岩溶地区水工嵌岩灌注桩施工质量控制要点

    魏小明+梁安玉

    摘 要：长江中游岩溶地区建设重载水工建筑物，首选高桩码头结构形式，其中控制基桩质量是确保高桩码头质量的关键。本文以九江地区某重载码头为例，浅析在岩溶地区，嵌岩灌注桩施工质量的主要影响因素和质量控制措施，为同类地区的基桩工程，从过程控制基桩质量提供借鉴。

    关键词：岩溶地区；嵌岩灌注桩；质量控制

    中图分类号：U443 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）11-0053-03

    岩溶发育地区控制桩基质量，如何根据工程地质及溶洞的不同类型，从质量、安全等方面进行分析，采用合理的方法保障桩基的质量，达到工程设计要求和质量合格标准，是控制水工工程质量的关键。

    1 工程地形及地质条件

    1.1 工程地形、地貌

    九江地理区位优越，襟江傍湖，水运发达，长江过境长度151公里。地势地貌较为复杂，呈东西高，中部低，南部略高，向北倾斜的趋势，主要以江南丘陵为主，形成以丘陵、山地、滨湖平原、沿江平原等多元化地形地貌综合体。

    1.2 工程地质

    地质构造：本项目所处区域位于赣北扬子准地台（Ⅰ1）之下扬子～钱塘台拗（Ⅱ1）之九江台陷（Ⅲ1）凹褶断束（Ⅳ3）构造单元北部。区域内所发育的地质构造主要为褶皱构造和断裂构造，褶皱较缓和，形态较简单，构造形迹主要为断裂，工区及附近未见全新世以来深大断裂活动迹象，地震发生不频繁，且一般小于6级，场地区域稳定性较好。

    地层岩性：工程所在区域属丘陵、河谷地带，后方陆域地形平缓，地形条件单一，覆盖层厚度一般10～50m，地层自地表而下按单元土体如下：①粉质粘土②-1淤泥质土②-2粉质粘土②-3粉细砂③粉细砂③-1粉质粘土③-2淤泥质粉质粘土④碎石土④-1中粗砾砂⑤粉质粘土混角砾⑥中风化石灰岩⑦中风化砾岩，基岩埋深浅，根据钻探揭示下伏基岩为石灰岩、砾岩、砂质泥岩。

    其中，下部主要地层为中风化石灰岩，分布广泛且连续，埋深10.5～54.5m。该层岩石天然极限抗压强度值为82.6MPa，岩石饱和极限抗压强度值为76.8MPa。受地下水溶蚀现象较严重，经初勘钻孔，部分钻孔有溶洞及较大裂隙发育，溶洞内部，一般为褐黄色粘性土混碎石充填，层厚不均，厚度一般0.3～4.6m。

    2 码头功能要求及质量管理的特点

    建设2个5000DWT散货进口泊位和1个2000DWT散货出口泊位（水工结构兼顾10000DWT船靠泊）及相应的配套设施，其中，为配合后方建设单位需要，本工程需重件运输，将下游端进口泊位兼顾作为重件泊位。

    本工程码头桩基质量控制要点，在施工阶段，依据超前钻探地勘资料，核定每根桩基的入岩界面标高、钢护筒长度、成孔嵌岩深度，确定溶洞处理施工方案和技术措施，结合桩基承载力自平衡法试验检测技术，声测管超声波和钻孔取样的检测手段，检测在岩溶地区水工嵌岩桩基质量施工控制成效。

    3 桩基施工质量影响因素和控制要求

    岩溶地区嵌岩桩基施工质量控制，主要审查桩基施工方案、检查原材料、过程工序验收和最后的实体检测。其中施工溶洞处理方案起着指导和操作性的作用，对施工质量能否合格有着关键性的影响，因此，审查成孔施工工艺的合理性，溶洞处理的有效性，尤为重要。

    3.1 施工方案的审核要点

    3.1.1 桩基施工顺序

    码头桩基施工顺序如下：超前钻探→钢护筒沉桩→水上施工平台搭设→旋转/冲击成孔→安装钢筋笼→浇注水下混凝土成桩。

    3.1.2 溶洞处理方案

    关于溶洞处理的技术要求：承包人综合以往类似工程经验及现有工程地质条件等因素，结合抛填碎石土、内置钢护筒、灌注混凝土填筑等不同的溶洞处理方案，编制本工程溶洞处理施工专项方案，工程施工前组织相关各方召开专家评审会后实施，主要方案如下：

