可溶巖地區(qū)樁基施工風險預測及工程處理措施

岳全慶 周寶龍

摘要：

在武漢市漢口至陽邏江北快速路朱家河大橋的地質(zhì)勘察中，探測到了厚層第四系粉細砂覆蓋可溶巖的不良地質(zhì)體，使樁基施工及后期大橋運行面臨較大風險。從查明巖土結(jié)構(gòu)、探尋巖溶發(fā)育規(guī)律入手，分析了施工可能引發(fā)漏液、巖溶地面塌陷的機理，預測樁基施工中可能出現(xiàn)的風險以及發(fā)生的空間范圍，提出了相應的工程處理措施：對于裂隙性溶蝕風化區(qū)，可采用改善泥漿濃度、預備充足充填材料等常規(guī)工程措施；對于溶洞發(fā)育區(qū)，需采用分層灌漿、護筒跟進等工藝措施，以截斷巖溶通道，防止巖溶塌陷。結(jié)果表明：施工處理措施有效控制了灌漿孔區(qū)域和溶洞漏漿，加快了施工進度。

關(guān)鍵詞：

樁基施工； 巖土結(jié)構(gòu)； 巖溶地面塌陷； 第四系粉細砂； 可溶巖

中圖法分類號：P642

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.009

文章編號：1006-0081（2023）05-0055-04

0 引 言

武漢地區(qū)巖溶大部分屬于覆蓋型巖溶，其常見的地質(zhì)災害是地面塌陷。所謂“巖溶地面塌陷”是指隱伏在第四紀覆蓋層下的可溶巖中存在巖溶空洞，且與覆蓋層相連形成通道。在自然因素或人為因素作用下，覆蓋層物質(zhì)沿著巖溶通道漏失到巖溶空洞中，引起覆蓋土體塌陷，導致地面出現(xiàn)相應塌陷。20世紀80年代，徐衛(wèi)國提出了“真空吸蝕”機理［1］，被應用于礦山排水或大量抽取地下水而引起的巖溶地面塌陷現(xiàn)象的分析與治理。范士凱根據(jù)武漢地區(qū)特殊地層結(jié)構(gòu)，提出了“潛蝕-液化-漏失”機理［2］。目前，針對巖溶地面塌陷機理的認識比較一致，然而，工程實踐中要做到科學、有效地預測、防范巖溶地面塌陷仍比較困難。

巖溶地區(qū)樁基施工易出現(xiàn)漏漿、塌孔、埋鉆、地面塌陷等問題，影響施工進度，危及施工人員安全［3］。因此，對巖溶勘察和處理措施的研究尤為重要［4］。本文選取武漢市朱家河大橋為研究對象，通過對粉細砂與可溶巖組成的典型地層結(jié)構(gòu)進行剖析，探討了在巖溶地區(qū)樁基施工中可能引發(fā)的漏漿、地面塌陷等問題，提出了相應的工程處理措施，同時對巖溶引發(fā)地面塌陷的巖土結(jié)構(gòu)進行了分類，總結(jié)了在巖溶地區(qū)地質(zhì)勘察及樁基施工的經(jīng)驗，供類似工程借鑒。

1 工程概況

武漢市江北快速路朱家河大橋長438 m，采用雙幅分離式布置。橋臺采用“U”型結(jié)構(gòu)，單幅承臺下設11根直徑1.2 m的鉆孔灌注樁；主墩為低樁承臺結(jié)構(gòu)，單幅承臺下設12根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁。其中，0號橋臺、1號橋墩布置于朱家河右岸，其余橋墩布置于左岸。

橋址區(qū)位于武漢市北部碳酸巖條帶上，第四系覆蓋層為“上黏下砂”的二元結(jié)構(gòu)，這種上部黏性土、下部是飽和粉細砂的地層結(jié)構(gòu)，極易發(fā)生“漏失”型地面塌陷。因此，對橋址區(qū)巖溶進行詳細勘察和塌陷風險分析，并制定妥善的防塌陷方案十分關(guān)鍵。

