复杂岩溶区高速公路桥梁桩基溶洞处理技术研究

复杂岩溶区高速公路桥梁桩基溶洞处理技术研究

董昶志

  中铁上海工程局集团有限公司（上海  201900）

摘要：桩基础作为桥梁的主要承载构件，其稳定与否直接影响到桥梁的服役寿命。在溶洞地区公路桥梁桩基础施工中，极易发生塌孔、掉桩、卡钻、地表沉降和断桩等工程安全问题。然而，由于我国溶洞地貌面积较大，溶洞地貌覆盖了近1/3的土地，所以，在我国的高速公路桥梁桩基础建设中，经常会碰到各种类型的岩溶地质问题。在溶洞地区，桩基础溶洞处治的优劣直接关系到桩基础的建设质量、施工效率、后期运行稳定与安全。通过对该地区的地质情况进行分析，提出了一种适合于溶洞地质环境的桥梁桩基础施工方案，并从挖孔桩施工、冲击钻进桩施工、挖-钻联合施工等几个角度，对溶洞地质情况下的桩基成孔与成桩施工工艺要点进行了详细的论述，并就如何解决溶洞问题提出了相应的对策。

关键词：岩溶地质；桥梁桩基；挖孔桩；溶洞处理

一、岩溶区地质特征

1.1钻井作业的难度系数极高

在溶洞地质条件下，由于不能用地质勘察的方式完全掌握溶洞的尺寸、分布及方向，因此，在钻孔作业中，不可避免地会出现渗漏、漏浆、孔壁塌陷等问题。由于经费及勘探手段的限制，目前还不能精确地确定岩溶发育的范围和规模。在成孔过程中，经常会发生一些事故，如遇地下石笋、大块岩等，可能导致埋钻、掉钻、卡钻、钻斜等现象。

1.2清孔作业难度很大

由于该工程中的钻孔均为深孔，且沉渣含量较大，因此在钻孔过程中进行钻孔操作难度很大，稍有差错都可能使整个清孔工作重做【1】。

1.3溶洞地质条件下灌注砼对桩基的要求

由于该工程桩的长度较大，灌注桩所需的混凝土量相对较大，因此需要进行较长的灌注时间。如果在施工过程中，如果对混凝土塌落度及灌注速率的控制不好，很容易造成断桩或混凝土漏失。通过对该地区的地质条件的综合分析，确定了在成孔时以挖孔成孔为主，在河道等地区则以钻孔法为主。在溶洞地质十分复杂、岩体强度较高的地区，为保证工程的顺利进行，通常使用大直径的冲击钻机进行钻探。

二、岩溶治理工艺

2.1过程说明

(1)抛填墙法：在未触及溶洞之前，用冲孔机进行匀速钻探，在进入溶洞部位后，立即停钻，并立即往溶洞中填入粘土和碎石，填满后，及时对其进行冲刷，以达到充填和挤压的效果，重复进行冲孔，直到将溶洞中所有的空隙都挤压得严严实实，并且孔道中的液体也得到了稳定。采用抛填墙法对施工现场进行处理。

(2)钢管护壁处理方法：在未触及溶洞之前，用冲孔机进行快速钻探，到达溶洞底部后，立即与钢质护壁管对接，并对钢质护筒进行振动荷载，确保护壁筒的底部能够下沉到溶洞中，并利用钢质护筒封堵溶洞中的水渗漏通道。

2.2小洞室和中洞室充填物的治理

(1)对于小溶洞、中型充填溶洞和大面积的局部充填溶洞，可使用成本较低的粘性片石抛填方法进行处理；

(2)循环次数以溶洞内部致密、完好、不漏失为原则；相对于钢管桩加固而言，采用粘砂、片石、碎石等处理方法是一种经济、有效、经济的方法。

2.3规模较大，成串珠状，连通水道的溶洞治理

对中-大洞室或相互连通的洞室群，若仅采用粘土、片石等材料进行处理，不仅不能确保洞室围岩稳定，而且容易引起洞室坍塌等病害；若仅采用钢管支护，将产生更大的压力，从而降低了工程经济效益，同时也会导致洞室围岩的变形和开裂。经过多次的工程实验比较，认为对于规模较大、呈串珠状、连通水道的溶洞，可采取“抛填墙+钢管护壁”的组合加固方法。

