溶洞桩基施工技术

溶洞桩基施工技术

郑永增

郑永增

广东晶通公路工程建设集团有限公司；510635

摘要：通过对珠江三角洲环线速公路黄岗至花山段省道S114跨线桥溶洞桩基施工的实例，介绍溶洞桩基施工中不同溶洞的处理技术和施工工艺，并分析和总结在地质情况复杂多变且溶洞发育的各类溶洞处理方案，确保溶洞桩基施工的安全、质量、工期，并尽可能的降低施工成本。

关键词：桩基；溶洞处理；施工技术

前言

溶洞指的是由雨水或地下水溶解侵蚀石灰岩层所形成的空洞，其成因是石灰岩、岩盐等常年经过水流的侵蚀而形成的。其地形复杂并且完全没有规律可以遵循，给工程施工带来极大的困难。在岩溶地区进行基施工时，常会发生漏浆、偏锤、卡锤、塌孔、沉陷、等现象，严重的会造成机械设备陷入坑中，甚至造成伤亡事故。本文结合省道S114跨线桥溶洞桩基施工工艺及施工经验，分析和总结岩溶区溶洞的处理方法，有助于我们更好地掌握岩溶区的施工规律、降低工程成本、合理利用资源、加快施工进度，并且确保施工安全。

1、工程概况

由我公司担负施工的珠江三角洲环线速公路黄岗至花山段（第六合同段K27+240~K32+220)，其中，主线桥梁为省道S114跨线桥，共设计151墩（台），本桥采用分幅式断面设计，桩号范围K28+186.28～K32+194.32；桥孔布设时跨越省道S114、九曲河，美林湖、国泰互通匝道及地方渔塘，河涌。基础型式视地质情况综合采用嵌岩桩和摩擦桩。

桥址处地质情况较复杂，主要分布于非岩溶区（煤系地层区）、岩溶区及九曲河河床、河漫滩处。主要由第四系覆盖层及基底岩石组成。覆盖层厚度一般9.6~42.2m，丘陵地貌地段局部基底直接出露地表。基底大部分为石炭系下统石磴子组灰岩、炭质灰岩、白云岩等，属硬质岩，中~微风化岩面标高为-2.95~-40.06m；局部为测水组粉砂岩、炭质页岩、砂岩、砾岩等，属软质岩或较软岩，全~强风化层厚度大。地勘资料显示，岩溶发育，最大溶洞高10.5m(ZK898)。

2、岩溶发育分布

本桥岩溶异常发育，主要的不良地质现象以土洞、溶蚀及溶洞出现。溶洞以全填充、半填充及空洞出现，具体分布如下

2.1从平面来分析

岩溶发育非常复杂，平面上呈带状分布，主要表现在溶洞和夹层规模较大，且灰岩岩面因溶蚀呈凹槽状，更有半边岩现象，部分岩块残留覆盖层中。

2.2从垂直方向上分析

溶洞和溶蚀、裂隙主要在基岩面附近发育，岩溶发育程度总体上随深度逐渐减弱。溶洞发育千姿百态，主要呈空洞、半充填和全充填出现，充填物为流塑状淤泥、流砂、卵砾石和溶蚀残留的岩块。并相互呈串珠状、漏斗状分布。

3、桩基溶洞施工危害等级分类

根据业主组织的溶洞桩基讨论会议要求，将不同的桩基处于的位置、地质情况以及既有道路等对桩基施工危险性进行等级划分，共分为三个等级：A等级（高危险等级）、B等级（中危险等级）和C等级（低危险等级）。

