溶洞强发育区域岩溶桩施工工艺研究

陈鹏

(中铁二十二局集团第五工程有限公司，重庆 400711)

1 溶洞发育区域指标的界定

从基理上看，溶洞的产生是石灰岩区域当碳酸钙即CaCO3遇到水溶的二氧化碳即CO2后变成碳酸氢钙即Ca(HCO3)2，当遇到强压或强热条件时碳酸氢钙会释放二氧化碳变成稳定的碳酸钙沉积下来，这就形成了溶洞。由于遇到的压强或热度情况各不相同，因此溶洞的程度也各不相同，在路桥施工中，对溶洞发育区域的界定指标通常如表1 所示。

表1 溶洞发育区域等级界定指标

2 工程概况

本文所选研究项目处于华南褶皱系粤中拗陷带，地质构造痕迹不明显。结合该区域相关地质资料以及前期钻孔揭露情况可分析得出，该区域内地层岩性复杂，按其时代及成因进行相应分类主要包含：第四系全新统人工堆积层(Q4ml)填土;第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)黏性土、砂土和细圆砾土、粗圆砾土;泥盆系帽子峰组(D3m)泥质粉砂岩、粉砂岩;泥盆系天子岭组(D3t)石灰岩，其中大量石灰岩岩溶现象强发育，溶洞密集多发，伴随地下水情况复杂。

2.1 塌陷风险高

由于该工程岩溶桩施工处于溶洞强发育区域，其溶洞布局呈现串珠状发育，溶洞内部为半填充或无填充，且溶腔较大，层数多为3～8 层，最大高度为63.40m。具体各岩溶桩号及相关溶洞对应统计情况如表2 所示。

表2 岩溶桩号及相关溶洞情况对应统计

由表2 可看出，由于对应的岩洞情况比较复杂，既密且大，因此在施工中出现塌陷的风险较高，不可预见性大，具体塌陷风险类别包括：场地失稳、地表塌陷、桩孔垮塌、泥浆漏失等、桩侧壁受压破坏，混凝土向孔外挤压留出，遇连通型溶洞，不能成桩的风险。

2.2 地下水情况复杂

该工程区域地表水情况相对正常，主要补给来源为大气降水，排泄渠道为大气蒸腾作用。但受溶洞强发育影响，其地下水情况相对复杂，主要包括第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、覆盖性碳酸岩类裂隙溶洞水三类。受这三种地下水复杂情况的影响，容易对施工造成的不良影响有三，分别为：其一，由于松散岩类孔隙水会随着时间的推移而变化，这对岩溶桩会产生相应的抗浮影响；其二，复杂的地下水情况会对施工区域的土体参数造成影响，对岩溶桩基会造成承载力影响，同时也会对桩界面产生相应的摩擦力或张力影响；其三，由表2 所示，该区域内溶洞层数较多，这就为地下水提供了一个相对封闭且间隔的空间，即承压水产生的先决条件，当施工过程中岩溶桩体穿过这些承压水层时，附近的地下水平衡状态很可能被破坏，对岩溶桩的承载力及稳定性造成一定程度的影响。

3 总体施工方案

施工采取地表加固+全回转全护筒钻孔方式：

第一步：在承台外轮廓3 米处围绕承台插打一层紧密相接的Φ60 高压旋喷桩作为止水帷幕，桩长按打至灰岩面控制。

第二步：帷幕内地表0-15m 范围内采用袖阀管注浆工艺进行地表注浆加固，袖阀管间距1.2m，梅花形布置，采用后退式分段注浆，顺序采用先周边后中间，隔排跳桩实施。

第三步：袖阀管注浆施工完成后，采用C20 砼施作钢筋混凝土垫层。

第四步：采用双拼I40a 槽钢铺设18m×18m 网格底梁，网格地梁上铺设钢板作为钻机平台。

第五步：进行全套管全回转钻机钻孔施工。

3.1 地表加固

3.1.1 截水帷幕

截水帷幕采用高压旋喷帷幕注浆预加固工艺，帷幕深度从地面至灰岩层顶面，帷幕布置范围为承台轮廓外围3m 处插打一层紧密相接的Φ60cm 旋喷桩作为截水帷幕。帷幕深度从地面至灰岩层顶面，高压旋喷桩通过套管进行定位及导向，需严格控制孔的垂直度。

3.1.2 袖阀管注浆

因回转钻机和配重的重量易使强度不够的松软地面下陷，造成套管倾斜,无法作业，根据地质情况，承台周边范围内存在部分空洞，为确保钻机施工安全，采取袖阀管注浆对地表进行加固。

