灰岩区桩基溶洞处理施工技术研究

衣千

摘要：针对广佛肇高速公路桥梁桩基岩溶发育、施工难度大的现状,结合以往桥梁桩基溶洞处理的成功经验和失败教训，本文着重介绍桩基溶洞处理技术,并对处理后的效果进行总结。

关键词：桩基，溶洞处理，施工技术，处理原则总结

1工程概况

广佛肇高速公路位于灰岩地区，地质情况十分复杂，属于溶洞发育地区，规模较大，桥梁桩基施工过程中，遇到溶洞情况非常平常，作为地下隐蔽工程，给施工带来了很大的困难，如处理不当，往往会造成卡锤、埋锤、塌孔、断桩等事故发生，对桩基施工影响较大。广佛肇高速公路K2+900～K39+600段桥梁桩基总根数为2368根，溶洞地区桩基根数为2024根，因此桥梁桩基溶洞处理是本项目的重点、难点之一，也是影响本项目施工工期的关键。通过对广佛肇K2+900～K39+600段桥梁桩基溶洞处理施工方案进行探讨，为今后桥梁桩基溶洞施工提供参考依据。

2灰岩岩溶发育简述

溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果。石灰岩层是先决条件，石灰岩的主要成分是碳酸钙（CaCO3），在有水和二氧化碳时发生化学反应生碳酸氢成钙[Ca(HCO3)2]，後者可溶于水，当这种水在地下深处有一定压力时，溶解更甚。灰岩中的钙被水溶解带走，经过几十万、百万年甚至上千万年的沉积钙化，石灰岩地表就会形成溶沟、溶槽，地下就会形成空洞。

3溶洞分类

根据现有桩基地质钻探探明地质结构和溶洞发育情况及桩基施工记录，本项目现有已知溶洞分为如下类型：

1）按溶洞大小分

①大溶洞：溶洞高度≥5m；

②小溶洞：溶洞高度＜5m。

2）按溶洞填充状态分

①全填充溶洞：洞内完全充填卵石土、灰岩块、粘性土等，充填物呈硬塑、软塑、流塑状；

②半填充溶洞：洞内约一半有填充物，顶部为空腔；

③无填充溶洞：洞内无填充物即空洞（或土洞）。

3）按是否漏水分

①全漏水溶洞：严重漏水并与其它溶洞或地下河连通；

②半漏水溶洞：溶洞洞壁存在裂隙，有渗漏水现象；

③不漏水溶洞：溶洞完整，无渗漏水现象。

4）按溶洞垂向个数分

①单个溶洞：桩基范围内仅有一层溶洞；

②多层溶洞：桩基范围内有多层溶洞。

4灰岩溶洞对桩基施工的危害

根据灰岩岩溶发育的特性，溶洞在灰岩里的形状错综复杂，形态各异。桥梁桩基位于灰岩区，且将灰岩做为持力层的桩基施工而言，且对桩基的成桩质量和施工安全性有着很大的危害。

施工危害：

当钻孔遇溶时，孔内泥浆流失、水位下降，导致覆盖层坍塌，造成施工质量、安全事故。

5桩基施工遇溶洞处理措施

5.1常规溶洞处理工艺

对于地质勘探未发现明显的溶洞，只有裂隙发育，或单溶洞的高度H≤3.0m，或串珠状溶洞（总高度H≤5.0m）时，在开孔时，采用低冲程冲击（0.6～1.0m），待整个钻头全部、均衡的进入地层后，再采用大冲程（1.3m）、高频次冲孔。在覆盖层中冲孔时，使用低冲程（0.6～1.0m）。在冲孔过程中，应始终保持孔内泥浆面接近开孔护筒口或高出河水位1.5m～2.0m，掏渣后应及时补水，确保孔壁的稳定。经过开孔护筒底脚附近时，应先往桩孔内加入粘土，用小冲程反复冲击造浆，之后用小冲程慢慢冲进，以使护筒脚底下附进孔壁坚实，不坍不漏，必要时可重复回填，反复冲进2～3次。

