桩基溶洞处理方案.doc

冲孔桩施工溶洞处理方案
一、根据溶洞等不良地质情况在冲孔桩施工过程中易出现的主要影响如下：
（1）漏浆。在遇见溶洞时，泥浆急剧流失，部分无法及时补回到正常水位；
（2）不可遇见性漏浆。施工过程中，在桩孔回填块石、黏土后继续钻进，泥浆液面连续下降情况；在灌注混凝土过程中，出现泥浆液面连续下降情况；
（3）塌孔。在冲孔遇见溶洞，特别是在溶洞部分或无充填情况下，泥浆急剧流失，无法及时补充泥浆导致塌孔，此种情况亦可导致埋锤现象；
（4）偏斜。钻进过程中遇见斜面岩、溶洞壁（半边岩）等，导致冲锤向低的一边或软的一边偏斜，无法继续正常钻进；
（5）卡锤。冲孔进入溶洞时，由于溶洞顶破裂而形成“天窗”，使冲锤掉进溶洞，出现卡锤现象。
（6）不可遇见性溶洞。在地勘资料显示无溶洞的情况下，钻进过程中遇见溶洞，可采用回填混凝土处理。灌注混凝土过程中遇溶洞后，混凝土严重超方，且其他桩位地勘孔有大量泥浆冒出，表明其他桩基范围有大型溶洞且为无充填或部分充填，并与该溶洞串通。
（7）大型溶洞过程处理漫长。针对在特大型溶洞，冲击钻成孔过程中反复回填黏土、块石，反复冲击处理。
二、处理方案概述
根据本工程地质报告资料，工程地质情况较复杂，溶洞分布较广泛，桩基持力层一般为微风，结合溶洞等不良地质对桩基施工的影响，综合考虑质量要求和工期要求，经过归纳整理，具体可以划分为溶洞、裂隙、斜面岩等三类情况，拟进行施工前的预处理和施工过程中的过程处理。
1、处理目的及必要性
1.1保障桩基施工工期
因本工程桩基工期非常紧张，综合考虑桩基施工所遇到的问题，通过施工前预处理和过程处理，保证成桩速度与质量，确保桩基施工工期满足要求。
1.2确保桩基施工成孔安全
溶洞填充物多为半充填，部分为全充填或无充填，充填物呈褐黄色黏土，软塑～可塑，饱和，局部含少量灰岩碎石；以及超前勘察钻进过程中出现过漏浆的地层。承载力很低、稳定性差。通过对其处理，使溶洞得到充填、稳定、固结，增加护壁强度，避免冲击钻成孔施工时造成漏浆、塌孔等意外事故的发生，确保桩基成孔质量与安全。
1.3防止地表塌陷和过大沉降
部分溶洞距离地表较深，上顶距离地面一般在20～25米左右，溶洞多为半充填，部分为全充填或无充填，通过处理，使溶洞周边地层和工作面土体能保持稳定，防止坍塌，土体流失，减少地表沉降。
1.4满足永久结构的承载力
溶洞填充物和灰岩地层承载力有很大的差别。通过对地层处理，提高该处地层的承载力，减小不同地层之间的差异沉降，增加桩基摩阻力，以满足对桩基耐久性的需求。
2、处理原则
（1）根据地质勘察，灰岩强度较高，结合工期要求及现场实际情况，桩基施工采用冲击钻成孔。
（2）对工程中所有出现的溶洞或出现超前钻漏浆、漏水等现象的地层，为了防止成孔中漏浆、塌孔，减少成孔困难，进行预注浆处理。预注浆以水泥浆为主，注浆量大时可采用双液浆或采用分次压注水泥浆的方案。注浆加固的次序，考虑地下水的影响，确保注浆效果，减少注浆损失。
（3）遇有斜面岩时，根据斜面岩竖向高度不同，可以填充混凝土、硬质岩片石（如闪长岩、辉绿岩）反复冲击为主，特殊情况下采用孔内爆破的方案。回填高度一般高于出现偏孔处1.5～2m米处，如此反复填充，反复冲击成孔，直至孔壁垂直度满足设计要求。
（4）尽量避免采用钢套管护壁的高造价、低效率护壁方案；必须采用时，宜采用单套管护壁方案。
