巖溶地質(zhì)條件下樁基施工探討

馬鈺

摘 要：橋梁樁基作為地下隱蔽工程，在喀斯特地貌的施工中，遇到溶洞是非常普遍的。施工中如果處理不當(dāng)，會(huì)造成漏漿、卡錘、埋錘和塌孔等事故的發(fā)生，使工程質(zhì)量難以控制，不僅給施工帶來(lái)很大困難，還會(huì)威脅到通車后橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。因而，在充分了解橋梁孔樁施工遇到的溶洞的基本形態(tài)、規(guī)模大小、巖層結(jié)構(gòu)和洞內(nèi)充填物形狀等資料后，采取有效的防范和處理措施，可防止施工事故發(fā)生，有利于節(jié)約施工成本，提高施工效率。

關(guān)鍵詞：橋梁樁基；溶洞；施工方案；處理措施

中圖分類號(hào)：U443.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）02-0065-03

黔桂鐵路擴(kuò)能改造工程位于貴州省黔東南州境內(nèi)，管段內(nèi)主要為喀斯特地貌，成因上表現(xiàn)為以巖溶作用為主導(dǎo)的溶蝕地貌系列，不良地質(zhì)主要為灰?guī)r和泥灰?guī)r中的發(fā)育巖溶。如果在鉆孔施工過(guò)程中發(fā)生漏漿、卡錘、埋錘和塌孔等事故，不僅會(huì)增加施工的難度，而且還會(huì)影響工程進(jìn)度。針對(duì)施工中出現(xiàn)的各種事故，總結(jié)對(duì)于溶洞的處理方法，對(duì)以后提高工程質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 溶洞形態(tài)和特征

根據(jù)勘察報(bào)告和樁孔的超前鉆探資料可知，黔東南地區(qū)為典型侵蝕地貌系列和以巖溶作用為主導(dǎo)的溶蝕地貌，地質(zhì)條件復(fù)雜，溶溝、漏斗、水溶洞、落水洞、空溶洞和地下暗河發(fā)育，多層溶洞分布在不同地層。當(dāng)鉆孔樁需要穿越溶洞時(shí)，成孔難度大，混凝土澆筑過(guò)程無(wú)法控制，極易形成斷樁，無(wú)法保證成樁和樁體的質(zhì)量。特別是位于溶洞邊緣位置的孔樁，穿過(guò)溶洞后基巖面成傾斜狀，當(dāng)傾斜角度較大時(shí)，孔樁施工中的鉆機(jī)鉆頭或沖錘會(huì)單側(cè)受力，沿傾斜巖面一側(cè)滑移，容易造成偏孔或卡鉆等現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，溶洞為空溶洞或水溶洞時(shí)常常與地下暗河相連，會(huì)出現(xiàn)漏水、漏漿的現(xiàn)象，造成附近水源污染。根據(jù)以上溶洞發(fā)育特征、分布、大小和填充情況分析，主要有填充型溶洞、無(wú)填充型溶洞、連通性好的溶洞和連通性差的溶洞這幾類。

2 溶洞地段的施工方案和工藝

2.1 施工方案的選擇

由于溶洞范圍較大、厚度較深，當(dāng)采用挖孔樁施工時(shí)，如果沒(méi)有可靠的措施就進(jìn)行穿越，極易造成坍孔，還極易發(fā)生人身傷亡事故，并且挖孔樁作為落后的施工工藝，已經(jīng)逐步被現(xiàn)場(chǎng)施工所淘汰，所以，挖孔的方案被否定。因此，在巖溶地區(qū)應(yīng)先考慮采用沖擊成孔的施工工藝。沖擊成孔是在泥漿護(hù)壁條件下靠重錘下落重力沖擊成孔，其特點(diǎn)是沖錘下落沖擊力大，下落高度可控，發(fā)生塌孔、漏漿等問(wèn)題時(shí)可快速提鉆至孔口以上，避免埋錘事故。雖然在處理傾斜巖面、土層探頭石等特殊地質(zhì)情況時(shí)，會(huì)存在一定困難，但采取片石回填、水下爆破等有效措施后，便能夠達(dá)到施工要求。所以，沖擊成孔是處理巖溶地質(zhì)條件孔樁施工的最優(yōu)方案。

