某橋梁樁基工程巖溶處理方案研究

陳偉、徐汝寶、陽俊、曹宇

（1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081；2.湖南華威建筑工程有限公司，湖南 衡陽 421400）

0 引言

國內(nèi)外許多學者對巖溶工程案例進行了分析研究。張軍采用“鉆探+CT 物探”綜合勘探方法對杭州地鐵6 號線河鳳區(qū)間隧道覆蓋型巖溶形態(tài)和分布進行了探測，對不同巖溶特征給出了具體的整治方案。邢志豪等利用數(shù)值模擬方法對深圳地鐵16 號線穿越巖溶溶洞工程進行了研究，對比分析加固措施的空間屬性對地鐵隧道安全性的影響。馮建分析了巖溶的成因，提出了橋梁工程中巖溶的處理方法。謝寅濤等分析了地震荷載作用下巖溶區(qū)橋梁的安全性。

1 工程簡介

巖溶區(qū)溶溝、溶槽、基巖裂隙與溶洞、土洞相互連通，水文地質(zhì)條件復雜，若施工不當，極易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。如鉆、沖孔樁施工過程中漏漿，將改變地下水動力條件，誘發(fā)地面塌陷；機械振動也可誘發(fā)地面塌陷；鉆頭穿過溶洞、土洞頂板時，孔內(nèi)水頭急劇下降，鉆孔孔壁失去孔內(nèi)壓力而引起塌孔；護壁泥漿快速向下流動產(chǎn)生較大的沖擊水壓力或產(chǎn)生真空吸蝕也會誘發(fā)地面塌陷典型災(zāi)害：樁基巖溶坍塌導致埋鉆、路面沉陷（見圖1）和房屋受損。

圖1 路面沉陷

1.1 工程概況

亂頭1 號大橋是三清高速三標工期控制性工程，全長為726.08m，起始里程為K40+246.96～K40+973.04，孔跨為18×40m。最高墩高為51.15m。根據(jù)現(xiàn)場進度分析，14墩和15墩是保證工期目標實現(xiàn)的最關(guān)鍵工程，兩墩墩高分別為45.039m 和47.961m，15墩樁基礎(chǔ)為8 根樁徑為180cm 的基樁，其中4 根樁長為31m，4 根樁長為29m。

根據(jù)地勘資料分析，15墩位于巖溶發(fā)育強烈區(qū)域，有特大型溶洞存在，溶洞高度范圍為10～16m，碎石黏土填充，碎石為白云巖，含量為20%～30%，粒徑為0.5～3.0cm。該工程地質(zhì)條件復雜，從上到下分別為含碎石黏土、強風化白云巖、中風化白云巖。溶洞埋深約為25m。

1.2 加固方案比選

14墩與15墩之間有公路垂直相交，來往人員、車輛密集。且該區(qū)域距民房較近，樁基施工過程中，對土層擾動明顯，可能會危及公路及民房安全，有較大的施工安全隱患，因此有必要對該工程進行加固。

樁基巖溶處置方法通常有三種：片石或混凝土回填、鋼護筒跟進、預(yù)注漿加固。

1.2.1 片石或混凝土回填

此方法為最常規(guī)最簡便的方案，適用于小型、中型溶洞，先將塌陷區(qū)域的松散土進行挖除作業(yè)，再用碎石、片石與土摻和加以壓實或者回填。目的是防止地表水的沖蝕，同時也能提高橋梁樁基土的承載強度。利用片石或混凝土回填堵塞巖溶通道及腔體，防止?jié){液漏失引發(fā)塌孔、埋鉆等工程事故。該工程溶洞發(fā)育強烈，溶洞高度達23.1m，若采用此方案需要反復多次回填片石或混凝土，回填體高達23m，且自身穩(wěn)定性無法保證，極易發(fā)生塌孔、埋鉆及周邊地層塌陷，引發(fā)次生災(zāi)害，無法保證施工工期。故此方案無法確保樁基順利成孔，不適合該工程。