3.1符合A等级的情况如下：

3.1.1溶洞特点符合以下之一或者全部情况：

（1）桩位处单个溶洞的洞高≥5m，且洞内无填充或填充物为淤泥状物体；

（2）桩位处存在串珠状溶洞，溶洞顶板均小于或等于1m，洞内无填充或填充物为淤泥状物体；

（3）桩位处溶洞与周边邻近地质钻孔的溶洞可能存在联通通道；

3.1.2覆盖层性质符合以下之一或者全部情况：

（1）桥位处覆盖层存在土洞；

（2）桥位处覆盖层存在较厚的软弱层，如砂层、淤泥层等（〉1m）。

3.2符合B等级的情况如下：

3.2.1溶洞特点符合以下之一或者全部情况：

（1）桩位处存在单个溶洞﹤5m，或串珠状溶洞，但洞内均有较好的填充物；

（2）桩位处覆盖层存在软弱层但较薄（﹤1m）；

3.3符合C等级的情况如下：

3.3.1溶洞特点符合以下之一或者全部情况：

（1）桩位处无溶洞；

（2）桩位处覆盖层无软弱层。

4、溶洞桩基施工技术

在溶洞桩基施工过程中，认真分析地质资料，按照原设计图的要求对于A等级的桩基，在冲孔前应根据覆盖层和溶洞分别进行处理：

4.1覆盖层溶洞处理方案

覆盖层是砂层或淤泥层的地层，且下部有无填充溶洞或多层溶洞桩基，可能在施工过程中造成突然大面积的塌孔和地面塌陷。

A方案：采用钢护筒跟进穿过砂层的方法进行施工。

（适用于16#～22#墩桩基施工）

参考两阶段施工图设计，对于1.5m桩基，钢护筒外径为1.7m，钢护筒内径为1.684m,钢护筒长度采用高出地面50cm到最后一层砂层或淤泥质粘土层底，对于多层溶洞，护筒跟进至第一个溶洞底板处。

护筒跟进施工工艺流程为：预埋钢护筒→钻孔→下沉辅助护筒→振动护筒穿越溶洞→钻至下层溶洞顶→注浆→钻进至基岩。对于单层特大型溶洞，只需下一层钢护筒即可，多层特大型溶洞，根据具体情况下2～3层护筒。第一层护筒就位后，采用水下混凝土对护筒底封闭，避免冲孔时漏浆。下第二层护筒时，应在护筒外侧焊耳筋以起到导向作用，防止偏位。第二层护筒长度为地面至第一层溶洞底板的深度。第二层护筒在第一个溶洞顶板击穿后再下，必须保证就位到第一个溶洞底板处。

钢护筒施工注意事项：

钢护筒加工制作特别注意焊接质量，焊接须做到满焊，焊缝均匀密实，不脱焊不漏焊，确保震动下沉过程中，钢护筒焊缝不开裂。

钢护筒下沉到位后，需在地表对钢护筒进行悬挂，可在钢护筒两侧焊接挑梁，防止钢护筒因溶洞漏浆而下沉。

钢护筒到位后刃脚处为防止漏浆，可采用片石回填冲砸挤牢，或在刃脚处灌注混凝土处理。

钢护筒与振动锤的联结钢护筒良好的焊接质量

4.2对溶洞段的处理方案

I、回填片石、粘土及水泥筑壁法施工：

（适用于28#～85#墩桩基施工）

a、开孔护筒（Φ1.7m)为2.3m,采用人工埋设，在护筒底部采用回填片石粘土方式冲砸固壁，粘土与片石比例为3：2，冲砸过程中，不循环泥浆，采用0.8m小冲程轻击慢锤进行施工，促使片石、粘土嵌入开孔护筒底部，保证开孔护筒稳定，填方量：粘土:片石=3.13:2.08m3

b、溶洞段桩基处理：

（1）对于溶洞区的处理时，当冲孔至离溶洞顶板1m左右时，加大泥浆比重，选用小冲程进尺，逐渐将顶板击穿，同时应防止卡钻。冲破溶洞后，冲锤可能会滑入溶洞中，提锤时易被溶洞顶板岩石卡住而造成埋锤。施工时严禁在溶洞范围内打空锤，应绷紧钢丝绳，采用小冲程进行低打紧击。

（2）在击穿顶板之前，安排专人密切观察孔内泥浆面的变化，发现漏浆时应马上提锤、补泥浆，并抛填片石、袋装粘土、水泥混合料(1m3∶1m3∶0.75t)。超过溶洞顶面2.5～3.0m，然后小冲程方法冲击投下的混合物，不取渣，使其挤入裂隙、溶洞，如此反复操作多次堵塞溶洞通道，形成孔壁，顺利穿过溶洞。

