可溶岩地区桩基施工风险预测及工程处理措施

岳全庆 周宝龙

摘要：

在武汉市汉口至阳逻江北快速路朱家河大桥的地质勘察中，探测到了厚层第四系粉细砂覆盖可溶岩的不良地质体，使桩基施工及后期大桥运行面临较大风险。从查明岩土结构、探寻岩溶发育规律入手，分析了施工可能引发漏液、岩溶地面塌陷的机理，预测桩基施工中可能出现的风险以及发生的空间范围，提出了相应的工程处理措施：对于裂隙性溶蚀风化区，可采用改善泥浆浓度、预备充足充填材料等常规工程措施；对于溶洞发育区，需采用分层灌浆、护筒跟进等工艺措施，以截断岩溶通道，防止岩溶塌陷。结果表明：施工处理措施有效控制了灌浆孔区域和溶洞漏浆，加快了施工进度。

关键词：

桩基施工； 岩土结构； 岩溶地面塌陷； 第四系粉细砂； 可溶岩

中图法分类号：P642

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.009

文章编号：1006-0081（2023）05-0055-04

0 引 言

武汉地区岩溶大部分属于覆盖型岩溶，其常见的地质灾害是地面塌陷。所谓“岩溶地面塌陷”是指隐伏在第四纪覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，且与覆盖层相连形成通道。在自然因素或人为因素作用下，覆盖层物质沿着岩溶通道漏失到岩溶空洞中，引起覆盖土体塌陷，导致地面出现相应塌陷。20世纪80年代，徐卫国提出了“真空吸蚀”机理［1］，被应用于矿山排水或大量抽取地下水而引起的岩溶地面塌陷现象的分析与治理。范士凯根据武汉地区特殊地层结构，提出了“潜蚀-液化-漏失”机理［2］。目前，针对岩溶地面塌陷机理的认识比较一致，然而，工程实践中要做到科学、有效地预测、防范岩溶地面塌陷仍比较困难。

岩溶地区桩基施工易出现漏浆、塌孔、埋钻、地面塌陷等问题，影响施工进度，危及施工人员安全［3］。因此，对岩溶勘察和处理措施的研究尤为重要［4］。本文选取武汉市朱家河大桥为研究对象，通过对粉细砂与可溶岩组成的典型地层结构进行剖析，探讨了在岩溶地区桩基施工中可能引发的漏浆、地面塌陷等问题，提出了相应的工程处理措施，同时对岩溶引发地面塌陷的岩土结构进行了分类，总结了在岩溶地区地质勘察及桩基施工的经验，供类似工程借鉴。

1 工程概况

武汉市江北快速路朱家河大桥长438 m，采用双幅分离式布置。桥台采用“U”型结构，单幅承台下设11根直径1.2 m的钻孔灌注桩；主墩为低桩承台结构，单幅承台下设12根直径1.5 m的钻孔灌注桩。其中，0号桥台、1号桥墩布置于朱家河右岸，其余桥墩布置于左岸。

桥址区位于武汉市北部碳酸岩条带上，第四系覆盖层为“上黏下砂”的二元结构，这种上部黏性土、下部是饱和粉细砂的地层结构，极易发生“漏失”型地面塌陷。因此，对桥址区岩溶进行详细勘察和塌陷风险分析，并制定妥善的防塌陷方案十分关键。

2 覆盖型岩溶塌陷形成条件

2.1 地下存在岩溶

桥址区岩溶发育程度与岩性密切相关［5］。左岸基岩为非可溶岩，无溶蚀风化现象。右岸基岩为大冶组（T 1d）灰岩及断层构造岩，构造岩主要由碎块岩（碎裂灰岩、碎裂白云岩）、断层角砾岩、碎裂岩（碎粒岩、碎粉岩）及断层泥组成。灰岩溶蚀风化强烈，灰质白云岩的溶蚀不发育。