    （1）溶洞处理的技术要求简述如下：①溶洞范围小，溶洞深度小于1m，采用抛填风化石、粘土等，使溶洞范围形成护壁后，再继续施工，直至成孔。在溶洞范围桩的钢筋笼在溶洞上下各1m的范围内的定位钢筋上焊接厚4mm的钢板圆筒，保证成桩混凝土的质量。②对于溶洞的高度在1～3m，則采取先填充碎石、砂混合物和注水泥浆或者素混凝土等不同方案。然后用小冲程冲击钻冲击风化石挤压到溶洞边形成水泥浆碎石外护壁。水泥浆将风化石空隙初步堵塞后，停止冲击，24h后，待水泥的强度达2.5MPa后再继续冲击，穿过溶洞。③溶洞高在3～5m的多层溶洞，且多层溶洞间的间距较小的，可采用钢护筒穿越处理或者浇灌混凝土等不同方案。先用冲击钻进行冲孔、扩孔，然后采用振锤把钢护筒振沉至溶洞底部。④溶洞高度大于5m的多层溶洞，且溶洞间距较大时，采用套内护筒法施工，即用内护筒穿过溶洞的方法进行施工。⑤对于一些溶槽、溶沟、小裂隙等，冲孔时可采取投放风化石、碎石夹粘土，甚至投入整袋水泥堵塞起到护壁作用，保证泥浆不流失，顺利通过岩溶区。

    （2）根据地质报告揭示，本工程存在溶洞，桩基施工时遇到溶洞，可采用如下方法：①灌砂压浆法：通过灌砂填塞溶洞空间，采用压浆将洞内砂砾板结、凝固成坚实的混和体，防止在钻孔过程中出现漏浆、塌孔等现象。②填充粘土和片石法：当钻孔至溶洞层时，一般护筒内泥浆会全部或部分流失，这时可采用片石加粘土回填，溶洞较大时可加入部分水泥，若溶洞内泥石护壁出现漏浆时，应再次回填，反复回填、反复冲击，直至不再漏浆为止。③灌低标号混凝土法：对于较大的溶洞，尤其是半填充或无填充溶洞，有时采用填粘土和片石的方法难以成孔，或者成孔后灌注水下混凝土时孔壁被挤垮，这时可灌低标号混凝土填满溶洞，至溶洞顶1m以上，待混凝土达到一定强度后再继续钻孔。④钢护筒跟进法：在溶洞较大，洞内无填充或有流塑充填物，漏水严重或与暗河连通时，采取上述方法无效时，可采取钢护筒跟进法施工。

    3.2 施工工艺的主要影响及质量控制要点

    （1）钢管桩沉桩质量控制要点：在钢管桩进入基岩的前提下，沉桩以标高控制和贯入度双控方式进行。其中贯入度控制为主，标高控制为辅，若实际沉桩桩尖高程高于设计桩尖高程2米以上，则须报设计研究解决。钢护筒的沉放以保证钢护筒稳定，避免桩端卷口为原则，暂定贯入度控制标准（最后10击的平均贯入度）为5～10mm/击，实际施工，可依据沉桩情况与设计商量酌情调整。

    （2）冲击成孔质量控制要点：①钻孔桩施工主选冲击型钻机进行施工，冲击钻机成孔开孔时应低锤密击，钻到一定深度后方可正常冲击；成孔过程中应根据土质的软硬程度调整冲程，最大冲程不宜超过4-6m，并应防止空锤；冲击表面为倾斜岩面或有漂石时，应投入粘土夹小片石，将表面垫平后再冲击成孔，也可在孔内浇筑混凝土，待混凝土达到一定强度后再冲击成孔。②终孔根据超前钻探资料，应满足设计全截面入岩的要求，确保嵌岩长度及桩承载力满足设计要求。为满足设计要求，冲孔过程现场的入岩判定，终孔深度应由施工、监理、地勘三方共同确认。③冲孔灌注桩完成嵌岩终孔后，应对成孔的孔径及垂直度进行检查，当两者都满足设计及规范要求时，方可进行清孔作业。④第一次清孔时间应在终孔提锤后立即进行，防止石渣沉淀过厚，打捞桶难以清理。

