巖溶地區(qū)高速鐵路橋梁樁基施工中溶洞處理技術(shù)

摘要 為了解決巖溶地區(qū)城市高速鐵路橋梁樁基施工中的溶洞問題，文章以濟(jì)棗鐵路某標(biāo)段橋梁樁基工程為例，根據(jù)工程特點(diǎn)和現(xiàn)場實(shí)際情況，闡述了橋梁樁基工程在巖溶區(qū)域的重難點(diǎn)，并深入探討了橋梁樁基溶洞施工的核心技術(shù)要點(diǎn)，旨在為后續(xù)類似工程提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞 巖溶地區(qū)；軌道交通；橋梁樁基；溶洞處理技術(shù)

中圖分類號 U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0126-03

0 引言

在巖溶地區(qū)，復(fù)雜的地質(zhì)條件給橋梁樁基施工帶來了顯著挑戰(zhàn)，尤其是溶洞的存在，若未經(jīng)妥善處理，將嚴(yán)重威脅橋梁工程的整體性能和安全性。為防止因溶洞坍塌造成安全事故，造成人員、機(jī)械不可逆轉(zhuǎn)的傷害及對工期的不利影響[1]，該文結(jié)合實(shí)際案例，根據(jù)逐樁勘察情況，針對每個樁基具體的巖溶情況選用不同方案對溶洞進(jìn)行處理，以確保樁基成孔質(zhì)量及工程的順利進(jìn)行。

1 工程概況

1.1 工程介紹

該標(biāo)段共設(shè)3座特大型橋梁，總長6.4 km，總計(jì)有193個墩臺，墩臺基礎(chǔ)運(yùn)用的是鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了1.0 m、1.25 m、1.8 m三種不同直徑的樁徑規(guī)格，以滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下的穩(wěn)固需求。

樁型主要為端承樁，樁長7～64 m。

根據(jù)當(dāng)前既有設(shè)計(jì)情況統(tǒng)計(jì)，該標(biāo)段樁基總共1 575根，其中有溶洞樁基總共594根，占比為37.7%。該標(biāo)段橋梁地處巖溶發(fā)育地區(qū)，除目前已有樁基溶洞處理外，其余樁基也可能存在溶洞情況。

1.2 自然條件

橋址區(qū)位于沖積平原區(qū)，地處山前傾斜平原與底山的過渡地帶；地面高程為42～103 m，高差61 m；地面較為平緩，坡度為2°～10°。橋址區(qū)上覆多種第四系全新統(tǒng)土層及全新統(tǒng)坡殘積層粉質(zhì)黏土，下伏包括多組基巖及斷層相關(guān)物質(zhì)。

橋址區(qū)地表水主要為嶧城大沙河及齊村支流，流量受季節(jié)影響明顯，雨季水量較大，旱季相對較小或干涸，地表水主要為大氣降水補(bǔ)給。

地下水的主要類型包括第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水。地下水主要通過大氣降水補(bǔ)給，且其埋藏深度相對較淺。勘察期間橋址區(qū)的地下水位為0.1～9.8 m，季節(jié)性變化較大。

1.3 不良地質(zhì)及特殊巖土

1.3.1 巖溶

（1）巖溶形態(tài)及分布規(guī)律

測區(qū)主要存在的地層為碳酸鹽巖，屬寒武系灰?guī)r，巖溶嚴(yán)重，地下巖發(fā)育，鉆孔揭露洞直徑一般為0.1～5.1 m，溶洞多為半充填，少部分無充填，充填物為黃褐色硬塑黏性土和灰?guī)r碎塊。橋址區(qū)巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育。巖溶對橋梁工程影響較大。

（2）巖溶區(qū)的主要工程地質(zhì)問題

橋址區(qū)的上覆地層是黏土和粉質(zhì)黏土，在巖溶發(fā)育的地段，其與基巖面的接觸部分大多為黏性土。由于地下水位較高，第四系地層多受地下水影響，強(qiáng)度較低且溶洞埋深較淺，頂板較薄或局部被溶蝕無頂板，在施工過程中可能會引起地面塌陷。