灰岩普遍混杂方解石，方解石呈发丝状、细脉状或团块状分布，其溶蚀风化强烈，溶洞、溶沟多分布于此类岩石中，钻进中有漏浆、不返水现象。

灰质白云岩呈浅灰色、暗灰色，无方解石发育，岩芯较完整，仅局部有溶蚀小孔，一般沿裂隙及层面有风化色变迹象，勘探钻进过程无渗漏现象。

桥址区岩溶发育现象主要有溶洞、溶孔、溶缝、溶沟等。

（1） 溶洞。溶洞发育具片状集中特点。桥址可溶岩区共布置钻孔46个，有12个钻孔揭露到溶洞，钻孔平均遇洞率26.1%。其中1号桥墩布置钻孔24个，仅1个钻孔揭露有溶洞，钻孔遇洞率4.2%；0号桥台布置钻孔22个，有11个钻孔揭露到溶洞，钻孔遇洞率50.0%，且近91%的溶洞分布于桥梁右幅。

溶洞洞高大部分在0.3～2.6 m之间，占比约75%，最大溶洞4.6 m。溶洞以无充填为主，占68.8%，半充填、全充填分别占比18.8%和12.4%，充填物以黏土、碎石为主。

（2） 溶孔。溶孔呈点状或蜂窝状分布，局部集中发育，孔径0.5～4.0 cm，孔壁可见褐黄色钙质薄膜，部分方解石充填。

（3） 溶缝。溶缝沿裂隙、岩层面发育，宽度一般小于1.0 cm，溶缝侧壁蚀变强烈，多为褐红色铁质浸染，多数发育于溶蚀孔隙及方解石细脉，少数充填泥质。

（4） 溶沟。溶沟发育于0号桥台中部，宽5.0 m，溶沟底面低于周边基岩面4.5～5.5 m，充填灰黄色黏土、碎石。

2.2 基覆界面存在运移通道

桥址区岩溶发育，具明显的竖向发育特点，总体自上而下溶蚀逐渐减弱 ［6］。

溶洞、溶沟主要发育在基岩面以下14 m的范圍内。钻孔揭示，溶洞发育最低高程约-22.1 m，高程-25 m以下溶蚀呈递减趋势，高程-25 m以上溶蚀强烈，发育2层溶洞：上层溶洞发育在基岩面以下4 m范围内，溶洞底板高程-10.0～-11.7 m；下层溶洞底板高程-16.0～-22.1 m（图1）。溶孔自上而下均有分布，但上部溶孔以蜂窝状、片状集中发育，发育规模较大。下部溶孔以单个或偶然的片状发育为主，发育规模明显较小。覆盖层与基岩接触部位岩溶发育，这些开口的溶洞、溶缝成为上部覆盖层物质贯通下部溶洞的通道。

2.3 砂土覆盖可溶岩的地质结构

桥址区地处于长江一级阶地，第四系覆盖层主要为河流冲湖积层（Q 4al+l）［7］，厚33～36 m，河床部位较薄，厚16～20 m。

地层结构总体呈上部黏性土、下部砂土二元结构。上部粉质黏土厚约10 m，褐黄色，可塑；下部粉细砂厚16～20 m，灰色，稍密-中密，饱水。砂层底板高程-7.49～-9.57 m，顶板高程5～12 m。砂层直接覆盖在灰岩及断层构造岩上。

2.4 岩溶地下水与孔隙水存在运动循环

桥址区地下水类型主要为砂层孔隙水与岩溶水，地下水位随朱家河水位变化，具有滞后现象。

朱家河水位16～24 m，孔隙水水位一般为18～22 m，年变幅为3～4 m。孔隙水主要赋存于粉细砂中，粉细砂厚10～20 m，其顶板为黏性土（高程11～12 m），底板为基岩（高程-7～-9 m），孔隙水与长江的水力联系密切，互补关系、季节性变化规律明显。

岩溶水主要贮存于强溶蚀风化的灰岩裂隙与岩溶孔隙中，分布高程-10～-22 m，受裂隙、岩溶发育程度的影响和控制，主要接受上覆细砂层孔隙水的垂直渗透补给，水量丰富。

在桩基施工中，打桩会产生震动液化，粉细砂直接漏失到岩溶空洞中，形成“漏斗状疏松体”，进而使孔隙水与岩溶水循环加剧，地下水在运动过程中不断带走砂土，导致覆盖层中形成土洞，造成地面塌陷。