（5）裂隙处理主要采用3:7土石混合料反复抛填，反复冲击，直至泥浆不再下降为止。
（6在桩基施工前，原则上对大型、特大型溶洞进行注浆预处理，对于中型串通型溶洞，根据现场实际情况决定是否注浆，实施中需及时通知业主、审计、监理等相关单位。
3、溶洞的判别
3.1工前判断（资料判别）
依据地质勘查报告和超前钻资料，可以明确判定桩位存在溶洞的位置。
3.2施工过程中判断（泥浆液面判别）
冲击钻成孔作业过程中，出现了浆液面较大幅度的下降，地质勘查报告和超前钻资料中显示无溶洞存在时，可能存在较大裂隙和邻近溶洞击穿的情况。
4、裂隙的判别
4.1工前判断（资料判别）
依据超前钻资料，桩位不存在溶洞，但超前钻柱状图岩体描述中含“节理裂隙（一般）发育”时，一般有存在裂隙的可能；如果描述中含“钻进过程中漏水”时，则可能存在裂隙或较大破碎岩体孔隙。
4.2施工过程中判断（泥浆液面判别）
施工过程中出现了漏浆，但超前钻资料中显示不存在溶洞时，一般是存在裂隙的可能；如果出现了浆液面较大幅度的下降，地质勘查报告和超前钻资料中显示无溶洞存在时，可能存在较大裂隙和邻近溶洞击穿的情况。另外，在桩基钻进过程中泥浆浓度下降，甚至出现桩孔返水等现象时，表明桩孔击穿了承压水带，可以视为岩层裂隙处理。
5、斜面岩（含半边岩）的判别
5.1工前判断（资料判别）
（1）依据地质勘查报告和超前钻资料，岩层界面走向有大幅度的倾斜或超前钻资料显示同一桩位各钻孔地层资料显示岩层界面有差异时，可以判定桩位存在斜面岩的问题。
（2如果存在较硬的孤石或探头深入桩基范围时，也应归为斜面岩进行处理。
（3）一般溶洞下底倾斜较大时，在进行溶洞处理的同时，也应考虑斜面岩的处理。
5.2施工过程中判断（偏孔）
冲击钻施工过程中出现了偏孔时，一般可以判定出现了岩层强度不均匀的斜面岩现象。
三、溶洞处理方案
根据地勘资料，溶洞主要有半充填、部分充填、无填充三类，其中以部分充填状态数量较多，无充填情况稍少。根据地质条件，综合考虑施工工期、桩基质量、场地安全、施工场地情况，从技术、经济等方面经过比较，对已知溶洞采用桩基施工前进行注浆法预处理，施工过程中进行过程处理，对未知溶洞采用灌注混凝土填充法、抛填法、护筒跟进法进行过程处理
1、溶洞的分类
根据已掌握的地勘资料，将当前揭示的溶洞情况进行整理分析，确定溶洞的不同类型如下：
（1）小型溶洞：单个高度H≤2m以内的填充式溶洞或虽显示不只1个溶洞，但都小于2m且间隔距离大于2m以上；
（2）中型溶洞：单个溶洞高度2m＜H≤4m；或多个溶洞虽单个小于2m但属全空溶洞，或多溶洞间距较小（实际冲孔过程中将会被击穿形成一体溶洞）其累加溶洞达到2m以上；
（3）大型溶洞：单个溶洞高度4m＜H≤6m；或多个溶洞虽单个小于4m但属多溶洞间距较小，其累加溶洞达到4m以上；
（4）特大型溶洞：单个溶洞高度H＞6m，或单个小于6m但属多溶洞间距较小，其累加溶洞达到6m以上；

（5）虽地勘资料未揭示有溶洞，但其同墩倒位相邻桩揭示出中型以上溶洞的。在钻机冲孔施工时同样极有可能击穿紧临溶洞而出现中型或大型溶洞的。
2、溶洞注浆预处理
2.1溶洞注浆概述
（1）处理方法：静压注浆法。
（2）适用条件：桩基开孔前，对地勘资料揭示有溶洞且溶洞大小为大型、特大型的桩位全部进行注浆处理，对于中型串通型溶洞，根据现场实际需求决定是否注浆。
