某桥梁桩基工程岩溶处理方案研究

陈伟、徐汝宝、阳俊、曹宇

（1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081；2.湖南华威建筑工程有限公司，湖南 衡阳 421400）

0 引言

国内外许多学者对岩溶工程案例进行了分析研究。张军采用“钻探+CT 物探”综合勘探方法对杭州地铁6 号线河凤区间隧道覆盖型岩溶形态和分布进行了探测，对不同岩溶特征给出了具体的整治方案。邢志豪等利用数值模拟方法对深圳地铁16 号线穿越岩溶溶洞工程进行了研究，对比分析加固措施的空间属性对地铁隧道安全性的影响。冯建分析了岩溶的成因，提出了桥梁工程中岩溶的处理方法。谢寅涛等分析了地震荷载作用下岩溶区桥梁的安全性。

1 工程简介

岩溶区溶沟、溶槽、基岩裂隙与溶洞、土洞相互连通，水文地质条件复杂，若施工不当，极易诱发地质灾害。如钻、冲孔桩施工过程中漏浆，将改变地下水动力条件，诱发地面塌陷；机械振动也可诱发地面塌陷；钻头穿过溶洞、土洞顶板时，孔内水头急剧下降，钻孔孔壁失去孔内压力而引起塌孔；护壁泥浆快速向下流动产生较大的冲击水压力或产生真空吸蚀也会诱发地面塌陷典型灾害：桩基岩溶坍塌导致埋钻、路面沉陷（见图1）和房屋受损。

图1 路面沉陷

1.1 工程概况

乱头1 号大桥是三清高速三标工期控制性工程，全长为726.08m，起始里程为K40+246.96～K40+973.04，孔跨为18×40m。最高墩高为51.15m。根据现场进度分析，14墩和15墩是保证工期目标实现的最关键工程，两墩墩高分别为45.039m 和47.961m，15墩桩基础为8 根桩径为180cm 的基桩，其中4 根桩长为31m，4 根桩长为29m。

根据地勘资料分析，15墩位于岩溶发育强烈区域，有特大型溶洞存在，溶洞高度范围为10～16m，碎石黏土填充，碎石为白云岩，含量为20%～30%，粒径为0.5～3.0cm。该工程地质条件复杂，从上到下分别为含碎石黏土、强风化白云岩、中风化白云岩。溶洞埋深约为25m。

1.2 加固方案比选

14墩与15墩之间有公路垂直相交，来往人员、车辆密集。且该区域距民房较近，桩基施工过程中，对土层扰动明显，可能会危及公路及民房安全，有较大的施工安全隐患，因此有必要对该工程进行加固。

桩基岩溶处置方法通常有三种：片石或混凝土回填、钢护筒跟进、预注浆加固。

1.2.1 片石或混凝土回填

此方法为最常规最简便的方案，适用于小型、中型溶洞，先将塌陷区域的松散土进行挖除作业，再用碎石、片石与土掺和加以压实或者回填。目的是防止地表水的冲蚀，同时也能提高桥梁桩基土的承载强度。利用片石或混凝土回填堵塞岩溶通道及腔体，防止浆液漏失引发塌孔、埋钻等工程事故。该工程溶洞发育强烈，溶洞高度达23.1m，若采用此方案需要反复多次回填片石或混凝土，回填体高达23m，且自身稳定性无法保证，极易发生塌孔、埋钻及周边地层塌陷，引发次生灾害，无法保证施工工期。故此方案无法确保桩基顺利成孔，不适合该工程。

1.2.2 钢护筒跟进

钢护筒跟进法适用于高度大于3m 的单个溶洞，溶洞内为空洞、半充填、流塑状全充填。

根据地勘资料显示，该工程岩溶形态复杂，溶洞高度达到23.1m，层状溶洞分布，需下放多层钢护筒，且溶洞充填物为黏土碎石，为硬塑性填充，钢护筒下放侧摩阻力过大，再加上桩径较大（1.8m）、桩基较长（45m），钢护筒跟进困难，进一步加剧施工难度，钢护筒无法跟进到位导致成孔失败，且施工周期无法控制（湖南大王山冰雪世界工程曾采用此方案耗时3年完成40 根桩基，其中一根桩基施工周期长达10 个月），故不建议采用此方案。

1.2.3 预注浆加固

通过预注浆技术提前加固溶洞，可以有效充填固结充填物并封闭岩溶裂隙，提高充填物强度及自稳性，避免冲孔过程中垮塌及浆液渗漏，该方法可大面积施工，对施工机械设备要求不高，施工难度小，可通过补注浆确保加固质量，为后期桩基正常施工提供可靠保障，确保工期。

经过以上分析，建议采用预注浆加固施工技术。

2 选定方案技术要求

2.1 主要工程问题及成因分析

由于工程施工环境中的地质因素，在选定施工方案和施工技术时要注意以下在实际工程中可能会出现的问题。

一是该工程地质属于富水条件下紧密结构，会出现注浆量不足或较少时导致注浆作业效果出现不理想的状况。

二是白云岩地质在地下富水因素的影响下，出现软化现象，使地质强度比较低，且桩基长期受地下水的浸泡，其地基承载力不足200kPa，如果施工方案不到位，极易影响施工质量甚至会导致坍塌。

