桩基溶洞和塌孔处理专业方案.doc

##立交桥Z4、Z5桥墩桩基旋挖钻钻孔溶洞和塌孔
处理专题施工方案
一、背景资料
1.1设计介绍
本项目为##市##区##隧道至##大道和##桥梁工程，共分A、B、D、Z线桥，其中A线预留接口，暂不实施。Z线跨越##大道至##河南岸后下地，B线桥从隧道出口右转弯进入##大道，D线桥为##右转跨##河进入##大道匝道。
Z线桥从隧道出口至##，桥面宽16.0米，全长226.68米，分为四联。第一联为20米钢筋混凝土简支梁，第二联为16米钢筋混凝土简支梁，第三联为33米+47米+35米钢箱梁，第四联为33.5米+37米预应力钢筋混凝土箱梁。
在根本KZ0+533.9～KZ0+626.1段内，有Z4-1、Z4-2、Z5-1、Z5-2共4根桩基，桩径2m，设计桩长22～33m，计算孔深25～36m。
1.2自然条件
1.2.1地域条件
场地正北面为贵惠路，西侧为##小区和黔光铝制品厂，东侧为待拆住宅楼，南临##河。整体相对平整。见附图。
1.2.2地质条件
（一）岩性
依据现场地质勘探结果，区内地层为：
⑴杂填土，杂色，含植物根系及少许有机质，结构松散，厚0.5～3.01m不等，厚薄不均匀，分布广泛，平均厚度为2.07m。
⑵粘土层，褐黄，可塑，粘性很好，局部夹少许风化碎屑。广泛分布在场地内，但分布厚度极不均匀，局部溶槽或溶隙内厚度较大，厚度3.85～9.3m不等，厚薄不均，平均厚度为6.65m。
⑶中风化白云岩，灰白，深灰色，薄层状结构，埋深9.36～16.17不等，厚薄不均，平均埋深为12.13m，偶夹泥岩，局部见少许方解石脉，节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩心多呈沙状，碎块状，柱状。
详见附钻孔柱状图。
（二）地下水
该场地裂隙纵横、岩体破碎、岩溶发育、地下水丰富。桩孔开挖之初，地下水即经过基岩结构裂隙、风化裂隙、溶蚀裂隙、溶洞集积于此。施工部位濒临##河，场地高程1060.1m，##河高程1051.3，水深以1m计，桩孔下挖7.8m即和##河面持平。当下挖到约7.8m深以后，即处于##河面以下，##河水将经过基岩溶洞、裂隙通道涌入桩孔。
（三）岩溶发育特征
岩体中岩溶发育，其岩溶形态以溶沟、溶槽、裂隙为主。溶蚀裂隙发育极不均匀，无显著规律性。场地岩溶中等发育，场地有遭受岩溶塌陷可能性。
总而言之，本项目区工程地质条件为中等复杂类型。

二、地层情况分析
⑴地勘单位对Z4桩基岩做了10个勘探孔，Z5基岩做了10个勘探孔。由勘探资料，杂填土厚度0.4～3.01m，平均2.07m。粘土厚度4.75～9.3m，平均6.65m；粘土埋深6.5～10.4m，平均8.11m。风化岩埋深9.36～16.17m，平均12.13m。以下表：
表1 杂填土、粘土埋深表（m）
孔号
杂填土厚度
粘土埋深
粘土厚度
风化岩埋深
Z4-1
1.1
10.4
9.3
12.6
Z4-1+1
0.5
6.5
6
11
Z4-1+2
1.5
8
6.5
11.17
Z4-1+3
1.8
10.2
8.4
11.6
Z4-1+4
2
8.5
6.5
10.3
Z4-2
2
6.72
4.72
13.8
Z4-2+1
3
6.83
3.83
16.17
Z4-2+2
2.8
8.38
5.58
10.71
Z4-2+3
3
7.75
4.75
14.58
Z4-2+4
3.01
7.86
4.85
9.36
平均
2.07
8.11
6.65
12.13
⑵Z4桩基岩溶洞6处，层厚0.3～3.36m，平均1.08m；层底深10.29～33.5m。裂隙3处，宽度0.17～0.33m，层底深10.6～36.92m。以下表：
表2 Z4桩孔溶洞统计分析表
孔号
Z4-1
孔口高程m
1060.06
孔号
Z4-2
孔口高程m
1060.19
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
1
1047.96
12.1
0.5
1
1044.89
15.3
1.5
2
1047.16
12.9
0.3
2
1044.05
16.14
0.42
3
1044.56
15.5
2.2
3
1042.89
17.3
0.75
4
1042.16
17.9
1.3
4
1040.89
19.3
1.33
5
1041.56
18.5
0.3
5
1039.47
20.72
0.25
6
1036.26
23.8
2.8
6
1038.14
22.05
0.92
孔号
Z4-1+1
孔口高程m
1060.11
孔号
Z4-2+1
孔口高程m
1060.18
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
1
1048.31
11.8
0.8
1
1044.01
16.17
0.25
2
1045.01
15.1
0.5
2
1039.51
20.67
1.58
3
1042.11
18
2.4
3
1032.51
27.67
0.92
4
1040.31
19.8
0.2
4
1031.01
29.17
0.67
5
1037.31
22.8
0.8
5
1026.68
33.5
0.17
6
1036.11
24
0.8