2 覆蓋型巖溶塌陷形成條件

2.1 地下存在巖溶

橋址區(qū)巖溶發(fā)育程度與巖性密切相關(guān)［5］。左岸基巖為非可溶巖，無溶蝕風化現(xiàn)象。右岸基巖為大冶組（T 1d）灰?guī)r及斷層構(gòu)造巖，構(gòu)造巖主要由碎塊巖（碎裂灰?guī)r、碎裂白云巖）、斷層角礫巖、碎裂巖（碎粒巖、碎粉巖）及斷層泥組成。灰?guī)r溶蝕風化強烈，灰質(zhì)白云巖的溶蝕不發(fā)育。

灰?guī)r普遍混雜方解石，方解石呈發(fā)絲狀、細脈狀或團塊狀分布，其溶蝕風化強烈，溶洞、溶溝多分布于此類巖石中，鉆進中有漏漿、不返水現(xiàn)象。

灰質(zhì)白云巖呈淺灰色、暗灰色，無方解石發(fā)育，巖芯較完整，僅局部有溶蝕小孔，一般沿裂隙及層面有風化色變跡象，勘探鉆進過程無滲漏現(xiàn)象。

橋址區(qū)巖溶發(fā)育現(xiàn)象主要有溶洞、溶孔、溶縫、溶溝等。

（1） 溶洞。溶洞發(fā)育具片狀集中特點。橋址可溶巖區(qū)共布置鉆孔46個，有12個鉆孔揭露到溶洞，鉆孔平均遇洞率26.1%。其中1號橋墩布置鉆孔24個，僅1個鉆孔揭露有溶洞，鉆孔遇洞率4.2%；0號橋臺布置鉆孔22個，有11個鉆孔揭露到溶洞，鉆孔遇洞率50.0%，且近91%的溶洞分布于橋梁右幅。

溶洞洞高大部分在0.3～2.6 m之間，占比約75%，最大溶洞4.6 m。溶洞以無充填為主，占68.8%，半充填、全充填分別占比18.8%和12.4%，充填物以黏土、碎石為主。

（2） 溶孔。溶孔呈點狀或蜂窩狀分布，局部集中發(fā)育，孔徑0.5～4.0 cm，孔壁可見褐黃色鈣質(zhì)薄膜，部分方解石充填。

（3） 溶縫。溶縫沿裂隙、巖層面發(fā)育，寬度一般小于1.0 cm，溶縫側(cè)壁蝕變強烈，多為褐紅色鐵質(zhì)浸染，多數(shù)發(fā)育于溶蝕孔隙及方解石細脈，少數(shù)充填泥質(zhì)。

（4） 溶溝。溶溝發(fā)育于0號橋臺中部，寬5.0 m，溶溝底面低于周邊基巖面4.5～5.5 m，充填灰黃色黏土、碎石。

2.2 基覆界面存在運移通道

橋址區(qū)巖溶發(fā)育，具明顯的豎向發(fā)育特點，總體自上而下溶蝕逐漸減弱 ［6］。

溶洞、溶溝主要發(fā)育在基巖面以下14 m的范圍內(nèi)。鉆孔揭示，溶洞發(fā)育最低高程約-22.1 m，高程-25 m以下溶蝕呈遞減趨勢，高程-25 m以上溶蝕強烈，發(fā)育2層溶洞：上層溶洞發(fā)育在基巖面以下4 m范圍內(nèi)，溶洞底板高程-10.0～-11.7 m；下層溶洞底板高程-16.0～-22.1 m（圖1）。溶孔自上而下均有分布，但上部溶孔以蜂窩狀、片狀集中發(fā)育，發(fā)育規(guī)模較大。下部溶孔以單個或偶然的片狀發(fā)育為主，發(fā)育規(guī)模明顯較小。覆蓋層與基巖接觸部位巖溶發(fā)育，這些開口的溶洞、溶縫成為上部覆蓋層物質(zhì)貫通下部溶洞的通道。

2.3 砂土覆蓋可溶巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)

橋址區(qū)地處于長江一級階地，第四系覆蓋層主要為河流沖湖積層（Q 4al+l）［7］，厚33～36 m，河床部位較薄，厚16～20 m。

地層結(jié)構(gòu)總體呈上部黏性土、下部砂土二元結(jié)構(gòu)。上部粉質(zhì)黏土厚約10 m，褐黃色，可塑；下部粉細砂厚16～20 m，灰色，稍密-中密，飽水。砂層底板高程-7.49～-9.57 m，頂板高程5～12 m。砂層直接覆蓋在灰?guī)r及斷層構(gòu)造巖上。