3 覆盖型岩溶地面塌陷机理

桥址区饱和粉细砂直接盖在基岩面之上，孔隙水与可溶岩中的岩溶裂隙、溶洞水发生直接运动联系，由于水位不断升降变化，尤其是岩溶地下水位或承压水头低于孔隙水位时，发生垂直渗流。首先在砂层中发生潜蚀作用，形成“漏斗状疏松体”，进而因垂直渗流加剧，局部水力坡度加大，砂土呈液化状态流入岩溶空洞，地面出现塌陷坑［8-9］。另一种液化是采用重锤冲击打桩，产生振动液化，饱和粉细砂直接漏失到岩溶空洞中，造成地面塌陷。

4 岩溶地面塌陷预测与工程处理措施

4.1 划分可溶岩地基分区

根据地层结构、溶蚀风化程度以及施工难易程度，将桥址区可溶岩地基划分为3类：A类危险区、B类潜在安全区、C类安全区。

（1） A类危险区。主要分布于0号桥台右半幅，粉细砂与灰岩直接接触，灰岩溶蚀风化强烈，灰岩浅表部溶沟发育，下部溶洞发育。0号桥台右半幅岩溶发育。在勘探中，64%的钻孔在进入基岩或接近基岩面时出现漏浆、不返水现象。

桩基施工时，若不采取必要的工程处理措施，当灌注桩入岩后，孔内浆液混杂粉细砂沿溶蚀裂隙、溶沟汇入下部溶洞，致使粉细砂层内形成漏斗空腔，发生埋钻、垮孔、地面沉降等现象，为典型的砂层覆盖型岩溶地面塌陷［10-11］。

（2） B类潜在危险区。主要分布于0号桥台左半幅，基岩为灰岩、灰质白云岩，溶蚀风化类型以溶孔、溶缝为主，溶洞不发育，洞深一般小于0.5 m，且以全充填为主。基岩面以上一般被砾质黏土所覆盖，勘探钻进过程较平稳，岩芯较完整。冲击钻进入基岩后，少量浆液可能沿溶缝漏失到下部岩体中，发生漏浆现象。

（3） C类安全区。位于1号桥墩，基岩以灰质白云岩为主，溶蚀风化不强烈，偶有溶孔、溶缝，勘察钻进过程平稳，无漏浆现象，岩芯完整。因下部基岩无孔洞，上部的细粒土无运移通道，此类地基为安全区，采用常规的施工工艺处理即可。

综上分析，根据各个分区的地质结构特点，可预测潜在的岩溶塌陷风险。

4.2 工程处理措施

根据可溶岩地基分区情况，一定程度上能预测桩基施工中可能出现的问题，规避潜在的施工风险，并采取与之相适应的工艺、工程措施，降低施工成本并缩短工期。

（1） 地面塌陷。A类地基为易塌陷地层结构，当钻孔桩进入基岩面后，易发生泥浆突然下降情形，施工面临极大风险。采用常规回填、反复冲击的施工方式难以成孔，且会导致地面塌陷的范围进一步扩大。

工程设计时，A类地基区桩基需保证桩端以下3倍桩径及4 m深度范围内无溶洞。施工时，应编制专项施工方案，在桩基周边设置灌浆孔，对上部砂层进行压密灌浆，对下部溶洞、溶槽进行充填灌浆。

桩基施工应先采取超前钻孔分层注浆（或混凝土）充填溶洞，堵塞通道；然后采用护筒跟进，密封土岩接合面，同时选择合适的机械和恰当的工艺方法，尽量防止砂土漏失。宜采用大功率回转钻机成孔，遇空洞漏浆时采用冲击硾填黏土、片石，封闭后再回转钻进，尽量减少冲击振动。饱和砂土层内，地下水与江水联系密切，具有一定的承压性，需选择在水位相对稳定且水头较低的枯水季节施工，雨季江水水位波动幅度大，对结构稳定性不利。

