巖溶極強(qiáng)發(fā)育地區(qū)樁基施工處治方案研究

羅 德 泉

(廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510305)

0 引言

巖溶地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，巖溶地區(qū)樁基施工面需要解決沖樁過程中孔位防護(hù)、孔壁防護(hù)問題、漏漿問題，周邊存在重要構(gòu)造物時(shí)巖溶地區(qū)樁基施工容易引起周邊地層變形，引發(fā)次生災(zāi)害，造成人員和經(jīng)濟(jì)損失以及不良社會(huì)影響。項(xiàng)目位于廣花盆地巖溶極強(qiáng)發(fā)育區(qū)，溶洞發(fā)育，存在較厚砂層，在項(xiàng)目范圍內(nèi)廣泛分布淤泥層，項(xiàng)目周邊交通繁忙，重要結(jié)構(gòu)物眾多，項(xiàng)目施工過程中發(fā)生周邊地層沉降事件。本文在沉陷事件分析與處理的基礎(chǔ)上，介紹總結(jié)敏感地區(qū)巖溶樁基處置方案。

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)隱伏巖溶位于第四系下，全線均有分布，根據(jù)鉆探及收集資料成果，巖溶多呈串珠狀，巖溶的埋藏深度變化較大，規(guī)模大小不一，洞高0.15 m～21.4 m。充填物為軟塑狀粉質(zhì)粘土，少量無充填或半充填。全線遇洞率26.57%，線巖溶率0.3%～73.18%，樁基巖溶屬弱～極強(qiáng)發(fā)育，溶洞、溶槽或溶蝕裂隙較為發(fā)育，樁基成孔過程中泥漿易流失引起塌孔。

2 周邊地層沉降典型案例及成因分析

巖溶區(qū)的地基基礎(chǔ)研究方面,迄今國內(nèi)還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究,目前較多報(bào)道的是一些學(xué)者和工程技術(shù)人員針對具體的工程實(shí)踐過程中所遇到的巖溶地基、溶洞地基、土洞地基、塌陷地基的分析評(píng)價(jià)。目前,評(píng)價(jià)巖溶地基穩(wěn)定性和巖溶地基處理的方法多是定性的、經(jīng)驗(yàn)性的。在巖溶發(fā)育地區(qū)最常見的地質(zhì)災(zāi)害便是巖溶塌陷。其表現(xiàn)形式主要為突然毀壞城鎮(zhèn)設(shè)施,導(dǎo)致道路和建筑物破壞。

周邊地層沉降典型案例:

項(xiàng)目主線橋50號(hào)墩附近地面發(fā)生塌陷。塌陷發(fā)生時(shí)50-3樁基完成預(yù)注漿鉆孔，尚未注漿；塌陷發(fā)生時(shí)CYZX50-3的土層地質(zhì)特征土層從上至下分別為素填土、淤泥質(zhì)細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、微風(fēng)化灰?guī)r；微風(fēng)化灰?guī)r面埋深約18.5 m，其上緊鄰3 m～3.5 m厚的粉細(xì)砂層；覆蓋層內(nèi)未見土洞，微風(fēng)化灰?guī)r有溶洞，且鉆孔50-3揭露巖面有高度10.3 m的大型溶洞，頂板厚約0.4 m，洞內(nèi)全充填軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

分析判斷該處路面塌陷的原因有：巖面淺層的大型溶洞以及上覆細(xì)砂層是發(fā)生塌陷的自然原因；鄰近樁基采用沖擊鉆施工，震動(dòng)較大，導(dǎo)致溶洞頂板塌陷或者開裂，致使細(xì)砂層和淤泥層水土流失，引起地面沉陷。該路段臨近白坭河，受潮汐影響，長期地下水位升降作用，在溶洞頂形成較大的土洞，在震動(dòng)、擠壓作用下，土洞下沉，引起地面下陷，如圖1，圖2所示。

3 巖溶地區(qū)樁基處置方案

3.1 巖溶地區(qū)樁基處理目的

巖溶區(qū)樁基設(shè)計(jì)與施工需根據(jù)地質(zhì)情況與地層沉降、孔位坍塌發(fā)生原因采取有針對性的方案，項(xiàng)目孔位坍塌主要原因在于厚砂層的流失與原有土洞在樁基施工過程中失穩(wěn)，以及泥漿流失時(shí)引起的真空負(fù)壓作用破壞原有土洞穩(wěn)定[1]。根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，本項(xiàng)目巖溶區(qū)樁基設(shè)計(jì)方案及采用施工措施的目的在于以下幾方面：