（3）目的：为了加固孔护壁及溶洞填充物，并达到一定的强度（20MPa以上），防止钻孔桩施工时泥浆流失、流砂及坍孔等情况的发生，保障成孔及水下混凝土浇注等一系列施工工序的顺利完成。
（4）优点：由于溶洞、裂隙埋藏较深，不能用爆破或填充混凝土等一般方法处理，有效的处理方法是注浆法。而在众多的注浆法中，因溶洞的不规则性，决定了其处理的最有效和比较经济的方法是静压注浆法。因此，采用静压注浆法，同时也可兼用喷射注浆法，促进填充物强度的加强。
（5）施工时间：在钻孔桩施工之前进行，相当于在桩基础施工过程中，于钻孔桩施工工序之前加入一道预处理工序，与桩基施工的各工序一起形成流水作业。
2.2施工方案
2.2.1注浆设计
静压注浆以水泥浆为主，水泥浆配合比水：水泥=0.6:1～1:1为宜，一般情况下配合比为水：水泥=0.8:1；注浆量大时可采用双液浆或采用分次压注水泥浆的方案。
注浆加固特点：浆材可在几秒或在几十秒内凝固，可控制浆液灌注在一定范围内且不流失，材料的利用率高，比较经济。浆材的结石率为100％，即1m3体积浆材可得1m3结石体。对溶洞中的砂、砾等土体，浆液是通过渗透作用板结砂和砾的；对于溶洞中的稀土、亚粘土等土体，浆液是通过劈裂、挤密作用加固土体的；对于无填充物和半填充溶洞的空间，浆液是通过充填作用填满溶洞的。浆液在土体中的渗透扩散方向是往小主应力面方向，浆液固化后，小主应力面得到加固，而原次小主应力面变成小主应力面。这样，通过对小主应力面反复不断的加固，一方面渗透、挤密溶洞中的土体的空隙，充填溶洞的空间，在桩体周围形成防水帷幕，防止流砂和保证护壁泥浆不流失；另一方面，提高溶洞中土体的承载力和抗剪力形成挡土墙，防止坍孔。
2.2.2注浆施工工艺流程
注浆施工工艺流程为：场地平整→定桩孔位和钻孔编号放样→钻机就位→钻孔至设计标高→提升钻头→注浆→检验→封孔。
2.2.3静压注浆设计
（1）工艺设计
布孔：在超前钻有溶洞的桩位四周均布4个注浆孔
钻孔：孔径80mm，孔深要求达到最深溶洞的底部
材料：水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水灰比水：水泥=0.6:1～1:1，一般情况下采用0.8:1，特殊情况下采用1:1:1水泥与水玻璃双浆液。
工艺：采用注浆系统进行全孔注浆，要求少量多次、反复注浆，如溶洞空间容积大、透水性强，则在混凝土干料中添加一定量水玻璃，形成水泥水玻璃双液浆。
（2）主要施工机械设备
主要机械设备有：BW250泥浆泵，BW150泥浆泵，100型钻机，泥浆搅拌机和贮浆槽，高压注浆管及其配件。
2.2.4钻孔放样
每根有溶洞存在的桩基均匀分布4个注浆孔，注浆孔距离桩基外壁0.5m。
2.2.5钻孔
采用100型钻机钻孔，钻孔至溶洞底部0.2m。钻孔时，边钻孔，边压入钢管套管，直至套管进入溶洞层。钢套管用作支护孔壁、防止塌孔、确保注浆花管顺利进入。套管已进入溶洞层的判断依据是：钻机钻孔速度突然加快，此时说明钻头已突破溶洞上部土层，进入溶洞层。在钻头提升至地面以上后，固定钢套管，钻机移至下一个孔位。
每个桩基四个注浆孔钻孔完成、套管安装完成后，即可插入注浆花管依次进行注浆。
2.2.6注浆
注浆材料：水、P.O 42.5普通硅酸盐水泥。
注浆液配合比：水：水泥=0.8:1。
注浆速度：50～100L/min。
