城鎮(zhèn)地區(qū)溶洞樁基施工塌陷及方案調(diào)整案例探析

老國(guó)健，盧 云

(1 廣州市高速公路有限公司, 廣州 510055； 2 廣州市廣園工程技術(shù)咨詢(xún)有限公司, 廣州 510055)

0 引言

巖溶發(fā)育地區(qū)橋梁樁基施工受地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜程度影響，往往會(huì)伴隨著大量的不確定因素，如果稍有不慎很有可能對(duì)周邊人員、結(jié)構(gòu)物以及對(duì)工程本身的樁基質(zhì)量、進(jìn)度、成本等帶來(lái)巨大的負(fù)面影響。因此，在橋梁樁基施工中如何有效應(yīng)對(duì)巖溶發(fā)育地區(qū)是所有建設(shè)項(xiàng)目管理人員、設(shè)計(jì)單位、施工單位所關(guān)注的重點(diǎn)。

萬(wàn)志勇[1]以廣梧高速公路項(xiàng)目為例，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提出通過(guò)優(yōu)化橋梁跨徑、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式等避開(kāi)大型溶洞的處治思路； 陳明曉[2]介紹了地質(zhì)鉆探過(guò)程中判斷地質(zhì)情況的心得體會(huì)； 鄒新軍等[3]通過(guò)計(jì)算分析，提出采用“短摩擦樁+樁端后壓漿”的方案應(yīng)對(duì)大型串珠狀巖溶區(qū)域； 張建華等[4]通過(guò)寧道高速公路項(xiàng)目，介紹了單層+多層鋼護(hù)筒跟進(jìn)支護(hù)、支承樁落在溶洞頂板上部時(shí)對(duì)溶洞進(jìn)行注漿處理等方案，并提出合理確定樁的嵌巖深度以確保樁底至溶洞頂板厚度的思路； 羅新梅[5]通過(guò)浙贛線電氣化提速改造工程項(xiàng)目，介紹了“鋼護(hù)筒跟進(jìn)支護(hù)+拋填”綜合處治的方案，并描述了施工期間的相關(guān)注意事項(xiàng)； 李軍伍等[6]以滬昆鐵路客運(yùn)專(zhuān)線項(xiàng)目為例，魏曉江[7]以廣清高速為例，提出了“鋼護(hù)筒跟進(jìn)+注漿+拋填+灌注低標(biāo)號(hào)混凝土”的綜合處治方案； 余俊峰[8]提出了拋填的處置方案及相應(yīng)細(xì)節(jié)； 石振明等[9]總結(jié)了溶洞處置的一般原則，并通過(guò)吉安某大橋新建工程鄰近居住區(qū)和村道處的溶洞處置案例，介紹了采用“鋼護(hù)筒跟進(jìn)+拋填黃泥、片石”的處理方案。

綜上研究分析可知，目前應(yīng)對(duì)溶洞樁基的處理方式主要有兩種：一是通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)形式、橋梁跨度或結(jié)構(gòu)形式等方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，盡量避開(kāi)溶洞，降低施工風(fēng)險(xiǎn)； 二是在施工方面，根據(jù)地質(zhì)情況的不同采用諸如鋼護(hù)筒跟進(jìn)、預(yù)注漿、拋填或灌注低標(biāo)號(hào)混凝土等措施。上述處理方式均是針對(duì)溶洞樁基的順利成孔而制定，然而，隨著越來(lái)越多的城鎮(zhèn)區(qū)域高速公路項(xiàng)目，溶洞處治更應(yīng)側(cè)重于對(duì)周邊眾多重要建(構(gòu))物或地下管線的保護(hù)。目前該方面的研究較少，因此，有必要總結(jié)應(yīng)用于此方面的溶洞處治方案。

1 工程背景

廣佛肇高速公路廣州段位于廣州市區(qū)，鄰近既有市政道路，周邊房屋眾多，且與多條高(快)速道路、鐵路橋梁、大型地下引水管道、高壓線塔、引水渠等重要結(jié)構(gòu)物交叉。而該高速所在地區(qū)巖溶極發(fā)育，巖面起伏大，地表有軟弱覆蓋層(淤泥,可塑、軟塑狀粉質(zhì)黏土等)，砂層較厚，橋梁樁基施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)極高，容易發(fā)生坍塌甚至地面塌陷。

