巖溶地區(qū)橋梁鉆孔灌注樁施工技術(shù)

唐宏雄

（中鐵大橋局第九工程有限公司 廣東中山 528437）

1 工程概況

廣佛肇高速公路北江大橋跨越北江，連接佛山三水和肇慶大旺，主橋?yàn)椋?15+215+115）m連續(xù)剛構(gòu)，三水側(cè)引橋?yàn)?孔50m（55m）現(xiàn)澆箱梁接一座（40+70+40）m連續(xù)梁跨越三水側(cè)大堤，大旺側(cè)引橋?yàn)?孔40m連續(xù)T梁接一座（65+115+65）m連續(xù)梁跨越大旺側(cè)大堤。經(jīng)地質(zhì)勘探，北江大橋主橋及肇慶側(cè)引橋橋位處存在大面積石灰?guī)r，巖溶發(fā)育。巖溶區(qū)域共有樁基106根，樁徑φ2.2～φ2.8m，樁長(zhǎng)35～65m，其中探測(cè)有溶洞的樁基共77根，占比72.6%。樁位處溶洞高度0.5～11.6m不等，溶洞埋深20～54m，多層或串珠狀溶洞較多。溶洞內(nèi)腔多為少量填充或半填充狀態(tài)，填充物以砂、礫、碎巖塊及軟塑黏土為主。樁位處覆蓋層厚15～25m，覆蓋層由上而下土層主要為人工填土、砂層、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土等。

2 施工方法

2.1 成孔方式選擇

巖溶地區(qū)樁基一般采用沖擊鉆成孔方式，也有采用旋挖鉆利用長(zhǎng)套筒成孔的先例，但相比之下，采用沖擊鉆成孔便于進(jìn)行溶洞回填沖擊造壁處理，在巖溶地區(qū)適用性強(qiáng)。另外對(duì)于巖溶區(qū)上巖土層厚的區(qū)域，也可在上部非巖溶區(qū)域采用旋挖鉆或回旋鉆成孔，再在巖溶區(qū)域采用沖擊鉆成孔的組合方式，以提高成孔效率。本工程引橋段采用全程沖擊鉆成孔，主橋主墩處采用旋挖鉆+沖擊鉆組合成孔方式。

2.2 溶洞處理方法

與常規(guī)情況相比，在巖溶地區(qū)進(jìn)行樁基施工的不同點(diǎn)主要在于樁基施工過(guò)程中可能碰到巖溶裂隙、溶槽、溶溝、溶洞等，造成下列問(wèn)題：鉆孔內(nèi)泥漿容易流失，軟弱覆蓋層孔壁易因缺乏泥漿水頭維持而坍塌；鉆錘突破溶洞頂板時(shí)容易因梅花孔而卡錘；因溶洞底部巖層大多與水平面存在斜角，在沖孔過(guò)程中鉆錘容易偏斜；在混凝土澆筑過(guò)程中，混凝土可能沖破溶腔內(nèi)土壁向溶洞內(nèi)流失，造成混凝土方量損失，處理不當(dāng)或?qū)⑿纬蓴鄻?。為避免上述?wèn)題，關(guān)鍵在于對(duì)溶洞形成有效封閉，保證樁基在鉆孔及澆筑混凝土過(guò)程中不發(fā)生漏漿及坍塌。

目前溶洞處理工程上常用的方式主要有三種，即拋填片石黏土堵漏法、預(yù)注漿加固法及鋼護(hù)筒跟進(jìn)法。

2.2.1 拋填片石黏土法

拋填片石黏土法即在鉆錘擊破溶洞頂層時(shí)，向溶洞內(nèi)拋填片石和黏土，利用鉆錘反復(fù)沖砸，將拋填的片石黏土擠向樁孔四周，形成環(huán)向封閉圓臺(tái)，保證鉆孔過(guò)程中泥漿不流失、澆筑過(guò)程中孔壁不坍塌。

拋填片石、黏土比例一般按1：1，片石強(qiáng)度要求≥30MPa，尺寸約15～25cm。黏土需具有較好的黏性，一般采用將黏土潤(rùn)濕捏成黏土球，直徑約10～15cm，或者采用拋填袋裝黏土方式，效果強(qiáng)于將黏土散投入孔。對(duì)于埋深較深或洞高較大的溶洞，為加強(qiáng)填充圓臺(tái)的穩(wěn)固性能，可摻入適當(dāng)PO32.5級(jí)水泥，水泥用量占黏土的1/3左右，水泥采用袋裝拋填方式較好。也可采用在拋填片石黏土中摻入稻草、麻繩的方式，稻草、麻繩能起到加筋效果，能有效提高片石、黏土圓臺(tái)的穩(wěn)固性能。