2.3.1抛填墙方法的特性

(1)粘土矿抛填处理工艺连续性差、效率低下，若不合理安排，容易引发坍方等问题，为确保处理效果，需适当加大循环处理次数、严密控制水头、实时监测地表沉陷。该工程在设计初期曾达到12次循环处治，但因施工组织不合理而导致周边地表塌陷，致使该处治失效；

(2)因填筑体为硬塑性体，在多次回填处治时，其渗流和渗透性受到限制，不能迅速扩散，在回填区域上留有通道；在后期混凝土灌注时，因其流动性远大于粘土，致使混凝土沿着预留孔道绕过填充空间，直接流入未浇筑的空腔，从而引起了混凝土过量浇筑和结构自重的增大。

2.3.2钢护筒随钻施工法特点

(1)如果工程地质调查数据显示有很多连通的洞穴，钢护壁管下压时，仅能推进至基岩体顶部，当钻进机械碰到表面突起的石块时，很可能会对钢质护壁管的完整性造成损伤，甚至造成护壁大变形的病害；

(2)因洞室规模大、充填困难，在施工荷载干扰下容易发生大范围垮塌，而钢管支护结构在坍塌应力下容易发生失稳失效。

2.3.3钢护筒的跟进及灌注桩

客观地分析了钢管混凝土护壁加粘土层加固处理工艺的优缺点，提出了“粘结碎石+钢管复合加固法”的处理方案。

(1)钢管混凝土护壁管在沉入前，要经过2-3遍的循环回填土，并预先用钻机对岩石进行冲击，以避免钻进钢护壁管；

(2)采用预先回填的方法，减小了洞室发生大范围坍塌的危险；

(3)对有连通条件的溶腔，可适当掺入水泥，以确保充填的可靠，并结合高速压实技术，一次阻断动水通道，并同步下沉钢护壁管，及时堵塞地下水通道。

2.4绕射

避开大型溶洞，特别是与之相连的溶洞，是当前最为合理和优选的一种处理方案。在已有工程实例中，桩基已发育成熟，而小里程侧岩溶发育严重不足，可改变设计方案，将原32 m跨度改为48 m，上部结构从简支变为连续，避免了溶洞成熟区，并减少了16 m的桩长【2】。

三、高速公路复杂地形条件下的桩基施工技术

3.1施工程序

在岩溶发育程度不高，钻孔深度不大，岩溶发育程度不高。按现场找平—放样—开挖井口—浇筑井口混凝土—开挖第1节孔—混凝土模框与浇筑—桩身轴线及标高检验—设备安装—开挖第2节桩孔—拆除第1节护壁模板。如此反复进行，直至桩柱深度满足设计要求，方可停桩。

3.2开挖孔穴

如果桩体穿越软弱层，则每个钻孔的长度应减少到0.5米以下。在开挖过程中，要求钻孔周围的土体具有一定的凹凸性，以提高桩身与地层之间的摩擦系数。在紧邻现有公路、铁路的地方，通过水磨钻机将路面掏空。在地层硬度较大的地方，用爆炸方法来完成。

3.3围护结构

根据溶洞地区特殊的地质条件，设计了C20和C25两种类型的桩基围护结构。护墙砼采用强力拌和机拌和，并用手将其送入模板内，用震击器振捣。以自行研制的钢板为砼模板，采用4片拼焊的方法。各断面护壁完成后，在空空中利用全站仪测设十字形桩，利用基线交叉网法对其轴线进行纠正。在高程测量控制中，采用控制水准基点向护墙顶伸出的方法，达到了对高程的精确控制。利用全站仪校核桩位。成孔完成后，采用全站仪放桩中心，用钢线量测孔深，保证断面面积、桩位、孔深均符合设计和规范的要求【3】。

