岩溶及破碎地层对桥梁桩基成孔的影响及处置措施

张正星

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 工程概况

汾阳至邢台高速公路榆社至和顺段穿越太行山腹地，其中后沟大桥全长688 m，上部结构采用40 m装配式预应力混凝土连续T梁，下部结构桥台采用柱式台，肋板台，桥墩采用实体墩，基础采用桩基础，桩径1.5 m，桩长26～44 m。

2 地形、地貌及地质概况

桥址位于山间河谷区，微地貌为黄土冲沟、谷坡，谷底覆盖Q4冲洪积物，两侧桥台覆盖Q3黄土、Q2粉质黏土。经钻探揭示，桥址地层主要由第四系全新统Q4冲洪积物、上更新统Q3风积物、中更新统Q2洪积物及石炭系上统太原组C3t沉积岩构成。Q4地层岩性为砂类土、碎石类土及粉质黏土，分布于河谷表层。砂类土（粉砂、中砂、砾砂），褐灰、褐黄色，稍密结构，潮湿状态；碎石类土（角砾、卵石），稍密—中密结构，潮湿—饱和状态，颗粒成分以灰岩、砂岩为主，混合土充填，最大粒径8～13 cm；粉质黏土，黄褐—浅红色，可塑—硬塑状态。Q3风积黄土，褐黄色，稍密结构，稍湿状态，垂直节理及大孔隙发育，具Ⅱ级非自重湿陷性，湿陷厚度5.0～8.4 m，分布于东侧桥台及谷坡。Q2地层岩性为粉质黏土、粉土与薄层砂类土及卵石。粉质黏土，黄褐—浅红、棕红等色，可塑—硬塑状态为主，含钙质结核及铁锰质薄膜；粉土，黄褐—棕红色，中密—密实结构，稍湿状态，厚5.3～6.5 m；砂类土（粉砂、中砂），中密结构，潮湿状态，厚2.6～4.4 m；卵石，中密结构，潮湿状态，颗粒成分以砂岩为主，混合土充填，最大粒径10 cm。C3t地层岩性以泥岩、砂岩及灰岩构成。泥岩，褐灰—黄褐色，全—中风化状态。全风化地层呈坚硬黏性土状，含强风化碎块；强风化地层节理裂隙发育，岩芯破碎，呈碎块及短柱状；中风化地层为泥质结构，层理构造，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状及长柱状；砂岩呈黄褐、浅灰、褐灰等色，强—中风化。强风化地层节理裂隙发育，岩芯破碎，呈碎块及短柱状；中风化地层为细中粒结构，层理构造，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状及长柱状；灰岩呈褐灰色，中风化，结晶结构，层理构造，节理裂隙发育。

物探解译推断，沟底范围为构造破碎带，岩溶裂隙发育。

3 岩溶及破碎地层桩基成孔的影响

公路桥梁施工中，桩基成孔的方法通常采用人工挖孔和机械成孔，机械成孔又分为正循环钻进成孔、反循环钻进成孔、冲击钻进成孔、冲抓钻进成孔、螺旋钻进成孔、振动冲进成孔。

根据以上的地质情况和桩长，采用人工挖孔，会面临塌孔危险，甚至危及挖孔工人的生命安全。采用机械挖孔，极易出现塌孔现象，甚至在桩基灌注过程中再次塌孔造成更大的浪费，并给桩基工程造成质量隐患。采用其他机械成孔，必须有循环泥浆才能完成，但在这种破碎地层及岩溶地区，泥浆随时都有可能渗漏，一旦漏浆就很难堵漏，在本项目实施中曾发生1根桩3～4次漏浆塌孔现象，给工程进度和质量造成极大的影响和隐患。

4 注浆方案的提出及浆液配合比设计

4.1 注浆方案的提出

针对后沟大桥桩基成孔中出现的问题，通过对桥位处地质情况进行分析，提出了在所有可能塌孔漏浆的桩位先进行钻孔注浆，然后再进行桩基成孔施工的处置方案。

4.2 浆液配合比设计

根据以往的经验总结，结合本工程的实际情况，注浆材料应满足以下要求：浆液黏度低，渗透力强，流动性好，能进入细小的裂隙和粉、细沙层，浆液可达到预想范围，确保注浆效果；可调节和控制浆液的凝固时间，以避免浆液流失，达到定时注浆的目的；浆液稳定性好，结合率高，强度大，长期存放不变质，货源充足，价格低廉[1]。