孔号
Z4-1+2
孔口高程m
1060.06
孔号
Z4-2+2
孔口高程m
1060.16
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
1
1046.89
13.17
2
1
1049.11
11.05
0.33
2
1044.81
15.25
0.92
2
1047.03
13.13
0.25
3
1040.06
20
1.92
3
1045.7
14.46
0.25

4
1038.61
21.55
0.25

5
1036.45
23.71
0.67

6
1031.61
28.55
0.58
孔号
Z4-1+3
孔口高程m
1060.06
孔号
Z4-2+3
孔口高程m
1060.16
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
1
1047.26
12.8
1.2
1
1045.24
14.92
0.33
2
1044.36
15.7
2
2
1041.16
19
1.08
3
1042.46
17.6
1.6
3
1025.16
35
0.33
4
1040.46
19.6
0.3
4
1023.24
36.92
0.17
5
1037.96
22.1
0.7

6
1033.66
26.4
0.3

孔号
Z4-1+4
孔口高程m
1060.06
孔号
Z4-2+4
孔口高程m
1060.18
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
编号
层底高程m
层底深m
层厚m
1
1049.46
10.6
0.3
1
1049.89
10.29
0.93
2
1046.66
13.4
0.3
2
1048.82
11.36
0.57
3
1044.86
15.2
1.1
3
1047.53
12.65
0.57
4
1043.86
16.2
0.3
4
1046.96
13.22
0.21
5
1037.16
22.9
1.5
5
1042.17
18.01
3.36
6
1035.96
24.1
0.9
6
1040.03
20.15
1.29

7
1029.53
30.65
1.57
说明：上表有下划线和底纹者为裂隙。
⑶Z5基岩杂填土、粘土厚度，第一层中风化岩埋深，和溶洞状态，见柱状图。
三、溶洞处理方案
3.1旋挖钻机施工方案
本项目采取旋挖钻机钻孔，水下混凝土灌注方案。旋挖钻机型号选择徐工XRS1050，参数以下：
表3 徐工XRS1050旋挖钻机参数表
项目
单位
参数
额定功率
kW
298
动力头
最大输出扭矩
kN·m
390
转速
r/min
7～18
最大钻孔直径
mm
φ2500
最大钻孔深度
m
105
加压油缸
最大压力
kN
240
最大提升力
kN
250
最大行程
m
6
加压卷扬
最大加压力
kN
-
主卷扬
最大卷扬速度
m/min
60
钻桅倾度侧向 / 前倾 / 后倾