注浆压力：由试验确定。
注浆花管：注浆花管采用内径38mm，壁厚不小于5mm的钢管制成；管尖是呈圆锥体，上部带有丝扣与花管连接；花管底端1m长度范围内应有60～80个孔眼，沿管中心线方向分四排呈梅花形布置，孔眼直径1mm～3mm。
注浆设备及配套设施：注浆泵、泥浆搅拌机、泥浆泵、贮浆槽等。
正式注浆前，先注入清水，以疏通注浆花管孔眼，保证注浆顺利进行。
采用高压注浆泵，通过注浆管将水泥浆注入溶洞。注浆要求少量多次、反复、分层注浆，分层高度以1m为宜，每个桩位四个注浆孔循环注浆。每层注浆完成后提升注浆花管，进入下一循环，直至溶洞全部被注浆液填充后，注浆结束。
当注浆达到下列标准之一时，结束该孔注浆：
（1）注浆孔口压力维持在0．3MPa～0.5MPa,吸浆量不大于40L／min，维持30min。
（2）注浆钻孔基岩完整，或多次注浆，孔口压力超过1.5PMa时。
（3）冒浆点已出注浆范围外3～5m时。
（4）单孔注浆量达到平均注浆量的1．5～2．0倍，且进浆量明显减少时。
当达不到上述结束标准时，应清孔再次注浆。
2.2.7封孔
所有注浆孔及配套进行的检查孔等均需严格地进行封孔处理。所有注浆孔与检查孔注浆结束后紧接着进行注浆封孔，采用“压力注浆封孔法”，浆液采用水灰比为0.5:1的浓水泥浆。
3、溶洞过程处理
3.1适用条件
（1）地勘资料显示无溶洞，实际钻进中遇见溶洞浆液面下降，或钻进过程中出现浆液面下降的情况；
（2）对已知溶洞进行注浆预处理后，任出现泥浆液面下降的情况。
3.2溶洞处理准备工作
（1）选择合适的实心钻机机型，其能有效地穿过紧密砾卵石层，坚硬漂石层或岩层；冲击锥提升速度快，不易卡钻，遇到溶洞时能够迅速提起钻头，以免埋钻；冲击成孔能形成坚实孔壁，成孔质量高。
（2）备好充足的处理溶洞材料。准备好足够的黏土、片石、麻袋、袋装水泥、砂石料、及处理溶洞所需要钢护筒，片石（闪长岩），片石粒径为15～50cm；袋装水泥选用普通硅酸盐水泥（42.5），50kg/袋；砂石料采用中粗砂+粒径大不大于15cm砾石1：1配置并拌合均匀，无集料窝。片石粘土水泥混料每桩桩备用量要以超前勘探溶洞深度的两倍以上体积计算。
（3）配置泥浆，严格控制粘土的选择，选择并备足良好的造浆粘土，入孔泥浆比重可为1.1～1.3，入孔泥浆黏度，一般地层为16～22s，接近溶洞地层调制为19～28s。
（4）便道畅通。保证设备移走的线路平整畅顺无阻碍物，紧急情况要令人、机迅速撤离现场。
（5）作好随时处理溶洞所需的机械：确保现场吊机、挖掘机、装载机、自卸车完好待命状态；吊装和拖拉设备在有足够吨位，可及时采取措施，预防损失扩大。
（6）准备钢网架（槽钢或工字钢纵横制作而成）。钢网架用于冲击成孔作业时，垫设在钻机下，以防止因钻至地下大型溶洞而导致坍塌孔对冲击钻钻机及施工人员造成损伤。
（7）施工前对施工作业班组进行溶洞处理相关技术、安全交底。
3.3小型溶洞处理方案（H≤2m）
（1）在冲击钻钻进施工过程中，在正钻进时密切注意护筒内泥浆面的水平位置变化情况，当泥浆面迅速下降时，首先要立即补充泥浆。
（2）在钻孔前在桩机旁储备足够块石、黏土，发现泥浆面下降时，迅速采用挖掘机（1m3）将施工前准备好的黏土、块石比例3:7）向钻孔中投入，回填至溶洞顶2m以上。然后采用低提慢进的方法重新冲孔，通过冲孔堵住溶洞并重新造浆。