三是因其特殊的地质，可能出现施工残积土随地下流动的水从桩基下部流失，导致桩基台阶很难形成，且出现空洞等不稳定现象。

2.2 选定方案技术

覆盖型岩溶地区岩溶塌陷主要是由于上部土层受外部水流或冲击因素影响沿着土层裂缝或岩石裂缝流入溶洞中。在施工过程中，可以采用注浆的方式填充土层孔洞、裂隙，在土石交界面形成稳定可靠的水平防渗帷幕，阻断土颗粒流失通道，可有效避免冲击荷载导致的土洞或溶洞塌陷。通过植入注浆钢管，可加固土体，进一步提高土层抗变形能力，阻止因土体变形过大造成的塌陷。该工程中岩溶塌陷分布特征如下。

该工程中出现的塌陷多呈带状分布，塌陷位置在场地中部区域且呈斜交状，沿地质基岩尤其是较陡倾的区域地段伸展。

根据地质塌陷后现场测试的物探试验数据（水平测距为52～75m、87～106m，地表地质呈现局部塌陷状态）可推断出，此塌陷是因溶沟（槽）软弱带或松散土层引起的（见图2）。

图2 剖面反演模型电阻率断面图

为确保施工过程中人员及机械、周边道路及民房的安全，防止出现安全事故，建议如下。

一是在桩基施工前，必须坚持一桩一探，在桩身范围内均匀布设3 个探溶孔，切实搞清该桩岩溶分布情况，及桩底持力层3～5d 范围内，有无溶洞发育，确保桩底持力层满足设计要求。

二是采用桩周布设单排Φ60 双管旋喷桩注浆。预加固桩基溶洞，以桩中心点为基准，在内圈半径为1.2m 的圆上布设15 个旋喷孔，相互咬合成严密有效的防渗帷幕，为保证后续施工进度，旋喷浆液建议采用特种高强高渗岩溶专用灌浆料，旋喷施工完成后，3d 左右即可进行旋挖桩施工。

三是采用承台周边和内侧布置注浆孔，以旋喷注浆的方式加固周边土体。

四是根据三清高速施工图地质勘查报告第二册SJ2-1-4 工程地质横断面图，上层土体和溶腔土体有个大型土洞相连，考虑到桩基施工和周边房屋道路安全，旋喷注浆范围为地层表面至溶洞底，旋喷注浆工程量为0.5m/m。

五是桩基旋喷注浆工艺要注意的几个方面。

混凝土灌注桩质量检测标准如表1 所示。

表1 混凝土灌注桩质量检测标准（单位：mm）

其一，采用地质钻带套管钻进成孔，施工过程中根据需要可能要下放多层套管，确保成孔质量。

其二，采用跳孔分序钻进，先钻注一序孔，后钻注二序孔，确保有效搭接。

其三，待钻进至溶洞底板下2m，下放旋喷注浆管，在溶洞范围内旋喷注浆，旋喷注浆压力值控制在25～30MPa，浆液配比为：水∶水泥∶高强无收缩灌浆料=1∶0.5∶0.5 和水∶水泥=1∶1，钻进旋喷提升速度10cm/min，全孔深旋喷。

其四，注浆效果的质检方法可采用开挖检查、取芯、注水试验等。

其五，该溶岩处理方案完成后，针对预防塌陷效果显示良好。

六是桥梁桩基岩溶处理方案中的监控量测。

桥梁桩基工程中岩溶处理过程中的监控量测呈现两个特点。

其一，支护区段的安全监控。在满足施工标准规定的安全监测要求的前提下，在有塌陷或溶岩的区域需要采取必要的监控措施，以更好地进行全面安全监测。

其二，监控量测对于还未施工区域的施工还可以提供前期的观测数据，以作为后期施工作业的数据反馈依据和方案指导参考。通过监测可反馈的施工步骤如下：建立地质力学模型—通过对没有岩溶影响的桩基量测数据反分析岩体力学参数—通过超前预报手段理清溶洞的几何参数与力学参数—根据反分析得到围岩的岩体力学参数、溶洞的几何参数与力学参数—运用数值分析的手段确定未施工段的加固方案。

3 结语

综上所述，在实际施工中，应将溶洞根据岩溶的发育条件、发育阶段划分为不同类型，并针对不同类型做出施工方案，采取适当的施工技术和处治措施，保证桥梁桩基施工的安全性、稳定性。本文结合工程案例中桥梁桩基工程岩溶塌陷的形成特点，从实际出发进行阐述和分析，找到了最优岩溶塌陷处理方案。通过应用桥梁桩基岩溶处理的关键技术，同时辅以环境地质预报和地质雷达、红外探测等探测技术，可以保证桥梁施工技术在岩溶地质环境中有更好的突破与发展。