±4°/ 5° /15°
整机工作质量
t
114
外形尺寸
工作状态
mm
10265×4800×27520
运输状态
mm
17615×3500×3535

钻孔工艺
（1）钻机就位
钻孔前施放桩位点，放样后四面设护桩并复测，误差控制在5mm以内。深入确定是否有障碍物，必需待甲方或监理验收合格后方可进行成孔施工
钻机就位应保持平稳，不发生倾斜、位移，钻头对准孔位开启电机进行开孔。
旋挖钻机底盘为伸缩式自动整平装置，并在操作室内有仪表正确显示电子读数，当钻头对准桩位中心十字线时，各项数据即可锁定，勿需再作调整。钻机就位后钻头中心和桩中心应对正正确，误差控制在2cm内。
液压多功效旋挖钻机就位时和平面最大倾角不超出4°，钻机平台处必需碾压密实。进行桩位放样，将钻机行驶到要施工孔位，调整桅杆角度，操作卷扬机，将钻头中心和钻孔中心对准，钻头中心和钢护筒十字线中心偏差小于10mm，并放入孔内，调整钻机垂直度参数，使钻杆垂直，同时稍微提升钻具，确保钻头环刀自由浮动孔内。钻机就位后，在泥浆池进行泥浆制造，泥浆关键采取粘土、膨润土等进行造浆，新制泥浆数量最少满足一根桩使用量。
（2）设置护筒
依据桩位点设置护筒，护筒内径应大于钻头直径200mm，护筒位置应埋设正确稳定，护筒中心和桩位中心偏差不得大于50mm，倾斜度偏差小于1%，护筒和坑壁之间应用粘土填实。施工中，护筒埋设采取旋挖钻机静压法来完成。首先正确就位钻机，使其机体垂直度、钻杆垂直度和桩位钢筋条三线合一，然后在钻杆顶部带好筒式钻头，再用吊车吊起护筒并正确就位，用旋挖钻杆将其垂直压入土体中。护筒埋设后再将桩位中心经过四个控制护桩引回，使护筒中心和桩位中心重合，并在护筒上用红油漆标识护桩方向线位置。护筒埋设深度：回填土区域护筒埋设深度应超出回填土深度0.5m，原土状态：在粘性土中不宜小于1m，在砂土中不宜小于1.5m，护筒应高出地面20～30cm。
（3）钻进
当钻机就位正确，泥浆制备合格后即开始钻进，钻进时每回次进尺控制在60cm左右，刚开始要放慢旋挖速度，并注意放斗要稳，提斗要慢，尤其是在孔口5～8m段旋挖过程中要注意经过控制盘来监控垂直度，如有偏差立即进行纠正。操作人员随时观察钻杆是否垂直，并经过深度计数器控制钻孔深度。当旋挖斗钻头顺时针旋进时，底板切削板和筒体翻板后边对齐。钻屑进入筒体，装满一斗后，钻头逆时针旋转，底板由定位块定位并封死底部开口，以后提升钻头到地面卸土。开始钻进时采取低速钻进，主卷扬机钢丝绳负担不低于钻杆、钻具重量之和20%，以确保孔位不产生偏差。钻进护筒以下3米采取高速钻进，钻进速度和钻压相关，采取钻头和钻杆自重摩擦加压，150MPa压力下，进尺速度为20cm/min；200MPa压力下，进尺速度为30cm/min；260MPa压力下，进尺速度为50cm/min。
（4）终孔及清孔
a.终孔：当钻孔达成设计孔底标高后，请监理工程师检验，初步确定终孔，再请设计、地勘及参建各方到现场确定终孔，并汇签。
b.清孔：确定终孔后，将钻斗留在原处机械旋转数圈，将孔底虚土尽可能装入斗内，起钻后仍需对孔底虚土进行清理。通常见沉渣处理钻斗（带挡板钻斗）来排出沉渣。要求成渣厚度小于5cm。
c.检孔：清孔完成后，即组织监理、主管工程师、质检工程师及值班技术人员共同对成孔进行检验，孔径及孔形检验用检孔器检验，孔深和孔底沉渣用标准测锤检测。
钻孔深度达成设计要求后，对孔深、孔径、孔位、孔形等进行检验，填写终孔检验统计，经监理工程师签证认可后，进行孔底清碴和灌注水下砼准备工作。
详见《旋挖钻专题施工方案》

3.2溶洞地层处理方法
（一）通常方法
由地勘资料显示，当地地质结构复杂，桩基钻孔进入风化岩层后溶洞较多，地下水极为丰富，Z4基岩有溶洞6层，最大层厚3.36m；溶洞间为中风化白云岩，薄层状结构，偶夹泥岩，局部见少许方解石脉，节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩心多呈沙状，碎块状，柱状。
对于桩孔溶洞地层，采取回填混凝土挤洞施工方法。因溶洞地层基础上全部出现在地面10米以下岩层中，地下水较为丰富，桩孔内充满集水，混凝土回填挤洞施工时按下导管浇筑水下混凝土方法。混凝土采取C20素混凝土，掺适量早强剂，使混凝土3天强度达70%，方便下一步钻孔。
回填混凝土前应先确定溶洞顶点高程，回填混凝土需高出溶洞顶1～2m即可。先计算桩孔内所需混凝土数量进行浇筑，随时检测混凝土浇筑高度，随时增添混凝土浇筑数量，当达成预定浇筑高程后，暂停浇筑，隔1小时后混凝土顶面高程稳定不再下沉即算完成。
对于多层溶洞，则由上而下，分段进行溶洞回填，每次均按以上控制。
（二）特殊方法
因为溶洞水平长度、倾角、通向何方均未知，以上假设回填混凝土能够充盈桩孔。
假如地质资料显示溶洞群中，某个溶洞下行通向一个上千立方大溶洞，或下行通向##河，这即使已经成孔，但在灌注混凝土桩基时，前者造成成桩造价巨大，后者严重污染环境。假如出现此种可能，拟采取以下方法：
⑴定量回填和间歇回填
依据已知有限溶洞情况，暂拟一定混凝土回填量，此量应是在经济上、施工工期上能够接收。当在定量之内，混凝土面上升到预定高程，回填结束。当未能抵达预定高程，且补充一定数量后，混凝土面仍无上升，则间歇大于混凝土初凝时间（约45min），再进行第二次回填。第二次回填一定数量后，如混凝土面不上升，则能够作为“无底洞”对待。
第二次回填，如混凝土面有所上升，以后又停滞不升，则进行第二次间歇，再进行第三次回填。以此反复，至混凝土面上升到预定高程，回填结束。如哪次回填一定数量后，混凝土面不上升，则能够作为“无底洞”对待；
⑵“无底洞”处理（预案）
在溶洞平面范围，沿桩孔周围外1m圆周上用地质钻Φ110孔，孔距0.3m，孔深超出溶洞底0.3～0.5m。
然后向孔洞下Φ28钢筋，套筒连接；再将PVC管套着已下插Φ28钢筋，下往溶洞，PVC管套外缠绕细麻绳，以增加混凝土对其粘附力，PVC管套长度高出溶洞层高1.5m。以此在溶洞内形成钢栅栏。以下图：

