岩溶地貌桩基工程溶洞处理工艺比选

◎张晶晶 中交广州航道局有限公司

1.工程概况

柳州港鹿寨港区江口作业区一期工程No.A标段项目位于广西壮族自治区柳州市鹿寨县，柳江左岸，距上游红花水利枢纽约17.6km。本项目包含疏浚炸礁工程、水工码头工程、道路堆场工程、生产辅助建筑物工程和港外道路工程。其中水工码头工程泊位总长501m，由6个2000吨级泊位组成，码头为多层框架结构的高桩梁板式码头，分为13个结构段，结构段之间采用简支跨连接，码头下部结构共设329根φ1.4m的嵌岩灌注桩。

1.1 地质情况

项目所在地广西壮族自治区是我国喀斯特地貌分布较为集中的省区之一，喀斯特地貌分地表和地下两大类，地表有石芽与溶沟、喀斯特漏斗、落水洞、溶蚀洼地、喀斯特盆地与喀斯特平原和峰丛、峰林与孤峰；地下有溶洞与地下河，暗湖[1]。根据地勘揭示嵌岩灌注桩施工范围内的地质特性上部地层主要为粉细砂、粘土、卵石层，而下部地层主要为全风化泥质灰岩、强风化泥质灰岩、溶洞及中风化灰岩。根据地勘揭示溶洞层的层顶平均标高+59.58m(+54.29～+65.33m)，层底平均标高+57.81m(+49.29～+64.33m)，平均厚度+1.77m(+0.60～+9.20m)。溶洞有无充填、部分半充填、部分全充填几种情况，溶洞连通性较差，充填物包含砾石、卵石混粘性土等。

1.2 设计要求

前两排桩桩底进入中风化灰岩层深度不小于5m，后三排桩桩底进入中风化灰岩层深度不小于4m，同时对于桩基溶洞处理时，桩基应穿过溶洞进入完整岩深度不小于4m。

2.工艺与选择

根据地勘资料统计，桩基工程中存在溶洞的桩位有33根，其中10根溶洞高度＞4m，23 根溶洞高度≤4m，溶洞高度最高为9.2m。该33根灌注桩溶洞处理的成本、进度及质量决定着水工码头工程的成本、进度及质量。因此根据项目实际情况制定了四种溶洞处理方案，并且以专题会议的形式邀请项目参建各方共同参会达成一致意见，为现场溶洞处理提供快速决策的依据，从而保证桩基施工快速可靠地推进。

2.1 工艺制定

图1 水工码头结构典型断面图

图2 工程地质剖面图

方案一：片石+粘土抛填冲击法

设备：冲孔钻机

材料：二片石+粘土

方法：根据地勘资料结合现场实际情况，当桩基施工过程中孔内水头突然下降时可判断该桩位在施工进尺高程存在溶洞，在孔内液面下降后甚至可用肉眼观察到孔壁周围存在的溶洞。将提前准备好的粘土及二片石利用挖掘机进行回填，回填的体积比大致按照1斗片石1斗粘土的比例进行，当抛投的回填料覆盖住溶洞顶部后用冲孔桩机进行往复冲击将回填料挤压进入溶洞内，在冲击时可适时添加泥浆液。按照投料、冲击流程往复，直至穿过溶洞层且孔内液面无下降为止。

过程控制点：采用片石+粘土抛填冲击法时桩机冲程的把握是重点，以地勘资料为依据，在距离溶洞顶高程1m左右时要减小冲程，以0.8m左右为宜，同时增加泥浆的比重，以避免冲程过大导致进入溶洞层时桩锤歪斜而卡钻[2]。在冲击回填料挤压进入溶洞内时，冲程以0.6～0.8m为宜，一是避免冲程过大导致溶洞坍塌，二是保证回填料充分挤压进入溶洞并形成护壁。同时在冲击过程中要加强孔内观测，在处理过程中当孔内水头再次突然下降时，要及时补充回填料。

