强发育岩溶地区特大桥桩基施工技术

周 锦

（中铁二十二局集团第五工程有限公司，广东 清远 511500）

0 引言

岩溶在我国分布极其广泛，可根据发育强度分为四类，见表1。由于岩溶表现形式多样、发育呈现较强的不规律性，且受困于目前的勘探技术及有限成本，给该地区勘察设计、施工管理、运营维护等桥梁工程全生命周期管理带来许多不确定因素，也给特大桥桩基施工提出了较大的技术难题。

表1 岩溶发育强度及表现形式

在桥梁外加荷载的长期作用下，岩溶常常会发生不同程度的坍塌，且难以对其发生的时间节点和空间位置做出精准预测，从而对桥梁基础的安全性能产生较大的威胁。如何在桥梁桩基础勘设过程中把控整体的安全性、经济性、合理性，确保工程质量，是桥梁设计重点关注的问题，也是桥梁建设中亟待解决的问题。

1 工程概况

珠三角城际广清北延1标段含特大桥8座，累计长度达18107.82m，大桥6座，共19.737km，中桥3座，共285.6m，中等及以上规模的桥梁占全线总长度的80%。其中，以青榄海特大桥66#墩和文洞河特大桥16#墩作为典型代表，进行岩溶桩基施工技术研究。该桩基地质结构十分复杂，基岩面起伏较大，岩溶强发育，形态以溶沟、溶槽及溶洞等为主；溶洞规模繁杂，纵深也不尽相同，存在很大的差别，部分发育呈现串珠状。青榄海特大桥66#墩均为无填充型溶洞，文洞河特大桥16#均为填充型溶洞。66#墩桩基础为6根直径1.8m，最长的桩是6#桩，其长度为115m，其余5根桩长均在100m以上。6根桩均有溶洞，且为串通型无填充溶洞。16#墩桩基础为6根直径1.8m，最长的是桩6#桩，其长度为110.5m，其余5根桩长均在100m以上。

根据以往施工经验可知，相比于一般地形地质，要想桥梁钻孔桩高效无误地穿越地下岩溶，其施工难度大、不可控风险源多、工期无法保证，因此必须引起重视。由于对地下岩溶不可能掌握得特别详细，钻孔施工往往是参照设计资料，结合一些成熟的施工经验，针对岩溶发育的规模和类型，采取相应的对策。

2 钻孔桩施工难点及溶洞处理方法

2.1 施工重难点

强发育岩溶地区在钻孔桩施工过程中，常会遇到以下问题，这些问题如果未能及时、合理地处理，将会影响整个项目的安全。

2.1.1 钻孔击穿溶洞后，易产生塌孔

（1）因泥浆大量流失，使得泥浆面快速下降，形成塌孔；

（2）当溶洞规模较大、地表土质又相对较差时，易发生塌孔现象，并引发地表塌陷；

（3）工人未持证上岗，操作出现问题，则易发生钻头卡住或掉入溶洞内的事故。

2.1.2 斜岩层钻孔发生偏孔

2.1.3 防止塌孔后的断桩危险

（1）在水下进行灌砼工作时，当抹灰面上升到某指定高度后急速下降，使导管底部完全裸露，发生断桩；

（2）对于某些规模型溶洞，其与地下暗河相接，即使通过大量补浆来预防塌孔，但因与地下水位处持平，泥浆无法完成循环，钻渣难以及时排出孔外，钻进工作就会止步不前；

（3）对于一些规模较大的大型溶洞，虽然大量混凝土涌入，但在较长时间内并未造成该平面上升，如果未能及时处理，则会因表面凝固而发生断桩。

2.1.4 其它问题

因工程特性而导致的机械设备磨损加剧，如果未能及时检查发现、维护，易导致钢丝绳断裂，掉入孔内。

2.2 各型溶洞处理方法

各型溶洞处理方法见表2。

表2 各型溶洞处理方法

3 强发育岩溶地区特大桥桩基设计

3.1 岩溶地区桥梁桩基设计原则（表3）

表3 桩基设计原则

3.2 岩溶地区桩基设计理论

在桥梁设计时，选择合适的有关地基设计参数，既可保证质量，又可降低造价。通常该类型地区的桩基设计需要根据以下两种情况来确定，见表4。以下两种方法虽能满足一般岩溶发育情况，但对于强发育地区，可能会出现多层溶洞，此时会出现特殊情况：当纵向钻孔深度已达30m时，无满足要求的完整岩层时，就无法按照第二种情况来设计溶洞顶板厚度。