本項(xiàng)目某匝道橋11#橋墩平面位置及一般構(gòu)造示意如圖1、圖2所示。該橋墩鄰近市政道路、引水渠及大型地下引水管道(西江引水管)，其中11#-1樁基與引水管凈間距僅約3m，具有極高的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。11#橋墩大、小樁號(hào)側(cè)上部結(jié)構(gòu)均為25m跨的小箱梁，橋面寬度20.2m； 11#橋墩原設(shè)計(jì)為三柱式帶蓋梁橋墩，樁基直徑均為1.6m，設(shè)計(jì)單樁樁頂反力6 500kN。本文將主要介紹11#-1樁基的溶洞處治情況。

圖1 11#墩橋平面位置圖

圖2 11#墩橋一般構(gòu)造示意圖

2 原設(shè)計(jì)樁位地質(zhì)情況及溶洞處治方案

鑒于11#-1樁基位置鄰近既有重要結(jié)構(gòu)物，且本項(xiàng)目位于巖溶發(fā)育地區(qū)，為盡量降低施工風(fēng)險(xiǎn)，地質(zhì)勘察單位在設(shè)計(jì)樁位進(jìn)行地質(zhì)鉆探的基礎(chǔ)上輔以管波探測(cè)技術(shù)，確保地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性。地質(zhì)勘探結(jié)果顯示，管波探測(cè)結(jié)果與鉆孔情況基本一致，該處主要地層由上往下依次為素填土、砂層、基巖(將圖3中的各砂層、基巖進(jìn)行了歸并)，其中砂層深度較深，達(dá)41.3m； 溶洞為基巖深層溶洞，溶洞頂板較厚，鉆孔顯示溶洞頂板厚度為10.2m； 溶洞高度較高，約7.6m，溶洞全充填軟塑狀黏性土； 溶洞底部有較厚完整基巖，鉆孔揭示基巖厚度約為13.8m。

2.1 樁基設(shè)計(jì)方案

為避免樁基施工在穿越溶洞過(guò)程中帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合地質(zhì)鉆探和管波探測(cè)的結(jié)果(溶洞上部存在完整基巖的情況)，樁基擬終孔于溶洞上層基巖，設(shè)計(jì)為嵌巖樁，嵌巖深度宜控制在1.5d～2.0d(d為樁徑)范圍，同時(shí)遵循“樁端嵌巖深度宜淺不宜深，優(yōu)先保證頂板安全厚度”的原則，設(shè)置樁基終孔高程，定于高程-36m處終孔。

2.2 溶洞處治方案

鑒于11#-1樁基周邊有眾多重要建構(gòu)物，施工期間安全風(fēng)險(xiǎn)極高，因此溶洞處治方案(圖3)如下：1)采用鋼護(hù)筒穿過(guò)上部粉砂、細(xì)砂覆蓋層，且進(jìn)入中砂層不少于1.5m。2)對(duì)于深度較深的基巖巖面的細(xì)砂層，則采用預(yù)注水泥漿固化處理。3)沖孔過(guò)程中如遇漏漿，采用拋填片石黏土或袋裝水泥處理。4)要求沖樁施工接近終孔高程約1.5m時(shí)，要減小沖程，嚴(yán)禁隨意加深樁長(zhǎng)。5)由于樁位極其鄰近大型地下引水管和市政道路，考慮工程場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，決定在傳統(tǒng)的溶洞處治方式上進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)防溶洞樁基施工中有可能誘發(fā)的不可知地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)該引水管和市政道路的安全儲(chǔ)備。具體如下：由于西江引水管埋深約3.5m，主要埋置于素填土層和粉砂層中，經(jīng)綜合研究，計(jì)劃在引水管邊緣的3m處打設(shè)一排臨時(shí)的12m長(zhǎng)拉森Ⅳ型鋼板樁。

圖3 11#-1地層分布柱狀圖及樁基溶洞處治方案

3 施工塌陷情況及處治措施

采用沖擊鉆進(jìn)行樁基施工，考慮鋼護(hù)筒難以直接打入至設(shè)計(jì)值，使用引孔法跟進(jìn)。施工過(guò)程中，在鉆孔到達(dá)設(shè)計(jì)終孔高程-36.0m位置時(shí)，發(fā)現(xiàn)巖樣與地勘資料不符，經(jīng)設(shè)計(jì)單位同意，將樁基長(zhǎng)度調(diào)整為穿過(guò)底層溶洞嵌于溶洞底部基巖的所需要的長(zhǎng)度。而后施工單位繼續(xù)施工，沖程2m，于鉆孔高程到達(dá)-48.4m時(shí)孔內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重漏漿，隨后孔口出現(xiàn)塌陷，在5min時(shí)間內(nèi)，塌陷區(qū)域不斷擴(kuò)大，最終形成一個(gè)深度約8m、直徑約12m的大坑，鉆機(jī)連同鉆錘也隨之陷入，見(jiàn)圖4。而南側(cè)由于提前打入鋼板樁支護(hù)，鋼板樁外側(cè)地面無(wú)明顯沉陷?，F(xiàn)場(chǎng)緊急處理后，對(duì)塌陷的區(qū)域拋填了片石黏土。并且為了防止引水管側(cè)砂層流失，在鋼板樁邊緣西江引水管側(cè)對(duì)細(xì)砂層進(jìn)行了注漿處理。

