強發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基施工技術

周 錦

（中鐵二十二局集團第五工程有限公司，廣東 清遠 511500）

0 引言

巖溶在我國分布極其廣泛，可根據(jù)發(fā)育強度分為四類，見表1。由于巖溶表現(xiàn)形式多樣、發(fā)育呈現(xiàn)較強的不規(guī)律性，且受困于目前的勘探技術及有限成本，給該地區(qū)勘察設計、施工管理、運營維護等橋梁工程全生命周期管理帶來許多不確定因素，也給特大橋樁基施工提出了較大的技術難題。

表1 巖溶發(fā)育強度及表現(xiàn)形式

在橋梁外加荷載的長期作用下，巖溶常常會發(fā)生不同程度的坍塌，且難以對其發(fā)生的時間節(jié)點和空間位置做出精準預測，從而對橋梁基礎的安全性能產(chǎn)生較大的威脅。如何在橋梁樁基礎勘設過程中把控整體的安全性、經(jīng)濟性、合理性，確保工程質量，是橋梁設計重點關注的問題，也是橋梁建設中亟待解決的問題。

1 工程概況

珠三角城際廣清北延1標段含特大橋8座，累計長度達18107.82m，大橋6座，共19.737km，中橋3座，共285.6m，中等及以上規(guī)模的橋梁占全線總長度的80%。其中，以青欖海特大橋66#墩和文洞河特大橋16#墩作為典型代表，進行巖溶樁基施工技術研究。該樁基地質結構十分復雜，基巖面起伏較大，巖溶強發(fā)育，形態(tài)以溶溝、溶槽及溶洞等為主；溶洞規(guī)模繁雜，縱深也不盡相同，存在很大的差別，部分發(fā)育呈現(xiàn)串珠狀。青欖海特大橋66#墩均為無填充型溶洞，文洞河特大橋16#均為填充型溶洞。66#墩樁基礎為6根直徑1.8m，最長的樁是6#樁，其長度為115m，其余5根樁長均在100m以上。6根樁均有溶洞，且為串通型無填充溶洞。16#墩樁基礎為6根直徑1.8m，最長的是樁6#樁，其長度為110.5m，其余5根樁長均在100m以上。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗可知，相比于一般地形地質，要想橋梁鉆孔樁高效無誤地穿越地下巖溶，其施工難度大、不可控風險源多、工期無法保證，因此必須引起重視。由于對地下巖溶不可能掌握得特別詳細，鉆孔施工往往是參照設計資料，結合一些成熟的施工經(jīng)驗，針對巖溶發(fā)育的規(guī)模和類型，采取相應的對策。

2 鉆孔樁施工難點及溶洞處理方法

2.1 施工重難點

強發(fā)育巖溶地區(qū)在鉆孔樁施工過程中，常會遇到以下問題，這些問題如果未能及時、合理地處理，將會影響整個項目的安全。

2.1.1 鉆孔擊穿溶洞后，易產(chǎn)生塌孔

（1）因泥漿大量流失，使得泥漿面快速下降，形成塌孔；

（2）當溶洞規(guī)模較大、地表土質又相對較差時，易發(fā)生塌孔現(xiàn)象，并引發(fā)地表塌陷；

（3）工人未持證上崗，操作出現(xiàn)問題，則易發(fā)生鉆頭卡住或掉入溶洞內的事故。

2.1.2 斜巖層鉆孔發(fā)生偏孔

2.1.3 防止塌孔后的斷樁危險

（1）在水下進行灌砼工作時，當抹灰面上升到某指定高度后急速下降，使導管底部完全裸露，發(fā)生斷樁；

（2）對于某些規(guī)模型溶洞，其與地下暗河相接，即使通過大量補漿來預防塌孔，但因與地下水位處持平，泥漿無法完成循環(huán)，鉆渣難以及時排出孔外，鉆進工作就會止步不前；

（3）對于一些規(guī)模較大的大型溶洞，雖然大量混凝土涌入，但在較長時間內并未造成該平面上升，如果未能及時處理，則會因表面凝固而發(fā)生斷樁。

2.1.4 其它問題

因工程特性而導致的機械設備磨損加劇，如果未能及時檢查發(fā)現(xiàn)、維護，易導致鋼絲繩斷裂，掉入孔內。

2.2 各型溶洞處理方法

各型溶洞處理方法見表2。

表2 各型溶洞處理方法

3 強發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基設計

3.1 巖溶地區(qū)橋梁樁基設計原則（表3）

表3 樁基設計原則

3.2 巖溶地區(qū)樁基設計理論

在橋梁設計時，選擇合適的有關地基設計參數(shù)，既可保證質量，又可降低造價。通常該類型地區(qū)的樁基設計需要根據(jù)以下兩種情況來確定，見表4。以下兩種方法雖能滿足一般巖溶發(fā)育情況，但對于強發(fā)育地區(qū)，可能會出現(xiàn)多層溶洞，此時會出現(xiàn)特殊情況：當縱向鉆孔深度已達30m時，無滿足要求的完整巖層時，就無法按照第二種情況來設計溶洞頂板厚度。