2.2 施工準(zhǔn)備

2.2.1 鉆孔前的準(zhǔn)備工作

在施工前，技術(shù)人員應(yīng)列出每個(gè)孔位的地質(zhì)柱狀圖，包括溶洞的大小、位置、填充情況、頂板厚度、是否存在易塌孔地層等，為每個(gè)樁制訂出相應(yīng)的地表加固、溶洞處理方案和鉆孔方法，還應(yīng)做好溶洞地質(zhì)處理的材料備料工作，在現(xiàn)場(chǎng)附近設(shè)置場(chǎng)地，準(zhǔn)備足夠的片石、黏土、袋裝水泥等材料。同時(shí)，應(yīng)充分準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)所需的機(jī)械設(shè)備，例如挖掘機(jī)、水泵等應(yīng)提前準(zhǔn)備好。根據(jù)溶洞的大小配置備用泥漿池、排水溝、泥漿泵，如果樁孔漏漿，可以馬上進(jìn)行補(bǔ)漿。

2.2.2 鉆機(jī)就位處理

鉆機(jī)安裝就位前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際需要平整場(chǎng)地，并對(duì)鉆機(jī)就位的位置進(jìn)行有效加固，防止鉆機(jī)因震動(dòng)或受力產(chǎn)生傾斜或移動(dòng)，保證成孔位置的精度和垂直精度的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在鉆進(jìn)工作中，要經(jīng)常校核鉆機(jī)位置和鉆桿的垂直度等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)校正。

2.2.3 采取跳樁施工工序

鉆孔樁混凝土灌注樁是先由沖擊錘頭沖擊成孔，然后利用導(dǎo)管灌注水下混凝土成樁。在成孔過(guò)程中，周圍土體對(duì)樁身產(chǎn)生側(cè)向的土壓力，特別是入巖前的土層標(biāo)高，受土的壓力和沖擊震動(dòng)影響，易產(chǎn)生坍塌或縮孔的現(xiàn)象。在鉆孔樁成孔過(guò)程中，它是依靠孔樁內(nèi)泥漿產(chǎn)生的側(cè)向壓力來(lái)平衡周圍土體側(cè)向壓力的，這樣可以維持平衡，防止塌孔。當(dāng)連續(xù)作業(yè)或多臺(tái)鉆機(jī)在一個(gè)承臺(tái)區(qū)域內(nèi)同時(shí)作業(yè)時(shí)，采用跳樁施工可以有效防止沖擊震動(dòng)對(duì)這種受力平衡的干擾，減小對(duì)已經(jīng)灌注但未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的樁體混凝土的干擾，同時(shí)也可以防止孔樁在溶洞位置形成聯(lián)通現(xiàn)象，避免在成樁灌注過(guò)程中出現(xiàn)“竄孔”。

2.2.4 鋼護(hù)筒使用

在施工過(guò)程中，考慮到成本因素，所以對(duì)高度小或?yàn)橥临|(zhì)填充物的溶洞采用埋設(shè)2～4 m的鋼護(hù)筒圍護(hù)孔口，防止土層地質(zhì)坍塌；對(duì)發(fā)育規(guī)模大、層數(shù)多、溶洞內(nèi)填充物性能差和存在暗河等特大型的溶洞，要考慮采用整體鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工的方法。

2.2.5 樁位測(cè)設(shè)

采用全站儀對(duì)孔樁定位后，在孔樁直徑外設(shè)置外引控制樁，用于護(hù)筒埋設(shè)和施工過(guò)程中的復(fù)核。機(jī)械配合開挖后埋設(shè)鋼護(hù)筒，并在埋設(shè)完成后復(fù)核護(hù)筒的位置，對(duì)護(hù)筒周圍進(jìn)行夯填，避免鋼護(hù)筒移位。鉆孔時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)護(hù)樁的管理，嚴(yán)格控制群樁中心平面位置，位置偏差不得大于5 cm。

2.2.6 泥漿比重控制

根據(jù)測(cè)量結(jié)果隨時(shí)調(diào)節(jié)泥漿比重，合適的泥漿比重能夠保證落錘速度和循環(huán)清渣的需要，同時(shí)又能通過(guò)適當(dāng)?shù)哪酀{側(cè)壓力防止塌孔。在易塌地層或填充物溶洞鉆進(jìn)時(shí)，可提高泥漿比重，降低提錘高度，減小震動(dòng)干擾，放緩成孔速度，必要時(shí)應(yīng)回填片石或混凝土，沖平后再進(jìn)行鉆進(jìn)，以確保孔壁的穩(wěn)定。