圖4 塌陷位置平面圖

后續(xù)經(jīng)檢測(cè)，西江引水管無(wú)變形，最外側(cè)的市政道路稍有沉降，最大沉降約6cm。持續(xù)監(jiān)測(cè)后發(fā)現(xiàn)塌陷無(wú)繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。

3.1 地質(zhì)補(bǔ)勘及塌陷原因分析

塌陷的原因初步考慮是在鉆進(jìn)過(guò)程中擾動(dòng)到了下層溶洞而致的。為能有效制定處治方案，決定對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)勘。補(bǔ)勘應(yīng)能充分探明地質(zhì)情況，以便找出塌陷的真正原因，同時(shí)需要兼顧處治的時(shí)間以及費(fèi)用成本。因此本次補(bǔ)勘的大體思路如下：

(1)由于橫橋向已經(jīng)有11#-2樁基的鉆孔可供參考，本次補(bǔ)勘主要考慮在原孔位兩側(cè)順橋向進(jìn)行布設(shè)探孔。

(2)考慮地質(zhì)鉆探以及管波探測(cè)在實(shí)際運(yùn)用中探查范圍的局限性，引入地層CT掃描勘察方法。相關(guān)研究[10-11]已經(jīng)證明該方法在灰?guī)r地區(qū)有較高的精度和可信度。

(3)由于原樁位塌孔后，鋼護(hù)筒因變形而難以拔出，原樁位不宜重新施工樁基，因此需另外尋找新樁位。布設(shè)的勘探孔應(yīng)充分考慮新樁基位置以及地層CT掃描的可靠范圍，減少不必要的探孔。

鑒于上述思路，決定在原樁位兩側(cè)增加補(bǔ)堪鉆孔11-1a，11-1b，鉆孔間距3.6m，詳見(jiàn)圖5。在鉆孔11-1b鉆探時(shí)揭露的地質(zhì)情況與原11#-1樁基的地質(zhì)情況較為相符，但在鉆孔11-1a鉆探期間發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化劇烈，地質(zhì)情況復(fù)雜，在高程-58.08～-29.68m間懷疑有大型溶(土)洞存在。為了進(jìn)一步探明該處巖溶發(fā)育狀況，隨即在鉆孔11-1a的右側(cè)增加一個(gè)補(bǔ)勘鉆孔11-1c，并利用11-1b,11-1c兩個(gè)鉆孔進(jìn)行地層CT掃描。

圖5 補(bǔ)勘鉆孔平面位置示意圖

3.1.1 補(bǔ)勘結(jié)果

(1)4處地質(zhì)鉆孔均揭露存在溶洞(圖6)，溶洞全充填或半充填，主要填充物為黏性土夾碎石、卵石，砂礫等，溶洞頂部高程在-45.76～-29.68m間，有較大變化，溶洞底部高程基本一致，單洞洞高最大為26.6m； 深層溶洞規(guī)模較小。

圖6 地質(zhì)縱斷面

(2)地層CT掃描剖面(圖7)跨距為5.14m，探測(cè)深度達(dá)75m。從圖中可以看出，剖面基巖面有劇烈變化，形成最大洞高約26m的溶(土)洞，溶洞貫穿整個(gè)剖面，且與上部覆蓋層直接連接貫通。

圖7 地層CT掃描成像剖面

(3)地質(zhì)鉆探與地層CT掃描的結(jié)果相互印證，揭露樁位下的確有大型溶(土)洞存在。

3.1.2 塌陷原因分析

(1)樁位處巖面以上覆蓋層內(nèi)存在特厚的砂層，基巖內(nèi)的大型溶(土)洞是塌陷的誘因。

(2)沖孔至溶(土)洞后，發(fā)生漏漿，樁孔內(nèi)漿液水頭急劇下降,鉆孔內(nèi)失去孔內(nèi)壓力,與外部地下水形成較高的水壓差,導(dǎo)致孔壁失穩(wěn),同時(shí)由于溶(土)洞與上層覆蓋層貫通，因此推斷孔壁失穩(wěn)使上層軟弱覆蓋層也受到擾動(dòng)，綜合引起沿鉆孔樁孔壁的地面塌陷。