1.3.2 地震液化

沿線的地震動峰值加速度為0.10 g，橋址范圍內(nèi)分布著lt;4-6-1gt;粉、細(xì)砂，lt;4-6-2gt;粉、細(xì)砂松散～稍密，飽和，為液化土層，抗液化指數(shù)Fi=0.79～0.99，會對工程造成一定影響，在設(shè)計(jì)時需要加以考慮。

1.3.3 特殊巖土

橋址區(qū)域的特殊巖土主要包含人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、膨脹土及季節(jié)性凍土。

2 工程重難點(diǎn)分析

該橋樁基工程重難點(diǎn)在于巖溶樁基數(shù)量多、工程量大、施工組織難度大、巖溶地質(zhì)復(fù)雜成孔難度高。根據(jù)地勘報(bào)告，有三分之一樁基存在巖溶地質(zhì)，巖溶地質(zhì)樁基施工復(fù)雜。鉆孔樁施工過程中易產(chǎn)生塌孔、沉沙過大等情況，措施投入大，混凝土超耗控制難，成樁質(zhì)量控制難度高。

3 溶洞處理技術(shù)

3.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)該工程地質(zhì)特點(diǎn)，巖溶地質(zhì)地段選用360E型、400型旋挖鉆及沖擊鉆成孔方法，按實(shí)際情況采用黃泥夾片石和素混凝土回填、鋼護(hù)筒跟進(jìn)成孔。

在施工中應(yīng)采用旋挖鉆和整套沖擊鉆機(jī)設(shè)備，應(yīng)在鄰孔混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa以上時方可開鉆，以有效避免出現(xiàn)臨孔壁坍塌問題，或避免影響鄰孔已澆筑的混凝土強(qiáng)度。

3.2 施工技術(shù)

3.2.1 拋填黃泥片石+旋挖鉆成孔施工

拋填黃泥片石+旋挖鉆成孔的施工方法，適用于溶洞高度為1～2 m的單個小溶洞施工。

在旋挖鉆成孔施工中，首先采用旋挖鉆以正常的成孔方法施工，在鉆孔到洞頂之前降低鉆進(jìn)速度；對于無填充、半填充溶洞應(yīng)準(zhǔn)備好新鮮泥漿隨時準(zhǔn)備補(bǔ)充，當(dāng)鉆穿溶洞漏漿時或遇到溶洞掉鉆時應(yīng)暫停鉆進(jìn)，提出鉆具，測量孔深并記錄，在孔內(nèi)拋填黃泥片石回填[2]。

拋填黃泥片石施工時，需要裝載機(jī)及大型挖掘機(jī)相互配合，將準(zhǔn)備好的片石及黏土按照一定比例少量多次投入，直至投入量超過溶洞豎向高度的3 m以上，回填應(yīng)與斜巖面的頂面平齊。對于溶洞處，拋填黃泥片石回填后，應(yīng)下鉆具反復(fù)旋轉(zhuǎn)擠壓密實(shí)，回填后采用測繩測量孔深，保證回填后的頂面高于溶洞頂面2 m以上。

當(dāng)回填溶洞范圍擠壓密實(shí)后，應(yīng)重新補(bǔ)充新鮮的泥漿，并采用旋挖鉆低速鉆進(jìn)通過溶洞至設(shè)計(jì)的樁底高程。

3.2.2 回填素混凝土+旋挖鉆成孔施工

回填素混凝土+旋挖鉆成孔的施工方法（如圖1所示），適用于溶洞高度在2～3 m范圍內(nèi)且自穩(wěn)性能較差的單個小溶洞。

在旋挖鉆成孔施工中，首先采用旋挖鉆以正常的成孔方法施工，在鉆孔到洞頂之前降低鉆進(jìn)速度。對于無填充、半填充溶洞應(yīng)準(zhǔn)備好新鮮泥漿隨時準(zhǔn)備補(bǔ)充，當(dāng)鉆穿溶洞漏漿時或遇到溶洞掉鉆時暫停鉆進(jìn)，提出鉆具，觀察并核對渣樣是否為溶洞地質(zhì)渣樣。同時，采用掏渣法將溶洞底部沉渣清理干凈后，在孔內(nèi)填入低強(qiáng)度等級的素混凝土（C15、C20）。