3 溶洞的處理方法

3.1 小型溶洞的處理

對(duì)于普通溶洞一般采用沖擊成孔方案。

對(duì)于鉆孔中遇到的小型溶洞，鉆孔接近溶洞頂以前，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘探資料所揭示的溶洞大小和充填情況，準(zhǔn)備足夠的片石、黏土、袋裝水泥和直徑為10～20 cm小片石，同時(shí)要有足夠的供水設(shè)備（例如水泵、泥漿泵等）和水源或泥漿。

當(dāng)沖孔深度到達(dá)溶洞頂標(biāo)高附近時(shí)，由于溶洞頂部巖層呈不規(guī)則狀，巖石強(qiáng)度不一，破碎程度不確定，極易導(dǎo)致巖層受沖擊力的影響，突然出現(xiàn)破裂、塌落，造成卡鉆、鉆機(jī)傾覆等問(wèn)題，因此，在鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中要及時(shí)收集孔樁出渣，根據(jù)出渣情況核對(duì)地質(zhì)，利用測(cè)繩等工具精確計(jì)算鉆進(jìn)深度和孔底標(biāo)高。根據(jù)設(shè)計(jì)地勘的詳細(xì)地質(zhì)資料可知，在沖擊成孔至溶洞頂面1 m標(biāo)高時(shí)，要及時(shí)調(diào)整沖擊鉆機(jī)沖程，減小提錘高度，利用小沖程緩慢鉆進(jìn)，防止因溶洞頂面剩余巖層厚度薄、受到的沖擊力過(guò)大導(dǎo)致巖面破裂、塌落，發(fā)生卡鉆。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)落錘時(shí)主繩擺動(dòng)幅度加大，落錘后主繩偏離孔口中心，則需注意孔樁內(nèi)泥漿稠度、顏色、出渣和其他情況。當(dāng)孔樁內(nèi)泥漿稠度、顏色發(fā)生變化或泥漿標(biāo)高下降時(shí)，說(shuō)明溶洞頂面巖石已經(jīng)被擊穿，錘頭進(jìn)入了溶洞。錘頭進(jìn)入溶洞標(biāo)高后如果發(fā)生偏孔現(xiàn)象，則按3∶7的比例回填片石和黏土至偏孔位置1 m以上，重復(fù)鉆進(jìn)。如果一次無(wú)法糾正，就按照此方法反復(fù)進(jìn)行，直到完全糾正偏孔情況為止。對(duì)于反復(fù)回填糾正仍無(wú)法解決偏孔現(xiàn)象時(shí)，需進(jìn)行孔樁內(nèi)水下爆破或在清孔后對(duì)偏孔位置灌注水下混凝土，等到水下混凝土達(dá)到要求強(qiáng)度后，再重新鉆進(jìn)來(lái)解決偏孔問(wèn)題。

通過(guò)無(wú)填充物溶洞時(shí)，孔內(nèi)泥漿在落錘的同時(shí)會(huì)發(fā)生孔內(nèi)泥漿面快速下降或完全泄漏，此時(shí)應(yīng)拋填片石和黏土混合物或袋裝混合料，加大泥漿比重，選用小沖程進(jìn)尺，通過(guò)沖擊、擠壓等作用力在孔樁周圍形成泥結(jié)石孔壁。對(duì)仍然繼續(xù)漏漿，沒(méi)有一次形成完整護(hù)壁的孔樁，需繼續(xù)拋片石、黏土、袋裝水泥等材料，重復(fù)以上操作，直到不漏漿為止。通過(guò)回填在空溶洞內(nèi)較松散的錐形堆積體和沖擊、擠壓形成的泥結(jié)石護(hù)壁來(lái)堵塞溶洞通道，使孔樁順利通過(guò)溶洞。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知，在鉆進(jìn)達(dá)到溶洞底標(biāo)高時(shí)，發(fā)現(xiàn)同樣沖程，鉆機(jī)鉆進(jìn)速度明顯降低，震動(dòng)加大，且當(dāng)繩擺動(dòng)有所加大時(shí)，則說(shuō)明已鉆進(jìn)到溶洞底板。溶洞為地下水長(zhǎng)期溶蝕形成，穿過(guò)溶洞后，下巖石面多為傾斜狀，且?guī)r石強(qiáng)度不均勻，軟硬不一，容易發(fā)生孔位向地質(zhì)較軟一側(cè)傾斜或錘頭側(cè)滑無(wú)法成孔等情況，發(fā)現(xiàn)沖錘到達(dá)溶洞底面后，應(yīng)及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)沖程，改用小沖程鉆進(jìn)，并隨時(shí)檢查是否發(fā)生偏孔問(wèn)題。在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)注意觀察鋼絲繩的位置變化、渣樣的變化和錘頭的磨損情況，當(dāng)主繩擺動(dòng)幅度加大，主繩偏離樁孔設(shè)計(jì)中心時(shí)，就表明發(fā)生偏孔現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)偏孔應(yīng)立即停止沖擊鉆進(jìn)，同樣采回填片石、黏土并重復(fù)鉆進(jìn)的方式糾偏。無(wú)法通過(guò)片石、黏土回填糾偏的，應(yīng)對(duì)偏空位置灌注水下混凝土進(jìn)行糾偏；一次無(wú)法糾正的要重復(fù)回填鉆進(jìn)，慢慢糾正陡斜巖面，直到整個(gè)沖錘底部完全進(jìn)入巖面，才可恢復(fù)正常鉆進(jìn)速度。