(3)淺層覆蓋層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土壓縮性較高、強(qiáng)度低，孔內(nèi)漏漿引起孔內(nèi)漿液水頭急降的同時(shí)形成漏斗效應(yīng)，導(dǎo)致樁位附近地下水位下降，使淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的附加應(yīng)力增大，從而發(fā)生鄰近市政道路路面的不均勻沉降。

(4)鉆孔施工中沖程過(guò)大，沖擊振動(dòng)加速了上述過(guò)程的發(fā)育，進(jìn)一步促使塌陷的形成，振動(dòng)對(duì)塌陷具有誘發(fā)作用。

3.2 樁基設(shè)計(jì)方案調(diào)整

鑒于原樁位不能使用，故需對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，原樁位變更為兩根1.4m的騎馬樁，即11#-1a樁基、11#-1b樁基，此兩根樁基分別利用鉆孔11-1a，11-1b作為樁中心。樁基類(lèi)型仍然采用嵌巖樁，設(shè)計(jì)單樁樁頂反力3 600kN。

11#-1a樁基位置處溶洞較高，表層溶洞無(wú)頂板，溶洞頂為6.4m高的可塑粉質(zhì)黏土層，黏土層較厚，主要為砂層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，鉆孔過(guò)程中容易坍塌。因此考慮采用鋼護(hù)筒穿過(guò)砂層，進(jìn)入黏土層，總長(zhǎng)度33m。其次巖面溶洞雖為全填充，但考慮到已發(fā)生過(guò)大規(guī)模塌陷，施工前預(yù)注雙液漿(水泥漿+水玻璃)處理溶洞。樁基穿過(guò)溶洞后，樁底嵌于溶洞底基巖位置，同時(shí)考慮盡量確保樁底完整基巖的厚度(鉆探按入巖5倍樁徑的深度預(yù)留)，定于高程-58.3m處終孔，嵌巖深度約1.5d，樁長(zhǎng)64.5m。

11#-1b樁基位置處同樣砂層較厚，為防止施工過(guò)程中塌孔，同樣考慮采用鋼護(hù)筒穿過(guò)砂層進(jìn)入可塑黏土層，總長(zhǎng)度25.5m。其次為了防止相鄰溶洞串聯(lián)引起大規(guī)模漏漿，采用預(yù)注雙液漿處理溶洞。在樁基持力層上，雖然該樁位鉆孔顯示溶洞上層有較厚的完整基巖，但是一方面考慮到該基巖巖層起伏較大，巖面較為傾斜，作為持力層有一定風(fēng)險(xiǎn)； 另一方面鑒于11#-1a樁基長(zhǎng)度達(dá)64.5m，考慮同一個(gè)承臺(tái)兩根樁基長(zhǎng)度不宜相差太大，盡量避免“長(zhǎng)短腿”現(xiàn)象； 經(jīng)綜合分析，決定樁基穿過(guò)深層溶洞，樁底嵌于溶洞底基巖位置，于高程-58.4m處終孔，樁長(zhǎng)64.7m。以上溶洞處理方案詳見(jiàn)圖8。

圖8 溶洞處治方案

在對(duì)周邊建(構(gòu))物采取保護(hù)措施方面，考慮之前已打入的拉伸鋼板樁垂直度無(wú)明顯變化，且對(duì)該處淺層覆蓋層進(jìn)行了注漿處理，再結(jié)合塌陷原因的分析，認(rèn)為原保護(hù)措施未失效，決定本次處治沿用之前的保護(hù)方案。

另外，雙液漿中水玻璃摻量是按工地試驗(yàn)配合得到的，務(wù)求得到漿液的最佳凝固時(shí)間，漿液如果凝固太快，達(dá)不到充分固化樁周溶洞填充物的作用； 而漿液若凝固太緩慢，會(huì)導(dǎo)致漿液流動(dòng)性大，使處治費(fèi)用難以控制。經(jīng)試驗(yàn)，施工采用配合比為每方用量水泥740kg、水740kg、水玻璃22.5kg，水玻璃占水泥用量3%，雙漿液初凝時(shí)間約37min。

最后，根據(jù)廣東省《巖溶地區(qū)公路橋梁樁基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》(GDJTG/T A01—2016)[12]，對(duì)11#-1a，11#-1b樁基單樁軸向受壓承載力[Ra]進(jìn)行驗(yàn)算：

