大跨径跨河桥梁桩基溶洞处理方法研究

董兆辉， 廖辉军

(1.上海城建市政工程(集团)有限公司， 上海　201600；　2.湖南路桥建设集团， 湖南 长沙　410004)



大跨径跨河桥梁桩基溶洞处理方法研究

董兆辉1， 廖辉军2

(1.上海城建市政工程(集团)有限公司， 上海201600；2.湖南路桥建设集团， 湖南 长沙410004)

摘要：桥梁桩基区域的溶洞不仅直接影响桩基的承载力，还给桩基成孔带来很大困难，在施工过程中，溶洞区域漏浆、垮孔等都将影响到桩基的施工进度与质量，传统的充填片石方式耗时且不容易保证成桩后的基础承载力，结合在某大桥上的实践，对溶洞采用充填注浆处理，这样不仅可以保证桩基的顺利施工，还可提高桩基的承载力，确保桥梁的整体质量。

关键词：桥梁； 桩基础； 溶洞； 注浆

0引言

桩基是桥梁结构的基础，承载整个桥梁结构的静载及动载，其承载力必须满足设计要求，又由于其结构处于地面以下，地下空间构造的复杂性及不可见性增加了施工难度，尤其在地下部分存在溶洞等情况时。常规的溶洞处理方法有片石填充，钢护筒加长穿过等，分别存在施工难度大，成桩质量不易把握等缺陷，本文结合某大桥的桩基处理实践，探索一种新的溶洞处理方法，以供借鉴与参考。

1工程概况

某大桥上部结构为3跨变截面连续梁，跨径87 m+144 m+87 m，其中两主墩均采用圆端型钢筋混凝土实体墩，下构为长16.4 m，宽7 m，高4.5 m的八面体承台+直径2 m的钻(冲)孔灌注桩群桩基础，每墩下设桩15根，桩径2 m，持力层为中风化钙质砾岩。

勘测结果表明岩溶是桥位处最突出的不良地质。岩溶发育于灰质砾岩层以及板岩质砾岩层中所夹灰质砾岩夹层中，岩溶发育丰富，多个勘探孔揭露，勘察判断的岩溶形态主要为溶洞、溶蚀裂隙，绝大部分岩溶洞隙为全充填，少数半充填(充填物以影性土含砂砾为主、软弱)，极少部分为无充填空洞，勘探岩溶视厚度0.4～9.4 m不等，呈串珠状多层分布。

岩溶不良地质的存在对本桥梁桩基稳定、承载性能、地基沉降构成威胁以及不利影响，是本桥梁地基基础工程面临的不利与复杂问题，需进行处理。

2溶洞处理方法选择

2.1溶洞处理的要求及传统方法的弊端

设计要求对桩身以及桩端以下10 m深度范围内的溶洞进行充分填实处理，对桩底10 m深范围内、桩身、桩侧岩溶经处理后，确保岩溶空腔与裂隙被具有一定强度的水泥或土泥混合物充填并与洞周基岩结合紧密，确保桩底岩溶顶板、桩侧土体稳定并具有抗变形能力，防止桩基“刺入”性破坏与顶板垮塌破坏及过大沉降，防止桥墩在以后的运营过程中发生不均匀沉降，保证上部结构安全。

大桥设计文件明确桩基为摩擦端承桩，桩顶竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受，进一步的勘测结果表明，桥位处的溶洞结构极为复杂，在不到2 m范围内的3个勘测孔，揭露出的溶洞顶板高程相差达到8 m。若采用传统的抛填片石混凝土方式进行溶洞处理，溶洞不一定能充填完整，这样，即使桩基能顺利成孔，也不能保证桩基的侧壁摩擦力满足要求，采用加长钢护筒的方式同样存在这样的弊端，且不容易穿过河床面上的卵石层。

2.2处理方案比选及确定

由于地层复杂，岩面高程变化大，大部分溶洞具坍落填充物，部分深溶洞填充少水作用明显，相对于现地面约50.35～60.85 m的处理范围，砂石、混凝土很难以通过小口径钻孔填下去，只有通过注入流动性强且凝结后强度高的水泥浆才可能填充满溶洞并满足桩侧土体强度要求。

