隐伏型岩溶强发育区桩基处治方法研究

2021-09-18姚玉强陈绍军

城市道桥与防洪 2021年8期

张金，杨俊，姚玉强，陈绍军

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041）

0 引言

岩溶为可溶性岩层（碳酸盐、硫酸盐、卤素岩等）被水长期溶蚀而形成的各种地质现象和形态。广东省碳酸盐岩分布面积占全省面积7%，主要集中在粤北地区。粤北地区岩溶发育较强烈，存在大大小小的溶洞和纵横交错的溶裂，粤北岩溶发育区约占粤北面积的1/3[1]。粤北灰岩区的主要岩土工程地质问题是土洞和溶洞发育[2]。

随着交通建设的深入推进和路网的加密延伸，高速公路不可避免地需要穿越岩溶地区，其中岩溶地区的桩基设计与施工是公路建设的关键环节。本文以粤北地区某高速公路的桥梁桩基处治为案例，提出了隐伏型岩溶强发育区桩基处治的方法与思路，旨在为同类工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

1.1 区域地质条件

粤北地区某高速公路朝阳大桥所处桥址区地形较平坦，主要由第四系填土层、第四系全新统、更新统冲洪积层、第四系更新统残积层、白垩系三水组、泥盆系天子岭组地层组成。白垩系三水组泥质粉砂岩属特殊性岩土，遇水易软化，强度急剧降低。桥址区地下水丰富，主要为覆盖层孔隙潜水和基岩裂隙、岩溶水，不良地质主要为岩溶，下伏灰岩埋深变化大，节理、溶隙、溶洞密集分布，岩溶强发育，属隐伏型岩溶。

1.2 桩基施工缺陷

朝阳右幅2-1 号案例桩基桩径1.6 m，按端承摩擦桩设计，设计桩顶15.267 m，桩底-41.733 m，桩长57 m，桩底置于溶洞底面以下，并保证桩端有足够顶板厚度作为持力层。案例桩基采用冲孔桩工艺，冲进期间累计出现18 次孔内漏浆、塌孔、地表塌陷、地面涌浆等施工缺陷状况，过程采取孔内充填法（片碎石、片石黏土、混凝土）、塌陷区硬化、增设钢护筒等措施，效果均不理想，最深冲进位置仍然位于溶洞内，未达到成桩要求。

1.3 桩基地质情况

案例桩基所在右幅2 号桥墩地质横剖面见图1。其中钻孔QSZK117-3 在标高-28.82～-38.12 m 存在单个高9.3 m 的溶洞，QSZK-ZY-2-4 在标高-18.12～-21.32 m 存在累计高2.0 m 的串珠状溶洞，QSZK-ZY-Y2-1B 在标高-37.65～-38.95 m 存在单个高1.3 m 的溶洞，洞内均充填软塑状黏土。

图1 桥墩地质横剖面（单位：m）

2 桩基处治方法对比分析

岩溶地区地基常用处治方法有：充填法、跨越法、深层挤密法、化学注浆法、桩基法、护筒防护法[3]。

结合案例桩基施工缺陷、工点区域地质、区域构筑物实施情况等受限因素，通过桩基处治方法的适应性分析对比发现（见表1）：

表1 桩基处治方法适应性分析对比

（1）充填法、深层挤密法，在桩基施工过程中已采用过，施工缺陷状况反映出覆盖层较软弱，地下水较丰富，软弱层桩孔护壁易透水坍塌，溶洞内充填物易被流动溶隙水冲塌带走，桩周护壁始终无法完成，效果不理想，不建议采用。

（2）跨越法、桩基础法，存在改移下构位置、增加桩基的情况，在岩溶发育且不规则的条件下，改移后的下构基础存在遇溶率增加的可能，工期长、造价高、不确定性因素多，不建议采用。

（3）护筒防护法，采取双层钢护筒护壁跟进至溶洞底，达到硬性隔离的目的，但深层钢护筒设置过长，跟进过程中易受既有充填物、不规则岩面影响而出现屈曲，一旦发生变形则无法完全纠偏，存在较大的施工风险，不建议采用。

（4）化学注浆法，通过桩周软弱层注浆，使浆液渗透硬化并与桩周咬合，提升完整性；桩身范围注浆，使浆液与溶洞内充填物结合形成稳定固结体，减弱流动溶隙水影响，达到桩基可施工成孔条件，可实施性高、经济性好，建议采用。

3 桩基处治方案

3.1 总体思路

桩基施工缺陷处治的总体思路：

首先回填原桩孔至地表，静置稳定；然后对桩周软弱覆盖层和桩身溶洞范围采取化学注浆加固措施，确保覆盖层稳定、洞内形成稳定固结体，待注浆实施完再取芯检测；当注浆效果达到预期目标后，按单桩冲孔成桩方案复冲施工。