1)保證地面穩(wěn)定。

項(xiàng)目地面失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)源為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層和砂層，保證地面穩(wěn)定采用的主要措施是在覆蓋層打設(shè)鋼護(hù)筒，以免在沖孔擊穿頂板時(shí)、或漏漿時(shí)造成孔口塌陷。

2)保證溶洞段護(hù)壁穩(wěn)定。

項(xiàng)目保證溶洞段護(hù)壁穩(wěn)定采用的主要措施是拋填片石粘土多次成孔，對無充填或半充填的溶洞進(jìn)行預(yù)注漿或灌混凝土封閉，必要時(shí)采用旋噴帷幕或鋼護(hù)筒穿越。

3)保證現(xiàn)有結(jié)構(gòu)安全。

項(xiàng)目位于市區(qū)，沿現(xiàn)狀主干道路建設(shè)，現(xiàn)狀交通量大、重載車輛多，沿線重要結(jié)構(gòu)物廣泛分布，對地面變形、穩(wěn)定要求較高，故溶洞處理的力度宜適當(dāng)加強(qiáng)。在樁基施工前，對軟弱地層及溶洞進(jìn)行預(yù)處理，減少樁基施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 溶洞區(qū)樁基設(shè)計(jì)及施工控制方案

本項(xiàng)目部分橋梁位于灰?guī)r地區(qū)，巖溶較為發(fā)育，橋位區(qū)內(nèi)地層夾有多處土洞、溶洞，溶(土)洞分布空間及深度具有一定的隨機(jī)性，巖面埋深不一，強(qiáng)度不均勻，地質(zhì)情況變化較大。作為地下隱蔽工程，在橋梁樁基礎(chǔ)施工中，遇到溶洞給施工帶來很大困難，如處理方法不當(dāng)，往往會(huì)造成掉鉆、卡錘、埋錘、漏漿、塌孔、斷樁等事故發(fā)生，甚至?xí)绊憳蛄航Y(jié)構(gòu)安全。因此在樁基施工前充分了解橋梁各樁基所遇溶洞的發(fā)育規(guī)律、基本形態(tài)、規(guī)模大小、溶穴頂?shù)装鍘r層厚度、完整性、洞內(nèi)充填物形狀等，以采取穩(wěn)妥的處理措施，確定合理的樁基類型和樁底高程。針對項(xiàng)目巖溶發(fā)育情況，項(xiàng)目統(tǒng)籌勘察、設(shè)計(jì)、施工單位進(jìn)行了溶洞區(qū)樁基設(shè)計(jì)施工方案探討。

1)地質(zhì)勘察階段。

巖溶塌陷成因復(fù)雜，影響因素眾多，且具有隱伏性、突發(fā)性等特點(diǎn)[4]。巖溶區(qū)域樁基礎(chǔ)的工程地質(zhì)勘察一般采用一樁一孔或多孔的地質(zhì)鉆孔法,受巖溶發(fā)育不規(guī)則因素的影響,個(gè)別樁位處巖層差異較大,巖溶分布極不規(guī)則,需綜合運(yùn)用多種措施加強(qiáng)巖溶樁基的地質(zhì)勘察:

a.補(bǔ)勘階段采用逐樁鉆探+管波探測,對于鉆孔揭露存在巖溶發(fā)育,且溶洞分布差異較大的樁位,以及獨(dú)立柱樁,適當(dāng)增補(bǔ)鉆孔。

b.采用增補(bǔ)勘察鉆孔仍不能探明溶洞分布的巖溶發(fā)育復(fù)雜地段,采用地質(zhì)鉆探結(jié)合地層CT探測的方法,推斷孔旁溶洞或軟弱夾層的發(fā)育情況。

c.對于單洞高度大于5 m,串珠狀溶洞總高大于8 m,且存在頂板較薄、上覆砂土層的樁位,補(bǔ)充對樁位附近重要地面道路、橋梁、房屋等結(jié)構(gòu)物的地下溶洞分布情況的CT探測。

