溶洞区桩基及骨架注浆填充施工关键技术研究

黄康显

摘要：为解决桩基溶洞的填充处理问题，文章依托广西某道路工程中岩溶桩基部分进行溶洞区桩基监测及骨架注浆填充施工关键技术研究。研究结果表明：不同埋深下达到最大桩土剪切变形量需要的时间不同，埋深靠近10m处一定范围内中心点难以达到桩周轴力峰值所需的桩土剪切变形量;混凝土基层施工完成后，进行钢管骨架的搭接，同时进行碎石填充及空口封堵的工作，钢管骨架搭接完成后，逐层逐步进行混凝土注浆施工;填充体内的带孔注浆钢管组装成的钢管骨架，相对于凝固后的水泥砂浆，其力学性能优良，可以较好地承载从填充体内各个方向传来的应力，减小填充体中水泥砂浆所要承担的应力，从而使填充体的整体承载力增大，提高填充体的安全性。

关键词：溶洞;桩基;施工技术;骨架注浆;有限元

中图分类号：U445.55⁺1文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.034

文章编号1673-4874（2021）01-0121-05

0引言

我国喀斯特地貌分布极为广泛，在工程施工中，不得不考虑到岩溶的危害与处理。在许多的工况中，如对桩基溶洞、隧道溶洞的填充处理等工况的处理不当会产生较大影响，甚至影响到整个施工的进程。国内外诸多学者对此问题进行了研究[1-6]，杨晓华等[7]以蛤蟆滩大桥为工程背景，主要从溶洞探测方法、顶板安全厚度分析和采取处治措施等3 个方面进行研究;林开明[8]着重阐述在岩溶发育区的雪峰大桥冲孔灌注桩基的施工过程，依据现场溶洞的实际情况（即溶洞内部充填情况及其尺寸），进行溶洞初步处理并吊装辅助钢护筒施工;朱汝振[9]结合左江大桥桩基施工案例，针对地质水文条件复杂地区的钻孔灌注桩无法采用常规的泥浆循环钻进等施工工艺，提出了捞渣工艺钻进施工方法，并对采用护筒跟进和下放多层内护筒处理裸岩、溶洞、塌孔埋锤等突发状况进行了探讨。综上所述，针对岩溶桩基的研究较多，但目前缺乏溶洞区桩基监测及骨架注浆填充施工关键技术研究，因此本文依托广西某道路工程中岩溶桩基部分进行研究，為今后类似工程提供借鉴。

1工程概况

拟建的项目位于广西壮族自治区某市（县）境内，路线设计起点桩号为K0+000，下穿一山坳，横跨一水塘，终点桩号为K0+639.99，路线全长为0.63999km。本项目全线采用二级公路标准，设计速度为40km/h，路基宽度为10m，汽车荷载等级为公路-1级。拟建隧道长260m，为单拱越岭短隧道。进口桩号为K0+080，设计高程为936.780m，出口桩号为K0+340，设计高程为939.38m，最大埋深为52.51m，位于桩号K0+200。按双车道二级公路标准设计，净空宽x高为9×5.5m，进、出洞门形式拟采用端墙式。拟建桥中心桩号为K0+433，桥梁起点桩号为K0+409.47，终点桩号为K0+458.53，桥型拟采用1X35m，桥梁总长为49.06m，桥面宽为12.9m;上部结构采用预应力混凝土（后张）简支小箱梁，下部结构桥台采用桩基础。

隧址区域属高峰丛深洼地岩溶地貌类型，为广泛分布的可溶岩（碳酸盐岩）、XXS型构造和岩溶水文组成的典型岩溶系统——百朗地下河岩溶水文系统。岩溶峰丛海拔高度500～1500m不等，形成了地下河、溶洞、天坑、竖井、石芽、溶沟、溶槽、洼地、漏斗、波立谷等众多岩溶地貌现象。群峰簇立，多呈锥状、塔状或平顶状，基座大部相连，群峰之间点缀着大大小小的溶蚀洼地负地形。洼地有似圆形、椭圆形、条形或不规则形状，规模较小，面积一般为0.5～5km²。

根据区域地质资料及工程地质调绘成果，结合钻探揭示的岩性特征，路线走廊带内覆盖层主要为新生代的第四系人工填土（Q₄^ml）、残积坡（Q₄^el+dl）红黏土或碎石土等，下伏基岩为石炭系下统大塘阶（C₁d）灰白、浅灰色致密灰岩、细晶灰岩，局部夹少量少许白云岩及白云质灰岩，一般下部夹页岩及较多的硅质岩。