回填素混凝土施工時，首先采用測繩對溶洞底部深度進(jìn)行測量并記錄，按照設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算溶洞底部至高于溶洞頂部2 m所需回填的素混凝土方量（考慮溶洞及擴(kuò)孔系數(shù)）?；靥钏鼗炷?xí)r應(yīng)采用水下混凝土的灌注方法，在導(dǎo)管底部至溶洞底預(yù)留0.3～0.5 m的空間，并在導(dǎo)管上口設(shè)置儲料漏斗。在樁基施工過程中，采用罐車運(yùn)輸與導(dǎo)管灌注相結(jié)合的方式。一旦開始灌注，必須保持操作流程緊湊且連續(xù)，中間嚴(yán)禁停頓。在灌注的整個過程中，應(yīng)避免混凝土混合物從漏斗頂部溢出或從漏斗外部落入孔底，以防泥漿因混入水泥而變稠凝固，影響測探結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，須密切關(guān)注導(dǎo)管內(nèi)混凝土的下降情況及孔內(nèi)水位的變化，及時測量并記錄混凝土面在孔內(nèi)的高度，以精確指導(dǎo)導(dǎo)管的提升與拆卸工作。導(dǎo)管在混凝土中的埋置深度應(yīng)控制在2～6 m的范圍內(nèi)，并經(jīng)常檢測孔內(nèi)混凝土面的位置，以便根據(jù)實(shí)際情況及時調(diào)整導(dǎo)管的埋深。在灌注過程中應(yīng)采用測繩隨時測量，以保證回填頂面高于溶洞頂口2 m以上。

3.2.3 拋填黃泥片石+沖擊鉆成孔施工

拋填黃泥片石+沖擊鉆成孔的施工方法（如圖2所示），適用于溶洞高度在2 m以內(nèi)單個小溶洞，且溶洞上覆蓋層（土層）地質(zhì)情況較差的地段。

為提高樁基成孔質(zhì)量，降低混凝土超耗，在成孔過程中根據(jù)地質(zhì)條件，經(jīng)過預(yù)處理的溶洞在鉆探至洞頂約1 m處時，應(yīng)改為使用小沖程緩慢穿透洞頂。對于小溶洞采取拋填黃泥夾片石等混合物進(jìn)行堵塞，并利用沖擊鉆填充溶腔至密實(shí)，泥漿護(hù)壁成孔。

拋填黃泥片石施工時，對于溶溝、溶槽、小溶洞宜采取拋填黃泥夾片石等混合物進(jìn)行堵塞；對于高度不超過2 m的小型溶洞，采用填充法進(jìn)行處理。當(dāng)溶洞的尺寸小于鉆頭直徑時，可以直接使用常規(guī)鉆進(jìn)方法進(jìn)行作業(yè)。然而，如果溶洞直徑大于鉆頭直徑，則容易出現(xiàn)鉆頭被夾、卡住或傾斜等問題[3]。針對此類情況，應(yīng)采取以下回填處理策略：在沖擊鉆穿透溶洞頂板后，首先將鉆頭提出孔外；然后逐層向孔內(nèi)投放黏土和直徑約為10～20 cm的片石，拋填時需嚴(yán)格按照1∶1的比例進(jìn)行，即先投入片石再投入黏土，如此循環(huán)往復(fù)，直到填充物高出溶洞頂部1～2 m位置為止；完成拋填后，重新將鉆頭放入孔中，采用小沖程和高頻率的沖擊方式穿過空洞區(qū)域，應(yīng)避免盲目追求鉆進(jìn)深度，確保黏土和片石能夠有效擠入孔壁，以形成人工護(hù)壁。在沖擊作業(yè)過程中，應(yīng)密切留意孔內(nèi)水位的變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)泥漿水位出現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象，應(yīng)立即補(bǔ)充泥漿。當(dāng)鉆孔深度接近溶洞頂部且距離小于50 cm時，應(yīng)暫停沖擊作業(yè)。此時，需再次向孔內(nèi)拋填片石與黏土，以進(jìn)一步加固孔壁。隨后繼續(xù)鉆孔，此過程需重復(fù)進(jìn)行，直至完全穿越溶洞，之后逐步增加沖程，以恢復(fù)到正常的鉆進(jìn)速度。

