻机作业组进行技术交底。3.1.3由于工程量大，本项目施工前进行了试钻，组织施工作业组现场观摩，讨论、分析和及时总结，修正优化施工技术方案。3.2钻孔溶洞施工处理并不太难，但本项目施工因其上为易液化砂土，稳定性极差，漏浆后处理不及时，会因失去压力极易造成塌孔、埋钻等施工事故，甚至危及钻机及人身安全。由此增加了
14、溶洞施工处理的难度，这是本项目钻孔桩施工成孔的关键所在。根据全桥施工总进度，拟在1#、4#墩各布置一台BRM-4A型旋转钻机，2#、3#墩各布置一台冲击钻机钻孔。3.2.1泥浆拌制及循环3.2.1.1泥浆拌制：泥浆拌制分岸上泥浆池集中拌制及桩孔内投粘土自拌造浆两种形式。岸上泥浆池设置在南岸吹砂岛面，由于旋转钻机与冲击钻孔成孔所用泥浆比重不同，因此在岛面上需分别设置两个容量约150m3的泥浆池，所拌泥浆通过管路输送到泥浆船上，再送往各墩。3.2.1.2泥浆循环：泥浆循环系统由泥浆船及各墩8个桩孔钢护筒组成，护筒之间用钢板槽道相互连通，槽道断面尺寸40cm40cm，所处标高不受潮水影响。钻孔时所需
15、补充泥浆，从泥浆船泵入孔内，所排钻碴经连通的各护筒进行循环沉淀，每一钢护筒作为钻碴储存筒，待钻碴储存一定浓度时，采用吸泥机清除。3.2.1.3泥浆面高度控制：在钻进过程中，需要将泥浆面的高度超出水面高程约3050cm，同时钻机钻孔时，应掌握潮汐变化规律，采取有效措施调节钻孔内泥浆面的高度。3.2.1.4泥浆的回收利用：从钻孔内回收的泥浆，应进行重新处理，当泥浆指标满足要求后，可再次利用。3.2.1.5泥浆拌制材料：泥浆由良好的制浆粘土外加一定量碳酸钠或烧碱、或用膨润土配制。 3.2.1.6泥浆的性能与指标： 3.2.1.6.1比重：反循环旋转钻孔泥浆比重以1.051.1为宜，冲击钻孔，孔底泥浆
16、比重以1.31.4为宜。 3.2.1.6.2粘度：一般地层以1622S为宜，松散易坍地层以1928S为宜。 3.2.1.6.3含砂率：新制泥浆含砂率应小于4%，循环泥浆不得超过8%。 3.2.1.6.4胶体率：新制泥浆胶体率应大于95%。 3.2.1.6.5 PH值：大于6.5。3.2.1.6.6泥浆指标的调整：泥浆配制应由试验人员反复试验，做出合理的配合比后，投入生产。在制浆或钻孔过程中试验人员要经常检测泥浆的各项指标，使之满足钻孔需要，不合格时应及时调整。3.2.2 冲击钻机钻孔3.2.2.1钻具：钻具主要由ZJK100KN双筒快速卷扬机、钻架、十字冲击锥、索具及联结部件等组成。3.2.2.1.1 ZJK100KN
