孙艳明 蒲中花 马振民 许国亮 张 斌 骆彦兵
(中交二公局第二工程有限公司，陕西西安 710119)
1 工程概况
大连星海湾跨海大桥主桥位于大连市著名旅游景点星海湾广场对面开阔海域，为双塔三跨地锚式悬索桥，跨径布置为180 m+460 m+180 m=820 m。桥塔采用“门”式框架混凝土结构，塔高112.31 m。桥梁上部主体加劲梁为钢桁架结构，钢桥面板采用正交异性桥面板，车道双层布置。索塔每根塔柱下设一个承台，承台之间不设横系梁，单个承台由12根φ2.5 m的钻孔灌注桩支撑，钻孔灌注桩3行4列矩形布置，索塔基础为大直径群桩基础，承台尺寸为 17.3 m ×23.6 m ×6.05 m。
主桥2个索塔共计48根桩基，在钻孔过程有32根桩基发现岩溶洞或裂隙等岩溶地质，最高的岩溶洞高7.3 m，最低的岩溶高度0.2 m;施工区域岩溶构造有多种形式，有单层岩溶洞亦有多层岩溶洞;内部填充有粘性土、灰岩角砾、碎石和部分无充填物。
2 工程特点
1)工程位于黄海海域，受海洋环境影响比较大，桥址处水深10 m～12 m，没有岛屿等遮挡物，每年4月份～10月份东南风、南风、西南风比较频繁，海上涌浪比较大。
2)施工区域岩溶发育，类型复杂，有单层岩溶洞、多层岩溶洞、斜面岩、陡坡(或半边岩溶洞)、石柱(中间凸起)、溶沟槽、裂隙等岩溶类型。
3)索塔基础为群桩基础，单个承台下有12根直径2.5 m的大直径钻孔灌注桩。
4)由于岩溶类型复杂，即便是同一根桩在钻孔过程也会遇到不同的岩溶地质类型，因此在钻孔过程需要根据具体情况应对各种岩溶地质钻孔施工病害。
5)海上潮气大，空气盐分含量高，施工设备容易损坏。
3 岩溶地质类型分析
通过地勘报告和主桥桩基钻进情况分析，大连星海湾跨海大桥主桥区域海底至少存在如下七种岩溶地质类型(见图1):
1)单层岩溶洞。
岩溶洞有一层，高度在20 cm～730 cm不等，岩溶洞内填充水、泥土或风化岩等，钻孔过程主要表现为有卡锤现象，钻进速度会突然变快，到一定深度后又开始变慢，渣样变化明显，有漏浆现象。
2)多层岩溶洞。
岩溶洞多层串联，每次高度在20 cm～500 cm不等，中间间隔距离也不等，岩溶洞内填充水、泥土或风化岩等，钻孔过程主要表现频繁卡锤，钻进速度时快时慢，渣样有不太明显的周期变化，有漏浆现象。
3)斜面岩。
由于地质运动，岩层相互挤压形成扭曲，在外部环境作用下，部分岩层溶解，倾斜岩面外露，这些倾斜岩面有的直接与卵石覆盖层相连，有的则在岩溶洞下面，这种地质在钻孔过程主要表现为锤头向一边倒，回填片石和粘土可以处理到位，渣样里面含一部分强风化岩。
4)陡坡(或半边岩溶洞)。
一边有泥土或强风化岩填充物，一边是坚硬的岩石，这种地质在钻孔过程主要表现为锤头向一边倒，严重时锤头出现侧翻，多次回填片石和粘土也很难处理到位，渣样里面含一部分强风化岩。
5)石柱(中间凸起)。
周边是泥土或强风化岩，中间是坚硬的岩石，这种地质在钻孔过程主要体现在锤头倾倒方向不定，多次回填片石和粘土也很难处理到位，渣样里面含一部分强风化岩。
6)溶沟槽。
周边是坚硬岩石，中间是泥土或强风化岩等，入岩后钻孔过程锤头正常，但钻渣里面含有一部分强风化岩，有漏浆现象。