1.2.2 鋼護筒跟進

鋼護筒跟進法適用于高度大于3m 的單個溶洞，溶洞內(nèi)為空洞、半充填、流塑狀全充填。

根據(jù)地勘資料顯示，該工程巖溶形態(tài)復雜，溶洞高度達到23.1m，層狀溶洞分布，需下放多層鋼護筒，且溶洞充填物為黏土碎石，為硬塑性填充，鋼護筒下放側(cè)摩阻力過大，再加上樁徑較大（1.8m）、樁基較長（45m），鋼護筒跟進困難，進一步加劇施工難度，鋼護筒無法跟進到位導致成孔失敗，且施工周期無法控制（湖南大王山冰雪世界工程曾采用此方案耗時3年完成40 根樁基，其中一根樁基施工周期長達10 個月），故不建議采用此方案。

1.2.3 預(yù)注漿加固

通過預(yù)注漿技術(shù)提前加固溶洞，可以有效充填固結(jié)充填物并封閉巖溶裂隙，提高充填物強度及自穩(wěn)性，避免沖孔過程中垮塌及漿液滲漏，該方法可大面積施工，對施工機械設(shè)備要求不高，施工難度小，可通過補注漿確保加固質(zhì)量，為后期樁基正常施工提供可靠保障，確保工期。

經(jīng)過以上分析，建議采用預(yù)注漿加固施工技術(shù)。

2 選定方案技術(shù)要求

2.1 主要工程問題及成因分析

由于工程施工環(huán)境中的地質(zhì)因素，在選定施工方案和施工技術(shù)時要注意以下在實際工程中可能會出現(xiàn)的問題。

一是該工程地質(zhì)屬于富水條件下緊密結(jié)構(gòu)，會出現(xiàn)注漿量不足或較少時導致注漿作業(yè)效果出現(xiàn)不理想的狀況。

二是白云巖地質(zhì)在地下富水因素的影響下，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，使地質(zhì)強度比較低，且樁基長期受地下水的浸泡，其地基承載力不足200kPa，如果施工方案不到位，極易影響施工質(zhì)量甚至會導致坍塌。

三是因其特殊的地質(zhì)，可能出現(xiàn)施工殘積土隨地下流動的水從樁基下部流失，導致樁基臺階很難形成，且出現(xiàn)空洞等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.2 選定方案技術(shù)

覆蓋型巖溶地區(qū)巖溶塌陷主要是由于上部土層受外部水流或沖擊因素影響沿著土層裂縫或巖石裂縫流入溶洞中。在施工過程中，可以采用注漿的方式填充土層孔洞、裂隙，在土石交界面形成穩(wěn)定可靠的水平防滲帷幕，阻斷土顆粒流失通道，可有效避免沖擊荷載導致的土洞或溶洞塌陷。通過植入注漿鋼管，可加固土體，進一步提高土層抗變形能力，阻止因土體變形過大造成的塌陷。該工程中巖溶塌陷分布特征如下。

該工程中出現(xiàn)的塌陷多呈帶狀分布，塌陷位置在場地中部區(qū)域且呈斜交狀，沿地質(zhì)基巖尤其是較陡傾的區(qū)域地段伸展。

根據(jù)地質(zhì)塌陷后現(xiàn)場測試的物探試驗數(shù)據(jù)（水平測距為52～75m、87～106m，地表地質(zhì)呈現(xiàn)局部塌陷狀態(tài)）可推斷出，此塌陷是因溶溝（槽）軟弱帶或松散土層引起的（見圖2）。

圖2 剖面反演模型電阻率斷面圖

為確保施工過程中人員及機械、周邊道路及民房的安全，防止出現(xiàn)安全事故，建議如下。

一是在樁基施工前，必須堅持一樁一探，在樁身范圍內(nèi)均勻布設(shè)3 個探溶孔，切實搞清該樁巖溶分布情況，及樁底持力層3～5d 范圍內(nèi)，有無溶洞發(fā)育，確保樁底持力層滿足設(shè)計要求。