工艺原理：袖阀管注浆加固机理是通过钻机成孔，插入袖阀管，封闭袖阀管外与孔壁间隙或浇注套壳料，灌浆按设计通过泵压将水泥浆液注入岩土土体中充填或置换出原地层空隙中的空气和自由水等，通过水泥浆与土体的化学反应和挤压作用，形成具有较高强度的水泥固结体和树枝状的水泥网脉体，从而达到提高强度、减少变形及减少漏水的目的(图1)。

图1 袖阀管施作流程

布孔形式：采用袖阀管注浆对底层进行加固，钻孔排间距均为1.2m×1.2m，孔径110mm，梅花形布置，共布置孔位170 个，袖阀管直径60mm，注浆深度0-15m，注浆方式采用后退式分段注浆，顺序为先周边后中间、隔排跳桩施工，施工过程中应对钻孔进行编号，布孔顺序及序号如图2 所示。

图2 袖阀管布孔形式

钻孔：注浆孔成孔采用常规地质合金钻头或应用金刚石钻头及冲锤成孔，钻头直径110mm，钻进过程中采用泥浆护壁，注浆加固原则上以封闭土、石界面，形成隔水帷幕，注浆深度根据地勘钻孔情况揭露，注浆深度覆盖细砂层以下5 米范围粉质粘土层，待达到设计标高后下入袖阀管，钻孔采用跳桩施工，施工时保证孔位偏差小于50mm，孔垂直度偏差不超过1%。

浇筑套壳料：钻孔至设计深度并采用清水洗孔后，向孔内浇注套壳料，套壳料利用钻机钻杆进行灌注，用来防止袖阀注浆管在注浆过程中变形、变位或损坏，并能保证水泥浆通过。

套壳料配制采用粘性土、水泥为主要材料配制，为了提高套壳料的脆性，可掺入细砂或粉煤灰等。配合比为(重量比)水泥:粘土:水=1:1.5:1.88,(以现场试验调配为准)，用来防止袖阀注浆管在注浆过程中变形、变位或损坏，并能保证水泥浆通过。套壳强度必须兼备开环和防止串浆，套壳料通过导管从孔底连续注入，导管应下至孔底10cm 处，用灌浆泵通过导管将套壳料送到孔底，使套壳料自下而上全部置换孔内泥浆，当孔口返出套壳料的密度与压注前密度差不大于0.02g/cm3并确定灌满后结束。

浇筑套壳料必须连续进行，不得中间停顿，灌注时间力求最短，最长不宜超过20 分钟。

下袖阀管：

灌注套壳料后立即将底部封闭的袖阀管插至孔底，袖阀管内径60mm,由两部分组成，注浆部位为带射浆孔的花管，以上为无孔管，底部封闭，花管每隔33cm(即每米3 组)钻一组(6-8 个孔)射浆孔，射浆孔呈梅花形布置，其外为长5-8cm 的橡皮袖阀包裹，与孔底间距不大于20cm,下放时尽量使袖阀管垂直并位于孔中央。袖阀管上口露出地面约30cm，安设时向管中注满清水，水的重力作用使袖阀管不会浮起，在袖阀管上部盖上盖，防止杂物进入，影响注浆作业质量。一般情况下，因有套壳的止浆作用不需封口，若确实需要，则在孔口地面以下0.5～1m 范围采用速凝水泥砂浆封堵，防止注浆过程中冒浆。(图3)

图3 袖阀管结构示意图

开环注浆：

待套壳强度达到0.3 MPa 后(一般为3 天)，开始注浆，注浆遵循钻孔先后顺序进行，先外围后中间。

a.下入直径50mm 止浆栓塞，连接注浆芯管，下至孔底灌浆深度；连接送浆管路、压力表装置准备注浆。

b.塞紧栓塞，对管路通水试压，压力1-1.2Mpa；如出现压力突降，则表示已开环，开环后持续5-10min 开始灌注1：1水泥浆液。

c.袖阀管注浆采用42.5 普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8：1～1:1，施工顺序为先进行外围后中间孔注浆,为防止串浆，采用跳孔注浆的方式进行。注浆自下而上分段进行，每次注浆段长1m；达到设计要求标准后，结束该段注浆，上提1m 注浆管，每完成3-4m 注浆长度，要拆掉一节注浆芯管，直至注完该孔全部注浆段。单孔单延米注浆量：

