溶洞區(qū)樁基及骨架注漿填充施工關(guān)鍵技術(shù)研究

黃康顯

摘要：為解決樁基溶洞的填充處理問題，文章依托廣西某道路工程中巖溶樁基部分進(jìn)行溶洞區(qū)樁基監(jiān)測及骨架注漿填充施工關(guān)鍵技術(shù)研究。研究結(jié)果表明：不同埋深下達(dá)到最大樁土剪切變形量需要的時間不同，埋深靠近10m處一定范圍內(nèi)中心點(diǎn)難以達(dá)到樁周軸力峰值所需的樁土剪切變形量;混凝土基層施工完成后，進(jìn)行鋼管骨架的搭接，同時進(jìn)行碎石填充及空口封堵的工作，鋼管骨架搭接完成后，逐層逐步進(jìn)行混凝土注漿施工;填充體內(nèi)的帶孔注漿鋼管組裝成的鋼管骨架，相對于凝固后的水泥砂漿，其力學(xué)性能優(yōu)良，可以較好地承載從填充體內(nèi)各個方向傳來的應(yīng)力，減小填充體中水泥砂漿所要承擔(dān)的應(yīng)力，從而使填充體的整體承載力增大，提高填充體的安全性。

關(guān)鍵詞：溶洞;樁基;施工技術(shù);骨架注漿;有限元

中圖分類號：U445.55⁺1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.034

文章編號1673-4874（2021）01-0121-05

0引言

我國喀斯特地貌分布極為廣泛，在工程施工中，不得不考慮到巖溶的危害與處理。在許多的工況中，如對樁基溶洞、隧道溶洞的填充處理等工況的處理不當(dāng)會產(chǎn)生較大影響，甚至影響到整個施工的進(jìn)程。國內(nèi)外諸多學(xué)者對此問題進(jìn)行了研究[1-6]，楊曉華等[7]以蛤蟆灘大橋?yàn)楣こ瘫尘?，主要從溶洞探測方法、頂板安全厚度分析和采取處治措施等3 個方面進(jìn)行研究;林開明[8]著重闡述在巖溶發(fā)育區(qū)的雪峰大橋沖孔灌注樁基的施工過程，依據(jù)現(xiàn)場溶洞的實(shí)際情況（即溶洞內(nèi)部充填情況及其尺寸），進(jìn)行溶洞初步處理并吊裝輔助鋼護(hù)筒施工;朱汝振[9]結(jié)合左江大橋樁基施工案例，針對地質(zhì)水文條件復(fù)雜地區(qū)的鉆孔灌注樁無法采用常規(guī)的泥漿循環(huán)鉆進(jìn)等施工工藝，提出了撈渣工藝鉆進(jìn)施工方法，并對采用護(hù)筒跟進(jìn)和下放多層內(nèi)護(hù)筒處理裸巖、溶洞、塌孔埋錘等突發(fā)狀況進(jìn)行了探討。綜上所述，針對巖溶樁基的研究較多，但目前缺乏溶洞區(qū)樁基監(jiān)測及骨架注漿填充施工關(guān)鍵技術(shù)研究，因此本文依托廣西某道路工程中巖溶樁基部分進(jìn)行研究，為今后類似工程提供借鑒。

1工程概況

擬建的項目位于廣西壯族自治區(qū)某市（縣）境內(nèi)，路線設(shè)計起點(diǎn)樁號為K0+000，下穿一山坳，橫跨一水塘，終點(diǎn)樁號為K0+639.99，路線全長為0.63999km。本項目全線采用二級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度為40km/h，路基寬度為10m，汽車荷載等級為公路-1級。擬建隧道長260m，為單拱越嶺短隧道。進(jìn)口樁號為K0+080，設(shè)計高程為936.780m，出口樁號為K0+340，設(shè)計高程為939.38m，最大埋深為52.51m，位于樁號K0+200。按雙車道二級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，凈空寬x高為9×5.5m，進(jìn)、出洞門形式擬采用端墻式。擬建橋中心樁號為K0+433，橋梁起點(diǎn)樁號為K0+409.47，終點(diǎn)樁號為K0+458.53，橋型擬采用1X35m，橋梁總長為49.06m，橋面寬為12.9m;上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）簡支小箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋臺采用樁基礎(chǔ)。

