高速铁路复杂岩溶环境下超长钻孔桩施工技术

王广群 姜晓杰

摘  要：新建潍坊至莱西铁路大白村特大桥大理岩一般呈层状分布或以夹层、透镜体产于吕梁期侵入岩斜长角闪岩中，地质特征较为复杂。受构造作用、地层结构及地下水等影响，大理岩岩溶强烈发育，呈现出竖向串珠状、横向强连通性的特征，尤以59#墩最为显著。该墩钻孔灌注桩设计为75.5m，屬超长岩溶桩，成孔困难，综合比较后采取冲击钻成孔，长钢护筒、溶洞反复回填冲击、泥浆护壁等综合施工方法，保证了成孔质量及施工进度。

关键词：高速铁路;岩溶;钻孔灌注桩;冲击钻

中图分类号：U445         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0135-02

我国高速铁路建设快速发展，但是岩溶地区桩基尤其是超长桩基施工，质量控制较为困难，前人研究采用注浆、钢护筒跟进等方法，但该类方法经济成本高、工期较长，本文通过对复杂岩溶环境下超长桩基施工过程中卡钻、埋钻、漏浆、偏斜等难点进行分析，结合本研究区现场实际施工情况，采用长钢护筒、片石及黏土反复回填等综合施工方法，有效控制了施工质量。

1 工程地质概况

新建潍坊至莱西铁路平度市云山镇区段为剥蚀丘陵、剥蚀斜坡地貌，地层属华北地层区。研究区主要分布元古界中深变质岩，以工程性质较为稳定的硬质岩为主，岩性主要为大理岩;元古界上覆中生界泥岩、泥质粉砂岩、砂岩，以软质岩为主;地表第四系广泛发育，主要为黏土、砂类土等松散堆积物。研究区风化程度界线起伏大，地层软硬不均显著，吕梁期斜长角闪岩侵入显著，大理岩及斜长角闪岩互层，地层产状变化大，加剧了地层的不均匀性，地质特征较为复杂[1，2]。

大白村特大桥大理岩一般呈层状分布或以夹层、透镜体产于斜长角闪岩中。受构造作用、地层结构及地下水等影响，岩性交界面大理岩岩溶强烈发育，溶洞见洞率及层数多，大多数泥浆漏失严重，尤以59#墩为最。该处溶洞以竖向串珠状、横向强连通性为主要特征，地勘取芯揭露洞高2m居多，最大达6.3m，溶洞底板最深达75.7m，充填、半充填及无充填均有分布，充填物以大理岩全风化及强风化碎屑为主，夹少量黏性土、砂类土。

该墩基础采用摩擦桩基础，设计单桩承载力3719.8kN，容许单桩承载力5167.3kN。设计为8根φ1.0m钻孔灌注桩，单根桩长75.5m，下部基岩为强风化斜长角闪岩（W3，σ0=500kPa），基岩面起伏较大。桩长范围内弱风化大理岩（W2，σ0=1500kPa）、溶洞及强风化斜长角闪岩（W3，σ0=500kPa）交替出现，极易出现卡钻、掉钻、塌孔埋钻及泥浆严重漏失等异常情况，桩基成孔难度大。通过对该区复杂岩溶环境下桩基成孔技术研究，采取适宜施工方法，对桩基质量控制具有重要意义。

2 难点分析及设备选型

钻孔灌注桩成孔主要是旋挖钻及冲击钻，基于以下几种原因，综合比较后采取冲击钻成孔、泥浆护壁施工方式：（1）该墩位桩基过长，大理岩硬度大（σ0=1500kPa），需单独引进较大功率旋挖钻机，时间及经济成本过高。（2）充填～半充填溶洞充填物松散且洞高较大，采用旋挖钻无法形成有效护壁，填充物坍塌易造成埋钻、洞顶卡钻等安全事故。（3）无填充强连通性溶洞，击穿溶洞后严重漏浆，即使及时补水或补浆效果也较差，不能保持浆面高度，桩基上部黏土层及砂层受地下水作用，导致塌孔;旋挖钻机无法在溶洞处形成护壁，混凝土灌注过程中会大量超方，孔内混凝土面及浆面易迅速下降，导管埋深不易确定，极易造成断桩、夹泥等质量事故[3]。（4）岩溶桩基地质情况复杂多变，受限于勘探孔较小，桩身范围内极有可能存在勘探期间未发现的溶洞，导致意外漏浆、卡钻等，根据详细地勘剖面图逐桩制定处理方案的同时注意及时处理突发情况，保证成孔质量。