2.4 巖溶地下水與孔隙水存在運動循環(huán)

橋址區(qū)地下水類型主要為砂層孔隙水與巖溶水，地下水位隨朱家河水位變化，具有滯后現(xiàn)象。

朱家河水位16～24 m，孔隙水水位一般為18～22 m，年變幅為3～4 m?？紫端饕x存于粉細砂中，粉細砂厚10～20 m，其頂板為黏性土（高程11～12 m），底板為基巖（高程-7～-9 m），孔隙水與長江的水力聯(lián)系密切，互補關(guān)系、季節(jié)性變化規(guī)律明顯。

巖溶水主要貯存于強溶蝕風化的灰?guī)r裂隙與巖溶孔隙中，分布高程-10～-22 m，受裂隙、巖溶發(fā)育程度的影響和控制，主要接受上覆細砂層孔隙水的垂直滲透補給，水量豐富。

在樁基施工中，打樁會產(chǎn)生震動液化，粉細砂直接漏失到巖溶空洞中，形成“漏斗狀疏松體”，進而使孔隙水與巖溶水循環(huán)加劇，地下水在運動過程中不斷帶走砂土，導致覆蓋層中形成土洞，造成地面塌陷。

3 覆蓋型巖溶地面塌陷機理

橋址區(qū)飽和粉細砂直接蓋在基巖面之上，孔隙水與可溶巖中的巖溶裂隙、溶洞水發(fā)生直接運動聯(lián)系，由于水位不斷升降變化，尤其是巖溶地下水位或承壓水頭低于孔隙水位時，發(fā)生垂直滲流。首先在砂層中發(fā)生潛蝕作用，形成“漏斗狀疏松體”，進而因垂直滲流加劇，局部水力坡度加大，砂土呈液化狀態(tài)流入巖溶空洞，地面出現(xiàn)塌陷坑［8-9］。另一種液化是采用重錘沖擊打樁，產(chǎn)生振動液化，飽和粉細砂直接漏失到巖溶空洞中，造成地面塌陷。

4 巖溶地面塌陷預測與工程處理措施

4.1 劃分可溶巖地基分區(qū)

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、溶蝕風化程度以及施工難易程度，將橋址區(qū)可溶巖地基劃分為3類：A類危險區(qū)、B類潛在安全區(qū)、C類安全區(qū)。

（1） A類危險區(qū)。主要分布于0號橋臺右半幅，粉細砂與灰?guī)r直接接觸，灰?guī)r溶蝕風化強烈，灰?guī)r淺表部溶溝發(fā)育，下部溶洞發(fā)育。0號橋臺右半幅巖溶發(fā)育。在勘探中，64%的鉆孔在進入基巖或接近基巖面時出現(xiàn)漏漿、不返水現(xiàn)象。

樁基施工時，若不采取必要的工程處理措施，當灌注樁入巖后，孔內(nèi)漿液混雜粉細砂沿溶蝕裂隙、溶溝匯入下部溶洞，致使粉細砂層內(nèi)形成漏斗空腔，發(fā)生埋鉆、垮孔、地面沉降等現(xiàn)象，為典型的砂層覆蓋型巖溶地面塌陷［10-11］。

（2） B類潛在危險區(qū)。主要分布于0號橋臺左半幅，基巖為灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，溶蝕風化類型以溶孔、溶縫為主，溶洞不發(fā)育，洞深一般小于0.5 m，且以全充填為主。基巖面以上一般被礫質(zhì)黏土所覆蓋，勘探鉆進過程較平穩(wěn)，巖芯較完整。沖擊鉆進入基巖后，少量漿液可能沿溶縫漏失到下部巖體中，發(fā)生漏漿現(xiàn)象。

（3） C類安全區(qū)。位于1號橋墩，基巖以灰質(zhì)白云巖為主，溶蝕風化不強烈，偶有溶孔、溶縫，勘察鉆進過程平穩(wěn)，無漏漿現(xiàn)象，巖芯完整。因下部基巖無孔洞，上部的細粒土無運移通道，此類地基為安全區(qū)，采用常規(guī)的施工工藝處理即可。

綜上分析，根據(jù)各個分區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點，可預測潛在的巖溶塌陷風險。