隧址區(qū)域?qū)俑叻鍏采钔莸貛r溶地貌類型，為廣泛分布的可溶巖（碳酸鹽巖）、XXS型構(gòu)造和巖溶水文組成的典型巖溶系統(tǒng)——百朗地下河巖溶水文系統(tǒng)。巖溶峰叢海拔高度500～1500m不等，形成了地下河、溶洞、天坑、豎井、石芽、溶溝、溶槽、洼地、漏斗、波立谷等眾多巖溶地貌現(xiàn)象。群峰簇立，多呈錐狀、塔狀或平頂狀，基座大部相連，群峰之間點(diǎn)綴著大大小小的溶蝕洼地負(fù)地形。洼地有似圓形、橢圓形、條形或不規(guī)則形狀，規(guī)模較小，面積一般為0.5～5km²。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及工程地質(zhì)調(diào)繪成果，結(jié)合鉆探揭示的巖性特征，路線走廊帶內(nèi)覆蓋層主要為新生代的第四系人工填土（Q₄^ml）、殘積坡（Q₄^el+dl）紅黏土或碎石土等，下伏基巖為石炭系下統(tǒng)大塘階（C₁d）灰白、淺灰色致密灰?guī)r、細(xì)晶灰?guī)r，局部夾少量少許白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r，一般下部夾頁巖及較多的硅質(zhì)巖。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪，沿線邊坡開挖高度較小，未見滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用，路線范圍內(nèi)主要的不良地質(zhì)為巖溶。本次鉆探于11鉆孔中有2個共揭露到2個溶洞，均為全充填溶洞。根據(jù)高密度法探測，發(fā)現(xiàn)在深度16.0～3.4m位置處溶洞由深到淺發(fā)育，0號橋臺附近沿縱橋向溶洞發(fā)育長度為1.8m左右。利用地質(zhì)雷達(dá)法對橫橋向一側(cè)溶洞進(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)在深度7.0～18.0m范圍內(nèi)有溶洞發(fā)育，橫橋向溶洞發(fā)育長度為8.0m左右。根據(jù)上述物探結(jié)果，為探明溶洞發(fā)育的確切位置和了解該區(qū)域地層結(jié)構(gòu)特征，決定采用地質(zhì)鉆探法進(jìn)行詳細(xì)探測。鉆探結(jié)果表明，橋梁橋臺所在位置溶洞充填物主要為泥土和碎石，為全充填型溶洞，0號橋臺附近溶洞發(fā)育深度為15.8～22.3m，平均高度為2.7m，溶洞發(fā)育比較強(qiáng)烈，對地基承載力和橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定影響較大。

具體鉆孔溶洞發(fā)育情況如表1所示。

路線場地灰?guī)r大部分出露于地表，低洼地帶分布有厚度一般≤10m的第四系覆蓋層，落水洞等地表巖溶景觀顯露，地表水與地下水連通密切，為裸露型巖溶。雖然鉆孔的遇洞隙率為18.2%，線巖溶率為1.7%，但是由于地表有洼地、落水洞、泉眼發(fā)育，地表巖溶發(fā)育密度>6個/km²，發(fā)育等級為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。隧道洞身處根據(jù)高密度電法和面波法的探測推斷成果，推斷其主要為較破碎灰?guī)r或巖溶裂隙發(fā)育帶，主要以溶蝕裂隙發(fā)育為主，發(fā)育較淺，規(guī)模較小。從平面位置分析，4個低阻異常帶應(yīng)該無相互關(guān)聯(lián)?？傮w上該區(qū)域場地在勘探深度范圍內(nèi)巖溶發(fā)育規(guī)模均不大，洞身局部可能發(fā)育溶洞，巖石較破碎，對隧道圍巖穩(wěn)定性有一定影響，但是無較大規(guī)模溶洞分布。

2巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)樁基施工技術(shù)研究

2.1巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)樁基施工

支撐II：豎向角鋼高4.0m，橫向角鋼長3.0m，斜向角鋼在橫、縱兩個方向角鋼上的相交點(diǎn)距二者的交界處的長度分別為1.5m和2.0m，放置于砌筑墻體中間相鄰的兩個六分點(diǎn)處;

支撐III：豎向角鋼高3.0m，橫向角鋼長2.0m，斜向角鋼在橫、縱兩個方向角鋼上的相交點(diǎn)距二者的交界處的長度分別為1.0m和1.5m，放置于砌筑墻體外側(cè)兩個六分點(diǎn)處。

3.2澆筑混凝土基層

在澆筑混凝土基層之前，先在洞底低洼程度較深的地方填充大量碎石塊。同時粗略估計定位節(jié)點(diǎn)位置，對洞底明顯高出的很突兀的地方進(jìn)行規(guī)避或人工平整（在無法規(guī)避的幾處定位節(jié)點(diǎn)上），從而使所有底部支座平整地分布在一個平面上。