为控制钻孔的垂直度，须常测孔斜情况，如超过标准，必须及时修孔，至合格后方可继续向下钻进。钻头修补后钻进，要缓慢下放钻头，钻头不能顺利下放时，采用小冲程冲击扫孔，时刻防止发生卡钻事故。钻头放至孔底，先采用小冲程钻进，10分钟后再利用大冲程正常钻进。

在钻进过程中，泥浆的性能指标要求为，泥浆相对密度：1.1～1.5，粘度：18s～28pa•s，泥浆含砂率：≤4％。

冲孔至离溶洞顶板1m左右时，加大泥浆比重，同时采用小冲程(高度应该控制在0.5～0.8m内)慢速冲进逐渐击穿顶盖，防止卡钻，要安排专人观测护筒内泥浆面的变化情况，一旦发现泥浆面下降应迅速提锤同时进行补浆及抛填片石粘土（抛填片石和粘土的使用量按照溶洞处理原则的规定取比例值）的混合料。然后采用低冲程慢冲挤压混合料，冲进过程中进尺不能大于12cm/小时，循环重复多次溶洞抛填和冲进，使其形成泥石孔壁稳定穿过溶洞区。

当溶洞内无充填或半充填，存在严重漏浆，护筒内水头高度不能保持时，可将片石、粘土按1:1（体积比）和整包水泥（水泥用量视现场情况按照溶洞处理原则适量添加）回填冲击，用0.5～0.8m小冲程，不循环泥浆干打几分钟，使回填物充分密实，再加浆提高水头到正常高度，等水泥初凝具有一定强度，将漏浆处堵住后，再使用小冲程继续钻进，形成人工泥石护壁。如此反复多次回填片石、粘土和整包水泥，反复冲击直至形成泥石护壁并不再漏浆为止。

5.2钢护筒跟进溶洞处理

对于地质查发现单溶洞的高度有H≥3m或串珠状溶洞（总高度5.0m＜H）无充填或半填充溶洞时，或危险性特别高的区域的桩基施工的，可采用钢护筒跟进的施工方法处理溶洞。钢护筒跟进施工的钢护筒是指在在冲孔过程中，冲孔达到下护筒的设计标高后，利用起吊设备将护筒分节下放，每节护筒的对接采用焊接法连接，护筒下放到设计标高后再继续冲孔并完成桩基成孔的施工方法。钢护筒跟进施工方法的钢护不包括开口护筒。

钢护筒跟进施工主要作法有两种，第一种是钢护筒跟进穿过不良地质覆盖层，进入地质稳定的覆盖层或到达岩面，钢护筒未穿过溶洞。其目的是：防止贯通溶槽或溶洞的漏浆而造成不良地质覆盖层的塌孔，通过下置钢护筒对不良地质覆盖层起到支撑的作用，即可顺利穿越溶槽或溶洞至设计桩底标高，达到顺利终孔的要求；同时避免砼超灌甚至无法灌注至设计桩顶标高等情况；第二种是钢护筒跟进穿过溶洞，进入岩层。其目的是：防止冲桩施工穿过贯通溶洞腔冲击嵌岩桩嵌岩部分时出现孔井偏移、孔内无泥浆无法冲进，桩基混凝土灌注施工时在贯通溶洞腔内出现混凝土灌不满，造成断桩甚至无法成桩等情况，同时兼顾第一种钢护筒跟进的作用，对覆盖层起到支撑，避免混凝土在覆盖层中出超灌的情况。

根据本方案的编制依据，钢护筒的跟进为一般采用一层钢护筒跟进，遇到岩溶发育复杂的特殊地质或者具有特殊要求的部分情况时，需要采用双层或多层钢护筒跟进施工方法。

钢护筒跟进施工以防止冲桩过程中因溶洞漏将，泥浆液面下降导致塌孔的实例，如下图：

高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水（空气）成为20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。