7)裂隙。
这种裂隙分布广泛，以上各种岩溶洞中都可能连接着裂隙，这种地质钻孔困难很大，经常出现无征兆的漏浆。
图1 岩溶洞类型示意图
4 岩溶地质钻孔施工病害处理措施
主桥桩基采用冲击钻机进行钻孔，在钻孔过程采用了抛填片石和粘土工艺、钢护筒跟进工艺、专用岩溶洞钻孔锤头工艺等施工工艺，在钻孔过程因岩溶地质条件复杂，遇到了意想不到的困难。
4.1 漏浆塌孔
4.1.1 原因分析
1)由于许多大小裂隙，一串串岩溶洞通过发育的裂隙连通在一起，形成岩溶洞带。同时这些岩溶洞有些被填充物填充，有些没有填充物或填充不满，形成低压区。
2)由于岩溶洞内无填充物或填不满，在钻孔打开其顶板时也会导致突然大量失浆而塌孔。
3)在处理卡锤或掉锤问题时，由于处理时间过长，造成孔壁被泥浆浸泡松软，原本结实的泥浆护壁开始脱落，进而发展为塌孔。
4.1.2 处理措施
1)海中岩溶地质钻孔，钢护筒要有一定强度，避免大量漏浆流失将钢护筒挤瘪，大连星海湾跨海大桥主桥索塔桩基钢护筒壁厚采用12 mm和14 mm壁厚组合，在适当位置设置环形钢板箍以增加钢护筒强度，实践证明能够抵抗10 m水头差。
2)钻孔时，应密切注意钢护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降漏浆，应立即提出钻头，向孔内补充泥浆或注水，保持桩孔内水头压力。
3)保持桩孔内水压力后，向桩孔内抛填粘土和片石混合物，经小冲程反复冲砸后，形成新的护壁。
4)当钢护筒底部漏浆后，可继续下沉钢护筒，并用粘土封闭钢护筒周围缝隙，防止海水继续渗入，然后向孔内填掷粘土块和片石(填筑高度以高出钢护筒底1 m为宜)，再用小冲程反复冲砸，达到加固钢护筒底部孔壁与堵漏的目的。
5)若不能保持水压力，表明空岩溶洞较大或其他岩溶洞连通，此时应先停止钻孔，然后采用加大抛填量或灌注混凝土等措施进行封堵。
6)漏浆补水后要用超声波孔壁检测仪对孔壁情况进行检测，如没有出现塌孔现象则可继续回填粘土造浆钻进，如出现塌孔，则需全部回填。
4.2 掉锤、卡锤、埋锤处理
4.2.1 原因分析
1)钢绳在与锤头连接处磨损严重或绳卡拧的不紧，超出了自身承载能力，在冲击过程极易造成掉锤。
2)锤销质量不合格，采用劣质锤销;锤销与锤头接触部位缺少减震弹簧;另外这种锤销一般为特种钢，工人用电焊焊接锤销和防脱螺母，造成锤销脆断。
3)在岩溶地带，由于地下水非常丰富，基岩起伏相当大，溶蚀现象严重且极不规则，地质钻探资料反映只代表该钻探点处的地质情况，离开钻探孔位，则有很大的变化，在钻孔中，钻孔灌注桩径范围内因为基岩半边露头，容易导致斜桩和卡锤。
4)卡锤或掉锤不能及时处理，沉渣过多或塌孔造成埋锤。
4.2.2 处理措施
1)要经常检查钢绳及绳卡情况，要使用质量合格的锤销，并且要增加减震弹簧，避免焊接锤销。
2)在岩溶发育段施工时要采用小冲程冲击钻进以减少或消除“探头石”影响。
3)冲击岩溶洞底板或基岩面时采用小冲程慢速冲击钻进，并向孔内抛入片石等材料以减少锤头歪斜量，防止钻孔倾斜。
