碎裂岩地层钻孔桩施工技术研究及应用

碎裂岩地层钻孔桩施工技术研究及应用

古宇鹏

中铁大桥局集团第八工程有限公司    重庆    400020

摘要：通过对桩基的结构特点和地质条件等进行研究和分析，科学合理选择钻机钻头类型和相应的钻孔、钢筋笼制安及混凝土灌注方案，过程中根据实际遇到问题进行详细剖析，针对性的研究应对措施，并应用于实际施工当中，得到了详尽的应用成果，为碎裂岩地层钻孔桩施工提供了新的方法和工艺。

关键词：钻孔桩，碎裂岩地层，袖阀管注浆，干钻分级成孔，混凝土干封。

一、工程概况

云南省某特大桥为主跨920米双塔单跨钢箱梁悬索桥，全桥总长1.668km，主桥跨径组成为（255+920+255）m，北岸引桥为2×（50+65+50）m结构连续钢箱组合梁桥，南岸引桥为（60+70+60）m结构连续钢箱组合梁桥。两岸索塔均为钢筋混凝土门型塔，北岸塔高192.7m，南岸塔高107.7m，壁厚均为1m；两岸锚碇均为重力式锚碇。主缆横向布置2根，横桥向中心间距为27.5m，矢跨比1/10；钢箱梁梁宽31m，高3m，共77个节段。

二、碎裂岩地层钢管混凝土桩基成孔方案研究

2.1碎裂岩地层泥浆与干挖成孔选择

根据周边抗滑桩及工艺试桩开挖揭示的地质可知，3#墩覆盖层较为松散，桩底无地下水，采用泥浆护壁钻孔工艺，泥浆易渗漏，不能存留，有产生新滑动面的安全风险，且泥浆工艺环保性差，从而桩基选择干钻成孔施工方案。适用于长大直径桩基施工的冲击钻机、旋转钻机均无法在无水状态下使用，故选择旋挖钻机施工。

2.2 碎裂岩地层处理方式选择

前期7根桩基施工时在岩层不进行任何加固情况下采用旋挖钻机干法分级扩孔钻进成孔时，均出现不同程度的扩孔、塌孔现象，并且均发生在破碎弱风化、碎裂岩层中，扩孔率及扩孔位置随破碎弱风化和碎裂岩的不均匀分布特性而具有随机性，尤其是破碎弱风化花岗岩层，夹杂大量硬质岩块，受扰动易沿倾斜结构面大块掉落，塌孔更为明显。成孔的孔形及其不规则，最大扩孔率达到100%以上，已对桩基承载力产生了影响。

为避免塌孔，减小扩孔，保证桩基承载力，需对桩周地质进行加固处理，采用了袖阀管注浆加固工艺对岩体裂隙注浆加固。通过3根试验桩的验证，其地质经过地质注浆改善后，成孔过程顺利且扩孔率得到了有效控制，成孔孔形规则，桩周承载力满足设计要求。故而本桩岩层成孔可先采用袖阀管注浆对地质加固改善后在再进行旋挖钻机干法分级扩孔的方案。

三、碎裂岩地层钻孔桩施工技术

3.1 碎裂岩地层袖阀管注浆加固技术

3.1.1袖阀管注浆地质改善试验

袖阀管注浆加固技术中注浆孔位置和数量的选择需综合考虑地层地质特点、岩层裂隙发育情况、浆液配合比及扩散半径等因素，所以在进行地质加固前须进行工艺试验。本项目首先选取2根试验桩，在桩基外围设置8个注浆孔、浆液配比为水：水泥：HPC外加剂=1:1:0.07的方式进行地质预加固。通过注浆改善，桩基础扩孔现象显著降低，桩基成孔孔形明显改善，桩基扩孔率由原来平均46.8%降低至26.5%，但桩基扩孔率仍偏大，效果达不到预期，同时在桩孔外设置8个注浆孔的方案，其中部分孔注浆量较小，作用不大，导致注浆施工周期长，影响桩基总体施工进度，且成本高，经济性差。进而总结首次经验，再选取2根试桩基进行注浆工艺优化试验，优化后的注浆孔设置为4个，布置在桩孔内，同时优化了浆液配合比和性能（浆液配比水：水泥：减水剂：HPC外加剂=1:0.6:0.5%：0.07），桩基扩孔率降低至7%，各个注浆孔注浆量较为均匀，桩基注浆施工周期明显缩短，注浆效果更好，且注浆成本显著降低，扩孔如下图所示。

