一种岩溶地区溶洞桩基成桩方法与流程

1.本发明涉及桩基施工领域，尤其涉及一种岩溶地区溶洞桩基成桩方法。


背景技术：

2.随着我国铁路建设网逐步加密扩大，出现了越来越多的桥梁，桩基是桥梁的基础，近年来，随着建设交通的迅速发展，在我国道路建设中岩溶发育地区钻孔桩施工越来越广泛。岩溶发育地区钻孔桩一般采用钢护筒跟进、片石 水泥 黄泥回填的方式处理溶洞，容易出现坍孔、影响地面建筑物、施工设备及人员安全现象。采用此方法成功率低，浪费大量资源，施工连续性及安全性差，造成桥梁施工进度慢，成本高。
3.桥梁桩基溶洞发育由于侵蚀环境不同主要分为填充型溶洞、半填充型溶洞及无填充型三类。按照其结构类型，大致可分为浅埋型溶腔、串珠型溶腔、贯通型溶腔及复杂综合型溶腔(长桩)四大类。上述四种溶腔对桩基施工的影响，主要表现为：坍孔、漏浆、钻机倾斜坍塌以及混凝土突发下沉等情况。
4.现有技术中，申请公布号为cn113502810a的中国发明专利申请公开了一种复杂地质深孔桩施工方法，旋挖钻将钢套管逐节跟进至孔底，然后通过灌注混凝土配合搓管机逐节的将钢套管拔出；此技术方案在深长桩基施工中，因跟进钢套管过长重量较大，不可用旋挖钻机自身进行拔管，需借助搓管机进行配套施工；钢套管跟进至桩底，在钻进过程对各级溶腔未进行预处理，虽节约了钻进时间，但是在后期浇筑混凝土过程，因为地下溶洞的不可预见性，增加了浇筑混凝土过程坍孔风险及浇筑混凝土时间，需对混凝土进行特殊设计，延长初凝时间。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对目前岩溶发育地区桩基施工时出现的溶腔顶壁覆盖层易坍孔、地面塌陷以及成孔后沉渣过厚、成桩效率低等现象，提供一种岩溶地区溶洞桩基成桩方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种岩溶地区溶洞桩基成桩方法，包括如下施工步骤：
8.s1、首节钢护筒安装，采用旋挖钻机配套的驱动套安装首节全护筒，并在首节全护筒的底部安装套靴；
9.s2、旋挖钻进施工，一边取渣一边安装下一节全护筒，所述下一节全护筒底端与前一节全护筒顶端固定连接；
10.s3、重复步骤s2，直至所述首节全护筒跟进至第一层溶洞顶板位置；保证所述首节全护筒入岩0.2-0.3m后停止全护筒的跟进；
11.s4、继续旋挖钻进，并对桩基内的溶洞进行混凝土回填预处理，回填后混凝土强度不低于10mpa后继续钻进；直到旋挖钻深度计数显示达到设计深度后，采用捞渣钻清孔后即得成孔；
12.s5、在所述成孔内安装钢筋笼及声测管；
13.s6、下导管进行混凝土灌注，待灌注混凝土达到首节全护筒底口以上4-5m后，通过旋挖钻机旋出顶层全护筒并拆卸，然后按照灌注混凝土-旋出顶层全护筒-拆卸全护筒的顺序重复操作，直至所述全护筒全部拔出。
14.本发明提出一种岩溶地区溶洞桩基成桩方法，利用旋挖钻成孔，采用全护筒跟进至岩层，(第一层溶腔顶壁)对软弱地层进行稳固，然后继续向下钻进，对溶洞进行清理并配合使用混凝土对溶洞进行回填预处理，降低已填充溶洞坍塌的风险，提高溶洞处理效率，降低了后期桩体混凝土灌注风险。采用旋挖钻成孔，可有效控制孔底沉渣；灌注过程中坍孔几率低，避免断桩或其他缺陷；边灌注砼边拔护筒同样可避免灌注时软弱地层坍塌，保证桩体质量。
15.由于全护筒未跟进至孔底，而是位于第一层溶腔顶壁，在进行拔出全护筒的过程中，不需要使用其它设备配合进行拔管，仅使用旋挖钻即可贯穿整个成孔过程。减少钢套管及其它配套设备的投入，利用旋挖钻自身动力头及驱动器可实现全护筒的钻进与拔出。极大的降低了施工成本；对下方多层溶腔的预处理，利用回填混凝土的方式对桩体腔壁进行加固，保证旋挖钻钻进条件的同时，减少了后期桩基混凝土浇筑过程风险。