具体抛填量可以参考设计计算方法：

上直径：设计桩径+1m。

下直径：设计桩径+1m+溶洞高。

高度：按溶洞全高回填+2.5m。（串珠状溶洞以第一个溶洞顶标高至最后一个溶洞底标高计算高度）。

片石用量：取：0.6

粘土用量：取：0.6

水泥用量：取：0.45t

（3）、每层溶洞进行单孔处理，单孔抛填。

(4)、第一层溶洞分1次/1m抛填，分次成孔，成孔过程采用轻压成孔，边抛填边成孔。累计第二次成孔进尺：Σ(1+2+3+4+·······)m。

（5）备用泥浆：多层溶洞中最大体积方量（m3）

II、双液注浆方法（适用于86#～124#墩和136#～145#墩桩基施工）

本工法针对岩溶区桩基础施工中碰到的单个大型空洞型溶洞或相邻桩基溶洞连通及单桩存在串珠状溶洞的溶洞桩基，采用水泥浆液与水玻璃同时注喷的方式，使混合浆液迅速絮凝，在一定范围内形成水泥固结体，填塞溶洞。

（1）双液注浆方法

双液旋喷注浆法就是采用水泥净浆与水玻璃混合液从下至上旋喷注浆，使空（溶）洞紧密充填高强度的水泥浆固结体。采用双液注浆的目的是，按一定比例掺入水玻璃，缩短水泥浆的凝固时间，降低水泥浆液在空洞内的流动速度，使水泥浆能在可控制的范围内高效固结，利于溶洞的充填，极大的提高了溶洞的处理效率。

在采用双液注浆前，先对溶洞内有充填物的部分进行高压旋喷注水泥浆的处理，待水泥浆强度达到要求以后，再对溶洞内无填充物的空间部分进行双液高压旋喷注浆。

a、施工工艺

放样→钻机就位→成孔→下放注浆管→制浆一双液注浆→移机。

b、施工顺序

①注浆钻孔布设、放样

根据本工程的超前地质钻探资料，在桩基护筒周60cm处均布4个双液旋喷灌注孔。

溶洞区的双液注浆段双液注浆孔平面布置图

②注浆钻孔布设

利用XY-1钻机，钻孔口径采用φ130mm，下入φ127mm套管至基岩岩面，基岩采用φ91mm钻具钻穿空洞并进入空洞底板0.50m。

钻孔终孔深度确定原则：钻孔超过设计桩端深度或超过空洞底板并进入空洞底板0.2～0.5m。

③水泥-水玻璃混合浆的配制

溶洞内无填充空间注浆材料采用水泥、水、水玻璃按比例配制，配合比（重量比）为：水泥：水：水玻璃=1∶0.8∶0.12。注浆前宜由试验试配确定，以满足旋喷注浆施工对浆液流动性和固结体抗压强度指标的要求，要求水泥土固结体28天龄期单轴抗压强度不小于15MPa。

④双液注浆施工参数

压力：20～25MPa；流量：60～70L/min；喷射段为洞顶上延0.5m，洞底下延0.5m。

⑤补浆

旋喷注浆结束后应及时进行孔口补浆，消除浆液回缩，在终凝前尽可能将套管拔出。

⑥异常情况处理

钻孔漏浆严重时，可自上而下分层进行高压双液注浆。

4.3溶洞桩基施工的常见事故

4.3.1冲孔过程中缩孔、塌孔、卡锤、斜孔、埋锤

冲孔过程中，由于沙层及淤泥层较厚，当泥浆护壁效果不好，容易出现缩孔。

冲孔一旦穿透溶洞顶板，泥浆就会大量流失，从而丧失泥浆的护壁和平衡作用，导致沙层或淤泥层流失，从而引起塌孔，若处理不及时，还可能引起大面积地表塌方。

卡锤最容易发生在冲击钻穿过溶洞顶板时，如果冲程过大就会导致卡钻的发生。在施工过程中出现卡锤现象时不能够强行提拉，要慢慢的上下提锤，在钻头已经松动后再慢慢的往上提。