根据计算所需的喷浆量和设计的水灰比，即可确定水泥的使用数量。

人造持力层处理溶洞

先在需加固的建筑基桩桩内进行施工补强钻孔；然后于钻孔内置入喷射管至持力层溶洞范围段底部，采用高压水（25MPa以上）进行冲击切割，破坏溶洞中的充填物；经过多次清水反复切割清洗后，由孔底自下而上采用高压水泥浆旋喷注浆，使水泥浆与溶洞内清洗遗留的粗硬颗粒充分搅拌混合；然后注入浓水泥浆；最后再进行孔口挤压浆，凝固后固结体与持力岩层形成完整的持力层并达到相应的承载力，从而达到持力层内溶洞处理补强的目的。

补强钻孔布设。例如桩径为1.5m，桩内布孔为4个，见图3

6溶洞处理原则总结

为防止溶洞漏浆造成塌孔现象，危及水中施工平台及人员的安全，在冲桩施工过程中穿过溶洞区段时出现意外事故，混凝土灌注时出现严重超方，无法灌满的事故，针对于本段灰岩区岩溶发育的复杂情况，结合目前已处理情况，对本项目桥梁桩基溶洞处理原则如下：

桩基施工溶洞处理中，桩基直径为D、桩基长度为L、单个溶洞高度H、护筒内径d、护筒壁厚δ，护筒长度ι；

1、在钻探、管波未发现明显的溶洞，只有裂隙发育，或单溶洞的高度H≤3.0m，或串珠状溶洞（总高度H≤5.0m）时，桩基施工采用抛填适量低强度的片石、黏土块（比例根据实际情况定）和低标号袋装水泥后冲击（低锤慢冲、约0.8m的冲程、均匀进尺）、挤压形成护壁防泥浆渗漏成孔。具体如下：

1.1、钻探、管波未发现明显的溶洞、只有裂隙发育时，抛填适量低强度的片石、黏土块（比例：3：7）和低标号袋装水泥（尽量少用或不用）；片石、黏土量按填满设计桩孔体积循环1次算（每次循环的高度按裂隙发育段H+1m），水泥按设计桩孔体积不大于100kg/m3算。

1.2、单溶洞的高度H≤3.0m或串珠状溶洞（总高度H≤5.0m）时，采用抛填适量低强度的片石、黏土块（比例：原则上无填充3：2，半填充和全填充根据充填物的特性确定）和低标号袋装水泥（尽量少用或不用），循环复冲次数按无填充与半填充为复冲3次、全填充为复冲1次处理（每次循环的高度按溶洞发育段H+2m），水泥按设计桩孔体积及循环次数不大于100kg/m3算。

1.3、溶岩发育情况如“1.1或1.2”所述，覆盖层为砂砾层或淤泥层，层厚大于10.0m时，采用钢护筒穿过砂砾层或淤泥层并至层底下1.0m锁口，其余按“1.1或1.2”施工。

2、单溶洞的高度3.0m＜H≤5.0m或串珠状溶洞（总高度5.0m＜H≤10.0m）时，方案具体如下：

2.1、溶洞为无填充或半填充物溶洞，若覆盖层较厚、稳定性较差时，采用单层钢护筒穿过不良地质层，再进入稳定层1.0m～2.0m，溶洞段冲孔时未跟上钢护筒前按“方案1”处理，片石：粘土＝1：1，循环次数可为3次。

2.2、全填充溶洞按“方案1”处理，冲孔循环次数视填充物的性质及密实情况可为2次。

3、当单溶洞的高度5.0m＜H≤10.0m或串珠状溶洞（总高度10.0m＜H≤20.0m）时，方案具体如下：

3.1、溶洞无填充，原则上采用单层（必要时双层）钢护筒穿越溶洞处理，冲孔时未跟上钢护筒前按“方案1”处理，片石：粘土＝1：1，循环次数可为2～3次。

3.2、溶洞半填充，采用单层钢护筒穿越溶洞处理，冲孔时未跟上钢护筒前按“方案1”处理，片石：粘土＝1：1，循环次数可为2～3次。

3.3、溶洞全填充，按“方案1”处理，冲孔循环次数视填充物的性质及密实情况可为2～3次。

4、当单溶洞的高度H＞10.0m或串珠状溶洞（总高度H＞20.0m）时，采用钢护筒穿越，具体如下：

4.1、溶洞无填充，采用2～3层钢护筒穿越处理（根据覆盖层厚度及稳定性确定），每层钢护筒直径应相差20㎝～30㎝，冲孔时未跟上钢护筒前按“方案1”处理，片石：粘土＝1：1，循环次数可为3次。