3.1.2 注浆孔位布置

结合袖阀管注浆工艺试验，综合考虑地质特点、岩层裂隙发育情况以及工期和成本，在桩基孔内设置4个注浆孔。

图3-1：桩基注浆孔布置图及注浆理论包络线

3.1.3 袖阀管注浆工艺流程

图3-2：袖阀管注浆工艺流程图

3.1.4 注浆孔钻孔

注浆孔采用KR805履带式潜孔钻机钻孔，配置合金钻头采用套管跟进的方式进行钻孔（孔内岩层破碎，钻进过程中会产生塌孔埋钻），孔径为146mm，单个钻孔设备每小时钻孔进尺为4m左右，单个注浆孔（30m左右）的钻孔时间为6～8h。钻孔前在孔内设置有定位锁口，定位锁口为圆环形，内部预留孔作为旋挖钻机开孔定位使用，外周均布有4个小孔作为注浆钻孔导向，其导向长度达20m以上，可有效保证注浆孔垂直度，确保注浆扩散效果。

3.1.5 袖阀管制安

袖阀管采用直径60mm钢管，袖阀管注浆段设置直径6mm溢浆孔，每断面均匀布置4个，溢浆孔断面间距为0.5m，溢浆孔安装阀套，外侧采用防水胶带缠绕，袖阀管底端安装堵头。钻孔完成后进行袖阀管安装并拔出套管。

3.1.6套壳料灌注

套壳料结硬强度影响注浆效果，若套壳料强度过高，浆液无法冲破套壳料将导致注浆失败，强度过低则影响套壳料对管壁的填充效果，容易造成注浆液外溢无法保证注浆压力，注浆效果不佳。由于套壳料对气温和膨润土性能很敏感，故在施工前，现场做了3组配合比试验，以保证套壳料效果。

通过现场实际注浆过程可知，所选用水：水泥：膨润土为1.5:1:1的套壳料配合比，满足在注浆压力3～7MPa左右时，浆液冲破套壳料缝隙流入岩层裂隙中，符合注浆工艺要求。

由于孔内无水，注浆压力大，套壳料强度较高，采用从袖阀管内灌注，注浆管及封堵的水囊易被套壳料粘住，难以拔出，所以套壳料采用一次性注浆软管从袖阀管外侧进行灌注。套壳料灌注完成，强度满足要求后方可进行袖阀管注浆。

图3-3：套壳料注浆管安装及套壳料灌注

3.1.7 靶向分段注浆

（1）浆液性能测试

结合桩基试验结果，采用0.8:1的浆液，裂隙内浆液粘结强度与岩石自身强度匹配性较差，桩基扩孔率仍偏大。故而对浆液配比进行优化，选用水：灰：外加剂=0.6:1：0.005的配合比的水泥浆，外掺6%HPC，浆液基本失流时间为1h、结石率89%，7天浆液强度达16.3Mpa，较原来稠度变大，强度变高，并经过现场验证，其填充岩层裂隙的效果好，对桩基成孔质量更有利，但随着岩层完整性的增加和裂隙内浆液强度的增加，对桩基钻进工效有所降低。

（2）水囊式止浆塞密封性检测

止浆系统的止浆性能是袖阀管注浆施工的关键，本工程选用耐高压的ZF-A22（适用于钢袖阀管）水囊式止浆塞，注浆前进行水囊式止浆塞水密性试验，当水囊注水压力在5MPa时, 袖阀管内止浆压力大于8Mpa，满足施工需要。