每次拋填片石、黏土高度應(yīng)超出溶洞頂至少3m，以5～10m為宜，然后用鉆錘進(jìn)行反復(fù)沖砸，沖砸過(guò)程中不取渣，控制泥漿面高出地下水位1～2m。溶洞填充開始階段，鉆錘以低錘密擊為宜，首次填充的片石黏土比較容易散入溶洞內(nèi)，錘擊時(shí)密切注意錘頭位置，以不破入溶洞內(nèi)為宜，切忌放空繩，避免卡錘。首次填充片石黏土壓入溶洞內(nèi)后，再繼續(xù)拋填、錘擊，反復(fù)多次，根據(jù)每次錘擊進(jìn)尺深度判斷填充物壓實(shí)度，待錘擊進(jìn)尺較困難時(shí)，繼續(xù)拋填，適當(dāng)采取較大沖程進(jìn)行高錘重?fù)?，將溶洞?nèi)填充物繼續(xù)向外強(qiáng)擠，形成較大范圍的擠密圓臺(tái)體。反復(fù)回填并沖砸，直至高錘重?fù)粝禄緹o(wú)進(jìn)尺，再持續(xù)沖砸20～30錘，可視為溶洞段填充基本密實(shí)，可以開始取渣鉆進(jìn)。

最終填充圓臺(tái)范圍跟溶洞形態(tài)、沖擊能量及填充物性質(zhì)等有關(guān)，關(guān)于溶洞處理片石黏土填充量的具體計(jì)算目前尚無(wú)定論，可按下述方法進(jìn)行估算：

假定理想狀態(tài)下，溶洞范圍很大，溶洞頂、底面均為水平。片石黏土組成的圓臺(tái)外表面將呈斜面，因黏土在鉆錘沖砸時(shí)基本成流塑狀態(tài)，未發(fā)生固結(jié)，其粘聚力可不考慮，圓臺(tái)外斜面斜率與片石內(nèi)摩擦角相關(guān)，約為30°，可依此進(jìn)行估算。圓臺(tái)頂部直徑跟錘擊能量相關(guān)，根據(jù)過(guò)往施工經(jīng)驗(yàn)，頂部直徑約為樁孔直徑的3～5倍，本工程施工最終階段采用高錘重?fù)?，頂部直徑?倍樁孔直徑考慮。由此得出片石黏土拋填量的估算半徑，r為圓臺(tái)頂半徑，h為圓臺(tái)高度。此為溶洞頂?shù)谆舅?、溶腔范圍很大的情況下的估算值，其余類型溶洞的填充量計(jì)算可以參考此式。

圖1 溶洞內(nèi)片石黏土填充圓臺(tái)示意圖

2.2.2 預(yù)注漿法

預(yù)注漿法是通過(guò)預(yù)先鉆孔向溶洞內(nèi)注入漿液填充溶洞，待漿液強(qiáng)度滿足要求后開始進(jìn)行鉆孔，巖溶地區(qū)經(jīng)預(yù)注漿處理后鉆孔樁施工與常規(guī)施工無(wú)異。

由圖4可知，響應(yīng)曲面較陡，微波作用時(shí)間與微波功率對(duì)脫水量的影響顯著，與方差分析結(jié)果相一致。隨著微波功率和微波作用時(shí)間的增加，脫水量也逐漸增加。由圖4可知，草果微波干燥過(guò)程呈現(xiàn)出降速趨勢(shì)，這是因?yàn)槲⒉ǜ稍飳儆诘湫蛢?nèi)部條件控制干燥過(guò)程[14]，微波直接加熱內(nèi)部，與表面產(chǎn)生較大溫度梯度和蒸氣壓梯度，兩者作為水分傳質(zhì)推動(dòng)力，前期脫水速度很快，但隨著時(shí)間增加，溫度梯度減小，內(nèi)部水分減少造成蒸氣壓減小，使得脫水速度逐漸降低。

