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城市桥梁桩基穿越溶洞预注浆施工技术
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内容提示：以白沙洲大道改造项目为例,介绍了防范桩基穿越溶洞时漏浆、塌孔乃至地面塌陷的预注浆处理技术。详细介绍了预注浆的施工方法、异常情况处理、注浆终止标准和效果检查。该技术的采用保证了桩基顺利成孔。
白沙洲大道改造项目地处武汉市南大门出口，道路两侧交通流量大。项目所在地局部路段经过岩溶发育区，历史上曾多次发生地面塌陷。因此，在保证交通不断流的情况下，如何解决好狭窄工作面内桩基穿越溶洞的技术问题，保证道路两侧构筑物与交通安全，成为项目建设首要解决的重点和难点。（参考《建筑中文网》）
1工程概况
1.1设计概况
白沙洲大道改造工程高架桥全长6.9km，标准路段桥面宽26m，单箱三室预应力混凝土连续梁结构。标准路段下部结构为双柱墩，墩柱截面尺寸为1.7m×1.7m，下接3m高承台，41.6m群桩基础，箱梁加宽范围内增设边墩，边墩墩柱截面尺寸为1.3m×1.3m，下接2m高承台，基础为21.2m桩基础。全线桩基共1 184根，其中灰岩区368根，要求桩身全断面进入新鲜完整灰岩≥2.5m，且桩端有≥6m厚的灰岩底板，灰岩区桩基长度29～86.5m。
1.2工程地质条件
根据地质勘察报告，工程沿线地层主要有第四系冲、洪积层、三叠系灰岩及泥盆系石英砂岩，沿线古地形低洼地段灰岩被白垩下第三系砂岩、泥岩及上第三系黏土岩覆盖。其中K1+075—K1+250，K3+600—K4+935，K5+930—K6+200路段是灰岩与泥灰岩上直接覆盖全新统冲积相饱和粉细砂、中砂及中粗砂夹卵砾石层，是引起地面塌陷的典型地质构造。根据逐桩超前钻结果，灰岩区溶洞特征为:①溶洞出现率高达40%;②溶洞洞高0.4～18.2m不等;③溶洞层数从1～5层不等，多层溶洞呈糖葫芦串珠状;④溶洞多为填充型，部分为半填充或无填充型(填充物多为可塑或硬塑黏性土及少量灰岩碎块);⑤石灰岩岩芯表面均有不同程度的溶蚀;⑥裂隙较发育，多被方解石脉充填，胶结良好。典型多层溶洞地质条件如图1所示。
2施工原理
白沙洲大道改造工程桩基采用冲击钻成孔、泥浆护壁工艺，在桩基成孔过程中，溶洞危害主要为漏浆、塌孔和地面塌陷等。主要成因是当桩基穿越溶洞时，桩位处隐伏有溶洞、灰岩裂隙极易导致漏浆。因溶洞上直接覆盖层为透水性强的粉细砂层，当溶洞顶板岩层被击穿时，若溶洞相互连通导致容积过大，桩基孔内泥浆面将急剧下降，造成孔壁受力失衡，护壁泥浆卷带粉细砂层迅速流失，导致塌孔，严重时造成地面塌陷。
综合考虑工程所在地区域交通条件、安全与技术经济等多方面因素，确定桩基成孔穿越多层溶洞采用以预注浆处理为主，辅以对粉细砂层固化处理的技术措施。其主要工艺原理是在岩溶发育区域桩基施工前，在桥梁墩台范围对溶洞进行预注浆处理，填塞溶洞内空腔，固化溶洞内填充物，防止桩孔与溶洞、溶槽连通，避免桩孔内护壁泥浆流失导致塌孔，并在土层及岩体界面形成隔水帷幕，阻隔上层滞水与岩溶水的联系，同时对岩体上覆盖砂层进行水泥浆固化处理。
3施工工艺
3.1工艺流程