3.2 注浆加固方案

化学注浆加固是处治桩基施工缺陷的关键环节，包括桩周孔注浆和桩身孔注浆。

（1）桩周孔穿过软弱覆盖层至岩面以下约1.0 m处，在桩身外侧60 cm 处沿圆周设置单层共15 个注浆孔（见图2），相邻孔间距按约60 cm 布置，注浆孔深38 m，孔内压注水泥浆液。

（2）桩身孔穿过溶洞至交界面以下约1.0 m 处，桩身范围布置3 个注浆孔，相邻孔间距90 cm，呈等边三角形布置（见图2），注浆孔深56 m，孔内压注水泥和水玻璃的混合浆液。

图2 案例桩基注浆孔布置示意

（3）注浆孔利用地质钻机成孔，钻孔设计外径130 mm，在钻进过程中采取跟设套管以确保成孔质量及成孔率，成孔后再将套管拔出。

（4）利用钢花管注浆技术[4]，使注浆效果达到最佳。钢花管采用ϕ89×4.5 mm 无缝钢管加工制作，且沿管轴线交错间隔20 cm 在管壁上呈梅花状设置注浆小孔（孔径为1.0 cm），小孔用特制胶带或凝胶密封，钢花管间接头采用钢套管连接。注浆管应下至注浆孔孔底，并同步跟设套管，施工时宜先孔底压浆后再提升注浆管分层压浆，外层套管应随注浆管同步提升，保证注浆效果和实施范围，以防串浆、跑浆。

（5）注浆施工主要工序：桩位布设注浆孔→孔位放点→钻机就位→钻进成孔（跟管钻进）→下注浆管（跟设套管）→注浆施工→孔口压浆→终凝前补浆→结束封孔。

施工时宜先进行桩身孔注浆，再进行桩周孔注浆，应注意桩基内外注浆孔施工的间隔时间、同批次施工注浆孔的间距和间隔时间。

3.3 注浆加固参数

3.3.1 注浆材料

注浆浆液的水灰比应根据土的饱和度、渗透性确定[5]。采用水泥砂浆浆液时，对于饱和土，水灰比宜为0.45～0.65，适用于粉质黏土、卵石土；对于非饱和土，水灰比宜为0.5～0.6，适用于全风化泥质粉砂岩，工点综合控制水灰比为0.5～0.6。采用水泥和水玻璃的混合浆液时，可在原水泥浆液中掺入水玻璃，水玻璃用量约为水泥用量的20%，水玻璃模数为2.5～3.3，这样浆液不仅具备水泥浆的强度，又具备水玻璃的渗透性[6]。

3.3.2 注浆压力

若注浆压力过大，易破坏软弱地层的整体稳定性，故考虑低压力方式注浆。当采用水泥砂浆浆液时，注浆压力宜为1.0 MPa；当采用水泥和水玻璃的混合浆液时，注浆压力应不大于1.0 MPa[7]。

3.3.3 设计注浆量

设计注浆量包括桩身范围溶洞区域的岩溶注浆量和桩周土体注浆量。

岩溶注浆量根据岩溶裂隙发育情况计算[8]：

式中：K 为土石界面下基岩的实际充填系数，宜为2～3，水平岩溶发育区取小值，垂直岩溶发育区取大值，此处综合区域地质情况取值3；R 为扩散半径，宜为3～5 m，此处综合取值3 m；L 为压浆段长度，此处取桩身范围溶洞高度9.3 m；μ 为岩溶裂隙率，此处综合区域钻孔遇溶洞率、岩溶发育情况近似取50%；β’为有效充填系数，一般为0.8～0.9，此处取值0.8；λ 为超灌系数，一般取1.2；γ 为岩溶洞隙填充率，据钻孔揭示溶洞内充填情况近似取值0.5。

采用式（1）计算桩身范围溶洞区域的岩溶注浆量，V1=189.3 m3。

桩周土体注浆应先计算单个注浆孔灌注量V20（参照碱液注浆加固中每孔灌注量的计算[7]）：

式（2）中：α 为有效充填系数，一般为0.6～0.8，这里取值0.8；β 为浆液流失损耗系数，一般取1.1；l 为灌浆孔的长度，m；r 为有效加固半径，当无实验条件时，一般取0.4～0.5 m，这里参照相关工程经验取0.5 m；n 为拟加固土的天然孔隙率，地勘资料列出有关地层的试验孔隙比样本均值e 和换算后的天然孔隙率n（见表2），计算时桩周土体天然孔隙率n 取均值0.39。