图3-4：水囊式止浆塞注水加压

（3）注浆施工

袖阀管内下入水囊式止浆塞实现后退式分段注浆，分段长度为2m，止浆塞通过手压泵加压至5MPa时，采用注浆量和注浆压力双控的方式控制注浆，当注浆量到达设计注浆量附近时可停止注浆，或注浆压力达到设计注浆量后也可停止注浆，后退至下一分段注浆。

4个注浆孔采用同步注浆，初始注浆压力在2MPa左右，注浆流量在50L/min左右，注浆的终压为6～7MPa，单个注浆孔每延米平均注浆量控制在0.6m³左右，注浆过程中详细记录每孔注浆量。

3.2干钻分级成孔施工技术

3.2.1 钻机、钻头选择

桩基础采用XR600E与XR700E的大功率旋挖钻机施工，使用φ1.5m、φ2.0m、φ2.5m、φ3.0m、φ3.5m直径钻头进行分级循环钻进，除局部强度较高的弱风化花岗岩层（含加固后较完整的破碎弱风化花岗岩层）截齿钻头钻进效率低、损耗大而采用牙轮钻头进行钻进，其余岩层均采用截齿钻头施工。本工程配备的钻头有定位、导向、筒钻、破碎、捞渣以及清底等六种类型。

图3-5：旋挖钻机各类型钻头

3.2.2 分级钻进及控制要点

钢护筒安装后，开孔位置距离地面达到30余米，为保证桩基能顺利开孔，孔位中心位置，在孔内设置φ1.5m定位锁口。通过定位锁口配合定位及筒钻完成开孔，并先采用φ1.5m筒钻钻进至桩底，再使用各类直径的导向钻头、筒钻及截齿配合完成扩孔，局部强度极硬的孤石可利用破碎钻头清理。

桩基钻孔顺序为：φ1.5m钻进至孔底→φ2.0m扩孔至孔底→φ2.5m扩孔至孔底→φ3.0m/φ3.5m扩孔至变径处，最后采用平底钻清孔。

钻进过程中严格按照方案要求进行分级循环钻进，严格控制钻压、钻速，确保成孔质量。

图3-6：旋挖钻分级循环钻进示意图

钻孔完成后采用多角度无线摄像头进行孔形初步判实，该设备可将成孔孔壁质量和孔形实时反馈至地面平板显示器，以确定桩基成孔质量。再采用智能超声成孔质量检测仪对钻孔垂直度、孔径进行进一步检测确认，确保桩基成孔质量合格。

3.3干封灌注混凝土施工技术

桩基为无水干孔，且孔内岩层裂隙发育，若直接采用垂直导管法工艺灌混凝土，则混凝土自由落体高度大，易离析，且桩底混凝土浆液易外渗，质量无法保证。所以为确保混凝土质量，避免混凝土在下降过程中出现离析情况，在首盘导管口设置缓冲塞减缓首盘混凝土下降速度，同时在混凝土浇筑前先灌注2～4方同标号水泥浆避免首盘混凝土桩底跑浆，并且桩基采用自密实水下混凝土，以确保桩身质量。

由于采孔内无水，混凝土灌注时导管下压力较小，易造成混凝土不密实，所以灌注时需要增加导管埋深，将其控制在4～8m，并且要控制灌注时间，确保在混凝土初凝前完成，灌注结束后桩顶4m要充分振捣密实，保证桩头质量。

四、结语

特大桥桩基前期受碎裂岩地质影响，施工质量和工效均得不到保障，后通过工艺的不断优化和改进，剩余的桩基在5个月内快速完成。桩基通过袖阀管注浆改善地质和大功率旋挖钻机配备牙轮和截齿钻头分级循环钻进工艺的应用，有效解决了破碎高强地层桩基成孔困难、成孔质量差、桩基钻孔工效低等问题，桩基础扩孔现象显著降低，桩基成孔孔形明显改善，采用改进的干封灌注工艺，有效保证裂隙发育的破碎地层桩基混凝土干封成桩质量，3#墩全部桩基经检测均为I类桩。

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