溶洞预注浆处理主要工艺流程为:根据超前钻探报告、桩基桩位图布置注浆孔→放点→钻机就位→钻进成孔→下注浆管(套管)→分层注浆→结束移孔。
3.2注浆布孔
在桥梁桩基设计阶段，需要对岩溶发育区的桩位进行逐桩超前钻探，并根据钻探结果适当增加钻孔以满足为设计提供桩底持力层厚度的设计参数的要求。在溶洞预注浆布孔前，充分熟悉超前钻资料，根据溶洞发育的洞高、标高、填充情况等，初步判定溶洞发育形状，针对性布孔，同时在注浆钻孔过程中抽取岩土芯样对溶洞发育情况进一步判定和复核，以便及时调整钻孔布置。
3.3注浆钻孔
注浆钻孔采用XY-100型地质钻机，钻孔直径91～108mm，采用泥浆护壁、回转钻进、全孔段取芯的钻进方法，具体工艺如下。
1)开孔开孔前先了解有无地下管线，确认无误后采用直径108mm岩芯管开孔钻进，直接钻入基岩0.5m，钻进过程中对土层和砂层采用泥浆(循环水)护壁工艺进行孔内护壁。
2)下套管钻入基岩0.5m后，下入直径110mm套管，并嵌入基岩，套管出露地表0.2～0.5m。用水泥砂浆固结套管，并将孔口套管四周捣实封闭，防止浆液从套管周围流出，影响注浆效果。
3)基岩钻进待固结套管水泥初凝后，改用直径89mm金刚石钻头继续钻进。循环水应采用清水，如遇岩层破碎或构造带钻进困难时，可采用泥浆循环，但终孔前用清水冲洗，直至返清。钻进时注意防范岩溶空洞出现掉、卡钻具的问题。
4)钻孔冲洗钻进至设计孔段注浆深度，在注浆前均进行钻孔冲洗，清除钻孔中残留的岩粉、钻屑和岩石裂隙中充填的黏土杂物。对于采用清水钻进的孔段，同时又漏水的钻孔，灌浆时则不进行长时间冲洗。
5)终孔钻至溶洞后入完成岩层≥1m。
6)钻孔质量控制钻孔过程中，应详细记录地层变化，确保较高的岩芯采取率，每孔残留岩芯<20cm，以便对溶洞情况进一步判别，调整注浆布孔。
3.4注浆施工
3.4.1注浆材料
注浆材料一般采用P·O32.5普通硅酸盐水泥，水泥的细度要求为通过80μm方孔筛的筛余量不宜大于5%。采用双液注浆时选用的水玻璃模数为2.4～3.4，浓度宜为30～45波美度。
3.4.2注浆方法
桩基穿越多层溶洞预注浆主要采用套管分层注浆法。注浆设备选用BM150型注浆泵，注浆压力控制在0.2～0.6MPa，注浆速度为15～20L/min。
1)注浆分段与顺序注浆分段划分原则为:①将裂隙相同的岩层划分在同一个段长内，力求使浆液均匀扩散;②裂隙发育程度相差较大的含水层，不宜划分在同一段长内，以保证注浆质量和减少浪费;③涌水量大、裂隙较宽时，注浆段长度较小，反之较大;④注浆段长度应与注浆泵的供浆能力(泵量)相适应，泵量小，则应当缩小注浆段长度，以保证浆液有足够的扩散半径。
注浆顺序为:①平面上从中心向四周;②竖直方向按先上层后下层的顺序进行溶洞内注浆，完毕后提拔套管，自下而上注浆，先岩土交界面，再灰岩上覆砂层，竖直方向注浆顺序如图2所示。
2)注浆压力注浆压力是浆液扩散的动力，是检测浆液在裂隙中充填扩散过程是否正常的主要依据。注浆压力系指注浆段所承受的全压力，施工过程中将压力表安装在孔口回浆管路上。基层上覆盖土(砂)层采用低压注浆，孔口压力控制在0.2MPa以下，同时应观察地面及周围有无异常，控制注浆量;遇土洞应采用低压注浆，孔口和岩体上覆层压力控制在0.2～0.5MPa以内;岩石与土层接触处，压力不小于注浆段静水压力的2倍，各分段之间间歇时间一般为24h，岩层内间歇时间为浆液初凝以后，终凝之前。循环式溶洞内注浆压力采用下式计算。