式中：k1，k2分別為根據(jù)溶洞頂板厚度而定的端阻力折減系數(shù)、總側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù)，k1,k2均按表1取值； 其余各參數(shù)具體含義及計(jì)算見(jiàn)規(guī)范5.4.2條。

系數(shù)k1和k2取值 表1

樁基選擇溶洞下層基巖作為持力層，根據(jù)地質(zhì)鉆探，樁底完整基巖厚度約為3.5倍樁徑，因此k1取0.29，k2取0.91。另外計(jì)算中偏安全地不考慮鋼護(hù)筒與巖土的側(cè)摩阻力。11#-1a樁基單樁承載力驗(yàn)算結(jié)果為7 120kN； 11#-1b樁基由于樁入巖深度約達(dá)16m(扣除溶洞高度)，因此巖層提供的側(cè)摩阻力較大，經(jīng)驗(yàn)算，單樁承載力為45 469kN。樁基設(shè)計(jì)均滿(mǎn)足受力要求。

變更后騎馬樁后，對(duì)橋梁承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，見(jiàn)圖9。承臺(tái)長(zhǎng)度由原2.2m變更為5.9m，寬度由原2.2m變更為2.4m，高度由原1.5m變更為2.0m，承臺(tái)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。其余橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)需調(diào)整，減少了結(jié)構(gòu)的變更量。

圖9 橋墩一般構(gòu)造圖

3.3 施工注意事項(xiàng)

(1)加強(qiáng)對(duì)泥漿質(zhì)量的控制，要求采用黏性較好的膨潤(rùn)土作為造漿材料，并在施工過(guò)程中注意泥漿比重的檢查，泥漿相對(duì)密度(泥漿相對(duì)于水的密度)不應(yīng)低于1.3，確保能充分發(fā)揮泥漿護(hù)壁的作用。

(2)當(dāng)沖孔至溶(土)洞頂部1.5m時(shí)減緩沖程，進(jìn)尺控制在50～80cm； 在溶洞范圍內(nèi)沖擊成孔時(shí)，沖程不宜大于1m，降低沖擊振動(dòng)，盡量減小沖樁過(guò)程中對(duì)大型溶(土)洞的擾動(dòng)。

(3)加強(qiáng)對(duì)沖孔進(jìn)尺深度的量控，并密切關(guān)注孔內(nèi)情況，當(dāng)發(fā)生孔內(nèi)漏漿時(shí)迅速拋填黏土、片石，如果漏漿嚴(yán)重，在回填片石和黏土的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充袋裝水泥或灌注低標(biāo)號(hào)混凝土，及時(shí)封堵漏漿并恢復(fù)孔內(nèi)水頭高度，待泥漿面穩(wěn)定后再進(jìn)行沖孔。

(4)在樁周布設(shè)沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，密切關(guān)注地面是否有沉降變化。

4 結(jié)論及建議

(1)地質(zhì)勘察至關(guān)重要，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行勘察時(shí)應(yīng)提高警惕尤其是巖溶發(fā)育地區(qū)，以便后續(xù)處治方案的制定能切實(shí)有效。本文案例中就是由于首次地質(zhì)勘察未能充分揭示地質(zhì)情況，導(dǎo)致11#-1樁基在加深過(guò)程中擾動(dòng)了未探明的大型溶(土)洞，從而引發(fā)地面塌陷。

(2)本文介紹的溶洞樁基處治方案在傳統(tǒng)的溶洞處治方式上，進(jìn)一步結(jié)合城鎮(zhèn)區(qū)域的特殊性額外增加了對(duì)周邊建(構(gòu))物的保護(hù)措施，保護(hù)措施可以根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置。筆者認(rèn)為介紹的處治方案和思路雖然增加了工程費(fèi)用，但是有效地保障了周邊建(構(gòu))物及人員的安全，取得了顯著的社會(huì)效益。

(3)在采用沖擊鉆施工溶洞樁基的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況的變化及時(shí)調(diào)整沖程，減少施工振動(dòng)對(duì)不良地質(zhì)的擾動(dòng)； 同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)必須儲(chǔ)備足夠的應(yīng)急物資，以備在出現(xiàn)如漏漿甚至地面塌陷等情況時(shí)能迅速進(jìn)行處理。

(4)在城鎮(zhèn)范圍溶洞樁基處治必須提高防護(hù)等級(jí)，建議相關(guān)主管部門(mén)、業(yè)主單位在同類(lèi)型項(xiàng)目的概預(yù)算編制中增大該費(fèi)用的預(yù)留，盡量避免重(較)大變更的出現(xiàn)。

目前本工程變更后的兩根樁基均已順利成孔。