复杂不良地质条件下的公路桥梁桩基施工技术

祝俊宝

（承德盛达高速公路养护有限公司，河北承德 067000）

0 引言

在公路桥梁的施工过程中，会遇到溶洞或地下暗河等不良地质情况，对施工难度提出了更高的要求。溶洞主要是由地下水与地表水对可溶性岩石溶蚀与沉淀，侵蚀与沉积，以及重力崩塌、坍塌、堆积等作用形成[1]。在伴有溶洞或暗河等不良地质条件的区域进行公路桥梁桩基施工，需要根据有无地下水分为干混凝土灌注桩和水下混凝土灌注桩两种不同的施工工艺[2]。其中有地下水工况，使用泥浆护壁成孔工艺时，存在桩基孔进入地下河的情况，导致实际现场成孔困难，进行水下混凝土灌注时容易出现塌孔、断桩的情况[3]。

1 项目概况

某公路工程位于河北省内，公路沿线有多处桥梁，桥梁基础采用钻孔灌注桩基础，其中某处桥梁采用的桩基直径1.2 m的40 根，直径1.5 m 的106 根，直径1.8 m 的77 根，直径2.0 m的90 根，共计桩基313 根。根据现场施工情况统计以及专业地下水勘察发现，该桩基下面共存在2 条暗河并在此处交汇，还伴随有溶洞等不良地质。

2 项目地质情况

该公路桥梁地层岩性由上至下主要为第四系残坡积粉质黏土、冲洪积黏土及石炭系强～中风化灰岩。其中强～中风化灰岩为该区主要地层，中风化灰岩承载力较高，设计为桩基础的持力层。桥址区未发现断裂构造，岩层总体倾向南，产状为75°∠15°，为单斜构造。根据《中国地震动峰值加速度区划图》及GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》中的说明，拟建线路沿线地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为0.35 s，相当于地震基本烈度为Ⅵ度[4]。根据地质调绘资料表明，桥址区无地表水发育，勘察范围内未见地下水发育。但桥址区发育有大量可溶性碳酸盐岩类地层，岩性为灰岩，在水的冲蚀作用下，易形成溶洞，对桥梁的基础有一定的影响。据试验资料，地表土、地表水和地下水对混凝土及混凝土结构中的钢结构具微腐蚀性。

3 桩基成孔工艺

项目设计图纸推荐利用旋挖钻机进行桩基成孔施工。但根据设计图纸地质情况描述，中风化灰岩钻芯强度可达到70～80 MPa，最大为103.5 MPa，旋挖钻施工易出现无法钻进的情况，入岩后钻头磨损严重。桩基入岩后存在较多溶洞，旋挖钻施工出现卡钻、埋钻及偏孔的现象，施工处理难度大，影响整体桩基施工进度。在岩溶发育区，旋挖钻施工时自给泥浆护壁能力较冲击钻差，易出现塌孔的现象，无法保证桩基成桩质量。

结合现场实际情况及桩基施工经验，该项目最终使用冲击钻成孔施工工艺。冲击钻施工适应性高，施工过程中泥浆护壁能力强，出现塌孔的现象较少，并能很好地处理中、小型溶洞。在出现卡锤现象时，吊车可进行上下提拉并进行轻微振动，使锤头与孔壁产生缝隙后将锤头吊出，保证桩基顺利成孔。

4 不良地质条件下的钻进成孔处理方式

地下暗河环境伴随有溶洞等不良地质，导致泥浆泄漏，无法形成钻孔施工所需稳定水头。地下暗河水进入桩基孔内，造成塌陷，该项目在施工中遇到地表塌陷。为保证顺利钻进成孔，根据不同地质情况，采用以下3 种处理方式。

4.1 片石黏土筑壁法

在溶洞内无充填或半充填，溶洞不太大（在3 m3以内），但存在严重漏水或半漏水，护筒内水头高度不能保持时，可用片石加黏土（按1∶1 体积比）回填冲击使其形成泥石护壁[5]。如片石黏土筑壁法效果较差，部分溶洞位置需进行反复冲击造壁，过程中可同步回填水泥或素混凝土，保证护壁效果满足施工要求。

4.2 钢护筒跟进法

在溶洞较大、洞内无充填物或有流塑充填物、漏水很严重、片石加黏土反复打密仍无法形成泥石护壁时，可增加钢护筒跟进法施工[6]。钢护筒钢板由20 mm 厚的Q235 钢材组成，分段接长、分段振沉。钢护筒上、下口各设置30 cm 宽、12 mm 厚加劲箍，以便钢护筒振设施工。

为减少钢护筒的用量，以双层钢护筒护壁的方式进行桩基成孔。设置双钢护筒，在钻进至强风化岩层位置处时，打入外层钢护筒至入岩位置以保证覆盖土层的稳定，避免覆盖土层出现塌孔现象[7]。护筒为直径比设计桩径大20 cm 的壁厚2 cm 的钢板加工而成，在后续内层钢护筒下放预留足够空间。遇溶洞漏浆后不再用泥浆护壁钻进，而采用清水钻进的工艺配合掏渣桶施工的方法成桩。此阶段不再处理溶洞，仅保证孔内液面高于冲击钻冲程，利用地下水进行冲击钻锤头的润滑和降温。桩基成孔后下放内钢护筒，内钢护筒分为2 节，底节钢护筒高度为入岩深度+1.0 m，最上一节护筒与底节护筒通过限位连接钢板临时连接，在桩基灌注完成后混凝土初凝前，拔除外护筒及顶节护筒周转使用。