4)保证泥浆质量，保证孔壁稳定，防止孔壁石块掉入孔内。5)采用专门研制的筒状锤头处理“探头石”。
6)必要时采用水下爆破或下潜水员捞锤，如下潜水员捞锤，要确保孔壁完整，泥浆比重符合重潜要求。
4.3 偏锤处理
4.3.1 原因分析
在钻孔过程遇到斜面岩、陡坡岩、石柱、溶沟槽、裂隙等类型岩溶地质，锥形锤头在重力下降过程没有导向作用，遇到障碍发生倾倒。
在钻孔过程遇到软硬岩地质或者半边岩溶洞地质，锤头在下降过程受力不均匀造成偏锤。
4.3.2 处理措施
出现偏锤现象时，采取回填片石或回填混凝土方案进行处理，片石或混凝土强度略大于岩石强度，钻孔过程要缓慢钻进，避免在钻进过程出现斜孔现象。
采用专用岩溶洞钻孔筒状锤头处理岩溶地质，这种锤头侧壁有导向作用，可避免偏锤现象发生。
4.4 泥浆沉淀
4.4.1 原因分析
1)造浆材料配比不合理，泥浆质量差。
2)遇到岩溶洞后泥浆流失或清孔过程泥浆流失，补充大量的水，新补充进去的水将原泥浆稀释，造成泥浆沉淀。
3)在岩溶地带，穿岩溶洞或裂隙时，岩溶洞水或裂隙水常带有的弱酸性的碳酸根离子与桩内泥浆胶体发生反应使其沉淀分层，使得泥浆无法正常循环，或导致沉渣较大。
4.4.2 处理措施
1)选用好的粘土或膨润土，通过试配，选择合理的配比，造浆过程不宜过急，要充分造浆。2)尽量减少泥浆流失，如出现大量漏浆，应及时补充泥浆或补充粘土造浆。
4.5 钢护筒沉降处理
4.5.1 原因分析
在钻孔过程会出现钢护筒沉降问题，主要原因是在钻孔过程，钢护筒底口或覆盖层下有岩溶洞，当钻到岩溶洞位置后，钢护筒底口的岩溶洞顶盖或覆盖层坍塌，造成钢护筒沉降。
4.5.2 处理措施
1)遇到钢护筒沉降要尽快提出钻头，避免出现埋钻，并且根据情况将已经钻好的桩位用片石加粘土回填，待回填土体稳定后重新接长钢护筒，继续下沉钢护筒至打不动为止。钢护筒下沉到位后，重新定位钻机开钻。2)为避免钢护筒再次沉降，最好将这根沉降的钢护筒和相邻钢护筒进行连接，同时相邻的桩位停止钻进，避免发生震动。3)海上岩溶洞钻孔要注意，不能用钢护筒承载做钻孔平台，钻孔平台基础要用单独的钢管桩基础，否则一旦发生钢护筒下沉现象，会造成很严重的后果。
4.6 与海水贯通处理
4.6.1 原因分析
卵石覆盖层下有溶沟槽岩溶地质或裂隙岩溶地质，在钻孔过程由于护壁质量不好或因其他原因造成护壁破坏，海水通过溶沟槽或裂隙进入孔内。
4.6.2 处理措施
1)若钢护筒内水头降速较慢，则用大功率水泵补充泥浆(或水)，保持钢护筒内水头，同时回填粘土和片石处理。
2)若钢护筒内水头无法保持，该孔很可能会出现塌孔，需取回填片石和粘土工艺处理，或者在桩周边钻孔压水泥浆处理。
4.7 钻孔过程相邻串孔处理
4.7.1 原因分析
1)同时开钻的两个桩位太近，在遇到岩溶洞地质时，两个桩之间的孔壁因岩溶洞发生坍塌，造成串孔现象。2)在钻孔过程，同时开钻的桩位因遇到贯通裂隙岩溶地质，造成两个桩位的泥浆串通。
4.7.2 处理措施
钻孔时必须采取隔孔钻进原则，即便这样也可能会出现与相隔较远的桩位串孔现象。若遇到此问题，需停止钻孔，将其中一个孔回填或者将两个孔都回填，但只能有一个孔继续钻进直至灌注完混凝土，另一个孔要等到前一个孔混凝土强度达到规范要求后再开钻。
