巖溶地區橋梁鉆孔灌注樁施工技術

唐宏雄

（中鐵大橋局第九工程有限公司 廣東中山 528437）

1 工程概況

廣佛肇高速公路北江大橋跨越北江，連接佛山三水和肇慶大旺，主橋為（115+215+115）m連續剛構，三水側引橋為3孔50m（55m）現澆箱梁接一座（40+70+40）m連續梁跨越三水側大堤，大旺側引橋為9孔40m連續T梁接一座（65+115+65）m連續梁跨越大旺側大堤。經地質勘探，北江大橋主橋及肇慶側引橋橋位處存在大面積石灰巖，巖溶發育。巖溶區域共有樁基106根，樁徑φ2.2～φ2.8m，樁長35～65m，其中探測有溶洞的樁基共77根，占比72.6%。樁位處溶洞高度0.5～11.6m不等，溶洞埋深20～54m，多層或串珠狀溶洞較多。溶洞內腔多為少量填充或半填充狀態，填充物以砂、礫、碎巖塊及軟塑黏土為主。樁位處覆蓋層厚15～25m，覆蓋層由上而下土層主要為人工填土、砂層、淤泥質土、粉質黏土等。

2 施工方法

2.1 成孔方式選擇

巖溶地區樁基一般采用沖擊鉆成孔方式，也有采用旋挖鉆利用長套筒成孔的先例，但相比之下，采用沖擊鉆成孔便于進行溶洞回填沖擊造壁處理，在巖溶地區適用性強。另外對于巖溶區上巖土層厚的區域，也可在上部非巖溶區域采用旋挖鉆或回旋鉆成孔，再在巖溶區域采用沖擊鉆成孔的組合方式，以提高成孔效率。本工程引橋段采用全程沖擊鉆成孔，主橋主墩處采用旋挖鉆+沖擊鉆組合成孔方式。

2.2 溶洞處理方法

與常規情況相比，在巖溶地區進行樁基施工的不同點主要在于樁基施工過程中可能碰到巖溶裂隙、溶槽、溶溝、溶洞等，造成下列問題：鉆孔內泥漿容易流失，軟弱覆蓋層孔壁易因缺乏泥漿水頭維持而坍塌；鉆錘突破溶洞頂板時容易因梅花孔而卡錘；因溶洞底部巖層大多與水平面存在斜角，在沖孔過程中鉆錘容易偏斜；在混凝土澆筑過程中，混凝土可能沖破溶腔內土壁向溶洞內流失，造成混凝土方量損失，處理不當或將形成斷樁。為避免上述問題，關鍵在于對溶洞形成有效封閉，保證樁基在鉆孔及澆筑混凝土過程中不發生漏漿及坍塌。

目前溶洞處理工程上常用的方式主要有三種，即拋填片石黏土堵漏法、預注漿加固法及鋼護筒跟進法。

2.2.1 拋填片石黏土法

拋填片石黏土法即在鉆錘擊破溶洞頂層時，向溶洞內拋填片石和黏土，利用鉆錘反復沖砸，將拋填的片石黏土擠向樁孔四周，形成環向封閉圓臺，保證鉆孔過程中泥漿不流失、澆筑過程中孔壁不坍塌。

拋填片石、黏土比例一般按1：1，片石強度要求≥30MPa，尺寸約15～25cm。黏土需具有較好的黏性，一般采用將黏土潤濕捏成黏土球，直徑約10～15cm，或者采用拋填袋裝黏土方式，效果強于將黏土散投入孔。對于埋深較深或洞高較大的溶洞，為加強填充圓臺的穩固性能，可摻入適當PO32.5級水泥，水泥用量占黏土的1/3左右，水泥采用袋裝拋填方式較好。也可采用在拋填片石黏土中摻入稻草、麻繩的方式，稻草、麻繩能起到加筋效果，能有效提高片石、黏土圓臺的穩固性能。