表4 巖溶地區(qū)樁基設計情況

若樁位下較深范圍內，存在密集型溶洞和完整巖性埋置很深的情況，或是溶洞分布較淺、頂板較為薄弱，不能滿足端承樁要求時，應改用摩擦樁，同時還要考慮不均勻沉降對工程的影響。此時，應采取以下措施：（1）頂面巖溶層與樁間進行隔離，且應忽略兩者間的摩擦；（2）對于樁基礎處于巖溶地區(qū)溶槽或是溶溝處的情況，當樁穿過其間填充土，并支立于溶槽（溝）底面的巖層上時，也要忽略其對樁側的摩擦，僅將這類摩擦作用視為安全儲備；（3）在鉆孔灌注樁施工過程中，也應將多層巖溶與樁壁隔離開來，使軸向荷載均作用于柱底巖層之上，便可按照一般情況分析樁的內力；（4）通過對強度、縫隙等情況的計算，綜合考慮溶槽（溝）底面巖層的穩(wěn)定性，以此來確定樁的軸向容許承載力。

此外，設計時應重視樁基負摩擦力的影響，負摩擦力會增加樁基所承受的軸向荷載，甚至可能導致樁基破壞。解決該問題的關鍵點在中性點處，即正負摩擦力的分界點，可在此處使用油毛氈消除負摩擦影響。

對于采用的嵌石樁，公路或是鐵路橋均未對樁底以下完整基巖的厚度作出相關規(guī)定。若采用物探，則僅能探知4m~5m縱深范圍，無法解決該類地區(qū)的樁基設計難題，必須根據(jù)項目情況，因地制宜，采取合適的計算方法、制定合理的樁基形式。

4 強發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基施工方案的確定

根據(jù)青欖海特大橋和文洞河特大橋地質特點及樁基設計方法，綜合考慮工程特點，確定最優(yōu)方案：

（1）青欖海特大橋66#墩巖溶發(fā)育強烈，根據(jù)現(xiàn)場實際情況、結合已有設備和技術，整理巖溶處理方案，綜合采用回填C15混凝土、片石、黏土、水泥充填物或雙層鋼護筒跟進等方法，研究確定實施方案。

一是要推動技術進步，鼓勵扶持企業(yè)的技術創(chuàng)新與技術引進，提高安徽科技水平。特別是要注意研發(fā)成果的轉化，安徽財政支出中科技支出占比從2010年的1.99%提升到了2016年的4.69%，但全要素生產(chǎn)率增長率卻沒有提高，反而有所下降，說明安徽科技投入只是加大了技術知識儲備，并沒有轉化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。

（2）先對6#樁基進行試樁。采用直徑2m鋼護筒跟進至基巖面后，小沖程擊穿溶洞頂板，按導管法間歇灌注C15混凝土（建議每次灌注量不超過300m3）。測量混凝土上升面是否與預估溶洞大小相符，如灌注混凝土量與預估量基本相符，則繼續(xù)灌注混凝土回填處理；如與預期效果偏差較大，改用片石、黏土及水泥混合物充填溶腔，并跟進第二層鋼護筒護壁。

（3）如3#樁按混凝土填充試樁成功后，8#樁按相同方案進行處理。對1#樁、6#樁采用鉆探方法驗證溶洞處理效果，確定后續(xù)施工方案。

（4）樁基施工前：提前制定專項應急預案，合理解決樁基施工過程中及后期可能出現(xiàn)的沉陷、塌方等事故；準備好必要的救援搶險設備及應急物資。

（5）樁基施工期間，制定專項監(jiān)測方案，對既有線周邊水位及地表沉降觀測，并安排專人進行全程旁站；設置專職安全員進行巡視。

結合設計揭示溶洞的類型、大小及溶洞施工的不可預估性，周圍復雜環(huán)境等因素，為保證施工進度及營業(yè)線的安全，制定以下施工方案，可最大程度保證質量、安全、進度要求。

先對承臺周邊覆蓋層注漿加固處理，加固完成后，采用全套管全回轉鉆機對該墩樁基進行施工。首先采用高壓旋噴樁對承臺周邊設置環(huán)狀封閉截水帷幕，截斷地下水來源，對帷幕范圍內采取袖閥管注漿方式，同時為應對可能的地表沉陷，考慮在承臺范圍鋪設鋼筋混凝土縱橫地梁，形成有效的支撐平臺，分散設備荷載，保證設備在施工期間的作業(yè)安全，樁基施工采用全套管全回轉鉆機施工。施工過程中全孔套管護壁、鉆進和灌注均無孔壁坍塌風險，無斷樁和縮徑的風險，成樁質量高；成樁過程中對周邊建筑物地基無擾動；施工鉆進時可很直觀地判別地層及巖石特性；鉆機速度快，單根樁基平均23d/根。