預(yù)注漿法一般根據(jù)樁徑大小沿樁四周均勻布設(shè)2～4個(gè)鉆探孔用以注漿，漿液一般采用水泥凈漿、水泥砂漿，也可采用低標(biāo)號(hào)細(xì)石混凝土，漿液中可適當(dāng)摻入水玻璃改善漿液性能。水泥凈漿適用于溶洞內(nèi)有填充物或裂隙發(fā)育的溶洞，水泥砂漿適用于溶洞內(nèi)半填充或無(wú)填充狀態(tài)。水泥凈漿采用水灰比0.8～1：1的PO32.5級(jí)水泥漿，水泥砂漿可采用質(zhì)量比：水泥：中粗砂：水=450：1200：420 的砂漿。

注漿壓力根據(jù)溶洞類型、溶洞深度、土層地質(zhì)情況等確定，一般而言注漿壓力多采用0.3～0.7MPa。注漿一般采用由上而下注漿方法，即待上層溶洞注漿完畢后再鉆至下層溶洞進(jìn)行注漿。本工程樁徑為φ2.0～φ2.8m，采用4孔注漿。施工流程為：采用φ146mm鋼管套成孔，下φ127mm鋼管作為注漿管，起出φ146mm鋼管，泵送漿液，采用4孔同時(shí)注漿，待漿液從注漿管與孔壁間隙內(nèi)溢出濃漿，并維持2～3min后停止注漿。對(duì)于巖溶裂隙發(fā)育的地段，采用封閉孔口，維持最大注漿壓力持續(xù)30min后停止注漿。

預(yù)注漿法適用于裂隙發(fā)育的溶洞，當(dāng)注漿時(shí)發(fā)現(xiàn)漏漿嚴(yán)重時(shí)，可以考慮采用快凝水泥漿液進(jìn)行封堵，或采用間歇注漿方式，以減少漿液不必要流失。預(yù)注漿法適用于少量填充物或無(wú)填充物溶洞處理，對(duì)于全填充型溶洞，注漿漿液難以擴(kuò)散，處理效果不佳。

2.2.3 輔助鋼護(hù)筒跟進(jìn)法

對(duì)于溶洞埋深較深（≥30m），溶洞高度較大（≥3m），普通拋填片石黏土造壁難以維持鉆孔時(shí)泥漿水頭及澆筑后期孔內(nèi)混凝土的側(cè)向壓力，可以采用輔助鋼護(hù)筒跟進(jìn)的方法進(jìn)行溶洞處理。

當(dāng)覆蓋層為淤泥、各類砂層、卵石等不穩(wěn)定土層時(shí)，設(shè)置外層鋼護(hù)筒，防止砸穿溶洞時(shí)孔內(nèi)泥漿急劇下降引起坍塌，砸穿溶洞后，采用拋填片石黏土反復(fù)擠固的方式進(jìn)行溶洞處理，處理完成后繼續(xù)沖擊鉆孔，一路處理遇到的溶洞，直至鉆穿需鋼護(hù)筒護(hù)壁的最下層溶洞。利用吊機(jī)下放鋼護(hù)筒至最下層溶洞底，安放鋼護(hù)筒段鉆孔內(nèi)徑應(yīng)比鋼護(hù)筒外徑大0.1～0.15m，鋼護(hù)筒下沉困難時(shí)輔以錘擊或振動(dòng)法下沉到位。鋼護(hù)筒底口與溶洞底板間間隙采用片石、黏土回填沖擊造壁，如溶洞底板斜度較大，采用灌注與樁同標(biāo)號(hào)水下混凝土進(jìn)行封閉，灌注混凝土高度高出鋼護(hù)筒底口1～1.5m，待混凝土強(qiáng)度上來(lái)后（一般為7d）繼續(xù)沖擊鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

在軟弱覆蓋層地質(zhì)情況下，采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)方案一般由內(nèi)而外有三層護(hù)筒，即內(nèi)護(hù)筒+防塌外護(hù)筒+開孔護(hù)筒。內(nèi)護(hù)筒直徑需大于樁徑20cm，防塌外護(hù)筒直徑需大于樁徑40cm，開孔護(hù)筒直徑需大于樁徑60cm。防塌鋼護(hù)筒長(zhǎng)度應(yīng)保證能刺入非軟弱覆蓋層1～2m。

鋼護(hù)筒壁厚與鋼護(hù)筒直徑及埋深相關(guān)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用以下護(hù)筒壁厚：