16.首节钢护筒底部装有筒靴及呈环状排列的切削齿，以使全护筒能够较快、较容易的放进密实地层及混凝土内；全护筒和全护筒钻机的护筒驱动连接器相连，钻机操作手将第一节双壁钢护筒放入导墙内准确位置；作为本发明的优选方案，步骤s1中，所述首节全护筒在入孔前进行孔位中心复核，所述首节全护筒与孔位中心对齐后利用旋挖钻自重旋转下压全护筒，同时用水平尺复核护筒垂直度；旋挖钻旋转机身对齐护筒后将驱动套与全护筒通过销钉连接。
17.在使用钻机的动力头旋转压入双臂护筒前，使用液泡水准仪测量，调整护筒的垂直位置。在护筒被旋转压入地面数米后，使用水准仪对护筒的垂直度再次进行校验，护筒的横轴及纵轴位置每次测量时都需要校验，护筒垂直度的允许公差依规范而定。
18.作为本发明的优选方案，步骤s2中，当所述第一层溶洞顶板厚度较薄，顶板厚度不超过20cm，将所述首节全护筒继续向下跟进至完整基岩，以确保覆盖层的稳定性。
19.作为本发明的优选方案，根据地质柱状图能够提前计算出全护筒的长度，所述全护筒包括多种不同长度，所述全护筒的长度范围包括0.5m、1m、2m、3m、4m。
20.作为本发明的优选方案，在钻进过程中，根据不同的土层对应采取不同的钻压、钻速、泥浆比重和泥浆量。当在砂土或软土等易塌孔的地层中钻孔时，宜采用慢速轻压钻进，并提高孔内水头、加大泥浆比重。
21.作为本发明的优选方案，所述旋挖钻在第一层溶洞顶板以下钻进过程中，对出现的溶洞采用低标号混凝土进行回填；
22.具体回填方法如下：将所述溶洞类型分为无填充溶洞、半填充溶洞和全填充溶洞；对于无填充溶洞，直接通过导管灌注混凝土，对于半填充或全填充类型，当填充物为软塑(溶腔填充体含水量较大，具有流动性，自稳性差)，将所述填充物捞取出后灌注混凝土，当填充物为硬塑(溶腔填充体含水量少，不具备流动性，自稳性较好)，确保孔壁不坍塌的情况下对孔壁外溶洞进行混凝土回填。
23.作为本发明的优选技术方案，溶洞回填应按水下混凝土灌注相关要求进行，回填
深度应从孔底至溶洞顶板以上1m，以确保回填效果。溶洞回填完后应等混凝土强度达到10mpa后方可重新钻进。在等待混凝土强度同时，可以施工相邻墩台桩基或同墩台其他桩孔位置，避免旋挖钻无效等待，提高效率。
24.作为本发明的优选技术方案，步骤s4还包括步骤s4.1：旋挖钻深度计数显示达到设计深度后，用捞渣钻清孔，并用测绳实测孔深，达到要求后用检孔器检查孔径、倾斜度，用护桩复核桩位中心，验收合格后到下一步骤，验收不合格则重复用捞渣钻清孔，直到验收合格。
25.成孔质量控制规范如下：
26.成孔后用测绳测量成孔深度及沉渣厚度，成孔深度不小于设计深度，沉渣厚度柱桩不大于5cm，摩擦桩不大于20cm。
27.检孔器检验孔径及垂直度，孔径不得小于设计桩径，垂直度不得大于1％。
28.旋挖钻深度计数显示达到设计深度后，用捞渣钻清孔，并用测绳实测孔深，达到要求后用检孔器检查孔径、倾斜度，用护桩复核桩位中心。钻孔验收合格后应及时下钢筋笼灌注混凝土。
29.作为本发明的优选技术方案，成孔后应根据捞取的渣样判定桩底是否满足设计要求，若桩底入岩深度不足或有局部溶蚀现象等，应继续钻进探查桩底情况，确保基底承载力。
30.作为本发明的优选技术方案，步骤s5中，钢筋笼多节焊接后通过吊车吊装入孔，受吊车吊臂长度的限制，对于24米以下钢筋笼焊接完成后一次性吊装入孔，24米以上钢筋笼笼长较长且重量重，采用单节吊装入孔；最上节钢筋笼下到孔口位置时，用槽钢临时将钢筋笼支撑在孔口，用水准仪测此时全护筒顶标高，根据钢筋笼顶标高，算出吊筋长度，焊拉吊筋在钢筋笼主筋上，然后将吊钩挂在吊筋上，缓缓下至设计位置，在钢筋笼的顶吊圈内插两根平行的槽钢，槽钢横放在枕木上，将整个笼体吊挂于护筒顶端两侧的方木上，确保钢筋笼位置、高度准确。