3.2.4 鋼護(hù)筒跟進(jìn)+旋挖鉆成孔施工

當(dāng)溶洞較大且內(nèi)部無充填物，或?yàn)榘胩畛淙芏?，以及其他處理方法反?fù)嘗試均無效時，應(yīng)采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)+旋挖鉆成孔的施工方法進(jìn)行處理。

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和地質(zhì)鉆探資料所提供的溶洞分布狀況，根據(jù)先長后短、先難后易、先外后內(nèi)的原則，確定各樁的施工順序。地質(zhì)條件差的巖溶樁基應(yīng)采用沖擊鉆成孔。

鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工：

（1）提前加工好鋼護(hù)筒。樁徑為1 m、1.25 m的樁基鋼護(hù)筒采用12 mm厚鋼板加工；樁徑為1.5 m、1.8 m的樁基在15 m以下的部分，采用14 mm厚鋼板加工，每節(jié)長度在5 m左右。內(nèi)護(hù)筒內(nèi)徑比設(shè)計(jì)樁徑大10～15 cm，外護(hù)筒內(nèi)徑比設(shè)計(jì)樁徑大20～40 cm，則鋼護(hù)筒的長度一般為4～6 m。鋼護(hù)筒的加工尺寸一定要嚴(yán)格把控，護(hù)筒上下節(jié)的連接縫除了進(jìn)行焊接外，還應(yīng)在接縫處焊接5 cm寬的加強(qiáng)鋼帶，護(hù)筒水平接縫形成的平面應(yīng)和護(hù)筒豎向垂直，以確保整個鋼護(hù)筒的垂直度滿足要求，振動錘應(yīng)和護(hù)筒頂面焊接穩(wěn)固，無松動；各節(jié)下沉的護(hù)筒必須嚴(yán)格控制垂直度[4]。

（2）護(hù)筒跟進(jìn)。采用與樁徑相同的鉆頭鉆孔至巖層頂面，同時采用膨潤土護(hù)壁。當(dāng)溶洞深度過大或鋼護(hù)筒采用常規(guī)方法不能下至溶洞位置時，應(yīng)采用打拔機(jī)施工，用DZ-90型振動錘輔助下沉內(nèi)護(hù)筒至巖面。當(dāng)鋼護(hù)筒到達(dá)巖面后，即開始對覆蓋層和頂板進(jìn)行鉆進(jìn)，其鉆孔方法與常規(guī)鉆孔一致。在巖層中鉆進(jìn)時，泥漿比重應(yīng)控制在1.3～1.5之間。

每穿過一層溶洞后，護(hù)筒應(yīng)立即跟進(jìn)。護(hù)筒的跟進(jìn)應(yīng)采用振動錘進(jìn)行施打，直至護(hù)筒完全穿過最下層溶洞的底部。

3.3 沖擊鉆穿越溶洞施工

3.3.1 穿越溶洞頂板鉆孔施工

在樁基鉆孔作業(yè)中，當(dāng)鉆孔逐漸接近頂板時，由于巖面可能存在傾斜，常常會出現(xiàn)鉆頭擺動、撞擊護(hù)筒或孔壁，以及沖擊聲音減弱等現(xiàn)象，這些情況均表明鉆頭已臨近頂板。在樁基鉆孔過程中，當(dāng)鉆到距離溶洞頂部約1 m的位置時，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，鉆頭有可能突然在某一側(cè)或固定方位穿透溶洞頂板，從而引發(fā)卡鉆事故。為了有效應(yīng)對這一問題，每當(dāng)鉆頭即將穿越溶洞頂板之前，無論當(dāng)前是否出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象、溶洞是否為充填狀態(tài)，都應(yīng)預(yù)先向孔中投入適量的黏土與片石混合物，其比例為3∶7。隨后，在1～1.5 m的范圍內(nèi)靈活調(diào)整沖程，優(yōu)先采用0.5 m的小沖程沖擊已投入的混合物，使其能夠充分?jǐn)D入裂隙和溶洞內(nèi)部，起到加固孔壁的作用。這一過程需要反復(fù)進(jìn)行，應(yīng)多次將混合物擠入溶洞通道，逐步穩(wěn)固洞頂，直至最終成功擊穿溶洞頂板。