4.8 混凝土灌注过程漏混凝土
4.8.1 原因分析
在灌注混凝土过程如果出现无法封底或混凝土面不上升情况，这时要考虑是否有混凝土流失。
4.8.2 采取措施
1)在下放钢筋笼前用超声波孔壁检测仪对孔壁进行检测，提前了解孔壁情况。2)清孔过程要随时观察是否有大块风化岩被清出，如有需停止清孔，检查孔壁情况，如塌孔需回填重新钻孔。3)如首盘混凝土不能封底，则应尽快将钢筋笼提出，对孔底进行处理。4)在混凝土灌注过程出现混凝土面不上升，但前期超声波孔壁检测仪检测又没有扩孔迹象，这时要考虑可能岩溶洞侧壁被击穿，要根据具体情况确定是否继续灌注混凝土，如混凝土面只是不升高则可继续浇筑，如混凝土面下降造成导管脱空则需停止灌注混凝土，进行后续处理。
5 工程应用效果
大连星海湾跨海大桥索塔基础施工没有以往海洋环境岩溶洞地质大直径钻孔灌注桩施工经验可循，在施工过程凭借一般陆地或江河岩溶地质钻孔施工经验，不断摸索，最终形成了一套海洋环境岩溶地质钻孔施工技术，形成了海上深水岩溶地层大直径群桩基础钻孔施工病害处理应急预案，经过全体职工及技术专家组全体成员共同努力，桩基成孔质量及成桩质量都很高，未出现一次断桩事故，经检测48根桩全部为Ⅰ类桩。
6 结语
1)海洋环境钻孔施工，由于没有道路和平台相连，所有材料要通过船舶运输，因此在项目开工前要充分了解海洋自然环境，
要对所处海域的水深、风、浪以及大海朝向等进行综合分析，形成海洋环境对工程影响分析报告，根据分析报告合理配备船机设备。2)对于各种岩溶地质类型混杂在一起的地质情况，在钻孔施工过程要根据实际施工情况采取不同的施工工艺，即便是一个桩位，也可以采取不同的措施。3)岩溶地质钻孔施工前要有详细的应急预案，并且按应急预案准备相应材料和设备。在钻孔施工过程如有异常情况发生，要能在短时间内判断原因，并根据分析的原因采取相应的应急措施。应急响应要及时，避免因处理缓慢造成次生病害。4)海洋环境钻孔施工，受潮湿环境和高盐分空气影响，施工设备经常出现故障，因此要配备足够的施工设备和配件，
并且要配备足够的有经验机修工和电工，避免因设备出现故障不能及时维修影响施工进度，严重时会因设备故障处理不及时造成塌孔等次生病害。5)必须有良好的心态和耐心对待复杂岩溶地质钻孔施工，因为这种地质钻孔施工会遇到各种问题，有时会遇到频繁漏浆和频繁卡锤问题，如果没有良好的心态和耐心对待发生的各种问题，遇到问题操之过急或行动缓慢都会带来很多麻烦，甚至带来严重后果。
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[3] 徐 华.岩溶地区钻孔灌注桩施工工艺及承载能力研究[D].武汉:武汉理工大学，2003.
[4] 孙艳明.适用于斜岩地质桩基钻孔的冲击钻机锤头:中国专利，ZL 2013 2 0101424.8[P].2013.
[5] 刘汉银.斜岩岩溶地质钻孔桩施工技术[J].铁道建筑技术，2011(3):86.
[6] JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].