然后采取间歇法回填混凝土，当钢栅栏上经数次粘附混凝土足够多时，最终一次回填混凝土其顶面就会上升，至溶洞顶以上1m位置，就达成在溶洞内封填有限混凝土量目标。然后抽出、回收预插钢筋；保留此插筋孔，以待处理下层溶洞再次使用，降低造孔工作量。

四、易塌孔地层处理方案
4.1桩孔周围场地硬化方法：
因为场地表层多为杂填土和粘土层，承载力不满足旋挖机自重和工作荷载要求。旋挖机进占和钻进过程中，会出现场地下陷，土方经钢护筒底进入桩孔，造成塌孔；另外，场地下陷造成钻机倾斜，影响桩孔垂直度。为此，采取将孔桩周围场地换填片石或采取C20砼硬化后再开钻。

4.2塌孔回填处理方法
从地质勘探资料可知，地面以下约6m～11m范围为半边岩地层。以下图:

这类地层，不采取方法可能有二种不利结果：一是钻头轻易走偏，往相对软弱一侧钻进；二是可能会造成泥土一侧塌孔埋钻事故。
对于此地段地层可采取两种方法：
（一） 安装钢护筒处理
下置钢护筒目标，关键是预防挖孔时和灌注混凝土过程中出现塌孔现象。依据以往经验，钢护筒在下沉过程中也会往软弱一侧偏斜，造成旋挖钻机无法继续挖掘钻进。
假如采取下钢护筒处理，需采取扩孔为Φ2.5m，下Φ2.4m钢护筒。
（1）钢护筒制作
钢护筒由工厂加工，采取Q235（壁厚δ=14㎜）钢板卷制，内径2400mm，管节3m。为避免钢护筒在下沉过程中发生变形，分别对钢护筒顶口和底口进行加强。加强带采取同钢护筒厚度相同钢板进行加强，宽度500mm。
（2）钢护筒安装
由挖机开孔后，用吊机把护筒吊放就位，再利用钻机下压或振动锤下沉。
安装时依据深度逐节吊装，接头必需单面满焊。
施工埋设护筒时应先经过桩位中心点拉十字线，并圈出开挖护筒坑范围；钢护筒内径应比设计桩径大40cm；护筒埋入深度其顶略高于施工场地面；钢护筒垂直度不得超出施工规范要求1/200；钢护筒埋设后经测量复核护筒中心和桩位中心偏差须≤30mm。埋设钢护筒时间应在白天光线好条件下作业才可确保埋设钢护筒质量。钢护筒埋设后需要对钢护筒中心和桩位中心复核，许可误差内埋设完成，超出许可误差拔出重新埋设钢护筒。
（二）回填混凝土
孔内坍塌，通常是因为泥浆浓度不够或其它泥浆性能指标不符合要求，使孔壁未形成坚实泥皮，护壁效果不好所致。假如泥浆配置正常，最大可能就是孔底钻进溶洞，泥浆流入溶洞和地下水稀释，造成泥浆浓度不够。孔内坍塌大部分均在半边岩位置。
依据实际塌孔深度及塌孔程度可采取回填混凝土方法进行处理。即钻进过程中出现孔壁坍塌后，采取从已挖孔底回填C20混凝土至孔壁坍塌以上1~2m以上，待混凝土终凝达成一定强度后，在从已填混凝土顶面上二次钻进，让回填混凝土在孔内形成一个坚硬护壁。此方法需数次才能成功。