之后平整碎石，準(zhǔn)確測定定位節(jié)點(diǎn)。在洞口位置沿洞口方向的直線上每隔1m定下一個定位節(jié)點(diǎn)，然后沿著這些節(jié)點(diǎn)的垂線方向，再過1m定下下一個定位節(jié)點(diǎn)，如此重復(fù)，形成各點(diǎn)間距1m的網(wǎng)點(diǎn)狀的定位節(jié)點(diǎn)布置。在測定好的定位節(jié)點(diǎn)上放置底部托盤，然后澆筑混凝土并震動、找平、養(yǎng)護(hù)。

3.3組裝注漿鋼管骨架

（1）組裝帶孔注漿鋼管

鋪設(shè)第一層帶孔鋼管組合骨架，以定位固定的底部支座為基礎(chǔ)，將帶孔注漿鋼管從上部嵌套固定。在帶孔注漿鋼管頂部連接三軸連接件，然后將相鄰的兩個三軸連接件用帶孔注漿鋼管連接，從而形成一個網(wǎng)狀平面。將臨近洞口的鋼管與注漿導(dǎo)管相連接，并伸出洞外，鋼管骨架中間的空洞用碎石填充。

在洞口的位置，不再鋪設(shè)豎直方向的注漿鋼管，而是使水平方向的注漿鋼管貼近洞口位置。為了后續(xù)注漿的方便，在所有貼近洞口的注漿鋼管上都連接有注漿導(dǎo)管。

當(dāng)鋼管骨架搭接完成后距洞口高度約有一人高時，再采用由里向外的搭接方法，從最里側(cè)開始直接一次性搭接完成，且在搭接過程中完成碎石的填充。

（2）上部鋼管封頂

當(dāng)施工臨近溶洞頂部時，在頂部的帶孔注漿鋼管上端嵌套安裝頂部托盤，頂部托盤上沿交錯垂直的兩個方向各穿過兩根0.8m長的鋼筋，使得澆筑后的填充體的上部在承力時，更多的力會分擔(dān)到內(nèi)部填充有水泥砂漿的注漿鋼管上。

（3）砌筑墻體

在溶洞口之前用于確定定位節(jié)點(diǎn)的直線位置砌筑墻體。本施工技術(shù)采用逐層砌筑的方式，根據(jù)溶洞內(nèi)鋼管骨架的搭接進(jìn)度進(jìn)行砌筑。當(dāng)砌筑到洞口上部時，留有約為一人高的空間暫時不進(jìn)行砌筑。

3.4注漿

根據(jù)現(xiàn)場測量，預(yù)訂水泥砂漿。在骨架搭接和墻體砌筑結(jié)束后，將伸出砌體墻的注漿導(dǎo)管連接在注漿機(jī)上，然后按由下而上的順序依次灌注水泥砂漿。在灌注水泥砂漿前，需在砌筑的墻體外側(cè)設(shè)置支撐。本工法中選取一種三角鋼支撐，在砌筑墻體的五處六分點(diǎn)分別布置，以保證內(nèi)部灌注水泥砂漿且并未凝固前，砌筑的墻體不會因?yàn)樯皾{的重力擠壓而外突破壞。施工完成后，要注意及時封堵。其施工效果如圖4所示。

3.5施工方法數(shù)值模擬效果

針對本項目的施工方法，此處對其進(jìn)行施工完成后的ANSYS建模分析，從而得出其應(yīng)力云圖。

（1）模型簡化

實(shí)際施工情況得到的結(jié)構(gòu)是較為復(fù)雜的，且在某些細(xì)節(jié)處力學(xué)效果較不理想，為使其力學(xué)模型簡單化、科學(xué)化，需要對其模型進(jìn)行簡化處理。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，鋼管內(nèi)部灌注水泥砂漿并凝固后，其強(qiáng)度與實(shí)心鋼管相差不大，故取橫截面稍小的實(shí)心鋼管（d=50mm）作為代替。同樣，結(jié)點(diǎn)處三軸連接件的模型不需另行建立，而視為幾根實(shí)心鋼管在該處結(jié)點(diǎn)直接相連，以使其力學(xué)模型簡單化。鋼管骨架間的空洞中先填充有碎石，后灌注水泥砂漿，二者混合凝固后得到的混合物的強(qiáng)度大于單純的水泥砂漿，故建模時視其為單純的水泥砂漿，降低填充物強(qiáng)度，分析的結(jié)果不會使得實(shí)際情況比ANSYS模擬更差。