式中:P为注浆压力(MPa);P1为孔口压力表压力(MPa);P2为浆柱压力(MPa);Pf为管路压力损失(MPa)。
管路压力的确定方法:当工作管内径一致，且内壁粗糙度变化不大时，管路压力损失为:
式中:λ为摩阻系数，λ=2×10－4(MPa/m);Lp为工作管长度(m);d为工作管内径(m);V为管内流速(m/s);g为重力加速度。
3)注浆浆液选择注浆浆液一般采用先稀后浓、逐级加浓的原则进行浆液浓度的变换，可采用水固比为1∶1，0.8∶1，0.6∶1三种配比浓度供注浆时选择。一般在岩层中注浆连续灌注40min仍不起压，则改用浓一级的浆液，当加浓一级注浆压力上升很快时，则应更换原来较稀的浆液继续灌注。当采用最浓的浆液长时间灌注仍不起压时，则应采用间歇注浆，间歇时间为浆液初凝以后，终凝之前，必要时可采用其他的措施，如在浆液中加入速凝剂或采用加入水玻璃的双液注浆。
4)大溶洞内注浆方法若遇到高度超过1m的溶洞，应缩小注浆段长度，作特殊情况下的注浆，主要措施有:以大溶洞底板作为注浆段的段底，采用压力水冲洗钻孔，尽量排出溶洞内充填物中的细小颗粒，可适当投入粗骨料，并同时注入清水，加速细粒扩散，采用浓浆低压，必要时加水玻璃速凝剂。若注浆压力仍不升高，则限制注浆量或采用间歇注浆等措施。
3.4.3异常情况处理
注浆过程中较为常见的异常情况:①地面冒浆注浆过程中在一定的注浆压力作用下，水泥浆从地面冒出，在对土层进行加固的过程中尤为明显;②沿套管冒浆在对土层采用套管注浆的方法时，在一定的压力下浆液沿着套管从孔壁冒出;③钻探中漏水严重在钻进过程中出现孔内漏水严重情况。对于以上情况，注浆过程中应采用间歇式注浆的施工方法，等待水泥浆液凝固后再注浆。
1工程概况
1.1设计概况
白沙洲大道改造工程高架桥全长6.9km，标准路段桥面宽26m，单箱三室预应力混凝土连续梁结构。标准路段下部结构为双柱墩，墩柱截面尺寸为1.7m×1.7m，下接3m高承台，41.6m群桩基础，箱梁加宽范围内增设边墩，边墩墩柱截面尺寸为1.3m×1.3m，下接2m高承台，基础为21.2m桩基础。全线桩基共1 184根，其中灰岩区368根，要求桩身全断面进入新鲜完整灰岩≥2.5m，且桩端有≥6m厚的灰岩底板，灰岩区桩基长度29～86.5m。
1.2工程地质条件
根据地质勘察报告，工程沿线地层主要有第四系冲、洪积层、三叠系灰岩及泥盆系石英砂岩，沿线古地形低洼地段灰岩被白垩下第三系砂岩、泥岩及上第三系黏土岩覆盖。其中K1+075—K1+250，K3+600—K4+935，K5+930—K6+200路段是灰岩与泥灰岩上直接覆盖全新统冲积相饱和粉细砂、中砂及中粗砂夹卵砾石层，是引起地面塌陷的典型地质构造。根据逐桩超前钻结果，灰岩区溶洞特征为:①溶洞出现率高达40%;②溶洞洞高0.4～18.2m不等;③溶洞层数从1～5层不等，多层溶洞呈糖葫芦串珠状;④溶洞多为填充型，部分为半填充或无填充型(填充物多为可塑或硬塑黏性土及少量灰岩碎块);⑤石灰岩岩芯表面均有不同程度的溶蚀;⑥裂隙较发育，多被方解石脉充填，胶结良好。典型多层溶洞地质条件如图1所示。