根据地质调绘，沿线边坡开挖高度较小，未见滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用，路线范围内主要的不良地质为岩溶。本次钻探于11钻孔中有2个共揭露到2个溶洞，均为全充填溶洞。根据高密度法探测，发现在深度16.0～3.4m位置处溶洞由深到浅发育，0号桥台附近沿纵桥向溶洞发育长度为1.8m左右。利用地质雷达法对横桥向一侧溶洞进行探测，发现在深度7.0～18.0m范围内有溶洞发育，横桥向溶洞发育长度为8.0m左右。根据上述物探结果，为探明溶洞发育的确切位置和了解该区域地层结构特征，决定采用地质钻探法进行详细探测。钻探结果表明，桥梁桥台所在位置溶洞充填物主要为泥土和碎石，为全充填型溶洞，0号桥台附近溶洞发育深度为15.8～22.3m，平均高度为2.7m，溶洞发育比较强烈，对地基承载力和桥梁结构的稳定影响较大。

具体钻孔溶洞发育情况如表1所示。

路线场地灰岩大部分出露于地表，低洼地带分布有厚度一般≤10m的第四系覆盖层，落水洞等地表岩溶景观显露，地表水与地下水连通密切，为裸露型岩溶。虽然钻孔的遇洞隙率为18.2%，线岩溶率为1.7%，但是由于地表有洼地、落水洞、泉眼发育，地表岩溶发育密度>6个/km²，发育等级为岩溶强烈发育。隧道洞身处根据高密度电法和面波法的探测推断成果，推断其主要为较破碎灰岩或岩溶裂隙发育带，主要以溶蚀裂隙发育为主，发育较浅，规模较小。从平面位置分析，4个低阻异常带应该无相互关联。总体上该区域场地在勘探深度范围内岩溶发育规模均不大，洞身局部可能发育溶洞，岩石较破碎，对隧道围岩稳定性有一定影响，但是无较大规模溶洞分布。

2岩溶强发育地区桩基施工技术研究

2.1岩溶强发育地区桩基施工

支撑II：竖向角钢高4.0m，横向角钢长3.0m，斜向角钢在横、纵两个方向角钢上的相交点距二者的交界处的长度分别为1.5m和2.0m，放置于砌筑墙体中间相邻的两个六分点处;

支撑III：竖向角钢高3.0m，横向角钢长2.0m，斜向角钢在横、纵两个方向角钢上的相交点距二者的交界处的长度分别为1.0m和1.5m，放置于砌筑墙体外侧两个六分点处。

3.2浇筑混凝土基层

在浇筑混凝土基层之前，先在洞底低洼程度较深的地方填充大量碎石块。同时粗略估计定位节点位置，对洞底明显高出的很突兀的地方进行规避或人工平整（在无法规避的几处定位节点上），从而使所有底部支座平整地分布在一个平面上。

之后平整碎石，准确测定定位节点。在洞口位置沿洞口方向的直线上每隔1m定下一个定位节点，然后沿着这些节点的垂线方向，再过1m定下下一个定位节点，如此重复，形成各点间距1m的网点状的定位节点布置。在测定好的定位节点上放置底部托盘，然后浇筑混凝土并震动、找平、养护。

3.3组装注浆钢管骨架

（1）组装带孔注浆钢管

铺设第一层带孔钢管组合骨架，以定位固定的底部支座为基础，将带孔注浆钢管从上部嵌套固定。在带孔注浆钢管顶部连接三轴连接件，然后将相邻的两个三轴连接件用带孔注浆钢管连接，从而形成一个网状平面。将临近洞口的钢管与注浆导管相连接，并伸出洞外，钢管骨架中间的空洞用碎石填充。

在洞口的位置，不再铺设竖直方向的注浆钢管，而是使水平方向的注浆钢管贴近洞口位置。为了后续注浆的方便，在所有贴近洞口的注浆钢管上都连接有注浆导管。

当钢管骨架搭接完成后距洞口高度约有一人高时，再采用由里向外的搭接方法，从最里侧开始直接一次性搭接完成，且在搭接过程中完成碎石的填充。

（2）上部钢管封顶

当施工临近溶洞顶部时，在顶部的带孔注浆钢管上端嵌套安装顶部托盘，顶部托盘上沿交错垂直的两个方向各穿过两根0.8m长的钢筋，使得浇筑后的填充体的上部在承力时，更多的力会分担到内部填充有水泥砂浆的注浆钢管上。

（3）砌筑墙体

在溶洞口之前用于确定定位节点的直线位置砌筑墙体。本施工技术采用逐层砌筑的方式，根据溶洞内钢管骨架的搭接进度进行砌筑。当砌筑到洞口上部时，留有约为一人高的空间暂时不进行砌筑。

3.4注浆

根据现场测量，预订水泥砂浆。在骨架搭接和墙体砌筑结束后，将伸出砌体墙的注浆导管连接在注浆机上，然后按由下而上的顺序依次灌注水泥砂浆。在灌注水泥砂浆前，需在砌筑的墙体外侧设置支撑。本工法中选取一种三角钢支撑，在砌筑墙体的五处六分点分别布置，以保证内部灌注水泥砂浆且并未凝固前，砌筑的墙体不会因为砂浆的重力挤压而外突破坏。施工完成后，要注意及时封堵。其施工效果如图4所示。