每次拋填片石、黏土高度應超出溶洞頂至少3m，以5～10m為宜，然后用鉆錘進行反復沖砸，沖砸過程中不取渣，控制泥漿面高出地下水位1～2m。溶洞填充開始階段，鉆錘以低錘密擊為宜，首次填充的片石黏土比較容易散入溶洞內，錘擊時密切注意錘頭位置，以不破入溶洞內為宜，切忌放空繩，避免卡錘。首次填充片石黏土壓入溶洞內后，再繼續拋填、錘擊，反復多次，根據每次錘擊進尺深度判斷填充物壓實度，待錘擊進尺較困難時，繼續拋填，適當采取較大沖程進行高錘重擊，將溶洞內填充物繼續向外強擠，形成較大范圍的擠密圓臺體。反復回填并沖砸，直至高錘重擊下基本無進尺，再持續沖砸20～30錘，可視為溶洞段填充基本密實，可以開始取渣鉆進。

最終填充圓臺范圍跟溶洞形態、沖擊能量及填充物性質等有關，關于溶洞處理片石黏土填充量的具體計算目前尚無定論，可按下述方法進行估算：

假定理想狀態下，溶洞范圍很大，溶洞頂、底面均為水平。片石黏土組成的圓臺外表面將呈斜面，因黏土在鉆錘沖砸時基本成流塑狀態，未發生固結，其粘聚力可不考慮，圓臺外斜面斜率與片石內摩擦角相關，約為30°，可依此進行估算。圓臺頂部直徑跟錘擊能量相關，根據過往施工經驗，頂部直徑約為樁孔直徑的3～5倍，本工程施工最終階段采用高錘重擊，頂部直徑按5倍樁孔直徑考慮。由此得出片石黏土拋填量的估算半徑，r為圓臺頂半徑，h為圓臺高度。此為溶洞頂底基本水平、溶腔范圍很大的情況下的估算值，其余類型溶洞的填充量計算可以參考此式。

圖1 溶洞內片石黏土填充圓臺示意圖

2.2.2 預注漿法

預注漿法是通過預先鉆孔向溶洞內注入漿液填充溶洞，待漿液強度滿足要求后開始進行鉆孔，巖溶地區經預注漿處理后鉆孔樁施工與常規施工無異。

由圖4可知，響應曲面較陡，微波作用時間與微波功率對脫水量的影響顯著，與方差分析結果相一致。隨著微波功率和微波作用時間的增加，脫水量也逐漸增加。由圖4可知，草果微波干燥過程呈現出降速趨勢，這是因為微波干燥屬于典型內部條件控制干燥過程[14]，微波直接加熱內部，與表面產生較大溫度梯度和蒸氣壓梯度，兩者作為水分傳質推動力，前期脫水速度很快，但隨著時間增加，溫度梯度減小，內部水分減少造成蒸氣壓減小，使得脫水速度逐漸降低。

預注漿法一般根據樁徑大小沿樁四周均勻布設2～4個鉆探孔用以注漿，漿液一般采用水泥凈漿、水泥砂漿，也可采用低標號細石混凝土，漿液中可適當摻入水玻璃改善漿液性能。水泥凈漿適用于溶洞內有填充物或裂隙發育的溶洞，水泥砂漿適用于溶洞內半填充或無填充狀態。水泥凈漿采用水灰比0.8～1：1的PO32.5級水泥漿，水泥砂漿可采用質量比：水泥：中粗砂：水=450：1200：420 的砂漿。

注漿壓力根據溶洞類型、溶洞深度、土層地質情況等確定，一般而言注漿壓力多采用0.3～0.7MPa。注漿一般采用由上而下注漿方法，即待上層溶洞注漿完畢后再鉆至下層溶洞進行注漿。本工程樁徑為φ2.0～φ2.8m，采用4孔注漿。施工流程為：采用φ146mm鋼管套成孔，下φ127mm鋼管作為注漿管，起出φ146mm鋼管，泵送漿液，采用4孔同時注漿，待漿液從注漿管與孔壁間隙內溢出濃漿，并維持2～3min后停止注漿。對于巖溶裂隙發育的地段，采用封閉孔口，維持最大注漿壓力持續30min后停止注漿。

預注漿法適用于裂隙發育的溶洞，當注漿時發現漏漿嚴重時，可以考慮采用快凝水泥漿液進行封堵，或采用間歇注漿方式，以減少漿液不必要流失。預注漿法適用于少量填充物或無填充物溶洞處理，對于全填充型溶洞，注漿漿液難以擴散，處理效果不佳。

