采用水泥土混合料用于溶洞止浆试验性研究

廖玉仓 杨彦诗 刘德新

溶洞桩基施工中，一旦将溶洞打通，泥浆液面将骤然下降，导致桩内护壁两侧应力差增加，进而导致塌孔现象发生，此外溶洞位置处理难度大。尤其针对串珠状溶洞，若采取护壁措施不当，塌孔现象将反复发生，严重制约施工进度。本文通过采用水泥、黏土、片石组成不同的配合比进行回填，收集数据，分析不同配合比情况下的填充效果，为溶洞桩基冲击成孔提供参考。

复杂溶岩发育地质条件下的桩基施工存在巨大的安全风险，同时严重制约着施工进度。根据现场调查，在不采取预防手段即应急措施的情况下，溶洞桩基施工发生塌孔、卡锤、埋钻等一系列事故的概率较正常地质段落大3-5倍，极端情况下还将导致地面大范围塌陷及钻机倾覆等事故。本文主要为溶洞桩溶洞回填提供理论分析依据及现场模拟试验，以期解决溶洞桩施工中根治塌孔的技术难题，进而保证现场施工顺利进行。

一、工程概况

广西荔玉高速公路TJ17 标岩溶地质桩基分布在院垌分离立交4#-15#墩之间，多为串珠状溶洞，溶洞洞径0.4-14.3m，平均洞径2.99m，溶洞发育顶深度11.2-37.0m 不等，溶洞底深度12.1-39.3m 不等，未见明显溶蚀基准面，岩溶发育等级为强烈发育。溶洞内呈粘性土、碎石全填充、半填充及无填充。护壁方法为片石粘土筑壁法。护壁材料选用水泥、黏土及片石混合物。可作为溶洞桩施工的典型案列。

二、研究目的

在溶洞桩施工过程中，通过采用不同的水泥、黏土、片石混合料填充试验，研究防止软弱层坍塌及溶洞区封闭所采用的最合理的护壁效果，得出混合料最优掺填配合比，并为后续施工提供借鉴，从而达到加快施工效率、节约施工成本的目的。

三、研究方案

1.方案拟定

桩基施工中突然遇到溶洞时，其塌孔原因主要有两点：其一是由于桩基在施工过程中突然打通溶洞孔壁引发漏浆，带动泥浆液面骤然降低致使周边护壁失稳，从而引发塌孔等事故；其二是溶洞位置受长期侵蚀，其临空面异常脆弱，是发生二次塌孔的敏感点。尤其是串珠状溶洞，在同一断面上存在多个独立封闭的溶洞，施工中由于其护壁受力变化剧烈，采用单一片石回填无法根治塌孔现象。因此需要选用一种带有胶凝材料的混合物进行回填。

图1 溶洞桩试验研究流程图

2.准备阶段

溶洞桩基施工前需根据溶洞大小计算所需回填材料方量，初次施工，现场进行分类储备片石2000m³、黏土2000m³(清表后粉黏土质即可）、P032.5 水泥的材料数量300t。现场准备卡特320 型挖机2 辆，自卸车2 辆，现场试制混合料掺填配合比，确定水下初凝时间、终凝时间、混合物护壁强度等试验参数。

此外场内需完成三通一平，泥浆循环系统布置，周边排水情况设置，人员施工前培训交底等准备工作。

3.施工要求

桩基施工过程中，操作手应全程观察，发现异常情况立即停钻。其中，在施工至溶洞顶一定范围内（1 ～3m），要求操作手减小冲程进行施工；现场安排挖机1 辆，并要求挖机司机原地待命，保证出现异常后，应急处置及时展开。

随着泥浆液面的迅速降低，其塌孔风险将迅速增大，但仍然给操作人员留有一定的应变时间，此时则需立即展开应急处置措施，首先一旦发现液面降低应立即停止钻机钻进，并迅速提钻，以防钻机被埋。其次，挖机就位，按指定比例依次迅速填投片石、黏土、水泥等材料，同时注入泥浆液作为拌和用水，尽快恢复至原液面，尽可能降低塌孔概率。

图2 溶洞群地质纵断面图

表1 土压力计算对比表

表2 漏浆情况及处理时间与塌孔的数据统计表

4.试验研究及数据收集

根据现场检测，水田内饱和土体密度在约18g/cm³，现场配置泥浆比重1.4，计算可塑～硬塑黏土最大厚度30m，静止土压力及泥浆护壁下土压力对比如表1。

本工程溶洞桩地区，周边环境为水田软基等地段，地表层为可塑～硬塑黏土（平均深度大于8m），其护筒长度设置平均6m，根据施工统计，当泥浆液面下降5m 以内，受护筒保护，其桩顶基本不出现塌孔现象，一旦超过5m 塌孔率显著提升，一般首次塌孔时间在泥浆面下降后0-30min 内发生概率很小，在此期间内完成溶洞填充，并迅速注入泥浆将液面恢复至护筒底1.5m 以上是防止塌孔的关键点之一。具体统计如表2。

表3 配合比调试记录

一旦发生塌孔现象，最为明显的特征是原地面明显沉降，此外钻机设备在发生塌孔后明显异常。此时桩内护壁异常脆弱，随着时间的推移将持续塌陷，需立即测定塌孔部位，补充泥浆及回填片石等材料，修复塌孔孔壁。由于首次塌孔后泥浆护壁已遭到破坏，只采用片石回填存在两个问题：其一是无法保证塌孔处填充物密实，且单一片石回填，缺乏粘结性，护壁效果差，桩孔结构尺寸控制不理想；其二是片石成本较大，回填后冲击施工效率较片石结合黏土填充较慢。此外为保证软弱结构面的护壁强度，需在回填材料中掺入一定比例的水泥，当冲击钻二次冲孔后，带动片石、黏土及水泥有效混合，随着水泥混合物终凝完成，其护壁效果将大大提升，当再次遇到串桩溶洞后，已凝结成形的孔壁可有效保证不塌孔，进而解决身施工质量、节约回填材料及缩短工期。

根据实验初始配合比确定为水泥：黏土：片石=250kg：850kg：1050kg，实际施工过程对回填效果进行观察检测，并进行调整，试验情况如表3。

5.总结及成果

本文通过水泥土混合料用于溶洞止浆试验性研究，总结出一套在中小型溶洞桩基施工的技术成果，以指导项目施工，进而保证施工质量，提高施工效率。具体如下：

（1）漏浆最佳处理时间；漏浆后0 ～30min；

（2）在洞径≤5m 无填充溶洞内，水泥：黏土：片石=110：1170kg：950kg；

（3）在洞径为5 ～9m 无填充溶洞内，水泥：黏土：片石=120：1150kg：950kg；

（4）在洞径≤5m 填充溶洞内，水泥：黏土：片石=180kg：820kg：1150kg；

（5）在洞径为5 ～9m 填充溶洞内，水泥：黏土：片石=200kg：700kg：1250kg。

四、结语

岩溶地区地质情况复杂，地质构造特殊，在其施工前必须掌握详细的地质报告资料，在钻孔过程中遇到的情况也复杂多变，且往往具有综合特征及连锁效应。因此溶洞桩的处理必须全面考虑，针对实际施工过程中突出存在的问题采取相应的解决措施，做好施工技术方案比选，综合考虑各类处置措施的优劣，一般而言采用泥浆筑壁法仅适用于中小溶洞的桩基施工，如遇到超大溶洞宜采用护筒跟进法等进行处置，施工中应准确判断，从而在保证施工质量的情况下给项目带来施工效益。