穿過(guò)溶洞后，因?yàn)槿芏炊嗍峭ㄟ^(guò)擠壓形成的泥石孔壁，受到震動(dòng)容易發(fā)生坍塌、漏漿等常見(jiàn)情況，塌落的片石可能會(huì)滑落到孔樁內(nèi)，在再次提錘的過(guò)程中就會(huì)被巖石卡住，出現(xiàn)埋錘的情況。在穿過(guò)溶洞后的鉆孔過(guò)程中，要盡量采用小沖程沖擊，密切觀察孔樁內(nèi)的泥漿變化，一旦發(fā)現(xiàn)漏漿或異常情況，要馬上提錘到孔口，采取回片石、黏土和袋裝混合料等至溶洞頂面標(biāo)高以上，重復(fù)沖擊，在溶洞位置形成新的泥結(jié)石護(hù)壁，之后再繼續(xù)鉆進(jìn)。

在有淺埋巖溶地層或存在地面塌陷隱患的位置施工樁孔時(shí)，應(yīng)先采取水泥砂漿注漿回填，采用開挖、回填等措施加固后再進(jìn)行鉆孔施工。

有特殊情況的孔樁位于溶洞邊緣，孔樁穿過(guò)溶洞時(shí)為半邊巖石、半邊填充物或空溶洞時(shí)，應(yīng)采用探孔爆破的方法。在孔樁標(biāo)高到達(dá)溶洞部位后，靠近溶洞邊緣一側(cè)的采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，孔深控制在1 m，將乳化炸藥放在地質(zhì)鉆護(hù)筒內(nèi)吊入孔底，實(shí)施水下爆破，以松動(dòng)溶洞壁巖石。之后與正常穿過(guò)溶洞的步驟一樣，回填片石、黏土，反復(fù)沖擊穿過(guò)溶洞。當(dāng)一次爆破無(wú)法穿過(guò)時(shí)，可重復(fù)爆破。

3.2 大型或特殊溶洞的處理

對(duì)于溶洞發(fā)育規(guī)模大、層數(shù)多、溶洞內(nèi)填充物性能差和存在暗河等的特大型溶洞，無(wú)法采用取片石加黏土擠壓形成護(hù)壁孔樁的方法，要采用整樁鋼護(hù)筒跟進(jìn)的方法。該方法費(fèi)用較高，需要多臺(tái)施工機(jī)械配合，且施工進(jìn)度慢，所以只有在普通方法無(wú)法處理時(shí)才使用。此方法就是在沖擊成孔的同時(shí)，在孔樁內(nèi)沉入鋼護(hù)筒，利用鋼護(hù)筒在溶洞的位置形成鋼護(hù)筒護(hù)壁，用以隔斷溶洞內(nèi)流塑性充填物或空溶洞與孔樁的聯(lián)通。在施工中可以就近設(shè)置場(chǎng)地制作鋼護(hù)筒，也可以在其他地點(diǎn)制作完成后運(yùn)至場(chǎng)地內(nèi)。在鋼護(hù)筒施工中，使用震錘等機(jī)械將其振動(dòng)下沉至已鉆成的孔樁內(nèi)，分段鋼護(hù)筒采用焊接方式連接。鋼護(hù)筒跟進(jìn)有兩種施工方式：①在沖擊鉆進(jìn)的成孔過(guò)程中，鋼護(hù)筒及時(shí)跟進(jìn)，護(hù)筒下沉緊跟鉆進(jìn)標(biāo)高，主要使用在單獨(dú)的較大溶洞、空溶洞和水溶洞中；②孔樁沖擊完成后，穿過(guò)溶洞，并且均已形成泥結(jié)石護(hù)壁，為防止在之后的沖擊成孔過(guò)程中已形成的泥結(jié)石護(hù)壁出現(xiàn)坍塌、漏漿、埋鉆等問(wèn)題，應(yīng)利用鋼護(hù)筒跟進(jìn)穿過(guò)溶洞位置堵漏，防止坍塌。此方法適用于樁孔穿過(guò)多個(gè)溶洞的情況。