溶洞內(nèi)部的空間是不規(guī)則的，其建模繁復(fù)，且會對運(yùn)算后對結(jié)果的觀察造成干擾，然而考慮到本施工技術(shù)的推廣性，對溶洞內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)并無強(qiáng)制要求，故將整個溶洞空間進(jìn)行簡化規(guī)則處理。將溶洞空間簡化為一個切面形狀為橢圓（短軸：長軸=0.6）并繞軸線旋轉(zhuǎn)閉合而成的扁平模型，且該模型的下面一部分和側(cè)面一部分被切除，如此簡化即可大致模擬出溶洞內(nèi)部空間。本次數(shù)值模擬建立模型時，溶洞尺寸為5.9×4.0×2.7m，溶洞底部距地層邊界取其高度的2倍，為5.4m，溶洞頂部距地面邊界的高度為樁長與頂板厚度之和。

溶洞上存在大量的天然巖體，而溶洞填充物最主要的目的在于待天然巖體失穩(wěn)后，填充物可以支撐上部天然巖體，避免其塌落而對道路施工與行車造成危害。此處進(jìn)行ANSYS建模分析的研究對象是溶洞的填充體，故將其上部的天然巖體簡化為與其自重大致相等的均布荷載施加在溶洞填充體上，對自然巖體失穩(wěn)后的溶洞填充體進(jìn)行力學(xué)分析。

（2）參數(shù)選取

帶孔鋼管選用Q235鋼材，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。水泥砂漿的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，選取彈性模量為20GPa，泊松比為0.13。

（3）ANSYSY建模分析

對建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及分析，如圖5（a）所示。將填充體中的水泥砂漿部分和組合鋼管骨架部分通過“glue”命令中的“pick all”選項來使其粘結(jié)為整體，隨后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在溶洞填充體模型中低于XOY坐標(biāo)面的圓弧面以及下底面上施加三個方向的面約束。取巖石容重為25kN/m³，設(shè)溶洞上覆巖層的厚度均為10.0m，則模型簡化后施加在溶洞填充體上的均布荷載為250kN/m²，方向豎直向下。

對照兩次運(yùn)算結(jié)果，在相同的外部荷載作用下，帶鋼管骨架的溶洞填充體內(nèi)部應(yīng)力的絕對值的最小值為1.7749，最大值為26.828;反觀純注漿溶洞填充體，其內(nèi)部應(yīng)力的絕對值的最小值為14157，最大值為343.987。二者對比，帶有鋼管骨架的填充體能使得填充體在承擔(dān)相同荷載的情況下，內(nèi)部應(yīng)力大幅度減小。

另一方面，觀察兩種情況的應(yīng)力云圖，如圖5所示，純注漿的模型最大應(yīng)力在填充體中心及下部接觸面的中心部位，與外部的接觸面較大;而帶有鋼管骨架的填充體最大的應(yīng)力大部分被束縛在了填充體內(nèi)部偏上的位置，底部接觸面上只有很小的分布面積，不會對接觸面造成過大的傷害，符合溶洞填充的原則與目的。

4結(jié)語

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，不可避免會在喀斯特地質(zhì)條件下進(jìn)行工程施工。本文依托廣西某道路工程研究巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)樁基施工和帶孔鋼管組合骨架注漿溶洞填充施工技術(shù)，得出如下結(jié)論：

（1）不同埋深下達(dá)到最大樁土剪切變形量需要的時間不同，埋深靠近10m處一定范圍內(nèi)中心點(diǎn)難以達(dá)到樁周軸力峰值所需的樁土剪切變形量，由此將樁土負(fù)摩阻力劃分為可達(dá)樁周軸力變形所需最大剪切變形的上部樁段與不可達(dá)樁周軸力變形所需最大剪切變形的下部樁段。

（2）混凝土基層施工完成后，進(jìn)行鋼管骨架的搭接，同時進(jìn)行碎石填充及空口封堵的工作。鋼管骨架搭接完成后，逐層逐步進(jìn)行混凝土注漿施工。填充體內(nèi)的帶孔注漿鋼管組裝成的鋼管骨架，相對于凝固后的水泥砂漿，其力學(xué)性能優(yōu)良，可以較好地承載從填充體內(nèi)各個方向傳來的應(yīng)力，從而減小填充體中水泥砂漿所要承擔(dān)的應(yīng)力，使填充體的整體承載力增大，提高填充體的安全性。

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