水泥浆的灌注方法有静压注浆充填法及高压旋喷结合循环清孔后静压注浆的综合处理充填法等，根据地质特点，单纯采用静压注浆法扩散半径小，钻孔量大，因此宜采用高压旋喷结合循环清孔后静压注浆方法：

1) 对外侧孔采用高压旋喷桩相连成帷幕，形成浆液阻断墙。

2) 内侧孔利用旋喷机把安有水平喷嘴的旋喷管伸入孔底(溶洞内)，以20～30 MPa的高压水流对溶洞自上而下、由下而上反复冲击切割，使其充填物削落形成松散颗粒物，然后采用气举反循环的方法反复清渣，将充填及削落的松散沉淀物、淤泥大部分或全部清出桩身外，形成空腔。对内侧循环清水清渣后的孔，采用静压注浆。

优点在于：岩溶清孔后注浆扩散半径从1 m左右扩充到2～3 m，减小了灌浆孔的数量及相应的注浆配套费用，且注浆效果更好；外侧孔完成后，内侧孔返浆、压力均能得到良好控制，使浆液能充分挤满周边空隙，从而使持力层连续、完整，达到补强的目的。

3具体施工方案、方法与技术措施

3.1注浆处理方案设计

注浆加固孔距充填一般值为1.5 m，纯水泥浆充填范围加压可达2～3 m。由于本工程地质情况复杂，基础桩径为2 m，须保证在圆径2 m范围内的3孔，才能达到有效覆盖，并相互交叉重叠没有盲区。根据设计要求，达到各孔相互交叉重叠，又经济的目的，结合类似工程经验，结合本工程为溶洞充填注浆，结合纯水泥浆浆液的渗透性，综合考虑按间距为1.73 m的等边三角形型布置。见图1。

图1　注浆孔布置图

3.2施工工艺流程及准备工作

施工顺序为先外侧后内侧，工艺流程(图2)如下：

外侧孔采用地质钻机成孔，三重管高压旋喷注浆；内侧孔采用地质钻机成孔，高压切割气举反循环清水清渣、预埋注浆管，再静压充填注浆。其主要工序包括：测量放线、钻探成孔、台车安装调试、高压旋喷外侧桩，内侧桩高压清水旋喷切割、压风机反循环气举排渣、高压旋喷充填注浆，静压注浆等。

图2　注浆工艺流程图

根据现场土样，现场优选出最合理浆液配方后，在正式施工现场进行喷射成桩试验，确定旋喷管的转速、提升速度、注浆喷射压力、注浆量等参数，查明喷射固结体的成桩直径和桩体强度，验证设计的可靠性和安全性。

钻孔采用跳孔施钻，首先在处理范围外缘进行高喷注浆，再在中部进行中部钻孔，一方面作为外侧注浆效果的检查孔，又作为下道工序的注浆孔。在外侧进行注浆时也必须采用间隔注浆的方法以提高注浆的效果。

3.3高压清水喷射切割循环清渣

钻孔完毕，必须仔细检查，确保达到设计要求，同时检查设备的完好性，并进行地面试喷及调校，所有以上工作都准备完毕后对含黏土溶洞进行高压清水切割清洗，对砂砾充填为主的溶洞可直接喷浆。

从钻孔中分别下入高压喷射器，在溶洞范围上下反复进行高压喷射切割清洗，清洗切割长度根据溶洞顶、底各延长0.5 m。

采用压风机气举反循环的方法清渣，清渣后要实测孔深。

气举反循环清孔是利用空压机的压缩空气，通过安装在导管内的风管送至孔内，高压气与泥浆混合，在导管内形成一种密度小于泥浆的浆气混合物，浆气混合物因其比重小而上升，在导管内混合器底端形成负压，下面的泥浆在负压的作用下上升，并在气压动量的联合作用下，不断补浆，上升的泥浆与气体形成气浆混合物后继续上升，从而形成流动，因为导管的内断面积大大小于导管外壁与桩壁间的环状断面积，便形成了流速、流量极大的反循环，携带沉渣从导管内返出，排出导管以外。