二是采用樁周布設(shè)單排Φ60 雙管旋噴樁注漿。預(yù)加固樁基溶洞，以樁中心點為基準，在內(nèi)圈半徑為1.2m 的圓上布設(shè)15 個旋噴孔，相互咬合成嚴密有效的防滲帷幕，為保證后續(xù)施工進度，旋噴漿液建議采用特種高強高滲巖溶專用灌漿料，旋噴施工完成后，3d 左右即可進行旋挖樁施工。

三是采用承臺周邊和內(nèi)側(cè)布置注漿孔，以旋噴注漿的方式加固周邊土體。

四是根據(jù)三清高速施工圖地質(zhì)勘查報告第二冊SJ2-1-4 工程地質(zhì)橫斷面圖，上層土體和溶腔土體有個大型土洞相連，考慮到樁基施工和周邊房屋道路安全，旋噴注漿范圍為地層表面至溶洞底，旋噴注漿工程量為0.5m/m。

五是樁基旋噴注漿工藝要注意的幾個方面。

混凝土灌注樁質(zhì)量檢測標準如表1 所示。

表1 混凝土灌注樁質(zhì)量檢測標準（單位：mm）

其一，采用地質(zhì)鉆帶套管鉆進成孔，施工過程中根據(jù)需要可能要下放多層套管，確保成孔質(zhì)量。

其二，采用跳孔分序鉆進，先鉆注一序孔，后鉆注二序孔，確保有效搭接。

其三，待鉆進至溶洞底板下2m，下放旋噴注漿管，在溶洞范圍內(nèi)旋噴注漿，旋噴注漿壓力值控制在25～30MPa，漿液配比為：水∶水泥∶高強無收縮灌漿料=1∶0.5∶0.5 和水∶水泥=1∶1，鉆進旋噴提升速度10cm/min，全孔深旋噴。

其四，注漿效果的質(zhì)檢方法可采用開挖檢查、取芯、注水試驗等。

其五，該溶巖處理方案完成后，針對預(yù)防塌陷效果顯示良好。

六是橋梁樁基巖溶處理方案中的監(jiān)控量測。

橋梁樁基工程中巖溶處理過程中的監(jiān)控量測呈現(xiàn)兩個特點。

其一，支護區(qū)段的安全監(jiān)控。在滿足施工標準規(guī)定的安全監(jiān)測要求的前提下，在有塌陷或溶巖的區(qū)域需要采取必要的監(jiān)控措施，以更好地進行全面安全監(jiān)測。

其二，監(jiān)控量測對于還未施工區(qū)域的施工還可以提供前期的觀測數(shù)據(jù)，以作為后期施工作業(yè)的數(shù)據(jù)反饋依據(jù)和方案指導參考。通過監(jiān)測可反饋的施工步驟如下：建立地質(zhì)力學模型—通過對沒有巖溶影響的樁基量測數(shù)據(jù)反分析巖體力學參數(shù)—通過超前預(yù)報手段理清溶洞的幾何參數(shù)與力學參數(shù)—根據(jù)反分析得到圍巖的巖體力學參數(shù)、溶洞的幾何參數(shù)與力學參數(shù)—運用數(shù)值分析的手段確定未施工段的加固方案。

3 結(jié)語

綜上所述，在實際施工中，應(yīng)將溶洞根據(jù)巖溶的發(fā)育條件、發(fā)育階段劃分為不同類型，并針對不同類型做出施工方案，采取適當?shù)氖┕ぜ夹g(shù)和處治措施，保證橋梁樁基施工的安全性、穩(wěn)定性。本文結(jié)合工程案例中橋梁樁基工程巖溶塌陷的形成特點，從實際出發(fā)進行闡述和分析，找到了最優(yōu)巖溶塌陷處理方案。通過應(yīng)用橋梁樁基巖溶處理的關(guān)鍵技術(shù)，同時輔以環(huán)境地質(zhì)預(yù)報和地質(zhì)雷達、紅外探測等探測技術(shù)，可以保證橋梁施工技術(shù)在巖溶地質(zhì)環(huán)境中有更好的突破與發(fā)展。