在施工過(guò)程中，鋼護(hù)筒的內(nèi)壁直徑應(yīng)大于鉆頭外徑3～5 cm。在沖擊過(guò)程中，要注意檢查沖錘外側(cè)錘牙的磨損程度，充分利用沖擊成孔的擴(kuò)孔性能，使鋼護(hù)筒順利下沉。要想保證鋼護(hù)筒可以順利下沉，就要采用導(dǎo)向架導(dǎo)向下沉。導(dǎo)向架設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)潔、實(shí)用，一般采用槽鋼焊接而成。護(hù)筒長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，在振沉過(guò)程中可能會(huì)因振動(dòng)而使護(hù)筒傾斜。在振沉過(guò)程中，要安排專人用測(cè)量?jī)x器或者鉛錘吊放來(lái)監(jiān)測(cè)護(hù)筒的垂直度和護(hù)筒口的平面傾斜度，以便及時(shí)調(diào)整護(hù)筒的垂直度，發(fā)現(xiàn)情況及時(shí)糾偏，并反復(fù)提升、下沉進(jìn)行糾正。振沉結(jié)束后，安排測(cè)量人員對(duì)護(hù)筒中心和樁位進(jìn)行復(fù)核檢查，根據(jù)規(guī)范要求，護(hù)筒下沉?xí)r傾斜度不大于1%，平面誤差不大于50 mm。如果測(cè)量人員發(fā)現(xiàn)護(hù)筒中心與樁位偏差超過(guò)規(guī)范要求時(shí)，就應(yīng)拔起重新振沉。

4 結(jié)束語(yǔ)

在巖溶地區(qū)進(jìn)行地下隱蔽工程——橋梁樁基施工，會(huì)給施工帶來(lái)很大困難，工程質(zhì)量只能通過(guò)嚴(yán)格的過(guò)程控制和成樁后的檢測(cè)來(lái)確認(rèn)，因而，對(duì)作業(yè)人員的操作熟練程度、工藝水平都有較高的要求。如何有效地避免在鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)掉鉆、卡錘、埋錘、漏漿、塌孔和在灌注水下混凝土過(guò)程中發(fā)生斷樁等問(wèn)題呢？針對(duì)溶洞特性，對(duì)成孔施工方法和溶洞處理措施作了初步探討，希望為同類的工程施工提供參考。雖然溶洞地段樁基施工很難控制，但是只要在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中能夠充分考慮各種因素的影響，且現(xiàn)場(chǎng)施工組織嚴(yán)密、措施得當(dāng)，嚴(yán)格規(guī)范施工，樁基溶洞問(wèn)題就能得到很好的解決。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.TZ322—2010 鐵路工程施工技術(shù)指南——鐵路橋梁鉆孔樁施工技術(shù)指南[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[2]鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.TZ203—2008 客貨共線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T5148—2001 水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2002.

〔編輯：白潔〕

Pile Foundation Construction Discussion Karst Geological Conditions

Ma Yu

Abstract： As a bridge foundation concealed underground works by karst， met cave is very common. Construction if handled improperly， can cause plasma leakage occurs， the card hammer， hammer and buried hole collapse and other accidents， so that the project quality is difficult to control， not only caused great difficulties to the construction， but also a threat to the safe operation after the opening of the bridge. Thus， in the full understanding of the cave bridge pile construction met the basic shape， size， structure and cave formations filling shapes and other information， to take effective preventive and treatment measures to prevent construction accidents， help save construction costs and improve construction efficiency.

Key words： bridge foundation； cave； construction program； treatment measures