    （3）安装钢筋笼质量控制要点：①主筋的砼保护层为50mm（嵌岩段）和150mm（钢管桩段），为确保主筋有足够的保护层厚度，钢筋笼四周应设置凸出的定位钢筋，防止钢筋笼偏向一侧。②按照设计的每根桩3根声测管的数量、技术规格设置声测管，声测管上端高出基桩顶面20cm，下端至桩底，检测管每节长8m，最底一节长度不大于12m，节间用套管连接。③安装时将声测管绑扎于加劲钢筋之上，其底端用钢板焊牢封底，要求不漏水，浇注混凝土前往管内注满水，其上用木质或塑料塞子堵死。④防止吊装的嵌岩桩钢筋笼出现浮笼现象，采用在钢筋笼顶利用直径25mm钢筋将钢筋笼焊接至钢护筒内，以防止钢筋笼上浮。

    （4）水下混凝土浇筑质量控制要点：①混凝土浇注前，应再次检测沉渣厚度，孔底沉渣允许厚度不大于30mm，超过设计要求的沉渣厚度应二次淸孔。二次淸孔完成后，应立即采用混凝土封底，封底厚度不小于20cm，同时应及时进行桩身浇注，钻孔成孔后到开始桩身砼浇注时间间隔不得超过8小时。②导管长度应能满足水下砼的灌注，导管接头不能漏水，导管下放后，下口距离孔底悬高30～50cm为宜。③混凝土料斗应有足够的容量，首批灌注的混凝土量应使导管底端埋入混凝土内深度1 米以上，且应保持导管内的混凝土压力不小于1.5 倍井孔水深的压力。④浇筑时应及时测量孔内砼高度，保持导管的合理埋深。测量孔内砼面高度的次数一般不宜少于所用的导管节数，并在每次起升导管前，探测一次管内、外砼面高度，同时，观察孔口返水情况，以正确地分析和判断孔内情况，并作好记录。⑤导管提升时应保持轴线竖直和位置居中，逐步提升，如果导管卡挂钢筋笼，可转动导管，使其脱开钢筋笼后，移到钻孔中心，随着孔内砼的上升，需逐节（或两节）拆除导管。⑥砼必须连续灌注，严禁有夹层和断层，混凝土终灌标高的确定应能保证桩顶凿除后的混凝土质量，每孔实际灌注的砼数量严禁小于计算方量。

    4 施工质量问题的处理方法

    4.1 漏浆问题

    钻孔过程中造成溶洞内填充物表层的破碎，使得这些物质渗入钻孔而挤压出泥浆；各溶洞之间是相互连通的，一个溶洞的渗漏泥浆会沿着通道流动至其他溶洞；钻孔达到一定溶洞深度后，岩石层的裂缝增加，加剧了泥浆流失的问题；溶洞和裂缝孔隙中蕴藏的地下水含量丰富，泥浆会在地下水的夹带下逐渐流失。

    解决漏浆问题，依据漏浆的方量多少和次数，选择溶洞处理方案中填充粘土或片石法及灌低标号混凝土法。

    4.2 塌孔、坍塌问题

    塌孔是施工过程不易预防的不良工况，一方面，溶洞体积都比较大且彼此之间相互贯通，一旦出现漏浆问题，浆面会在短时间内持续性下降，即使是后期补浆也难以恢复到之前的高度；另一方面，钻孔过程中可能遇到裂隙，造成孔内泥浆迅速流失，使得溶洞地质的中厚砂层出现流沙、塌孔问题，引起周边地面的塌陷，殃及周边地面，容易发生人员、机械设备伤害等安全事故。

    解决塌孔、坍塌问题，根据溶洞的大小选择溶洞處理方案中填充粘土和片石法、灌低标号混凝土法和钢护筒跟进法，或者两种方法前后组合采用。

    4.3 卡锤、埋锤问题

    在溶洞处理过程中，由于漏浆、孔内塌孔现象比较普遍，岩面倾斜、多层的溶洞、冲击钻锤头进入岩层嵌岩深度较深等原因，本工程卡锤、埋锤现象较多，因此钻头卡埋现象时有发生，处理不好严重影响工程进度，同时给工程质量和安全带来隐患。