31.作为本发明的优选技术方案，对于长度大于40m的桩基，安装声测管，每节段所述钢筋笼焊接时需再次检查声测管连接质量，确保声测管有效。在岩溶发育区(明显钻进过程多次回填混凝土区域)，考虑低应变检测时信号不强受影响较大等原因，建议桩长大于30m桩基均增加声测管；桩长大于60m的深长桩基也适当增加1～2根声测管，以确保后期检测效果。
32.作为本发明的优选技术方案，混凝土灌注中使用的导管直径为30
±
2cm的钢导管，所述钢导管按照自下而上的顺序包括底节钢导管、中间节钢导管和首节钢导管，所述底节钢导管的长度不少于4m，所述中间节钢导管的长度为2
±
0.05m，所述首节钢导管设置于所述料斗下方，所述首节钢导管的长度为2
±
0.05m。
33.导管使用前应全长试拼后进行水密承压试验，水密承压试验的水压力不应小于孔底静水压力的1.5倍。导管安装后，其底端与孔底的距离要能使混凝土球塞或其它隔水物顺利排出导管。先将导管底端缓慢做落到孔底，然后提升30～40cm后进行固定。浇筑前计算首盘混凝土方量，确保导管底部埋入混凝土1m以上。
34.针对于岩溶发育类型的桩基施工，灌注混凝土时存在将泥浆护壁压破的情况，进而导致混凝土面下降，为避免导管进水，导管埋深宜大于规范要求，以保证灌注质量。导管
应在混凝土灌注明显减慢时进行提升，并在提升过程中通过快速升降导管对混凝土进行捣鼓密实。
35.灌注过程中应及时测量混凝土表面上升情况，并记录扩径现象，保证灌桩质量。灌至设计标高后应静置10分钟，确认混凝土面不下降后再行拆除导管。
36.作为本发明的优选技术方案，灌注混凝土达到护筒底口以上4-5m后方可拆除护筒，边灌边拆，使混凝土顶面始终位于护筒底面以上，避免护筒拆除后孔壁坍塌，影响桩基质量。
37.混凝土灌注质量控制如下：
38.首盘混凝土灌注应保证导管埋深不小于1m，导管底口距孔底距离宜控制在30～40cm为宜。
39.灌注砼是应保证导管埋深控制在2～6m，不得埋入过深以免导管拆除困难。
40.混凝土面超过护筒底口5m时方可，且应保证混凝土面始终在护筒底口以上。混凝土应超灌0.5～1m，保证桩头混凝土质量。
41.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
42.本发明提出一种岩溶地区溶洞桩基成桩方法，利用旋挖钻成孔，采用全护筒跟进至岩层，(第一层溶腔顶壁)对软弱地层进行稳固，节省护筒所需长度，降低成本投入；然后继续向下钻进，对溶洞进行清理并配合使用混凝土对溶洞进行回填预处理，降低已填充溶洞坍塌的风险，提高溶洞处理效率，降低了后期桩体混凝土灌注风险。采用旋挖钻成孔，可有效控制孔底沉渣；灌注过程中坍孔几率低，避免断桩或其他缺陷；边灌注砼边拔护筒同样可避免灌注时软弱地层坍塌，保证桩体质量。
43.由于全护筒未跟进至孔底，而是位于第一层溶腔顶壁，在进行拔出全护筒的过程中，不需要使用其它设备配合进行拔管，仅使用旋挖钻即可贯穿整个成孔过程。减少钢套管及其它配套设备的投入，利用旋挖钻自身动力头及驱动器可实现全护筒的钻进与拔出。节省其它设备配合使用手续，操作更加便利；极大的降低了施工成本；对下方多层溶腔的预处理，利用回填混凝土的方式对桩体腔壁进行加固，保证旋挖钻钻进条件的同时，减少了后期桩基混凝土浇筑过程风险。
附图说明
44.图1是本发明的岩溶地区溶洞桩基成桩方法的流程示意图；
45.图2是本发明中施工区域中复杂综合型溶腔的地层剖面结构示意图；
46.图3是本发明的钢精笼的俯视平面结构示意图；
47.图标：1-全护筒；2-钢筋笼；3-声测管；4-槽钢。
具体实施方式
48.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