2.2.3 輔助鋼護筒跟進法

對于溶洞埋深較深（≥30m），溶洞高度較大（≥3m），普通拋填片石黏土造壁難以維持鉆孔時泥漿水頭及澆筑后期孔內混凝土的側向壓力，可以采用輔助鋼護筒跟進的方法進行溶洞處理。

當覆蓋層為淤泥、各類砂層、卵石等不穩定土層時，設置外層鋼護筒，防止砸穿溶洞時孔內泥漿急劇下降引起坍塌，砸穿溶洞后，采用拋填片石黏土反復擠固的方式進行溶洞處理，處理完成后繼續沖擊鉆孔，一路處理遇到的溶洞，直至鉆穿需鋼護筒護壁的最下層溶洞。利用吊機下放鋼護筒至最下層溶洞底，安放鋼護筒段鉆孔內徑應比鋼護筒外徑大0.1～0.15m，鋼護筒下沉困難時輔以錘擊或振動法下沉到位。鋼護筒底口與溶洞底板間間隙采用片石、黏土回填沖擊造壁，如溶洞底板斜度較大，采用灌注與樁同標號水下混凝土進行封閉，灌注混凝土高度高出鋼護筒底口1～1.5m，待混凝土強度上來后（一般為7d）繼續沖擊鉆孔至設計標高。

在軟弱覆蓋層地質情況下，采用鋼護筒跟進方案一般由內而外有三層護筒，即內護筒+防塌外護筒+開孔護筒。內護筒直徑需大于樁徑20cm，防塌外護筒直徑需大于樁徑40cm，開孔護筒直徑需大于樁徑60cm。防塌鋼護筒長度應保證能刺入非軟弱覆蓋層1～2m。

鋼護筒壁厚與鋼護筒直徑及埋深相關，根據設計要求，采用以下護筒壁厚：

樁徑＞1.6m時：對護筒長度＜10m，護筒壁厚采用10mm；對10m≤護筒長度＜20m，護筒壁厚采用12mm；對護筒長度≥20m，護筒壁厚采用14mm。

在內外層護筒間及外層護筒與鉆孔內壁間填筑砂石并進行壓漿處理，保證能有效提供樁基側面摩阻力。

圖2 鋼護筒跟進法示意圖

三種溶洞處理方法比較及本工程選擇方案如表1。

3 溶洞處理常見問題及防治措施

3.1 樁位處溶洞誤判

巖溶區域樁基礎施工必須做到每根樁進行超前鉆勘探，以往通常做法是在樁位中心鉆一個探孔。因探孔所取土樣僅能體現鉆孔范圍內的地層情況，樁基其他位置的地質情況屬于盲區，很容易造成誤判。

防治措施：對于大直徑樁，可采用沿樁周圍均勻布置3～4孔以便探明地質。通過幾個孔位的綜合地質資料可以較好地反應溶洞的發育及走向情況，但同樣存在盲區。目前地質雷達、超聲探測、電場探測的方法已經普遍應用，可以在空間上全真顯示地層性狀，對于溶洞大小、分布、走向等能反應完整信息，在樁基施工前利用上述探測方法將取得很好的效果。

表1

3.2 孔壁坍塌

在軟弱覆蓋層中鉆孔，砸穿溶洞時孔內泥漿迅速流失，孔壁無泥漿壓力支撐，容易坍塌，尤其在開孔護筒底部孔口位置，坍塌最為嚴重。

防治措施：①在開孔護筒底部2～3m范圍內采用回填黏土+小片石（尺寸10～15cm）的方式進行低錘密擊造壁，提高孔口護壁強度和穩定性，確保在孔內失水的情況下具有良好的自穩性能。②在施工現場配備足量的黏土、片石、稻草及水泥等，根據溶洞大小配置備用泥漿池（體積約150～300m3），配2～4臺泥漿泵備用補漿，一旦鉆穿溶洞出現泥漿驟失迅速進行補漿并拋填片石黏土，盡可能減少軟弱覆蓋層無水壓維持的時間，減少孔壁坍塌。③在探明樁基處溶洞的情況下，在鉆至溶洞位置時在鉆頭下焊φ30cm、長50cm鋼錐，將溶洞刺穿一個小洞，讓孔內泥漿緩慢流入溶洞中，及時補充孔內泥漿保持水頭，避免孔壁坍塌。④對于極易坍塌覆蓋層，孔內泥漿喪失后，孔壁基本無自穩時間，對此可以采用鋼護筒穿透易坍塌覆蓋層來維持孔壁，鋼護筒應刺入非軟弱土層中1～2m。