表3 注浆参数表

图4 袖阀管注浆扩散图

图5 加固范围剖面图

结束注浆：

每次注浆结束后做好注浆过程中各项记录：开环位置、注浆时间、注浆压力、水泥用量、水灰比、注浆过程出现的特殊情况等。具备一下条件可以结束注浆。

a. 注浆孔口压力达到0.8-1.0MPa，注人率不大于5L/min，稳压灌注20min。

b.单段累计注浆量达到2000L，孔口压力达到0.8MPa 设计压力。

c.存在岩溶发育段次，注浆压力达1MPa，注人10000L后可待凝1h 再复灌至结束标准。

d.最后灌段全孔累计注灰达1t/m，可结束该孔。

3.2 结合溶洞情况进行桩长设定

结合前文第2 部分的相关数据及分析内容，充分考虑各岩溶桩号对应的溶洞情况及相应地下水情况，进行桩长设定情况如表4、图6 所示。

图6 岩溶桩孔对应工程地质展示图

表4 岩溶桩号对应桩长设定

3.3 劳动力及机械配备

施工所需劳动力情况为：全回转钻操作工3 人、焊工8人、混凝土工5 人、杂工4 人、挖机司机1 人、吊车司机1 人，吊车指挥1 人；机械配置情况包含：全套管全回转钻机1、液压泵站1、挖土机1、履带吊车1、电焊机8、泥浆泵4、水泵2、罐车4、洒水车2、泥浆运输车2、旋喷钻机2、高压注浆泵1。

4 全回转施工工艺

4.1 布桩安排

项目施工前期，对前文表2 中溶洞强发育情况、溶腔情况、填充情况综合考量后，根据其地质特性充分考虑塌孔概率高的风险来进行钻机施工位设置，其原则为先难后易(先进行较深、溶腔较大、层数较多的桩号的施工)、先长后短(先安排桩长较长的桩号进行施工)。同时，为避免塌孔情况造成的岩溶桩身破坏，在实施间隔桩施工的前提下，还要保证施钻前施工孔相邻桩基混凝土强度大于80%，且成桩时间超过48 小时。工艺流程具体施工工艺流程图如图7 所示。

图7 溶洞强发育区域岩溶桩施工工艺流程

4.2 施工准备事宜

如图7 所示工艺流程，施工准备主要事宜如下：

场地平整：相关职能位置(便道、排水及桩基位等)的淤泥杂草清除，以填片石进行平整化操作，保证施工机械操作的稳定性。

核心物资筹措：为提高施工环节钻机的工作效率，在现场准备损耗度较高的一次性套管(套管厚度30mm，底部加强管壁厚40mm，高度50cm)，钛合金刀头15-18 把(套管最低端镶嵌的锯齿状刀头)。

技术准备：技术准备工作的重点有二，其一，施工方案准备，结合表2，表4，图6，图7 相关内容，对每一个岩溶桩位进行溶洞位置、溶腔、层数等情况的分析，并提出针对性的施工方案、冲孔方案及防塌孔预案。其中岩溶区域可采用冲击成孔来降低不良地质情况引起的地基承载力不足，降低由施工降水引起的对覆盖性岩溶区域内建筑物的不良影响。由于该工艺采用隔跳施工，所以要科学的进行施工工序细化，防止串孔情况的发生；其二，技术交底，技术部门针对施工点图进行的交底工作，要细化图6 的工程地质展示图，详细的标注溶洞埋深、各层溶洞顶/底板与护筒顶的间距、护筒埋深、钻孔孔序、注意事项等细节。

4.3 场地布置

场地布置要充分的考虑到施工区域溶洞强发育，因此在作业区域的钢筋混凝土硬化，准备相应的配套机具、设备以及材料等。目前地表加固采用注浆等方式，为保证设备在施工期间的作业安全，荷载按最重的全回转全护筒工艺设备布置考虑。注浆完成后施工场地采取“30cm 钢筋混凝土垫层+双40 槽钢网格地梁+防滑钢板+18cm 厚路基板”，该方式为全回转钻机提供基础平台，确保施工安全。

本工程采用JAR320 钻机，所需最小钻孔平台为10×16m，依据现场总平面布置图及设备运行等条件，场地硬化层采用尺寸为20m×30m×0.3m 钢筋混凝土垫层钻孔平台，混凝土垫层内设置双层双向C16@150 钢筋网片，并在桩基范围提前预留ø2.5m 孔洞。(图8)