3.3.2 穿越溶洞空穴施工

當(dāng)溶洞內(nèi)部沒有填充物時，鉆孔作業(yè)推進(jìn)至溶洞頂板巖層的過程中，可能會遭遇泥漿迅速下降的情況。面對這種情況，必須立即采取回填措施，向孔內(nèi)投入片石、黏土或混凝土等材料，以在溶洞空洞內(nèi)部形成一個自然的圓錐體，作為后續(xù)鉆孔作業(yè)的支撐結(jié)構(gòu)。在圓錐體內(nèi)部進(jìn)行鉆孔時，需在孔的周圍形成具有一定厚度和強(qiáng)度的護(hù)壁，以確保泥漿能夠回升至孔口并形成良好的流動循環(huán)。

針對溶洞內(nèi)部空洞無支撐、頂板巖層上方土質(zhì)疏松易于垮塌的復(fù)雜地質(zhì)條件，必須采用護(hù)筒護(hù)壁的方法確保樁孔的穩(wěn)定性。鉆孔時，首先利用鉆孔設(shè)備將溶洞頂板的巖層逐步?jīng)_掉，直至達(dá)到溶洞底部，并平整溶洞底部的巖層。然后，在溶洞底部的鉆孔周圍，進(jìn)行回填作業(yè)，回填材料選用黏性較強(qiáng)的土壤，回填高度約為1 m。將護(hù)筒垂直且穩(wěn)固地插入該黏土堆中，確保其位置準(zhǔn)確且垂直度滿足要求，并嚴(yán)格檢查護(hù)筒的密封性能，確保護(hù)筒不會漏漿。當(dāng)泥漿成功回升至孔口并恢復(fù)循環(huán)流動后，方可繼續(xù)推進(jìn)鉆孔作業(yè)。

4 結(jié)論

在巖溶地區(qū)，復(fù)雜地質(zhì)狀況給橋梁樁基施工帶來顯著挑戰(zhàn)，尤其是溶洞，若處置不當(dāng)會嚴(yán)重影響橋梁工程的整體性能和安全性。以濟(jì)棗鐵路某標(biāo)段橋梁樁基施工為例，通過深入的分析與實(shí)踐，得出了以下結(jié)論：

（1）當(dāng)天然地基的承載力無法滿足建筑承載力的要求時，需要根據(jù)具體的地質(zhì)情況選擇合適的樁基施工方案。在成孔過程中，對溶溝、溶槽、溶洞進(jìn)行分類并按照不同的巖溶情況采取針對性的施工方案進(jìn)行處理。小溶洞應(yīng)采取拋填袋裝水泥、黃泥夾片石等混合物進(jìn)行堵塞，泥漿護(hù)壁；溶洞較大的樁基應(yīng)采用旋挖鉆成孔+鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工方案。

（2）溶洞的處理技術(shù)對橋梁樁基的施工質(zhì)量具有影響。由該文案例可知，此項(xiàng)目針對處于不同區(qū)域、不同情況的溶洞（如溶洞的大小、形狀、深度、填充物等），實(shí)施了有效的處理技術(shù)，同時嚴(yán)格依照規(guī)范加以處理，確保溶洞處理質(zhì)量和樁基挖孔的順利開展。

（3）該工程在竣工并投入使用后，經(jīng)檢測，其最大沉降量完全滿足設(shè)計(jì)規(guī)范與安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，表明橋梁樁下溶洞的處理措施科學(xué)合理，并且在經(jīng)濟(jì)性和工程實(shí)際效果上均表現(xiàn)出色。

參考文獻(xiàn)

[1]何前江.橋梁人工挖孔樁樁基施工中的溶洞處理技術(shù)研究[J].交通世界， 2022（31）：99-101.

[2]崔志軍.公路橋梁樁基施工中溶洞處理技術(shù)[J].交通世界， 2021（23）：149-150.

[3]湯欣，周致開.巖溶復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中公路橋梁樁基施工技術(shù)[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界， 2021（29）：112-114.

[4]侯錫標(biāo).溶洞處理工法在巖溶地區(qū)橋梁樁基施工中的應(yīng)用[J].交通世界， 2020（Z1）：186-188