4.2 工程處理措施

根據(jù)可溶巖地基分區(qū)情況，一定程度上能預測樁基施工中可能出現(xiàn)的問題，規(guī)避潛在的施工風險，并采取與之相適應的工藝、工程措施，降低施工成本并縮短工期。

（1） 地面塌陷。A類地基為易塌陷地層結(jié)構(gòu)，當鉆孔樁進入基巖面后，易發(fā)生泥漿突然下降情形，施工面臨極大風險。采用常規(guī)回填、反復沖擊的施工方式難以成孔，且會導致地面塌陷的范圍進一步擴大。

工程設計時，A類地基區(qū)樁基需保證樁端以下3倍樁徑及4 m深度范圍內(nèi)無溶洞。施工時，應編制專項施工方案，在樁基周邊設置灌漿孔，對上部砂層進行壓密灌漿，對下部溶洞、溶槽進行充填灌漿。

樁基施工應先采取超前鉆孔分層注漿（或混凝土）充填溶洞，堵塞通道；然后采用護筒跟進，密封土巖接合面，同時選擇合適的機械和恰當?shù)墓に嚪椒?，盡量防止砂土漏失。宜采用大功率回轉(zhuǎn)鉆機成孔，遇空洞漏漿時采用沖擊硾填黏土、片石，封閉后再回轉(zhuǎn)鉆進，盡量減少沖擊振動。飽和砂土層內(nèi)，地下水與江水聯(lián)系密切，具有一定的承壓性，需選擇在水位相對穩(wěn)定且水頭較低的枯水季節(jié)施工，雨季江水水位波動幅度大，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利。

（2） 漏漿。B類地基因基巖面上覆黏性土，減緩了泥漿滲流速度，發(fā)生地面塌陷的可能性較小。施工前需準備充足的片石、黏土、水泥等備料。樁基施工時，宜適當提高孔內(nèi)泥漿的濃度，密切關(guān)注漿液面變化，若發(fā)生漏漿，立即提鉆，及時向孔內(nèi)回填備料堵漏，反復沖砸，重新成孔造壁。

5 結(jié) 論

（1） 溶蝕裂隙、溶溝、溶洞為上部粉細砂的流失提供了通道和場所，在厚層砂層覆蓋的巖溶地區(qū)施工作業(yè)時，需采取工程措施保證施工安全，防止施工方法不當引發(fā)塌孔、卡鉆及地面塌陷。

（2） 可溶巖區(qū)地質(zhì)條件復雜，巖溶發(fā)育形態(tài)難以完全探明，樁基施工中存在眾多不可控因素。因此，地質(zhì)勘察尤為重要，樁基施工前宜布置先導孔，探明樁端下臥層的巖溶情況。按照規(guī)范對先導孔進行封孔，防止因為鉆孔破壞地層結(jié)構(gòu)造成不必要的損失。

（3） 樁基施工方案宜根據(jù)巖溶地基分類進行有針對性的設計，對A類危險區(qū)應予以特別關(guān)注，并合理安排施工順序。宜先進行C類安全區(qū)施工，再進行B，A類區(qū)施工，使施工對巖土結(jié)構(gòu)的影響盡可能降到最低。朱家河大橋樁基施工采用上述思路和措施，有效地控制了灌漿孔的區(qū)域和溶洞漏漿，加快了施工進度。

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（編輯：李 慧）

Abstract：

In the geological survey of the Zhujiahe Bridge from Hankou to Yangluo Jiangbei Expressway in Wuhan City，a serious of geological problems were detected，where the thick Quaternary fine sand directly covered the soluble rocky surface.The pile foundation construction and later bridge operation faced significant risk.By identifying the geotechnical structure and exploring the laws of karst development，this paper analyzed the mechanism of the construction that may result in leakage and karst ground collapse.The possible risk and its influential range in pile foundation construction was predicted，and the corresponding engineering treatment measures were proposed：for the section with fissure corrosion weathering，the conventional engineering measures such as improving mud concentration and preparing sufficient filling materials would be adopted；for the section with karst cave，it was necessary to use layered grouting，drilling with casing and other technological measures to cut off karst channel and prevent karst collapse.The result showed that the engineering measures could effectively control the grouting hole area and the leakage of karst cave，and speed up the construction progress.

Key words：

pile foundation construction； geotechnical structure； karst ground collapse； Quaternary fine sand； soluble rocky