50.实施例1
51.本发明提出的岩溶地区溶洞桩基成桩方法，主要施工位置及具体信息如下所述：
52.起讫里程dk143 997～dk169 150，正线长度25.153km。其中桥梁共8座，总长度16.564km，占标段全长的65.9％。桥梁桩基截至目前开累完成3931根，占桩基总数4110根的95.6％；
53.管段桥梁桩基岩溶极其发育，其中82％(约3380根桩基)为岩溶桩，桩基长度最长106m，桩长大于50m桩基262根；桩径以1.0m及1.25m为主，间插部分1.5m、2m桩基，施工较为困难。
54.对于桥梁桩基施工钻进成桩影响最大的主要因素包括如下几种：
55.①
钻进过程中遇斜岩(冲击钻)
56.桥梁桩基施工钻进过程遇斜岩，反复冲填(片石 黄泥 水泥(4、5次以后))，甚至10次以上，效果不理想，浪费回填材料，处理效果不佳，浪费钻机用电，成桩时间长。
57.②
钻进过程中遇漏浆
58.桥梁桩基施工过程中遇漏浆，此情况往往伴生着斜岩、溶腔同时发生，重复回填多次处理后才能达到效果。
59.③
钻进过程中卡钻
60.桩基钻进过程中在穿越溶腔壁时候，由于溶腔顶壁岩层较硬、孔位倾斜造成钻头卡钻(冲击钻、旋挖钻)，靠牵引绳或钻杆无法将钻头直接取出。
61.岩溶区域桩基均为逐桩钻孔地勘，针对第一层溶腔完整顶腔壁厚度、埋深及墩位场地，选取钻机设备。在浅覆盖层为主且顶腔壁厚度小于1m的墩位采用冲击钻进行施工，防止旋挖钻因本身重量等原因发生坍塌。其余平坦地段，根据岩层硬度对比选择旋挖钻，成桩效率更为突出。筛选后可利用旋挖钻进行施工的墩台，按照桩基施工原则：先长后短，先难后易进行施工确保成桩质量；
62.对于桩基下方明显存在大型溶腔的地段，在无法探明是否为填充型溶腔情况下，所有桩基第一层溶腔顶之上的覆盖层需进行钢护筒跟进，确保施工下步钻进过程穿过溶腔过程，覆盖层不会出现坍塌。
63.在设计施工图中明显发现溶腔存在斜岩发育或串珠型溶腔的区域，利用小钻头先行钻至设计孔深，再改大钻头进行复钻至孔底，确保成桩效率。
64.如图1-3所示，岩溶地区溶洞桩基成桩方法，包括如下施工步骤：
65.旋挖钻进场前，对承台位置进行分析，针对浅溶腔壁顶(溶腔壁顶岩层厚度小于1m)位置不采用旋挖钻施工。对于其他可使用旋挖钻施工位置，对松软土层采用碎石换填作为钻机平台，并在钻机履带下方垫两块2cm厚钢板以增加受力面积。
66.根据测量放样定出的孔位中心，在桩孔2m外设置护桩。钻机行进至桩位后首先调直钻杆，再将钻头中心对准桩位中心。确定位置无误后开始钻进开孔，开孔根据土层厚度确定深度，土层较薄时开孔至岩层，土层较厚时开孔3m深，以便护筒安装。
67.步骤1、首节钢护筒安装，采用旋挖钻机配套的驱动套安装首节全护筒，所述首节全护筒选取4m长的全护筒，并在底部安装套靴；所述首节全护筒在入孔前进行孔位中心复核，旋挖钻旋转机身对齐护筒后将驱动套与全护筒通过销钉连接。所述首节全护筒与孔位中心对齐后利用旋挖钻自重旋转下压全护筒，同时用水平尺复核护筒垂直度。
68.步骤2、继续钻进，边取渣边下下一节全护筒，所述下一节全护筒底端与前一节全
护筒顶端固定连接；
69.步骤3、重复步骤2，直至所述首节全护筒跟进至第一层溶洞顶板位置；保证所述首节全护筒入岩0.2-0.3m后停止全护筒的跟进；全护筒安装应根据地质柱状图提前计算护筒长度，避免护筒下至岩层后高度不够或过高。每台旋挖钻均应配置4m、3m、2m、1m、0.5m长护筒，以便根据基岩面深度配置不同长度全护筒。钻进过程中应经常检查土层变化，对不同土层采用不同的钻压、钻速、泥浆比重和泥浆量；在砂土或软土等易塌孔的地层中钻孔时，宜采用慢速轻压钻进，并提高孔内水头、加大泥浆比重。