3.5施工方法数值模拟效果

针对本项目的施工方法，此处对其进行施工完成后的ANSYS建模分析，从而得出其应力云图。

（1）模型簡化

实际施工情况得到的结构是较为复杂的，且在某些细节处力学效果较不理想，为使其力学模型简单化、科学化，需要对其模型进行简化处理。

在实际工程应用中，钢管内部灌注水泥砂浆并凝固后，其强度与实心钢管相差不大，故取横截面稍小的实心钢管（d=50mm）作为代替。同样，结点处三轴连接件的模型不需另行建立，而视为几根实心钢管在该处结点直接相连，以使其力学模型简单化。钢管骨架间的空洞中先填充有碎石，后灌注水泥砂浆，二者混合凝固后得到的混合物的强度大于单纯的水泥砂浆，故建模时视其为单纯的水泥砂浆，降低填充物强度，分析的结果不会使得实际情况比ANSYS模拟更差。

溶洞内部的空间是不规则的，其建模繁复，且会对运算后对结果的观察造成干扰，然而考虑到本施工技术的推广性，对溶洞内部的细微结构并无强制要求，故将整个溶洞空间进行简化规则处理。将溶洞空间简化为一个切面形状为椭圆（短轴：长轴=0.6）并绕轴线旋转闭合而成的扁平模型，且该模型的下面一部分和侧面一部分被切除，如此简化即可大致模拟出溶洞内部空间。本次数值模拟建立模型时，溶洞尺寸为5.9×4.0×2.7m，溶洞底部距地层边界取其高度的2倍，为5.4m，溶洞顶部距地面边界的高度为桩长与顶板厚度之和。

溶洞上存在大量的天然岩体，而溶洞填充物最主要的目的在于待天然岩体失稳后，填充物可以支撑上部天然岩体，避免其塌落而对道路施工与行车造成危害。此处进行ANSYS建模分析的研究对象是溶洞的填充体，故将其上部的天然岩体简化为与其自重大致相等的均布荷载施加在溶洞填充体上，对自然岩体失稳后的溶洞填充体进行力学分析。

（2）参数选取

带孔钢管选用Q235钢材，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。水泥砂浆的参数根据经验值，选取弹性模量为20GPa，泊松比为0.13。

（3）ANSYSY建模分析

对建立的模型进行网格划分及分析，如图5（a）所示。将填充体中的水泥砂浆部分和组合钢管骨架部分通过“glue”命令中的“pick all”选项来使其粘结为整体，随后进行网格划分，并在溶洞填充体模型中低于XOY坐标面的圆弧面以及下底面上施加三个方向的面约束。取岩石容重为25kN/m³，设溶洞上覆岩层的厚度均为10.0m，则模型简化后施加在溶洞填充体上的均布荷载为250kN/m²，方向竖直向下。

对照两次运算结果，在相同的外部荷载作用下，带钢管骨架的溶洞填充体内部应力的绝对值的最小值为1.7749，最大值为26.828;反观纯注浆溶洞填充体，其内部应力的绝对值的最小值为14157，最大值为343.987。二者对比，带有钢管骨架的填充体能使得填充体在承担相同荷载的情况下，内部应力大幅度减小。

另一方面，观察两种情况的应力云图，如图5所示，纯注浆的模型最大应力在填充体中心及下部接触面的中心部位，与外部的接触面较大;而带有钢管骨架的填充体最大的应力大部分被束缚在了填充体内部偏上的位置，底部接触面上只有很小的分布面积，不会对接触面造成过大的伤害，符合溶洞填充的原则与目的。

4结语

随着基础建设的发展，不可避免会在喀斯特地质条件下進行工程施工。本文依托广西某道路工程研究岩溶强发育地区桩基施工和带孔钢管组合骨架注浆溶洞填充施工技术，得出如下结论：

（1）不同埋深下达到最大桩土剪切变形量需要的时间不同，埋深靠近10m处一定范围内中心点难以达到桩周轴力峰值所需的桩土剪切变形量，由此将桩土负摩阻力划分为可达桩周轴力变形所需最大剪切变形的上部桩段与不可达桩周轴力变形所需最大剪切变形的下部桩段。

（2）混凝土基层施工完成后，进行钢管骨架的搭接，同时进行碎石填充及空口封堵的工作。钢管骨架搭接完成后，逐层逐步进行混凝土注浆施工。填充体内的带孔注浆钢管组装成的钢管骨架，相对于凝固后的水泥砂浆，其力学性能优良，可以较好地承载从填充体内各个方向传来的应力，从而减小填充体中水泥砂浆所要承担的应力，使填充体的整体承载力增大，提高填充体的安全性。

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