5 強發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基施工工藝

5.1 施工工藝流程（見圖1）

5.2 強發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基成孔工藝

5.2.1 旋挖鉆配合沖擊鉆成孔

沖擊鉆施工過程根據(jù)樁徑大小，沖錘重量一般在5t～15t之間，靠卷揚機提升，泥漿較濃時，經(jīng)常會造成提不起錘的現(xiàn)象。因此，在沖進覆蓋層時，沖進速度較慢，孔底大量鉆渣無法采用正循環(huán)及時清理。同時，巖溶區(qū)樁基存在大量溶洞、溶蝕現(xiàn)象，無法采用鉆機全程鉆進。因此，采用先鉆后沖的成孔工藝。在覆蓋層采用350旋挖鉆鉆機鉆進，待鉆至距巖面約2m左右，停止鉆進，換沖擊鉆沖進。這樣可充分發(fā)揮兩種施工工藝的優(yōu)勢。

圖1巖溶樁基施工工藝流程圖

5.2.2 沖擊鉆成孔

根據(jù)設計樁徑目前選用的沖擊鉆采用5t～10t沖機鉆成孔，黃泥造漿，開孔后先利用小沖程反復沖擊黃泥造漿。利用泥漿池作為泥漿循環(huán)，無論是開孔還是鉆進過程，為了防止泥漿涌出，要合理控制孔內水位高度，一般在整個施工過程中，應高出最高水位1.5m~2.0m，且距離護筒頂面不應小于0.3m。

5.2.3 回旋鉆成孔

全套管全回轉鉆機鉆孔灌注樁施工成孔過程中采用鋼套管護壁，具有成樁質量好、無泥漿污染、綠色環(huán)保、減少混凝土充盈系數(shù)等特點，能有效解決巖溶樁基特別是超長巖溶樁基成孔周期長、成孔難且溶洞內易卡鉆、卡錘的問題：（1）利用回轉裝置的回轉，可有效降低鋼套管與土層間的摩擦力；（2）邊回轉邊壓入，同時利用旋挖鉆取芯，保證套管安全、平順地接觸到樁端持力層；（3）待挖掘結束，立刻測定其深度，同時核對樁端持力層，并清理虛土；（4）成孔后，放入鋼筋籠，然后在鉆孔中心處安置導管，灌砼成樁。

5.3 強發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基施工控制要點

（1）逐樁鉆探是巖溶發(fā)育地區(qū)樁基施工前的必要手段，根據(jù)不同工程地質特點，選取合適的勘察和鉆探手段，從而了解地下溶洞的規(guī)模、深度等，以便確定樁基的合理長度，科學有效地確保樁尖在穩(wěn)定持力層之上；

（2）鉆孔期間，應針對性地安排記錄員對鉆孔情況進行記載，一旦出現(xiàn)所記事件與設計預期不一致時，應立刻與多方進行溝通，回到現(xiàn)場進行實地調研。如果仍有較大出入，必須重新進行鉆探工作；

（3）鉆孔樁采用沖擊成孔；

（4）因地制宜，綜合考慮地表土質、工程規(guī)模等情況，采用長鋼護筒，其長度一般不得小于3m；

（5）鉆進時，應合理增加泥漿比重，對孔壁加強支護，通常不得小于1.5；

（6）泥漿池應該制作稍大一些，保證在發(fā)生漏漿后，能夠及時、充足地進行補充；

（7）先難后易，先長后短；

（8）在擊穿空溶洞或是半填充溶洞之前，需要設立專員進行監(jiān)督與記錄，時刻關注護筒內泥漿面的變化，一旦發(fā)現(xiàn)其有下降趨勢，則應迅速進行補水，待漏漿問題完全消失后，方可轉入正常鉆進，如此反復使鉆孔順利穿越溶洞；

（9）遇到大型溶洞時，先在孔口附近準備好足夠的塊石、黏土、水泥：

①洞頂打穿時，為避免塌孔現(xiàn)象發(fā)生，需密切關注是否存在漏漿現(xiàn)象，若有則需立即進行填堵；

②溶洞擊穿后，會發(fā)生泥漿面快速下降的情況，此時需按照1∶1~3∶2∶0.2的比例，利用裝載機將上述材料拋入鉆孔中，直至其停止下降，開始上升。

③利用沖錘進行合理擠壓，反復拋填三種材料，將樁基兩側溶洞完全填滿或者徹底堵死，完成上述工作后填滿泥漿，重新成孔。

（10）對于特大型溶洞，或潛存地下暗河的樁位，宜采用長護筒跟進。

6 結束語

本文以珠三角城際廣清北延1標段青欖海特大橋和文洞河特大橋工程為載體，采用適用于巖溶強烈發(fā)育地區(qū)的鉆探、物探等綜合勘察手段查明巖溶情況，確定鉆孔樁施工重難點；根據(jù)巖溶地區(qū)橋梁樁基礎設計準則，制定并完善特大橋樁基設計方法，對多種樁基礎施工方案進行合理比選，確定本工程最優(yōu)施工方案，總結施工工藝流程，為在巖溶強烈發(fā)育地區(qū)建設高質量、高水準橋梁提供必要條件，也為建造其他類似橋梁工程提供參考。