2施工原理
白沙洲大道改造工程桩基采用冲击钻成孔、泥浆护壁工艺，在桩基成孔过程中，溶洞危害主要为漏浆、塌孔和地面塌陷等。主要成因是当桩基穿越溶洞时，桩位处隐伏有溶洞、灰岩裂隙极易导致漏浆。因溶洞上直接覆盖层为透水性强的粉细砂层，当溶洞顶板岩层被击穿时，若溶洞相互连通导致容积过大，桩基孔内泥浆面将急剧下降，造成孔壁受力失衡，护壁泥浆卷带粉细砂层迅速流失，导致塌孔，严重时造成地面塌陷。
综合考虑工程所在地区域交通条件、安全与技术经济等多方面因素，确定桩基成孔穿越多层溶洞采用以预注浆处理为主，辅以对粉细砂层固化处理的技术措施。其主要工艺原理是在岩溶发育区域桩基施工前，在桥梁墩台范围对溶洞进行预注浆处理，填塞溶洞内空腔，固化溶洞内填充物，防止桩孔与溶洞、溶槽连通，避免桩孔内护壁泥浆流失导致塌孔，并在土层及岩体界面形成隔水帷幕，阻隔上层滞水与岩溶水的联系，同时对岩体上覆盖砂层进行水泥浆固化处理。
3施工工艺
3.1工艺流程
溶洞预注浆处理主要工艺流程为:根据超前钻探报告、桩基桩位图布置注浆孔→放点→钻机就位→钻进成孔→下注浆管(套管)→分层注浆→结束移孔。
3.2注浆布孔
在桥梁桩基设计阶段，需要对岩溶发育区的桩位进行逐桩超前钻探，并根据钻探结果适当增加钻孔以满足为设计提供桩底持力层厚度的设计参数的要求。在溶洞预注浆布孔前，充分熟悉超前钻资料，根据溶洞发育的洞高、标高、填充情况等，初步判定溶洞发育形状，针对性布孔，同时在注浆钻孔过程中抽取岩土芯样对溶洞发育情况进一步判定和复核，以便及时调整钻孔布置。
3.3注浆钻孔
注浆钻孔采用XY-100型地质钻机，钻孔直径91～108mm，采用泥浆护壁、回转钻进、全孔段取芯的钻进方法，具体工艺如下。
1)开孔开孔前先了解有无地下管线，确认无误后采用直径108mm岩芯管开孔钻进，直接钻入基岩0.5m，钻进过程中对土层和砂层采用泥浆(循环水)护壁工艺进行孔内护壁。
2)下套管钻入基岩0.5m后，下入直径110mm套管，并嵌入基岩，套管出露地表0.2～0.5m。用水泥砂浆固结套管，并将孔口套管四周捣实封闭，防止浆液从套管周围流出，影响注浆效果。
3)基岩钻进待固结套管水泥初凝后，改用直径89mm金刚石钻头继续钻进。循环水应采用清水，如遇岩层破碎或构造带钻进困难时，可采用泥浆循环，但终孔前用清水冲洗，直至返清。钻进时注意防范岩溶空洞出现掉、卡钻具的问题。
4)钻孔冲洗钻进至设计孔段注浆深度，在注浆前均进行钻孔冲洗，清除钻孔中残留的岩粉、钻屑和岩石裂隙中充填的黏土杂物。对于采用清水钻进的孔段，同时又漏水的钻孔，灌浆时则不进行长时间冲洗。
5)终孔钻至溶洞后入完成岩层≥1m。
6)钻孔质量控制钻孔过程中，应详细记录地层变化，确保较高的岩芯采取率，每孔残留岩芯<20cm，以便对溶洞情况进一步判别，调整注浆布孔。
3.4注浆施工
3.4.1注浆材料
注浆材料一般采用P·O32.5普通硅酸盐水泥，水泥的细度要求为通过80μm方孔筛的筛余量不宜大于5%。采用双液注浆时选用的水玻璃模数为2.4～3.4，浓度宜为30～45波美度。
3.4.2注浆方法
桩基穿越多层溶洞预注浆主要采用套管分层注浆法。注浆设备选用BM150型注浆泵，注浆压力控制在0.2～0.6MPa，注浆速度为15～20L/min。