表4 岩溶地区桩基设计情况

若桩位下较深范围内，存在密集型溶洞和完整岩性埋置很深的情况，或是溶洞分布较浅、顶板较为薄弱，不能满足端承桩要求时，应改用摩擦桩，同时还要考虑不均匀沉降对工程的影响。此时，应采取以下措施：（1）顶面岩溶层与桩间进行隔离，且应忽略两者间的摩擦；（2）对于桩基础处于岩溶地区溶槽或是溶沟处的情况，当桩穿过其间填充土，并支立于溶槽（沟）底面的岩层上时，也要忽略其对桩侧的摩擦，仅将这类摩擦作用视为安全储备；（3）在钻孔灌注桩施工过程中，也应将多层岩溶与桩壁隔离开来，使轴向荷载均作用于柱底岩层之上，便可按照一般情况分析桩的内力；（4）通过对强度、缝隙等情况的计算，综合考虑溶槽（沟）底面岩层的稳定性，以此来确定桩的轴向容许承载力。

此外，设计时应重视桩基负摩擦力的影响，负摩擦力会增加桩基所承受的轴向荷载，甚至可能导致桩基破坏。解决该问题的关键点在中性点处，即正负摩擦力的分界点，可在此处使用油毛毡消除负摩擦影响。

对于采用的嵌石桩，公路或是铁路桥均未对桩底以下完整基岩的厚度作出相关规定。若采用物探，则仅能探知4m~5m纵深范围，无法解决该类地区的桩基设计难题，必须根据项目情况，因地制宜，采取合适的计算方法、制定合理的桩基形式。

4 强发育岩溶地区特大桥桩基施工方案的确定

根据青榄海特大桥和文洞河特大桥地质特点及桩基设计方法，综合考虑工程特点，确定最优方案：

（1）青榄海特大桥66#墩岩溶发育强烈，根据现场实际情况、结合已有设备和技术，整理岩溶处理方案，综合采用回填C15混凝土、片石、黏土、水泥充填物或双层钢护筒跟进等方法，研究确定实施方案。

一是要推动技术进步，鼓励扶持企业的技术创新与技术引进，提高安徽科技水平。特别是要注意研发成果的转化，安徽财政支出中科技支出占比从2010年的1.99%提升到了2016年的4.69%，但全要素生产率增长率却没有提高，反而有所下降，说明安徽科技投入只是加大了技术知识储备，并没有转化为现实生产力。

（2）先对6#桩基进行试桩。采用直径2m钢护筒跟进至基岩面后，小冲程击穿溶洞顶板，按导管法间歇灌注C15混凝土（建议每次灌注量不超过300m³）。测量混凝土上升面是否与预估溶洞大小相符，如灌注混凝土量与预估量基本相符，则继续灌注混凝土回填处理；如与预期效果偏差较大，改用片石、黏土及水泥混合物充填溶腔，并跟进第二层钢护筒护壁。

（3）如3#桩按混凝土填充试桩成功后，8#桩按相同方案进行处理。对1#桩、6#桩采用钻探方法验证溶洞处理效果，确定后续施工方案。

（4）桩基施工前：提前制定专项应急预案，合理解决桩基施工过程中及后期可能出现的沉陷、塌方等事故；准备好必要的救援抢险设备及应急物资。

（5）桩基施工期间，制定专项监测方案，对既有线周边水位及地表沉降观测，并安排专人进行全程旁站；设置专职安全员进行巡视。

结合设计揭示溶洞的类型、大小及溶洞施工的不可预估性，周围复杂环境等因素，为保证施工进度及营业线的安全，制定以下施工方案，可最大程度保证质量、安全、进度要求。

先对承台周边覆盖层注浆加固处理，加固完成后，采用全套管全回转钻机对该墩桩基进行施工。首先采用高压旋喷桩对承台周边设置环状封闭截水帷幕，截断地下水来源，对帷幕范围内采取袖阀管注浆方式，同时为应对可能的地表沉陷，考虑在承台范围铺设钢筋混凝土纵横地梁，形成有效的支撑平台，分散设备荷载，保证设备在施工期间的作业安全，桩基施工采用全套管全回转钻机施工。施工过程中全孔套管护壁、钻进和灌注均无孔壁坍塌风险，无断桩和缩径的风险，成桩质量高；成桩过程中对周边建筑物地基无扰动；施工钻进时可很直观地判别地层及岩石特性；钻机速度快，单根桩基平均23d/根。