70.步骤4、全护筒只跟进到第一层溶洞顶板位置，后续的钻进过程不再继续跟进全护筒，直接根据溶洞的情况进行处理，所述旋挖钻在第一层溶洞顶板以下钻进过程中，对出现的溶洞采用低标号混凝土进行回填，所述溶洞填充包括无填充、半填充和全填充类型；对于无填充溶洞，直接通过导管灌注混凝土，对于半填充或全填充类型，当填充物为软塑，将所述填充物捞取出后灌注混凝土，当填充物为硬塑，确保孔壁不坍塌的情况下对孔壁外溶洞进行混凝土回填。(全填充硬塑充填物则不需回填)。溶洞回填应按水下混凝土灌注相关要求进行，回填深度应从孔底至溶洞顶板以上1m，以确保回填效果。溶洞回填完后应等混凝土强度达到10mpa后方可重新钻进。在等待混凝土强度同时，可以施工相邻墩台桩基或同墩台其他桩孔位置，避免旋挖钻无效等待，提高效率。
71.回填后混凝土强度不低于10mpa后继续钻进；直到旋挖钻深度计数显示达到设计深度后，采用捞渣钻清孔后即得成孔；旋挖钻深度计数显示达到设计深度后，用捞渣钻清孔，并用测绳实测孔深，达到要求后用检孔器检查孔径、倾斜度，用护桩复核桩位中心，验收合格后到下一步骤，验收不合格则重复上述步骤直到验收合格。
72.步骤5、在所述成孔内安装钢筋笼及声测管；如图3所示，24米以下钢筋笼2焊接完成后一次性吊装入孔，24米以上钢筋笼2笼长较长且重量重，采用单节吊装入孔；最上节钢筋笼2下到孔口位置时，用槽钢4临时将钢筋笼支撑在孔口，用水准仪测此时全护筒1顶标高，根据钢筋笼2顶标高，算出吊筋长度，焊拉吊筋在钢筋笼2主筋上，然后将吊钩挂在吊筋上，缓缓下至设计位置，在钢筋笼2的顶吊圈内插两根平行的槽钢4，槽钢4横放在枕木上，将整个笼体吊挂于全护筒1顶端两侧的方木上，确保钢筋笼2位置、高度准确。对于长度大于40m的桩基，安装声测管3，每节段所述钢筋笼2焊接时需再次检查声测管3连接质量，确保声测管3有效。在岩溶发育区(明显钻进过程多次回填混凝土区域)，考虑低应变检测时信号不强受影响较大等原因，建议桩长大于30m桩基均增加声测管3；桩长大于60m的深长桩基也适当增加1～2根声测管3，以确保后期检测效果。
73.步骤6、下导管进行混凝土灌注，待灌注混凝土达到首节全护筒底口以上4-5m后，通过旋挖钻机旋出顶层全护筒并拆卸，然后按照灌注混凝土-旋出顶层全护筒-拆卸全护筒的顺序重复操作，直至所述全护筒全部拔出。混凝土灌注中使用的导管直径为30
±
2cm的钢导管，所述钢导管按照自下而上的顺序包括底节钢导管、中间节钢导管和首节钢导管，所述底节钢导管的长度不少于4m，所述中间节钢导管的长度为2
±
0.05m，所述首节钢导管设置于所述料斗下方，所述首节钢导管的长度为2
±
0.05m。
74.导管使用前应全长试拼后进行水密承压试验，水密承压试验的水压力不应小于孔底静水压力的1.5倍。导管安装后，其底端与孔底的距离要能使混凝土球塞或其它隔水物顺利排出导管。先将导管底端缓慢做落到孔底，然后提升30～40cm后进行固定。浇筑前计算首
盘混凝土方量，确保导管底部埋入混凝土1m以上。
75.针对于岩溶发育类型的桩基施工，灌注混凝土时存在将泥浆护壁压破的情况，进而导致混凝土面下降，为避免导管进水，导管埋深宜大于规范要求，以保证灌注质量。导管应在混凝土灌注明显减慢时进行提升，并在提升过程中通过快速升降导管对混凝土进行捣鼓密实。
76.灌注过程中应及时测量混凝土表面上升情况，并记录扩径现象，保证灌桩质量。灌至设计标高后应静置10分钟，确认混凝土面不下降后再行拆除导管。灌注混凝土达到护筒底口以上5m后方可拆除护筒，边灌边拆，使混凝土顶面始终位于护筒底面以上，避免护筒拆除后孔壁坍塌，影响桩基质量。
77.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。