（3）当再次漏浆时，仍按上述方法处,反复回填冲孔，达到填充溶洞及固壁，至设计桩底标高。
（4）在钻孔过程中，发生大面积塌孔、或泥将快速流走，钻孔原泥浆面下降超过2m以上，则表明钻孔过程中将原超前勘探未揭示的溶洞击破并已形成中型以及上溶洞，则需按下述方案处理。
3.4中型溶洞处理方案（2＜H≤4m）
（1）根据地质勘察资料及超前钻资料，有此类溶洞的桩基施工时要配置专人密切注意桩机地盘水平、岩样和护筒内泥浆面的变化，熟记图纸、资料中标注的溶洞位置。
（2）在钻孔过到击穿洞顶之前采用小冲程，逐渐将洞顶击穿，防止卡冲击锤。
（3）一旦发现泥浆面下降、孔内水位变化较大、泥浆稠度、颜色发生变化或钻进速度明显加快又无偏孔现象时，表明已穿越溶洞顶进入溶洞。
（4）首先应迅速用大功率泥浆泵补浆补水，同时及时提冲击锤，防止埋冲击锤。
（5）应适当增加泥浆中的粘土数量，提高泥浆密度。泥浆粘稠度控制在19～28s。
（6）然后用装载机配合大型挖掘机（1m3）及时将准备好的片石、粘土按3：7的比例抛入。投入量按溶洞竖向高度加2m以上，少量多次进行投放。
（7）采用小冲程进行钻进，让钻锤击碎黏土和片石并挤入溶洞内壁发挥护壁作用。
（8）直至孔中的泥浆面停止下降，并慢慢上升，此后可加大冲程进行钻进，对投入的填充物进行冲击式挤压，确保溶洞被堵死。若溶洞内进尺过快，则继续投入片石、粘土，投入量根据进尺速度确定，少量多次。
（9）若同一溶洞封堵后再次塌孔，则证明溶洞空隙较大，原粘土片石未能有效封堵住溶洞，为增加堵洞固结强度，降低灌注桩时塌孔风险，需要在再投入粘土时分批投放袋装水泥（50Kg/袋），以整袋投入。
（10）当泥浆漏失现象全部消失后，转入正常钻进，如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。
（11）击穿溶洞顶、底板后，要用钻锤将溶洞顶、底板处的桩孔修理圆滑，以防卡钻及钢筋笼。
3.5大型溶洞处理方案（4＜H≤6m）
对于大型溶洞，采用护筒跟进至溶洞顶板以下处理（护筒跟进方法见4.6节），防止钻孔过程中出现泥浆急剧下降，无法及时补充泥浆而导致塌孔。
3.5.1片石水泥土造浆法
对于由多层小型溶洞组成的大型溶洞、单层填充式溶洞采取此方案进行施工。
（1）在此类溶洞的桩基施工时更要配置专人密切注意桩机底盘水平、岩样和护筒内泥浆面的变化。
（2）在钻孔过到击穿洞顶之前，采用小冲程，逐渐将洞顶击穿，防止卡锤。发现漏浆后，即表明已穿孔，立即使用泥浆泵向孔中补充泥浆以防止孔壁坍塌。
（3）同时立即向孔中抛袋装水泥，现场可根据实际情况而定。
（4）然后向孔中投入3～5m厚粘土、片石混合物（土石比1：1），以填充至溶洞顶以上不少于3m为准。
（5）待漏浆现象停止后重新进行钻进。钻进时仍采用小冲程进行钻进，让钻锤击碎、水泥、黏土和片石并挤入溶洞内壁发挥护壁作用。
（6）冲孔到漏浆部位的时间宜控制在水泥终凝时间之前，然后停止钻机4h左右，直到凝固后的水泥粘土浆把漏浆源堵死为止。
3.5.2灌注混凝土护壁二次成孔钻进法
对于空孔大型溶洞、填充物为流塑状溶洞、溶洞内有涌水等大型溶洞，因其泥浆的侧向压力较大、自稳性较差，采用灌注混凝土护壁二次成孔钻进法。
（1）按上述大型溶洞冲孔后，在击穿溶洞顶板后，加大泥浆比重，防止涌水、涌浆稀释泥浆，导致泥浆护壁能力下降，发生孔壁坍塌。