4.3 清水钻孔施工

根据地勘以及设计图纸，溶洞均出现在强风化及中风化岩层之中，地表覆盖层则无溶洞情况。因此，在桩基钻进施工过程中，顶部覆盖层仍由泥浆护壁方式进行钻进施工，确保孔壁施工质量，不出现塌孔等情况。进入岩层后，如出现溶洞导致漏浆后不再进行泥浆补充，岩层相对较稳定，不再出现塌孔等情况，使用清水钻孔施工工艺，钻渣采用掏渣筒进行清理。以减少桩基回填复钻施工，保证桩基施工进度并降低施工成本。

岩溶区域地质构造复杂，溶洞形态千差万别，对桥梁安全性的影响程度不同，对其处理的方法也应有所不同，给桥梁桩基施工带来了很大困难。施工中事故多、进度慢、成本高。因此，施工前应熟悉地质报告，掌握溶洞所在位置、大小、有无充填物、是否漏水等影响施工的因素，确定每根桩的施工方案。

5 水下混凝土灌注施工

5.1 混凝土配合比设计

该公路桥梁桩基混凝土为C30 水下混凝土，结合项目桩基施工环境，对桩基混凝土的配合比进行优化调整。与常规位置同标号混凝土相比，主要是增加胶凝材料以及加大混凝土的坍落度，实际使用桩基C30 水下混凝土与其他部位常规C30 混凝土设计配合比见表1。

表1 C30 混凝土设计配合比

在混凝土配合比设计阶段，主要通过试配确认混凝土最佳配合比。桩基水下混凝土增大胶凝材料主要是因为桩基混凝土浇筑完成后无法进行养生，需确保混凝土强度满足要求。桩基进行水下混凝土灌注施工时，为防止堵管、爆管引起的桩基质量事故，水下混凝土坍落度较常规位置的混凝土大，故现场要严格控制混凝土坍落度，并进行现场试验。

5.2 护筒埋设

护筒由厚度为4 mm 的钢板加工而成。钻孔时为避免护筒发生变形，应对护筒实时补强加固，以有效增强护筒刚度和抗压性能。此外，护筒安装时，应确保轴线与桩位中心对称，并严格控制护筒埋置深度，确保处于100～120 cm。护筒顶部应高出地面40 cm，并严格控制垂直度，确保轴向倾角不得超过1°。

5.3 钻机就位

护筒安装完毕，应按照桩基设计图纸，进行钻机安放，并严格控制钻机垂直度。钻孔过程中，通过吊坠实时检测倾斜度，保证钻杆、钻孔位置准确，且位于同一垂线上。此外，还应在钻机底部设置垫木，避免钻机发生倾倒、塌孔现象。工作中实时掌控钻孔频率及强度，确保钻机坚实稳定。

5.4 复合式护壁结构

泥浆护壁钻孔完成的桩基以及钢护筒跟进的桩基，常规的水下混凝土灌注施工工艺即可满足施工要求。清水钻施工时，由于无泥浆护壁，暗河流动造成颗粒搬运，无法形成稳定的水下环境进行桩基混凝土灌注施工。为保证桩基混凝土顺利灌注，防止出现桩基夹泥、断桩的质量事故，减少施工成本投入，考虑复合式护壁结构进行桩基混凝土灌注施工。

5.5 混凝土灌注

桩基混凝土均使用导管进行水下混凝土灌注施工。首先根据桩径、桩长、导管直径以及泥浆或水的容重参数等计算出首批混凝土所需用量，然后配置足够容量的料斗及首罐混凝土，确保首批混凝土能够保证导管埋置深度不小于1 m。首批混凝土灌注完成后，紧接着进行剩余混凝土的灌注，不得中断。根据灌注混凝土量检查孔内混凝土面上升情况，用以指导调整导管埋深，保证导管埋深满足规范要求。混凝土灌注过程中，需对钢筋笼临时固定，防止混凝土灌注过程中钢筋笼出现上浮的情况。为保证桩基成桩施工质量，需对桩基混凝土进行超灌，超灌高度控制在0.8～1 m。

6 成桩检测

桩基钢筋笼加工过程中，按照要求设置声测管，在混凝土浇筑完成并达到规范要求强度后，对桩基进行超声波无损检测，主要判断其桩身完整性。对于桩身存在的缺陷，应判明其存在的问题、具体位置和对桩身完整性的影响。对于影响成桩质量的位置，需采取可靠措施进行处理，确保桩身完整性。该公路桥梁桩基，经过质量检测，桩身完整，全部合格。

7 结束语

该公路桥梁不良地质条件下伴有溶洞和地下暗河，其中地下暗河的流水搬迁和流动作用，使得地下暗河环境桩基施工极为困难。针对地下环境复杂的工况，可靠的施工工艺确保桩基成孔及混凝土灌注施工质量必不可少。本文所述的成孔方式可加快成桩速度，复合式护壁结构不仅能确保桩基混凝土灌注施工质量，也可减少相关成本投入，为同类型复杂不良地质情况系的桩基施工提供参考经验。