2)設(shè)計(jì)階段。

結(jié)合地質(zhì)勘察結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，根據(jù)地質(zhì)情況與周邊結(jié)構(gòu)物重要程度進(jìn)行安全等級(jí)劃分。綜合地質(zhì)鉆孔、管波探測、CT掃描結(jié)果采用“一樁一方案”的形式,出具設(shè)計(jì)方案。對于洞高超過10 m的大溶洞進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

a.按巖溶路段橋梁基礎(chǔ)施工過程中產(chǎn)生事故后果的嚴(yán)重性從高到低分為三個(gè)等級(jí):高危險(xiǎn)等級(jí)、中危險(xiǎn)等級(jí)和低危險(xiǎn)等級(jí)。根據(jù)新建樁基附近地質(zhì)情況對施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分,共分為三級(jí):高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。綜合危險(xiǎn)區(qū)域及施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),將樁基安全等級(jí)從高到低分為1級(jí)～3級(jí)，如表1所示。

表1 樁基安全等級(jí)劃分表

b.綜合考慮樁基施工影響及造價(jià)因素針對不同的安全等級(jí)采取不同強(qiáng)度的防護(hù)措施。對于安全等級(jí)為1級(jí)和2級(jí)的樁基，覆蓋層及樁底采用預(yù)注漿的方式填充土洞，封閉溶洞通道。采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)穿越軟弱層，進(jìn)入粘土層一定深度或沉放至巖面。

3)施工階段。

a.據(jù)周邊情況、鉆孔深度、巖土層情況、溶洞發(fā)育情況、泥漿排放及處理?xiàng)l件綜合考慮，選用合適鉆孔設(shè)備。沖擊鉆適應(yīng)各種不同地質(zhì)情況，更容易處理斜面、漏漿等情況；發(fā)生漏漿、塌孔事故時(shí)提鉆快、處理及時(shí)。且沖擊鉆在過溶洞時(shí)通過反復(fù)沖孔可將無填充溶洞填堵密實(shí)，堵塞溶洞間連通通道，防止樁位附近地層出現(xiàn)沉降。

b.為控制成孔質(zhì)量，采用成孔專用膨潤土與粘土，沖孔施工過程中控制泥漿比重，在接近溶洞頂板時(shí)提前預(yù)拋片石粘土與袋裝水泥，同時(shí)采用小沖程慢進(jìn)尺。

c.鋼護(hù)筒采用引孔跟進(jìn)工藝，成孔期間采取適當(dāng)?shù)淖o(hù)壁措施保證覆蓋層的穩(wěn)定，比如加大泥漿比重、嚴(yán)格控制進(jìn)尺、適當(dāng)添加成孔材料(如片石、碎石、粘土、水泥)對于沉放至巖面人鋼護(hù)筒，底部沖至巖面，采用拋填片石、粘土或混凝土的方式進(jìn)行護(hù)筒刃腳的護(hù)壁，確保護(hù)筒刃腳的安全。

d.改進(jìn)注漿工藝。為控制注漿穩(wěn)固效果，對水泥雙液漿配比進(jìn)行試驗(yàn)取原裝土層與砂試制試件，確定合適的配比與凝結(jié)時(shí)間。為控制施工過程中注漿穩(wěn)壓壓力，采用“一鉆一注”的注漿方式，逐孔注漿。

4 結(jié)語

巖溶地區(qū)工程地質(zhì)有一定的復(fù)雜性,經(jīng)過多年來的工程實(shí)踐,各種新方法、新技術(shù)尤其是信息技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn),使巖溶工程勘察得到了很大的發(fā)展[2,3]。在巖溶極強(qiáng)發(fā)育區(qū)，需在勘察設(shè)計(jì)階段及施工階段采取措施，綜合應(yīng)用地質(zhì)鉆孔、管波、地層CT等方法對巖溶發(fā)育進(jìn)行勘查，為溶洞處置提供基礎(chǔ)技術(shù)資料；綜合考慮危險(xiǎn)區(qū)域及施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)將項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)樁基進(jìn)行安全等級(jí)劃分；通過綜合分析樁基施工影響及造價(jià)因素針對不同的安全等級(jí)采取不同強(qiáng)度的防護(hù)措施，選取合適的施工機(jī)械，控制泥漿質(zhì)量與注漿質(zhì)量。通過以上措施項(xiàng)目總結(jié)，并不斷完善項(xiàng)目巖溶地區(qū)樁基處置方案，在實(shí)際施工中取得了很好的效果。