方案二：混凝土灌注法

设备：冲孔钻机

材料：C15混凝土

方法：导管底下放至溶洞底部高程位置，后进行混凝土灌注，灌注过程中观察孔内混凝土情况，当混凝土面有明显上升时，同步提升导管。孔内混凝土面高于溶洞顶高程1.5m左右且观察15min～30min无明显回落时停止混凝土灌注，2～3d后重新成孔。

图3 粘土片石+粘土抛填冲击法现场施工图

图4 混凝土灌注法现场施工图

图5 钢护筒跟进法现场施工图

过程控制点：混凝土灌注法不能立即判断溶洞处理是否成功，需要待灌注的混凝土形成强度后再次用钻机成孔后方能进行判断，因此若不能一次处理成功，除影响施工进度外，处理成本亦成倍增加。因此在溶洞处理前应仔细查阅桩位钻孔柱状图和地质剖面图，初步判断溶洞的大小，在保证混凝土的连续供应的同时在灌注过程中可间隔性的往复提升下放导管使混凝土充分填充至溶洞中，提高溶洞处理的成功率。

方案三：片石+粘土+混凝土灌注法

设备：冲孔钻机

材料：二片石+粘土+C15混凝土

方法：此方法为片石+粘土抛填冲击法和混凝土灌注法的结合，在溶洞处理的初期先向孔内投放二片石和粘土，在冲锤的冲击挤压下对溶洞进行部分填充，后利用导管灌注混凝土填充溶洞，待混凝土成型后再次利用冲孔钻机重新冲击成孔。

过程控制点：此方法过程控制点除方案一和方案二中所述外，关键是要处理好何时开始进行混凝土的灌注，避免混凝土灌注量少而造成溶洞处理失败。因此可在钻孔柱状图的基础上初步判断溶洞的大小后预估处理量，按照1/3～1/2的量进行粘土和二片石的抛填后再进行混凝土的灌注。

方案四：钢护筒跟进法

设备：振动锤、旋挖钻机

材料：钢护筒

方法：旋挖钻机旋挖至溶洞顶板上方1m左右时，利用振动锤下沉钢护筒，不断往复焊接加长护筒，直至钢护筒穿过溶洞底部，利用钢护筒形成的孔壁后浇筑成桩。

过程控制点：钢护筒跟进的的关键点是要确保护筒完全穿过溶洞底部，在实际施工过程中可采用孔内回灌泥浆观察液面是否明显下降进行判断。同时跟进钢护的垂直度决定着灌注桩垂直度，因此钢护筒跟进时加强观测，必要时可采用导向架进行垂直度的保证。

2.2 工艺初步选择

将地勘资料中揭示存在溶洞的桩位进行统计，并按照溶洞的高度进行归类，分为高度h≤2m，2m＜h≤4m，h＞4m三类，针对不同高度的溶洞按照以往类似工程的经验进行初步选择不同的工艺，具体表1所示。

表1 工艺选择表

3.实际处理工艺及参数统计

在项目实施过程中根据初步拟定的工艺针对不同高度溶洞选择性的处理，根据统计，除片石+粘土抛填冲击法存在多次处理溶洞的情况外，其余工艺都能一次成功处理桩基施工过程中的溶洞，具体的材料使用量及处理时间如表2所示。

表2 施工实际参数统计表

4.经济分析

根据上述各项工艺处理溶洞统计材料使用量和结合项目实施时段的材料价格，进行上述几种工艺处理溶洞的经济性比较分析（详见表3）。

表3 经济分析表

5.结论

（1）以上4种溶洞处理工艺在相适应的溶洞高度情况下，都有着较高的可靠性；

（2）根据施工实际参数统计及经济分析，岩溶地貌桩基工程中针对不同高度的溶洞，可采取的工艺可按表4比选；

表4 工艺比选表

（3）采用片石+粘土抛填冲击法处理溶洞首次不成功的情况下，可及时更换成片石+粘土+混凝土灌注法或混凝土灌注法，避免多次处理造成工期不利。