3.4岩溶的治理

1)小规模岩溶洞穴的治理

对于小、多层的溶洞，如果使用挖孔桩，可以将裂缝、孔洞填满，然后利用C25钢筋混凝土进行桩基围护。当钢筋混凝土墙不能通过的时候，可以用混凝土来填补。在混凝土强度达到一定程度后，再进行冲击钻孔。采用冲击钻机进行施工时，事先将大块的片石、粘土等材料准备好，并采用中等吨位的装载机进行操作。一旦出现漏水现象，立即把钻头抬起，往里面扔石头和泥土，然后继续下钻。在靠近洞顶的地方，用小行程打洞，不停地往里面填土。在溶洞部位钻孔时，仍采用小行程，以便碎石、粘土能充分渗入溶洞，从而确保溶洞的安全。

2)开挖到洞口离洞顶部距离 lm处

如果有承压水，就必须等待水位稳定下来。完成后，将承压水排出，才能继续进行工程。

3)洞室开挖贯通后的洞室顶板

如果洞穴中没有填料或者空洞，可以将洞穴中的水排出，然后用砖头将洞口围起来，形成一个类似于桩底的形状，然后根据桩孔安装模板，然后浇注钢筋混凝土。如果有填料，要根据填料的具体情况，选择最好的方法。如采用中粗砂、粉细砂等填料，要求强支护，浅进尺。在对上部围护墙周边进行处理时，以3米长、25 mm直径的钢筋作为填料，沿着围护墙半径方向每20 cm插入1根，垂直方向为20 cml，呈梅花形排列。紧靠桩内侧的钢筋用草袋填满，草袋的内侧则是混凝土护壁。填料为粉质粘土或软粘土，开挖时可采用铲挖法，在50厘米高的一层上筑一道钢筋混凝土护壁，直至贯通溶洞部位。钻孔完成后，先清除孔底虚渣，然后埋设钢筋笼，并在水下浇筑混凝土。必须采用连续浇筑的方法，才能确保灌注桩的质量【4】。

3.5施工控制要点

(1) 在溶洞发育的区域，钻孔成桩需要采用冲击钻机，冲击动能必须达到2.5-5.0 t/m2，若冲击动能不够，相应的挤密能力就达不到周边孔壁的挤入需求，从而对孔壁的紧实度指标产生不利影响。当遇硬岩时，冲击动能太大，钻进速度太快，极易发生“卡钻”事故；

(2)针对岩溶发育区岩溶发育程度、裂隙分布趋势、溶洞体积及顶板厚度等因素，对其进行钻探时，需根据岩溶发育程度、裂隙分布趋势、溶洞体积及顶板厚度等参数，严格控制凿岩速度及冲击动能。

(3)加强地质勘探，对工程场地的地质状况进行综合评价，特别是对洞穴的形状、充填状况等进行综合评价，在勘察结果基础上，选择合适的施工方案；

(4)当钻孔距离洞顶1米左右时，将钻孔频率调到较低的频率，并以较慢的速度通过溶洞，如果溶洞中没有充填物，要立即进行注浆，保持水头差，防止坍塌，浆液浓度保持在25-30秒以内；

(5)采用高频率、低冲程的重复冲击方式，在充填过程中形成致密的泥墙，堵塞孔道，防止孔壁坍塌；

(6)钻出后，及时将粘土、片石按一定比例掺入溶洞，充填面稍高，溶洞水位稳定后，再以“低提慢入”的方式进行二次钻孔，利用冲击载荷对充填体进行夯实，在孔壁形成护壁后，进行下一步的施工。

(7)预制钢管护壁：单节长1.5米，节与节之间为焊接，为确保连接可靠，需在焊缝部位焊接50 mm厚的加筋条；

(8)如不能完全堵住孔洞，可采用掺有水泥的片状粘土，采用整袋充填，并用钻子搅拌均匀。

4.施工技术案例分析

4.1工程概况

溶洞，是由地表径流、地下水等多种因素共同作用而产生的一种以洞穴为主要形态的可溶岩地貌。溶洞根据洞高可划分为小洞（洞高不超过3米），大洞（洞高3-9米）和超大洞（洞高9米以上）；根据垂直方向划分，可划分为单层洞穴和多层洞穴（串珠状洞穴）。因此，对桥梁桩基施工过程中出现的溶腔问题进行了科学的归类，并归纳了各类溶腔的特点，从而有针对性地提出了相应的溶腔处理措施。