3 施工方法

地勘资料揭示桩基上部存在砂层且粉质黏土层较厚，溶洞层数多、单层高度大，且多为无充填、半充填型，综合比较后采取长钢护筒、冲击钻反复回填冲击、泥浆护壁等施工方法。

3.1 长钢护筒法

岩溶桩基为逐桩钻孔取芯，地勘资料较为准确，揭示孔口流变性砂层顶部深度3.3m～3.9m，底部深度4.9m～6.1m，钻至该部位时易发生塌孔埋钻等事故，为确保孔壁稳定及施工安全，综合考虑施工成本、工期等因素，采取长钢护筒法施工。钢护筒采用厚度10mm钢板卷制而成，直径1.3m，长7m，护筒穿过砂层进入下部岩层1m，有效保证了该段成孔质量及施工进度。

3.2 回填筑壁法

以59-2#桩基为例，地勘及实际钻孔资料揭示该桩基上部较松散粉质黏土及砂层厚度为21.4m，厚度较大;溶洞共9层，洞高1.1～3.3m，除一处为半填充～全填充外，其余均为无填充溶洞，钻探时发生掉钻，钻至溶洞时泥浆通常严重漏失甚至完全漏失。溶洞回填数据统计表见表1。

（1）该根桩基多为无填充大溶洞，为防止钻头击穿洞顶掉入大溶洞发生卡钻事故，冲击钻钻至洞顶1m处改用小冲程缓慢击穿洞顶，可有效防止事故发生[4，5]。击穿洞顶发生泥浆漏失时应立即将钻头提出桩孔，防止塌孔引起埋钻事故。（2）因孔内浆面下降，泥浆静水压力不再有效缓解孔边的剪切应力，易造成上部松散层塌孔[6]，立即提钻后应及时回填片石及黏土，同时注水或泥浆保持孔内水头高度，采用小冲程继续冲击筑壁[7]。（3）半填充～全填充及桩间连通性差小溶洞，缓慢漏浆，采用片石及黏土单次回填，小冲程缓慢冲击，基本能形成有效的护壁，使孔内水头高度稳定保持，孔壁稳定后穿过岩溶区再采用大冲程继续进尺。（4）对于无填充、桩间甚至墩间连通性好且洞高较大的溶洞，采用片石及黏土回填时需经过多次回填，反复冲击才能有效形成护壁，使孔内浆面稳定保持，待浆面完全稳定后方可进行向下钻孔，否则钻孔时由于振动等原因易引起溶洞处护壁坍塌，同时灌注混凝土时极可能因侧压力过大导致形成的护壁被冲开，混凝土面下降导致导管埋深不够产生断桩、夹泥等质量事故。（5）实际钻孔中发现片石及黏土采用体积比1：2回填，同时将泥浆比重控制在1.3左右，可保证桩基上部孔壁稳定及溶洞护壁有效形成。（6）受侵入及构造作用影响，大理岩及斜长角闪岩产状及硬度差别大，地层非均质性强，地质特征较为复杂。钻孔时易在岩性交界面、溶洞侧壁等强非均质性地层产生偏斜现象，应注意钢丝绳摆动及与中心偏差情况，发生偏斜后及时反复回填片石及黏土，直至修复。

4 结束语

高速铁路对地基处理具有较高要求，而岩溶桩基施工及质量控制又较为困难，因此复杂岩溶环境下超长桩基施工技术研究具有重要意义。通过对研究区桩基施工难点及施工过程进行分析，讨论了施工中采取的处理措施，及时有效保证了施工进度及成桩质量。（1）地表土质松散且含有流变性砂层桩基采用长钢护筒，有效预防桩基上部砂层及孔口坍塌。（2）无填充、横向强连通性大溶洞，采取片石黏土反复回填冲击，确保孔壁稳定及抵抗混凝土灌注时侧压力的能力。（3）进尺到溶洞时，注意钢丝绳摆动及与中心偏差情况，谨防钻孔偏斜，异常情况及时处理。（4）灌注混凝土时在溶洞处加大导管埋深，同时稍作停留再继续灌注，防止孔壁被挤穿，导致导管埋深不够造成断桩、夹泥等质量事故。

参考文献：

[1]陈正国，邸素梅.山东平度斜长角闪岩——大理岩型滑石矿床的成因新认识[J].中国非金属矿工业导刊，1996（4）：8-13.

[2]翟慎德.胶莱盆地形成演化与油气形成条件[D].中国科学院研究生院（广州地球化学研究所），2003.

[3]付祖良.钻孔灌注桩水下混凝土灌注技术研究与应用[D].华中科技大学，2006.

[4]张嵛铭.小董江特大桥岩溶区桩基施工技术研究[J].铁道运营技术，2015，21（2）：58-60.

[5]郑新军.复杂岩溶地段桥梁桩基施工技术[J].中国西部科技，2015，14（5）：55-56.

[6]刘润星.钻孔桩成孔时泥浆护壁的力学原理分析[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2011，42（2）：185-189.

[7]苏学波.岩溶地基桥梁桩基施工技术[J].铁道标准设计，2006（6）：35-37.