樁徑＞1.6m時(shí)：對(duì)護(hù)筒長(zhǎng)度＜10m，護(hù)筒壁厚采用10mm；對(duì)10m≤護(hù)筒長(zhǎng)度＜20m，護(hù)筒壁厚采用12mm；對(duì)護(hù)筒長(zhǎng)度≥20m，護(hù)筒壁厚采用14mm。

在內(nèi)外層護(hù)筒間及外層護(hù)筒與鉆孔內(nèi)壁間填筑砂石并進(jìn)行壓漿處理，保證能有效提供樁基側(cè)面摩阻力。

圖2 鋼護(hù)筒跟進(jìn)法示意圖

三種溶洞處理方法比較及本工程選擇方案如表1。

3 溶洞處理常見問(wèn)題及防治措施

3.1 樁位處溶洞誤判

巖溶區(qū)域樁基礎(chǔ)施工必須做到每根樁進(jìn)行超前鉆勘探，以往通常做法是在樁位中心鉆一個(gè)探孔。因探孔所取土樣僅能體現(xiàn)鉆孔范圍內(nèi)的地層情況，樁基其他位置的地質(zhì)情況屬于盲區(qū)，很容易造成誤判。

防治措施：對(duì)于大直徑樁，可采用沿樁周圍均勻布置3～4孔以便探明地質(zhì)。通過(guò)幾個(gè)孔位的綜合地質(zhì)資料可以較好地反應(yīng)溶洞的發(fā)育及走向情況，但同樣存在盲區(qū)。目前地質(zhì)雷達(dá)、超聲探測(cè)、電場(chǎng)探測(cè)的方法已經(jīng)普遍應(yīng)用，可以在空間上全真顯示地層性狀，對(duì)于溶洞大小、分布、走向等能反應(yīng)完整信息，在樁基施工前利用上述探測(cè)方法將取得很好的效果。

表1

3.2 孔壁坍塌

在軟弱覆蓋層中鉆孔，砸穿溶洞時(shí)孔內(nèi)泥漿迅速流失，孔壁無(wú)泥漿壓力支撐，容易坍塌，尤其在開孔護(hù)筒底部孔口位置，坍塌最為嚴(yán)重。

防治措施：①在開孔護(hù)筒底部2～3m范圍內(nèi)采用回填黏土+小片石（尺寸10～15cm）的方式進(jìn)行低錘密擊造壁，提高孔口護(hù)壁強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保在孔內(nèi)失水的情況下具有良好的自穩(wěn)性能。②在施工現(xiàn)場(chǎng)配備足量的黏土、片石、稻草及水泥等，根據(jù)溶洞大小配置備用泥漿池（體積約150～300m3），配2～4臺(tái)泥漿泵備用補(bǔ)漿，一旦鉆穿溶洞出現(xiàn)泥漿驟失迅速進(jìn)行補(bǔ)漿并拋填片石黏土，盡可能減少軟弱覆蓋層無(wú)水壓維持的時(shí)間，減少孔壁坍塌。③在探明樁基處溶洞的情況下，在鉆至溶洞位置時(shí)在鉆頭下焊φ30cm、長(zhǎng)50cm鋼錐，將溶洞刺穿一個(gè)小洞，讓孔內(nèi)泥漿緩慢流入溶洞中，及時(shí)補(bǔ)充孔內(nèi)泥漿保持水頭，避免孔壁坍塌。④對(duì)于極易坍塌覆蓋層，孔內(nèi)泥漿喪失后，孔壁基本無(wú)自穩(wěn)時(shí)間，對(duì)此可以采用鋼護(hù)筒穿透易坍塌覆蓋層來(lái)維持孔壁，鋼護(hù)筒應(yīng)刺入非軟弱土層中1～2m。

3.3 卡錘

在巖溶裂隙發(fā)育，溶溝、溶槽較多的巖溶地層中鉆孔容易發(fā)生卡錘，另外在鉆錘沖破溶洞頂層時(shí)出現(xiàn)梅花形孔洞容易卡住鉆錘。

防治措施：針對(duì)不同情況，應(yīng)區(qū)別對(duì)待，不可盲目拔錘，以免鉆機(jī)傾覆或吊繩斷裂而掉錘。發(fā)生卡錘情況時(shí)，先小范圍收放、晃動(dòng)鋼絲繩將鉆錘提松，將鉆錘緩慢移出溶溝裂隙，然后再將鉆錘平穩(wěn)起出。在溶洞頂1m范圍內(nèi)沖擊鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)采用低錘密擊方式鉆進(jìn)，沖程不大于1m。在溶洞內(nèi)發(fā)生卡錘時(shí)可以嘗試邊微微收放鋼絲繩邊旋轉(zhuǎn)鋼絲繩角度，以期從原梅花孔中提出。如不能奏效，可采取沿孔壁下鋼套管擊破溶洞頂層，鋼套管下放至洞內(nèi)套住鉆錘，提升鉆錘，使其沿鋼套管內(nèi)提出。在較為堅(jiān)實(shí)的巖層中出現(xiàn)卡錘時(shí)，可采取水下爆破的方式將鉆錘炸松再取出。