图8 钻机所需最小平台示意图

砼平台上铺设双拼40b 槽钢作为网格地梁，网格地梁采用焊接拼接，网格地梁最上层铺设钢板并与槽钢焊接牢固，槽钢接触部位满焊，且焊缝高度≥10mm，钢板上焊接20 螺纹钢作为防滑条提高钻机与地基的摩擦力。布置原则主要考虑尽可能在水平调整油缸下方，同时避开桩基位置，现场可根据实际情况对基础进行补强。(图9、10)

图9 网格地梁示意图

图10 网格地梁现场图

4.4 钻机定位及成孔工艺

4.4.1 钻机定位工艺

采用全回转钻机定位工艺，首先要对钻机的水平度与垂直度进行调制，保证定位后的障碍桩与钢套管中心一致，动力站、操作室和钻机三位一体相衔接。为防止在钻进工作中发生扭动情况，要在钻机上安装反力架，并在远端以履带吊车对反力架进行固定。同时，固定用吊车还可同步进行钢套管安装及场地清障等辅助工作，提高机械利用效率。具体全回转钻机定位示意图如图11 所示。

图11 全回转钻机定位示意图

4.4.2 成孔工艺

JAR320 全回转钻机驱动Φ2000mm钢套管，底端镶嵌锯齿状15～17 把钛合金刀头，旋转、钻进、沉入，实现桩土分离，管内冲抓斗取土，持续加压下切至设计目标深度，形成套管护壁成孔。工艺中注意事项有二，分别为：其一，保证套管与桩中心偏差值不大于50mm；其二，当第一节套管压入后(约3m),取土与后续下压套管同步进行，保持套管底口超过前开挖面约3m 的距离，同时各节套管拼接时以30°倒角焊接为接管提供便利，并时时监控套管的垂直度情况(如垂直度不达标则立即纠偏)，直至达到设计孔底部。

具体施工步骤：a.覆盖层(土层)钻进，根据地质揭示填筑土、细砂、粉质黏土、细圆砾土、部分地层施工时套管需超前钻进，当护筒压入至土体2.5m 以上位置时方可进行冲抓斗跟进取土，回转钻进的同时进行取土作业，并实时监测取土深度，不能超挖。如遇到孤石或薄岩层抓斗无法取土时，则采用十字冲锤击碎再用抓斗取渣，作业时遇有不均匀地层或卵石层时，应采用蠕动式作业，要多回转少压入，缓慢穿过。b.溶洞层钻进时全套管全回转钻机继续向下钻机后，需要始终保持套管底超前于开挖面，不断调整套管超前深度。当穿越溶洞顶岩层厚度较小或裂隙较发育时，直接采用全回转钻机驱动套管的同时下压套管，利用底节套管刀具切削岩层实现套管跟进，始终保持套管底一次跟进超前于溶洞底部下2.5m。当穿越大型溶洞过程中，应在穿越之前提前连接套管，同时在钻进过程中上下双抱箍交替使用，即便贯穿溶洞顶板也不存在掉管的风险。遇溶洞不能用冲抓斗直接冲击硬岩，应在溶洞顶板1m 处采用采用低转速蠕动式作业，多回转少压入利用刀头缓慢穿过岩层进入溶洞。c.岩层钻进当溶洞与溶洞间岩层较完整或厚度较大，如穿越石灰岩层中套管利用夹持压力强行将套管压入土层时，硬质土和套管壁间的阻力较大，钻进缓慢且严重磨损套管，此时应采取旋挖钻进行跟进，旋挖钻孔可超前下挖20～30cm，保证护筒顺利跟进，钻渣采用旋挖钻清除。

4.4.3 全回转钻机穿越溶洞安全性能验算

全回转钻机施工时利用钢护筒扭矩进行钻进，考虑最不利因素：以E#桩基为例，最大溶腔42m，钢护筒长度跟进至溶腔底板，护筒总长为107m，通过钢护筒自重与土体摩擦力和设备自身抱箍力进行分析如下：

钢护筒总重：107m×π×2m×235kg/m2=158t；

土层摩擦力：粉质黏土22m，细圆砾土8m，过程穿越石灰岩层较浅，按照通长溶洞考虑。粉质黏土摩阻力=22×1.86×3.14×35=4497KN；砂砾土摩阻力=1.86×3.14×75×8=3504KN(其中粉质黏土摩阻力值取35KN/m2，砂砾土摩阻力 值 取 75KN/m2)， 土 体 对 钢 护 筒 摩 阻 力=4497+3504=8001KN。