反循环清渣与高压清水喷射切割交错进行，直至清至返出泥浆达到设计要求。

3.4高压旋喷注浆施工

灌浆材料由水、水泥、速凝剂组成，采用能用单液不用双液的原则，因双液浆虽然凝胶时间很短，但后期强度较低。本工程灌浆浆液采用水泥浆液注浆，必要时采用双液注浆。

根据类似工程的成功经验，水泥浆液由主剂(水泥)、溶剂(水)及外加剂组成。水泥为P.O42.5水泥，水泥浆的水灰比为0.41∶1，但最佳水灰比通过现场试验调整。可在浆液中掺加水泥重量的2%早强剂，使注入岩溶区的浆液尽快凝固，防止浆液流失。

在喷射过程中，会有一定数量的土粒，随着一部分浆液沿注浆管壁冒出地面，冒浆量小于注浆量的20%为正常现象，超过20%或完全不冒浆时，要查明原因，并采取相应措施。若系地层中有较大空隙引起的不冒浆，可在浆液中掺加适量速凝剂或增大注浆量，如冒浆过大，可减少注浆量或加快提升和回转速度，也可缩小喷嘴直径，提高喷射压力。

喷射注浆结束后，用回浆回填各孔。

3.5静压注浆充填施工

外侧孔高喷桩完成后，内侧孔静压注浆采用单管注浆，先施工探灌结合孔，然后再按Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔→顺序施工。

采用循环自下而上注浆法，注浆施工中应根据预估的注浆深度、注浆量及溶隙的空间位置按既定方案进行注浆，注浆前先下注浆管，然后在孔内上缘采用止浆塞封口。

注浆孔应跳孔施钻，不得全部钻孔完后注浆，以免孔位串浆，增加难度及清孔工作量，注浆孔施工应自基础外侧注浆孔往基础中心的顺序进行，先四周后中间，保证注浆质量。

岩层中孔隙多，相互串连形成串浆通路，注浆过程中浆液从其它钻孔内流出的串浆现象，可采取串浆孔和灌浆孔同时灌浆的办法予以解决。

由于单位注浆量与注浆孔距、注浆压力、浆液度以及岩溶的发育程度密切相关，注浆施工前应进行现场注浆试验，合理选择注浆工艺，合理确定注浆压力、浆液配比、单位注浆量、注浆率等相关参数，确定停止注浆条件等。

4桩基溶洞岩溶注浆处理效果

全部注浆完成后，对岩溶充填处理的质量检测采用钻孔抽芯法检测，检测密度为注浆(或压灌混凝土)钻孔的50%，进行抽芯与取样试验检测，检测溶洞充填的致密性以及灌浆体的强度。具体检测位置一般选取在注浆孔之间(注浆理论扩散边

境边缘)或原勘测溶洞较大位置，通过取出的芯样可以发现：溶洞区域均为水泥柱体，且水泥固结体表观致密，基本无夹泥，夹沙，空隙(见图3)。

图3　钻芯检测的芯样照片

在其后的桩基施工中也发现，当进尺到原溶洞区域时，翻上来的泥浆浆液呈黑色，用手指碾磨可感觉出水泥颗粒，在施工时未出现漏浆，垮孔等情况，桩基成孔非常顺利。桩基施工完成后，由业主委托第3方检测单位对处于最大溶洞区的2根桩基进行静载力试验：其中5#桩基设计最大单桩承载力为49 000 kN，检测结果为单桩竖向抗压极限承载力不少于49 826 kN；15#桩基设计最大单桩承载力为56 000 kN，检测结果为单桩竖向抗压极限承载力不少于59 664 kN，均完全满足设计单桩极限承载力要求。

对岩溶区域采用充填注浆处理后，避免了以往桩基施工遇到溶洞常出现的漏浆，垮孔，卡钻等事故的发生，也使桩基的承载力等能满足设计要求，确保了桥梁的总体质量。

参考文献：

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[2] 魏刚.压浆处理桥梁基础溶洞[J].湖南交通科技，2002，27(4)：42-44.

[3] 岳本祯.谈工民建施工对不良地基土的改造技术[J].科技资讯，2011，22(4)：82-84.

中图分类号：U 445.55

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0101-03