3.3 卡錘

在巖溶裂隙發育，溶溝、溶槽較多的巖溶地層中鉆孔容易發生卡錘，另外在鉆錘沖破溶洞頂層時出現梅花形孔洞容易卡住鉆錘。

防治措施：針對不同情況，應區別對待，不可盲目拔錘，以免鉆機傾覆或吊繩斷裂而掉錘。發生卡錘情況時，先小范圍收放、晃動鋼絲繩將鉆錘提松，將鉆錘緩慢移出溶溝裂隙，然后再將鉆錘平穩起出。在溶洞頂1m范圍內沖擊鉆進時，應采用低錘密擊方式鉆進，沖程不大于1m。在溶洞內發生卡錘時可以嘗試邊微微收放鋼絲繩邊旋轉鋼絲繩角度，以期從原梅花孔中提出。如不能奏效，可采取沿孔壁下鋼套管擊破溶洞頂層，鋼套管下放至洞內套住鉆錘，提升鉆錘，使其沿鋼套管內提出。在較為堅實的巖層中出現卡錘時，可采取水下爆破的方式將鉆錘炸松再取出。

3.4 鉆孔偏斜

鉆孔偏斜主要原因是樁徑范圍內土層軟硬不均勻，出現斜巖面或存在孤石、溶洞石筍等，使鉆錘沖擊時底部受力不均勻，樁徑范圍內不同軟硬土層進尺深度不一致而產生偏斜。

防治措施：斜巖面鉆進主要的處理方法是改變斜巖面的軟硬不均狀況，將斜巖面在樁孔范圍內變成近似均勻的地層，保證鉆錘沖砸過程中能均衡受力。一般采用的方式是拋填片石、黏土法，片石一般采用10～20cm尺寸，片石黏土按1：1比例拋填，回填高度超出斜巖面0.5～1.0m，反復沖砸，直至穿透。對于巖面斜度比較大，巖石強度較大時，也可采用在斜巖面上灌注水下混凝土，混凝土強度等級盡量接近巖層強度，待水下混凝土強度滿足要求時再進行沖砸成孔。對斜巖強度很高，以上兩種措施難以奏效時，可采用水下爆破的方式破除斜巖面再繼續鉆進。

3.5 灌注時溶洞內土壁坍塌

對于拋填片石黏土填充溶洞的情況，在灌注混凝土時，因混凝土比重大于泥漿比重，尤其是樁灌注接近完成時，溶洞區域土壁受到最大的擠壓力，此擠壓力為沖孔過程中泥漿壓力的兩倍有余，可能沖垮溶洞內土壁，造成混凝土流失，嚴重時形成斷樁。

防治措施：為避免此種情況發生，一方面對于采用拋填片石黏土填充溶洞的方案要慎重，對于大型溶洞或埋深較深的溶洞，盡量采用預注漿或者鋼護筒跟進的方案。對埋深淺、小溶洞采用拋填片石黏土方案具有較好的經濟性，采用時要依據本文中處理措施保證土壁穩固。另外，基于溶洞內孔壁坍塌產生原因在于混凝土澆筑后側向壓力過大，所以可以采取措施減少混凝土側向壓力，例如在下放鋼筋籠時在填充造壁的溶洞范圍內在鋼筋籠上焊接密目鐵紗網或薄鋼板，范圍超出溶洞頂底各0.5～1m，此種方式能較好地分擔部分混凝土壓力，對維持孔壁穩定具有較好的效果。

4 結語

巖溶地區樁基施工具有很大的不確定性，樁基施工過程中遇到的環境比較復雜，針對不同狀況的溶洞處理方式應綜合考慮安全性、可行性和經濟性，如何選擇即安全可靠，又經濟合理的施工方案對于樁基施工的成敗至關重要。本文介紹了溶洞的幾種常規處理方法及各方法的操作要點和適用情況，對巖溶地區樁基礎施工的常見問題做了分析，提出了一些有效保證在溶洞范圍內成樁的具體措施，可供今后其他巖溶地質條件下樁基礎施工參考。本工程巖溶區域內所有樁基均已施工完畢，樁基施工質量均滿足要求。