根据上述计算，向上的荷载包括土体摩阻力和设备的上下抱箍力，向下荷载为钢护筒本身的自重，仅计算土体摩阻力已远大于钢护筒最长悬空自重，而抱箍力能满足瞬间起拔力5160KN，故该设备在钻进过程中完全满足安全使用条件，不存在钢护筒下落风险。

4.4.4 钢套管焊接工艺

在成孔工艺过程中，各节钢套管的焊接十分重要，首先，要在衔接处外侧预留30°坡口倒角，以满焊焊接保证焊缝平顺。并进行焊接技术质量检验，不允许存在夹渣、弧坑、裂纹、气孔、焊瘤、咬边等技术缺陷情况。

4.5 桩基灌注工艺

4.5.1 导管安装工艺

混凝土浇筑用导管的长度决定于孔深和工作台高度，以螺丝扣型接头在漏斗底距离钻孔上口一节处(距孔底30～50cm 处)设置，保证导管内的气体、水及球型堵塞物可排出，并安装防松装置。

4.5.2 封底工艺

封底采用混凝土双次灌注工艺进行，为提高工作效率提前准备大、小两个料斗。第一次灌注采用大料斗按所需混凝土量进行，第二次改用定量小料斗进行。在第一次灌注时，需求量的计算公式如式(1)所示：

式中：V 为首批混凝土所需数量，单位：m3；

h1为井孔混凝土面达到Hc 时，导管内混凝土柱体平衡导管外泥浆压力所需的高度，单位：m；

Hc为灌注首批混凝土时，井孔内混凝土面至孔底的高度，单位：m；

r 为导管半径；

D 为桩孔直径。

以表2 中F#岩溶桩为例，F#岩溶桩桩长为120m，桩径为1.8m，如表4，图6，其中h1≥Hwρw/ρc；HC=h2+h3；HW为井孔内混凝土面以上水或泥浆的深度；d 取值0.3m；ρw、ρc分别为泥浆、混凝土的容重取ρw=1.1KN/m3，ρc=2.5KN/m3；h2导管初次埋置深度(h2≥1.0m)；h3导管底端至钻孔底间隙，约0.4m。将以上数据代入式(1)，则有：

V ≥(πd2h1+πD2Hc)/4= (3.14*0.32*50+3.14*1.82*1.4)/4=7.1

4.5.3 桩基检测

施工完毕后按照《铁路工程基桩检测技术规程》(TB10218-2019)要求及设计指标进行相应检测。

5 结论

5.1 溶洞强发育区域岩溶桩施工的特殊性

在文中相关工艺的研究反复强调了各节钢套管的焊接问题，是因为在溶洞强发育区域内，基岩起伏变化复杂，当岩溶桩孔在穿越溶洞(尤其是溶腔较大无填充溶洞)时，极易出现垂直度超标、孔道偏斜等情况，甚至折桩事故也时有发生，因此在成孔过程中一旦发现钢套管垂直度不达标，要立即进行停钻校正，避免更严重的情况发生。同时，在溶洞强发育区域内，除可探测到的溶洞外，还经常伴随着一些裂隙发育，这会导致灌注时漏浆情况的发生，因此在溶洞强发育区域进行岩溶桩施工时所选用的泥浆要比普通区域所选用的泥浆比重更大(1.3～1.4)、胶体率更高(大于95%)。

5.2 超长桩基施工工艺要点

从文章3.1 节的论述可见，该工程岩溶桩长均超过100m，属于超长桩基，因此在许多环节进行了针对性强化，如：在施工准备阶段，对地质情况的反复勘察及技术交底，是因为在溶洞强发育区域内，桥梁桩基对周围的地质情况会造成或多或少的影响，如建筑物沉降、地表下陷、道路开裂等，这些都有可能造成超长桩基的不稳定，因此，除了严格遵循相关施工工艺外，还要广布观测点，将监测评价原则落实在施工期及验收期；在场地布置阶段，对场地硬化的处理，保证了钻机作业期间的稳定性，为孔桩的垂直度达标提供了先决条件。

总而言之，在溶洞强发育区域进行岩溶桩施工的不可预见因素很多，孔内事故率即多且杂，这就对施工勘察、施工方案设计、技术交底、人力机械筹备、施工实务、工程监理直到终孔验收的全过程都提出了更高的要求，一定要结合实际的地质情况，细化施工工艺细节，做好事故预案，才能有效的降低溶洞强发育区域的施工风险。