（2） 漏浆。B类地基因基岩面上覆黏性土，减缓了泥浆渗流速度，发生地面塌陷的可能性较小。施工前需准备充足的片石、黏土、水泥等备料。桩基施工时，宜适当提高孔内泥浆的浓度，密切关注浆液面变化，若发生漏浆，立即提钻，及时向孔内回填备料堵漏，反复冲砸，重新成孔造壁。

5 结 论

（1） 溶蚀裂隙、溶沟、溶洞为上部粉细砂的流失提供了通道和场所，在厚层砂层覆盖的岩溶地区施工作业时，需采取工程措施保证施工安全，防止施工方法不当引发塌孔、卡钻及地面塌陷。

（2） 可溶巖区地质条件复杂，岩溶发育形态难以完全探明，桩基施工中存在众多不可控因素。因此，地质勘察尤为重要，桩基施工前宜布置先导孔，探明桩端下卧层的岩溶情况。按照规范对先导孔进行封孔，防止因为钻孔破坏地层结构造成不必要的损失。

（3） 桩基施工方案宜根据岩溶地基分类进行有针对性的设计，对A类危险区应予以特别关注，并合理安排施工顺序。宜先进行C类安全区施工，再进行B，A类区施工，使施工对岩土结构的影响尽可能降到最低。朱家河大桥桩基施工采用上述思路和措施，有效地控制了灌浆孔的区域和溶洞漏浆，加快了施工进度。

参考文献：

［1］ 徐卫国.试论岩溶矿区地面塌陷的真空吸蚀作用 ［J］.地质论评，1981，27（2）：174.

［2］ 范士凯.武汉（湖北）地区岩溶地面塌陷 ［J］.资源环境与工程，2006，20（增1）：608-616.

［3］ 殷美，任康进.武汉市某公路工程桩基施工引发岩溶地面塌陷形成机制及防治措施 ［J］.资源环境与工程，2013，27（2）：189-192.

［4］ 罗小杰.覆盖型岩溶地面塌陷防治与应急处置 ［J］.人民长江，2016，47（5）：38-44.

［5］ 白伟，宛良朋，王团乐.等 乌东德水电站左岸进水口边坡岩溶问题分析［J］.人民长江，2018，49（23）：74-78.

［6］ 陈永川，王雪波，季福全.岩溶地质缺陷分析与处理措施 ［J］.人民长江，2008，39（4）：22-25.

［7］ 长江勘测规划设计研究有限责任公司.武汉市汉口至阳逻江北快速路（江岸段、黄陂段）朱家河段工程地质勘察报告 ［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2017.

［8］ 王东升.滇东岩溶地区帷幕灌浆单位注灰量与单位透水率相關分析［J］.水利水电快报，2021，42（8）：67-72.

［9］ 罗小杰.也论覆盖型岩溶地面塌陷机理 ［J］.工程地质学报，2015，23（5）：886-895.

［10］ 陆平，陈亮.地铁盾构区间穿越砂层覆盖型岩溶处理措施研究 ［J］.人民长江，2016，47（10）：65-68.

［11］ 罗锐恒，刘天云，胡顺强，等.地球物理技术在岩溶水库渗漏通道识别中的应用［J］.人民长江，2022，53（7）：128-134.

（编辑：李 慧）

Abstract：

In the geological survey of the Zhujiahe Bridge from Hankou to Yangluo Jiangbei Expressway in Wuhan City，a serious of geological problems were detected，where the thick Quaternary fine sand directly covered the soluble rocky surface.The pile foundation construction and later bridge operation faced significant risk.By identifying the geotechnical structure and exploring the laws of karst development，this paper analyzed the mechanism of the construction that may result in leakage and karst ground collapse.The possible risk and its influential range in pile foundation construction was predicted，and the corresponding engineering treatment measures were proposed：for the section with fissure corrosion weathering，the conventional engineering measures such as improving mud concentration and preparing sufficient filling materials would be adopted；for the section with karst cave，it was necessary to use layered grouting，drilling with casing and other technological measures to cut off karst channel and prevent karst collapse.The result showed that the engineering measures could effectively control the grouting hole area and the leakage of karst cave，and speed up the construction progress.

Key words：

pile foundation construction； geotechnical structure； karst ground collapse； Quaternary fine sand； soluble rocky