（2）钻至溶洞底板后，不用清孔，即向孔内灌注水下C30水下混凝土到溶洞顶2.0m 以上。
（3）待混凝土达到70%强度后，重新钻进。
3.6特大型溶洞处理方案（H＞6m）
对于H＞6m的特大型溶洞，采用钢护筒跟进法处理，护筒跟进至溶洞顶板以下（不排除护筒跟进至溶洞底以下的情况，具体根据实际情况而定）。
3.6.1护筒跟进
（1）提前加工好钢护筒：孔深在15m以下钢护筒采用12mm厚钢板加工；孔深在15-30m采用14mm厚钢板加工，每节4m左右，护筒内直径比设计桩径大10cm。钢护筒总长度要求L≥（h+H）米，h为溶洞高度，H为溶洞顶至地面以上15cm。钢护筒的加工尺寸必须严格控制，护筒上下节的连接缝除焊接外，还在接缝处焊5cm宽的加强钢带，护筒水平接缝所成平面与护筒竖向垂直，使整个钢护筒的垂直度符合要求，振动锤与护筒顶面焊接牢固，无松动；并要求振动锤位居护筒顶面中，各节下沉的护筒必须严格控制垂直度。
（2）扩大钻机钻头直径20cm，在溶洞顶以上3m按常规冲孔成孔。在达到接近溶洞顶3m左右时，更换能满足设计桩径的常规钻头，同时埋入钢护筒，然后边打边跟进钢护筒。
（3）护筒的沉放：下放长护筒时，其位置必须准确，下放完成后，检查其高程、垂直、护筒顶面水平度。当冲击穿过溶洞顶部时要反复提升冲锤，在顶部厚度范围上下慢放轻提，冲锤不明显受阻，说明顶部已成孔并且圆滑垂直的，此时用钢丝绳活扣绑住内护筒，用吊车将护筒放入沉至孔底，必要时用振动锤下沉。用冲击钻成孔钢护筒跟进法施工时，施工中充分利用冲击钻的扩孔性能，使钢护筒能顺利下沉。
（4）为保证钢护筒顺利下滑，要求桩孔竖直，无歪斜、缩颈。
（5）钢护筒根进至溶洞顶板以下，根据溶洞情况进行处理。
3.6.2溶洞处理
护筒下放到溶洞顶板以下后，泥浆可能急剧下降，但受到护筒保护作用，泥浆流失将不会导致塌孔，此时根据溶洞实际情况进行溶洞处理。
（1）片石水泥土造浆法
对于由多层小型溶洞组成的特大型溶洞、单层填充式溶洞采取此方案进行施工（具体方法见4.5节）。
（2）灌注混凝土护壁二次成孔钻进法
对于空孔特大型溶洞、填充物为流塑状溶洞、溶洞内有涌水等大型溶洞，因其泥浆的侧向压力较大、自稳性较差，采用灌注C30水下混凝土护壁二次成孔钻进法（具体方法见4.5节）。
四、裂隙处理方案
裂隙是地应力释放在岩石中产生的裂缝,它会导致桩孔的漏浆、掉石块,甚至卡钻、掉钻、塌孔等事故。现场施工人员事先熟悉该桩位钻探资料，当进尺达到不良区段时，严密监控孔内水头，当发现水头出现下降时。判断是裂隙还是溶洞。当为裂隙时，水头下降较缓，这时提钻，同时向孔内投入粘土、块石（3:7）和少量水泥，调整泥浆稠度。当水头下降较大时，可先补入泥浆保证孔内水头压力，同时向孔内投入粘土、块石（3:7）和少量水泥，或者C30混凝土，调整泥浆稠度，待孔内水头稳定后，继续钻进。如后续继续出现泥浆下降，则重复上述抛填，直至裂隙处理完成，并最终成孔。
五、斜面岩处理方案
出现偏孔并判定为斜面岩后（包括半边岩），采用强度略高于岩层的闪长岩、辉绿岩回填，回填高度超过溶洞顶板、出现偏孔处或高出探头石1.5米以上，如此反复填充，反复冲击成孔。开始冲程要适当降低，待块石冲实后，冲锤冲击时受力均匀，换用较高冲程，将斜面岩及回填的闪长岩、辉绿岩一起击碎，若此后还有偏孔，重复上述方法继续修正。