斜孔是由于岩石表面倾斜或出现探头石，致使钻头沿软的低的部位下滑造成的。

埋钻的原因是坍孔造成的。施工中发现漏浆应立即将钻头提到孔外，如果未及时提钻，漏浆后坍孔，钻头便被埋在孔中。

4.3.2桩基灌注砼超量

砼超量过大是岩溶地区桩施工的普遍现象。填充物为淤泥质土，淤泥被砼所置换，使得桩在溶洞段灌注系数大大超出1.2，有的甚至高达5～6以上。

4.4溶洞桩基施工的事故预防

4.4.1钻头钻至溶顶时，为防止由于溶洞顶板岩层厚度、硬度不均而出现斜孔，除采用抛填片石平衡钻头外，也可采用质量较大的钻头处理。

4.4.2钻头钻至溶顶时，要注意采用轻锤小冲程，以防出现卡钻、掉钻现象发生。

4.4.3无论哪一类型的溶洞,在成孔时都不可能完全堵死溶洞,因此,灌注混凝土时应事先拟定灌注方案,配备足够的材料,若溶洞底板离桩底不足1m时,则在灌注第一斗料时,应充分考虑第一斗料的体积,防止第一斗料灌注下去后,导管埋置深度不足1m,甚至出现导管内有泥浆的现象。在灌注至溶洞区时,应加强检测孔内混凝土的厚度,每一次落料都应进行检测,严格控制导管的埋深,千万不要以理论计算值为准，特别注意准备足够的砼材料，防止因待料而造成断桩。灌注时注意提管的速度，特别是溶洞部分，避免出现断桩现象。同时根据事先探测的情况加入适量的缓凝剂，确保成桩质量。

4.5溶洞桩基施工的事故处理

4.5.1溶洞处理时，速度稍微放慢一些或稍停一段时间，可促使片石、粘土和水泥的固结利于固壁。

4.5.2当处理住漏浆时或到达溶洞位置但不漏浆，要向孔内抛填片石及粘土进行固壁，小冲程反复冲砸，使抛填片石充分挤入孔壁，粘土充分填塞片石空隙，避免混凝土超灌量过大，保证成桩质量。

4.5.3桩塌孔处理时,当施工中遇到土（溶）洞且发生塌孔，而且无法再次成孔时，应采取素混凝土灌注原桩位，然后变更扁担桩的方案。

4.5.4对于卡钻有效的预防方法是在即将击穿溶洞时改用小冲程的冲击钻钻入，当卡钻现象发生时可以利用大钻头将石块破损，也可以利用水下小爆破的方式将岩石击碎或用冲吸的方法将卡在钻头的石碴松动再提出。

4.5.5斜孔是指在穿越岩洞时钻孔没有达到预期的要求，对于斜孔现象最有效的预防方式是在冲击钻进行钻孔时密切注意钢丝绳的居中情况。当斜孔现象发生时，可以将钻头提出，并在斜孔上方一米左右进行粘土和片石的回填，填充后重现钻孔，直至钢丝绳居中为止。

4.5.6预防埋锤的最有效原因就是在前期工作的时候注意循序渐进保证工程质量。埋钻后可以将下陷的地表用片石或者粘土填平后重新钻孔，钻孔后将被埋的钻头提取出来。或者采用真空吸渣法，将导管置于坍孔的底部，用9m3空压机通过钢管压入空气吸出沉渣。这种方法适用于坍孔的石子粒径小于25cm(导管的内径)。

5、结束语

在公路桥梁工程中，溶洞桩基施工属于隐蔽工程，其施工技术性强，施工难度极大，并且具有不可预见性、复杂性、危险性等特点，施工中处理不当将带来极大的经济损失和严重影响施工进度，以及施工安全，同时可能危害到工程施工质量。因此，在施工过程中应综合分析各种地质资料，针对不同类型的地质情况及溶洞的大小制订相应的施工技术方案，并对随时出现的新情况做好相应的预防工作。本文结合珠江三角洲环线速公路黄岗至花山段省道S114跨线桥溶洞桩基施工的成功事例，分析和总结岩溶区溶洞的处理方法，为类似地质病害的处理提供了施工经验及对类似工程溶洞桩基施工具有借鉴的意义。

参考文献：

[1]公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）

[2]地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社