    解决埋锤、卡锤问题，应该分析卡锤、埋锤的原因，安排潜水员水下探明冲击锤的姿态和部位，采取有针对性的措施清渣捞锤，如水下切割、局部微爆等方法。

    5 桩基质量检测

    为检测嵌岩灌注桩质量，验证设计承载力，通过对施工完成的工程桩基采用静载试验，声测管超声波桩身完整性和钻孔取样检查，可以确保桩基的最终质量是否满足规范和设计的承载力、耐久性要求。

    5.1 静载试验

    试验桩采用工程桩，在工程施工过程中进行桩基轴向抗压承载力试验，在码头上、下游选择2根工程桩（Φ1300灌注型嵌岩桩）作为试验桩，选用周边工程桩作为基准桩。

    依据桩基最大承载力设计值9900KN，计算静载工程桩桩基极限承载力27000KN，试桩技术按照江西省标《桩身自反力平衡静载试验技术规程》（DB36/J002-2006）、《基桩静载试验-自平衡法》（JT/T738-2009）和《港口工程基桩静载荷试验规程》（JTJ255-2012）实施。

    自平衡检测的结论为：B1#、C8#桩的单桩竖向极限承载力测定值分别为27018KN，28112KN，均满足27000KN的静载极限值要求。

    5.2 超声波检测

    钻孔桩采用超声波声测管检测桩身完整性，超声波检测桩数为总数的100%。本工程按照《港口工程桩基规范》（JTS 167-4-2012）10.7施工检测及质量控制要求组织实施，共检测216根桩，Ⅰ类桩204根，占比94%，Ⅱ类桩12根（主要是桩身存在轻微缺陷），占比6%，无Ⅲ、Ⅳ类桩。

    5.3 钻孔取样检测

    对超声波完整性检测的桩基，同时还应进行整桩钻孔取样，检测桩数为总桩数的3%，总共是7根桩，具体检测桩位由项目管理人员随机抽取，钻孔取样检测应重点选择砼浇注或超声波检测异常的桩。

    本工程采用地质钻机，除了对检测为Ⅱ类桩有代表性的5根，和2根因导管卡住不得不分两次浇注混凝土的桩基进行了钻芯，还对有代表性的部位选择了3根，合计7根桩基钻孔取样均下钻到混凝土桩端和基岩结合部位下0.5米，芯样取出完整，无泥浆夹层，芯样长度均超过设计桩长，桩基端部混凝土与基岩结合良好，未发现明顯沉渣。

    6 存在问题及建议

    为了控制桩基质量，施工过程进行了全面质量控制，但是由于地层溶洞的复杂性，按照溶洞的处理方案在桩基成孔过程中，基本实施了溶洞空隙和裂缝发育对泥浆漏浆、跑浆的控制，仍然在水下浇筑混凝土过程中，发生了较大的混凝土流失超方现象，造成了桩基造价的上升，本工程桩基超方统计见下表1，应该引起重视，进一步分析超方现象发生的原因，采取有效措施，将超方的成本控制在适度的范围。

    溶洞的处理，是桩基施工阶段解决问题的核心。虽然每个桩位均按设计的技术要求进行了超前钻探，但每根桩位超前钻探一个孔位有其局限性，对存在溶洞群等复杂地质条件的桩位不能较好指导施工，影响桩基成桩质量，应引进其它的地勘技术，综合各项勘探成果准确描述地下溶洞空间分布，进行精准的分析和判断，提出解决溶洞群对桩基施工卡锤、超方等对施工效率和成本不利影响的正确处理方案。

    7 结论

    岩溶地区嵌岩灌注桩施工质量控制，为确保桩基施工质量，从超前钻孔勘探进入中风化石灰岩深度，由钢管桩的制造工艺到沉桩质量偏差，溶洞及存在问题的处理，到最后嵌岩灌注桩的水下混凝土浇注质量，是从过程质量控制的要求出发，采用事前和事中结合的动态控制原则。成桩质量过程验收，至最后的检测和试验，无较大缺陷桩基，做到了质量可控。

    参考文献：

    [1]郑永增.溶洞桩基施工技术[J]. 科学与技术， 2014.

    [2]单位交通部第三航务工程勘察设计院. 港口工程桩基规范[M]. 人民交通出版社， 1998.

    [3]提高多溶洞地质嵌岩桩一次成孔合格率， 中交二航第三工程有限公司江西煤炭码头多溶洞地质嵌岩桩质量控制 QC 小组课题成果.