3.4 鉆孔偏斜

鉆孔偏斜主要原因是樁徑范圍內(nèi)土層軟硬不均勻，出現(xiàn)斜巖面或存在孤石、溶洞石筍等，使鉆錘沖擊時(shí)底部受力不均勻，樁徑范圍內(nèi)不同軟硬土層進(jìn)尺深度不一致而產(chǎn)生偏斜。

防治措施：斜巖面鉆進(jìn)主要的處理方法是改變斜巖面的軟硬不均狀況，將斜巖面在樁孔范圍內(nèi)變成近似均勻的地層，保證鉆錘沖砸過(guò)程中能均衡受力。一般采用的方式是拋填片石、黏土法，片石一般采用10～20cm尺寸，片石黏土按1：1比例拋填，回填高度超出斜巖面0.5～1.0m，反復(fù)沖砸，直至穿透。對(duì)于巖面斜度比較大，巖石強(qiáng)度較大時(shí)，也可采用在斜巖面上灌注水下混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)盡量接近巖層強(qiáng)度，待水下混凝土強(qiáng)度滿足要求時(shí)再進(jìn)行沖砸成孔。對(duì)斜巖強(qiáng)度很高，以上兩種措施難以奏效時(shí)，可采用水下爆破的方式破除斜巖面再繼續(xù)鉆進(jìn)。

3.5 灌注時(shí)溶洞內(nèi)土壁坍塌

對(duì)于拋填片石黏土填充溶洞的情況，在灌注混凝土?xí)r，因混凝土比重大于泥漿比重，尤其是樁灌注接近完成時(shí)，溶洞區(qū)域土壁受到最大的擠壓力，此擠壓力為沖孔過(guò)程中泥漿壓力的兩倍有余，可能沖垮溶洞內(nèi)土壁，造成混凝土流失，嚴(yán)重時(shí)形成斷樁。

防治措施：為避免此種情況發(fā)生，一方面對(duì)于采用拋填片石黏土填充溶洞的方案要慎重，對(duì)于大型溶洞或埋深較深的溶洞，盡量采用預(yù)注漿或者鋼護(hù)筒跟進(jìn)的方案。對(duì)埋深淺、小溶洞采用拋填片石黏土方案具有較好的經(jīng)濟(jì)性，采用時(shí)要依據(jù)本文中處理措施保證土壁穩(wěn)固。另外，基于溶洞內(nèi)孔壁坍塌產(chǎn)生原因在于混凝土澆筑后側(cè)向壓力過(guò)大，所以可以采取措施減少混凝土側(cè)向壓力，例如在下放鋼筋籠時(shí)在填充造壁的溶洞范圍內(nèi)在鋼筋籠上焊接密目鐵紗網(wǎng)或薄鋼板，范圍超出溶洞頂?shù)赘?.5～1m，此種方式能較好地分擔(dān)部分混凝土壓力，對(duì)維持孔壁穩(wěn)定具有較好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

巖溶地區(qū)樁基施工具有很大的不確定性，樁基施工過(guò)程中遇到的環(huán)境比較復(fù)雜，針對(duì)不同狀況的溶洞處理方式應(yīng)綜合考慮安全性、可行性和經(jīng)濟(jì)性，如何選擇即安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理的施工方案對(duì)于樁基施工的成敗至關(guān)重要。本文介紹了溶洞的幾種常規(guī)處理方法及各方法的操作要點(diǎn)和適用情況，對(duì)巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)施工的常見問(wèn)題做了分析，提出了一些有效保證在溶洞范圍內(nèi)成樁的具體措施，可供今后其他巖溶地質(zhì)條件下樁基礎(chǔ)施工參考。本工程巖溶區(qū)域內(nèi)所有樁基均已施工完畢，樁基施工質(zhì)量均滿足要求。