辽宁本溪至桓仁高速公路三标段，共计370根桩基础，预计将通过1个或以上的溶洞，达到承载能力。根据已有的勘察数据，该岩溶区以小规模岩溶发育为主，其次是大型岩溶发育，极少数是大型岩溶发育的典型代表，大部分岩溶发育类型为“半充填”，以软流塑粉质粘土夹灰岩碎屑为主。根据桥址的溶洞统计资料，可以看出该桥的岩溶发育程度属于强发育区。

辽宁本溪至桓仁高速公路三标段，在溶洞地区，因溶洞易发生漏浆、卡钻、埋钻、塌孔、断桩等工程事故，如果对溶洞的治理措施不正确，将严重影响工程的施工效率与质量。根据已有的勘察数据，蜂蜜砬子大桥右幅1-1号桩下部发育4个大小不等的“串珠状”溶洞，分别为3.2m、10.3 m、5.6 m和6.4 m，充填物为粉质粘土夹灰岩。在此基础上，出现了塌孔、地面沉降及7次漏浆等问题。在对溶洞地貌复杂的区域进行桩基施工时，往往要结合工程地质条件及岩溶发育程度，选择合适的、经济的处理方案，通常采用注浆法、粘性片石抛填法、钢护筒跟进法等。本项目针对施工区施工区处于岩溶发育强烈的区域，且部分桩基位置存在大而串珠状、溶洞多为半充填的情况，且其上覆土层厚度大，以粉质粘土为主，具有良好的稳定性【5】。

为此，综合考虑施工安全，施工质量及造价，采取了“粘土片石+钢护筒跟进”的处理方法。粘性片石回填法是解决岩溶洞穴最常见的一种方式，它通过对岩石进行多次冲击，将回填材料挤压到洞穴内，从而实现对洞穴内壁的有效加固，可以有效地解决半充填和不充填的小溶洞，而且施工方案简单，操作简便，成本低。粘土片石回填法的具体施工程序为：当钻孔出现渗漏时，按照不同的地质条件，采用不同比例的粘土薄片回填，再用小冲程钻入，直到将整个溶洞填满，不会有任何渗漏。钢护筒跟进法是一种应用于大面积、厚度较大、含有一层或几层以上的空洞溶洞，它可以防止由于孔壁垮塌而引起的地表沉陷和不均匀沉降。以蜂蜜砬子大桥右幅1-1号桩基工程为例，工程场地上方为17.4米厚的粉质粘土，下部为四个串珠状大溶洞，钻孔施工期间出现多处渗漏、地表塌陷等现象。因此，在施工过程中，采用了大量的粘土、片石、水泥进行充填，加固孔壁，同时在施工过程中，还设置了单护套管，以确保上部地层不坍塌。将这两种方法相结合，既可提高工程进度，又可使工程更加简便、经济。

5总结

本项目以辽宁省本桓高速公路蜂蜜砬子大桥工程区复杂的岩溶地质条件出发，采用“粘土片石+钢护筒跟进”的方法进行溶洞处治，以期为同类复杂岩溶地区公路桥梁的施工提供借鉴【6】。

参考文献：

［1］郭纯青，王莉，王洪涛.中国岩溶生态地质研究［J］.生态环境，2005（02）：275-281.

［2］贺鑫.桥梁桩基溶洞处理方法及其应用［J］.科技风，2012（21）：124+126.

［3］徐军.肇花高速公路北江特大桥岩溶区桩基施工技术［J］.公路，2018，63（05）：182-187.

［4］刘永贵.桥梁桩基特殊溶洞处理方法的探讨与应用［J］.公路工程，2012，37（02）：50-52+78.

［5］张广春.采用钢护筒跟进法处理特大溶洞地层中的桩基施工［J］.市政技术，2013，31（06）：87-90.

［6］肖雪强.岩溶地区桩基施工的几种处理措施［J］.中华建设，2008（06）：83-84.

董昶志（1990.01.10-）；男；汉族；江苏徐州人；本科；工程师；研究方向：建筑施工