根据以上的要求，在设计配合比时主要考虑了以下3点：a）浆液的黏度，在钻孔桩渗漏后，注浆主要起到填充的作用，所以浆液一定要能够进入岩体的细小裂隙，并把这些裂隙尽量填满；b）浆液的强度，因为地下是岩溶破碎区，所以浆液的强度也很重要，如果把破碎的岩石有效地黏结在一起，形成一定的强度，则无疑能保证桥梁的地基坚实；c）造价不能过高，一开始我们也考虑采用水泥—水玻璃双浆液，双浆液凝结时间可控，堵水效果明显，但强度较低，造价高，综合考虑选择添加适量速凝剂的水泥浆方案。试验配合比及性能见表1、表2。

表1 注浆理论配合比每立方米材料用量

表2 注浆配合比性能比较

在反复比较的基础上最终选择固体体积率较高、黏度稍大、强度较高、凝结时间较短的配合比，即：水泥∶速凝剂∶水=1∶0.03∶0.80。

5 注浆技术方案及工艺

以后沟大桥右8号墩为例，该桩基设计深度为30 m，选取对角桩位右8b—0和右8a—1为钻探注浆位置，钻探及注浆深度为38 m（设计桩底之下8 m）。

5.1 钻探

用130 mm钻头开孔，钻至完整基岩5 m后，右8b—0号孔和右8a—1号孔均钻探至11 m时变径为91 mm。用91 mm钻头，钻至设计深度（38 m）终孔。

5.2 孔口管制作及浇筑

注浆管采用的是φ50的PPT热熔管（全孔下管），受注段（11～38 m）加工成花眼。

5.2.1 花管制作

用φ10的钻头进行打孔，每隔约10 cm打1组孔，然后在两孔中间转90°方向再打1组。花眼打好后，要检查整个管是否全部贯通，必须保证贯通以利于在不同深度的注浆流畅。

5.2.2 下管及浇筑

用热熔器将花管与接手焊接，一根一根依次下入孔内，变径深度处在管的外面缠绕一定厚度的编织袋（直径小于130 mm）并用铁丝绑紧，变径深度之上焊接未打孔的PPT管（12 m）直至露出地面大于30 cm，在其与孔壁之间放入20 cm厚砾石，以堵塞大的缝隙，然后放入30 cm厚黏土，防止浆液大量渗漏。最后灌入水泥比为1∶1.2～1∶1.5的水泥浆，浇筑长度为大于5 m。为了加速固结，在浆液中再加入2%～5%的速凝剂。

5.3 注浆

采用图1所示的进行孔口管浇筑及注浆。

图1 孔口管浇筑及注浆示意图

5.3.1 浆液配置

采用水灰比为0.8的纯水泥浆灌注，在浆液中加入水泥重量2%的速凝剂，使注入的浆液尽快凝固。

5.3.2 注浆

注浆及间歇注浆前必须用清水洗孔。洗孔时流量较大且无压力时应立刻停止该工序。并根据实际情况，后沟大桥右8号墩进行间歇注浆来控制注浆量，经过灌注8 h，间歇12 h的多次间歇注浆后，最终在右8b—0号孔灌注到468.8 m3、右8a—1号孔灌注到539.4 m3时，孔口压力均达到1.5 MPa，且稳定10 min之上，结束该孔的注浆施工。

5.4 成桩验证

在注浆结束2 d后，采用冲击钻进行桩基施工，再也没有出现漏浆现象，说明采用的注浆方案切实可行，达到了预期效果。

6 结语

通过和榆高速公路工程实例，说明在地层破碎及岩溶发育地区进行桥梁桩基施工时，可通过地基预注纯水泥浆来加固围岩，加快桩基施工进度，同时回避桩基成孔风险。