1)注浆分段与顺序注浆分段划分原则为:①将裂隙相同的岩层划分在同一个段长内，力求使浆液均匀扩散;②裂隙发育程度相差较大的含水层，不宜划分在同一段长内，以保证注浆质量和减少浪费;③涌水量大、裂隙较宽时，注浆段长度较小，反之较大;④注浆段长度应与注浆泵的供浆能力(泵量)相适应，泵量小，则应当缩小注浆段长度，以保证浆液有足够的扩散半径。
注浆顺序为:①平面上从中心向四周;②竖直方向按先上层后下层的顺序进行溶洞内注浆，完毕后提拔套管，自下而上注浆，先岩土交界面，再灰岩上覆砂层，竖直方向注浆顺序如图2所示。
2)注浆压力注浆压力是浆液扩散的动力，是检测浆液在裂隙中充填扩散过程是否正常的主要依据。注浆压力系指注浆段所承受的全压力，施工过程中将压力表安装在孔口回浆管路上。基层上覆盖土(砂)层采用低压注浆，孔口压力控制在0.2MPa以下，同时应观察地面及周围有无异常，控制注浆量;遇土洞应采用低压注浆，孔口和岩体上覆层压力控制在0.2～0.5MPa以内;岩石与土层接触处，压力不小于注浆段静水压力的2倍，各分段之间间歇时间一般为24h，岩层内间歇时间为浆液初凝以后，终凝之前。循环式溶洞内注浆压力采用下式计算。
式中:P为注浆压力(MPa);P1为孔口压力表压力(MPa);P2为浆柱压力(MPa);Pf为管路压力损失(MPa)。
管路压力的确定方法:当工作管内径一致，且内壁粗糙度变化不大时，管路压力损失为:
式中:λ为摩阻系数，λ=2×10－4(MPa/m);Lp为工作管长度(m);d为工作管内径(m);V为管内流速(m/s);g为重力加速度。
3)注浆浆液选择注浆浆液一般采用先稀后浓、逐级加浓的原则进行浆液浓度的变换，可采用水固比为1∶1，0.8∶1，0.6∶1三种配比浓度供注浆时选择。一般在岩层中注浆连续灌注40min仍不起压，则改用浓一级的浆液，当加浓一级注浆压力上升很快时，则应更换原来较稀的浆液继续灌注。当采用最浓的浆液长时间灌注仍不起压时，则应采用间歇注浆，间歇时间为浆液初凝以后，终凝之前，必要时可采用其他的措施，如在浆液中加入速凝剂或采用加入水玻璃的双液注浆。
4)大溶洞内注浆方法若遇到高度超过1m的溶洞，应缩小注浆段长度，作特殊情况下的注浆，主要措施有:以大溶洞底板作为注浆段的段底，采用压力水冲洗钻孔，尽量排出溶洞内充填物中的细小颗粒，可适当投入粗骨料，并同时注入清水，加速细粒扩散，采用浓浆低压，必要时加水玻璃速凝剂。若注浆压力仍不升高，则限制注浆量或采用间歇注浆等措施。
3.4.3异常情况处理
注浆过程中较为常见的异常情况:①地面冒浆注浆过程中在一定的注浆压力作用下，水泥浆从地面冒出，在对土层进行加固的过程中尤为明显;②沿套管冒浆在对土层采用套管注浆的方法时，在一定的压力下浆液沿着套管从孔壁冒出;③钻探中漏水严重在钻进过程中出现孔内漏水严重情况。对于以上情况，注浆过程中应采用间歇式注浆的施工方法，等待水泥浆液凝固后再注浆。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201110/15070.htm
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