5 强发育岩溶地区特大桥桩基施工工艺

5.1 施工工艺流程（见图1）

5.2 强发育岩溶地区特大桥桩基成孔工艺

5.2.1 旋挖钻配合冲击钻成孔

冲击钻施工过程根据桩径大小，冲锤重量一般在5t～15t之间，靠卷扬机提升，泥浆较浓时，经常会造成提不起锤的现象。因此，在冲进覆盖层时，冲进速度较慢，孔底大量钻渣无法采用正循环及时清理。同时，岩溶区桩基存在大量溶洞、溶蚀现象，无法采用钻机全程钻进。因此，采用先钻后冲的成孔工艺。在覆盖层采用350旋挖钻钻机钻进，待钻至距岩面约2m左右，停止钻进，换冲击钻冲进。这样可充分发挥两种施工工艺的优势。

图1岩溶桩基施工工艺流程图

5.2.2 冲击钻成孔

根据设计桩径目前选用的冲击钻采用5t～10t冲机钻成孔，黄泥造浆，开孔后先利用小冲程反复冲击黄泥造浆。利用泥浆池作为泥浆循环，无论是开孔还是钻进过程，为了防止泥浆涌出，要合理控制孔内水位高度，一般在整个施工过程中，应高出最高水位1.5m~2.0m，且距离护筒顶面不应小于0.3m。

5.2.3 回旋钻成孔

全套管全回转钻机钻孔灌注桩施工成孔过程中采用钢套管护壁，具有成桩质量好、无泥浆污染、绿色环保、减少混凝土充盈系数等特点，能有效解决岩溶桩基特别是超长岩溶桩基成孔周期长、成孔难且溶洞内易卡钻、卡锤的问题：（1）利用回转装置的回转，可有效降低钢套管与土层间的摩擦力；（2）边回转边压入，同时利用旋挖钻取芯，保证套管安全、平顺地接触到桩端持力层；（3）待挖掘结束，立刻测定其深度，同时核对桩端持力层，并清理虚土；（4）成孔后，放入钢筋笼，然后在钻孔中心处安置导管，灌砼成桩。

5.3 强发育岩溶地区特大桥桩基施工控制要点

（1）逐桩钻探是岩溶发育地区桩基施工前的必要手段，根据不同工程地质特点，选取合适的勘察和钻探手段，从而了解地下溶洞的规模、深度等，以便确定桩基的合理长度，科学有效地确保桩尖在稳定持力层之上；

（2）钻孔期间，应针对性地安排记录员对钻孔情况进行记载，一旦出现所记事件与设计预期不一致时，应立刻与多方进行沟通，回到现场进行实地调研。如果仍有较大出入，必须重新进行钻探工作；

（3）钻孔桩采用冲击成孔；

（4）因地制宜，综合考虑地表土质、工程规模等情况，采用长钢护筒，其长度一般不得小于3m；

（5）钻进时，应合理增加泥浆比重，对孔壁加强支护，通常不得小于1.5；

（6）泥浆池应该制作稍大一些，保证在发生漏浆后，能够及时、充足地进行补充；

（7）先难后易，先长后短；

（8）在击穿空溶洞或是半填充溶洞之前，需要设立专员进行监督与记录，时刻关注护筒内泥浆面的变化，一旦发现其有下降趋势，则应迅速进行补水，待漏浆问题完全消失后，方可转入正常钻进，如此反复使钻孔顺利穿越溶洞；

（9）遇到大型溶洞时，先在孔口附近准备好足够的块石、黏土、水泥：

①洞顶打穿时，为避免塌孔现象发生，需密切关注是否存在漏浆现象，若有则需立即进行填堵；

②溶洞击穿后，会发生泥浆面快速下降的情况，此时需按照1∶1~3∶2∶0.2的比例，利用装载机将上述材料抛入钻孔中，直至其停止下降，开始上升。

③利用冲锤进行合理挤压，反复抛填三种材料，将桩基两侧溶洞完全填满或者彻底堵死，完成上述工作后填满泥浆，重新成孔。

（10）对于特大型溶洞，或潜存地下暗河的桩位，宜采用长护筒跟进。

6 结束语

本文以珠三角城际广清北延1标段青榄海特大桥和文洞河特大桥工程为载体，采用适用于岩溶强烈发育地区的钻探、物探等综合勘察手段查明岩溶情况，确定钻孔桩施工重难点；根据岩溶地区桥梁桩基础设计准则，制定并完善特大桥桩基设计方法，对多种桩基础施工方案进行合理比选，确定本工程最优施工方案，总结施工工艺流程，为在岩溶强烈发育地区建设高质量、高水准桥梁提供必要条件，也为建造其他类似桥梁工程提供参考。