4.2、溶洞半填充，采用双层钢护筒穿越处理（根据覆盖层厚度及稳定性确定），2层钢护筒直径应相差20㎝～30㎝，冲孔时未跟上钢护筒前按“方案1”处理，片石：粘土＝1：1，循环次数可为2次。

4.3、溶洞全填充，按“方案1”处理，冲孔循环次数视填充物的性质及密实情况可为3次。

5、预处理措施。当基桩位于重要河堤两侧、重要建筑物旁、铁路路基两侧等敏感区域，或桩长超过60.0m，或大跨径的主墩桩时，根据溶洞大小、有无填充物、填充物的密实程度、覆盖层厚度、覆盖层地质特征等情况，桩周可先采用高压旋喷注浆帷幕、溶洞段回填低标号（C15）混凝土或水泥砂浆预处理，后按“方案1～4”原则处理，如再不能成孔或遇超大溶洞，再召开专题会处理。

6、设计处理。对于超大溶洞或溶洞群，或地层岩溶发达，桩基过长都找不到持力层，可通过设计采用小直径群桩基础或加大桩径减少桩长以避让；各种办法均不凑效时，可对溶洞内部采用压浆、旋喷等措施进行加固处理或形成人工持力层。

7、根据每根桩的地质钻探、管波、CT成果资料和填充情况，进行技术经济方案比选，灵活应用上述处理方案，制定具体桩基溶洞的综合处理方案、成孔方法及施工安全措施。

8、工程量计算原则

8.1、钢护筒使用量计算方式：

护筒的使用量根据地质情况和溶洞情况确定，或按桩顶至溶洞底或淤泥层或砂砾层底+（1.0～2.0m）计算，钢护筒内直径d大于桩径20㎝～30㎝（即一层钢护筒跟进时护筒内径为d=D+0.2m；N层钢护筒跟进时护筒内径为d=D+0.2Nm），钢板厚根据钢护筒直径、长度采用6㎜～12㎜。

8.2、溶洞抛填数量计算方式：

对于单个全充填的溶洞，按桩径2D×（洞高+2m）的圆柱体体积来计算抛填片石粘土的工程量（如下图3-1），即抛填体积V=πD²(H+2)；

B、对于半充填或填充物为淤泥状物体的溶洞，抛填片石粘土的工程量按圆台体积计算（如下图3-2）加溶洞顶板往上2.0m的桩孔体积，溶洞为半填充时台体顶面直径为桩径D＋1.2m，锥体坡度为1:1.25，高度为溶洞高H，即抛填体积V=πH[(1.2+D+2.5H)²+(1.2+D+2.5H)×(1.2+D)+(1.2+D)²]/3+πD²/2

D、串珠状溶洞按分开的洞体分别计算。

8.3、溶洞抛填复冲计算方式：

溶洞抛填复冲高度等同回填高度，复冲次数等同抛填循环次数。

结语

实践证明，针对岩溶地区桩基溶洞处理，需根据每根桩的地质钻探、管波、CT成果资料和填充情况，进行技术经济方案比选，灵活应用上述处理方案，制定具体桩基溶洞的综合处理方案、成孔方法及施工安全措施。

广佛肇K2+900～K39+600段桥梁桩基已全部完成，所有溶洞桩基都已通过检测，通过选择合适的桩基溶洞处理施工工艺和可行的技术措施施工，确保了在复杂的地质条件下桩基溶洞处理取得成功，使广佛肇高速公路项目整体质量和工期得到了保证。

参考文献

[1]卢兴晨.浅谈桥梁钻孔桩施工过程中的溶洞处理[A].山西,山西建筑出版社，2010.

[2]于明远，陈守辉，许陆生岩溶地区钻(冲)孔灌注桩的溶洞处理技术[A].广东：广东土木与建筑出版社，2009.