樁基溶洞處理措施及實例分析

林開明

(三明市公路養護中心，三明 365000)

1 引言

樁基礎工程是公路橋梁結構的“基石”，它的質量好壞是橋梁結構永久穩定的關鍵， 溶洞對樁基礎施工質量的影響及其帶來的安全隱患是明顯的； 特別是西南地區作為巖溶發育地帶，溶洞樁基隨處可見，處理起來很難，但是我們根據溶洞具體情況(類型、水流、大小、填充物情況等)，結合施工機械和材料等，是能夠將樁基溶洞問題順利解決。

2 工程及地質概況

莆炎高速公路三明段YA2 標段雪峰大橋位于明溪縣城雪峰鎮郊，其中心里程樁號K288+443，全長492 m，樁基共計104 根，最長的達60 m，最短的18 m，橋梁上部構造為先簡支后連續的16 跨×30 m 連續剛構T 型梁，下部構造采用柱式墩+樁基礎、 箱型墩+樁基礎、U 型臺+樁基礎。 其中左線0 號、2 號、4 號、5 號、6 號、7 號墩樁基，右線0 號、2 號、3 號、5 號、6 號、7 號墩樁基穿過溶洞。 7～16# 墩橋址所在為三鋼集團原采礦區， 經項目部調查該處山體已經進行過30 m 深的深孔松動爆破， 山體上層30 m 左右均已破碎，與地質補勘資料相吻合。 該部分山體大部分處于失穩狀態，設計調查時地質勘查未施工，施工圖紙中7～12# 墩均為暫定樁長， 后期補勘后7～16# 墩溶洞較多，樁基長度變化較大。

根據野外現場地質調繪分析及鉆探資料揭露， 橋址受推覆構造影響， 橋區不良地質及特殊性巖土主要表現為石灰巖溶蝕嚴重， 發育溶洞， 以及林地組砂巖風化劇烈，風化層巨厚，據鉆孔資料顯示，橋區石灰巖地段鉆孔見洞率達39%左右， 巖溶十分發育， 且局部溶洞為半充填、無充填、無水，對橋基施工及樁長影響較大。巖溶地區由于地質較為復雜，存在地層巖性軟硬相異，裂隙發育，溶洞的空間形態多變等實際情況， 縱使在工程地質補勘察鉆探時逐樁探查， 仍無法完全把握地層下的實際情況，其中左幅12# 墩附近地質最為復雜：12#-1 樁基位置上層9 m 范圍為軟弱砂質覆土(坡積土)，9～19.4 m 范圍9～30.7 m 范圍為構造破碎帶層且存在4 層溶洞(其中分別在19.4 m、23.5 m、27.3 m 位置出現第1、2、3 層溶洞，30.7 m 位置為第4 層溶洞底部)，溶洞深度(大小)為0.5～0.7 m。

根據既有資料和勘探結果分析， 雪峰大橋橋址區溶率發育，大部分墩位(63 根)都遇到了溶洞。 根據最后地質補勘結果， 單洞最大巖洞高度14.6 m； 現場多為多層溶洞，最大層數達4 層，有的總高度還達到20 m(串珠狀)；根據各樁施工地質圖可判斷， 個別墩位溶洞為連通型大溶洞；溶洞多為全填充或半填充結構。

3 溶洞樁基處理總體方案

根據地質不同， 巖溶預處理目前主要采用了以下5種方法[1]：

(1)溶腔大且無填充的情況下，原則上采用片石黏土回填復鉆。

(2)溶腔小且有填充物的情況下，采取素混凝土灌注堵封，便于成孔。

(3)現場有明顯可見的半坡上外露溶洞，采用旋挖鉆成孔(主要在8 號墩位置，但因巖質堅硬、樁長深、樁徑大，旋挖鉆機鉆桿多次扭斷，成孔30 m 深3 孔后旋挖鉆機自行退場)。

(4)現場出現多層溶洞時，頂層溶洞漏漿已處理，等到下一層或第3 層也已處理完成后，頂層溶洞位置再次出現漏漿現象， 則主要采用底層黏土回填至漏漿位置下方，然后灌注混凝土(回填至漏漿位置上方2～3 m)利用沖擊鉆進行充填，擠壓混凝土堵塞漏漿溶洞的方式進行處理。

(5)對于溶洞較小的多層溶洞，多次漏漿且以上方案多次處理無效的情況下，采用鋼護筒跟進方案。主要用于雪峰大橋右幅12#-1 樁基。

4 溶洞樁基處理工藝

(1)黏土+片石+袋裝水泥等填充復鉆

采用黏土加片石或再加袋裝水泥進行填充復鉆處理溶洞是常見的處理方式，其具有便捷、節省造價的優點[2]。

根據鉆探地質圖， 鉆進到距溶洞頂上方0.8～1.5 m時，將沖程減小，控制在1.5～0.8 m，利用快頻率短沖程沖擊的施工方法擊穿，按順序將粘土、片石、袋裝水泥(按3 m3：1 m3：0.5 t 比例)投入溶腔，回填至溶腔頂以上5 m 位置后，采用0.3～0.8 m 小沖程繼續沖擊，這樣不循環干沖5～10 min，讓填充物進一步密實，然后加入泥漿水到正常高度，待水泥初凝并有一定強度后，再利用小沖程繼續鉆進，形成人工泥石護壁[3]。 如此反復，直到不再漏漿為止。雪峰大橋大部分樁基均采用本方法進行處理。 共計回填片石7577 m3，黏土(含樁基沖孔過程)92470 m3，袋裝水泥74194 袋。

施工過程中遇到無填充或半填充的大型溶洞， 存在采用上面方法無法成孔現象， 或者在成孔后因灌注水下混凝土時壓力過大而造成孔壁垮塌垮，此時，采用回填純混凝土封堵處理。

施工中遇到部分半填充的溶洞內存在強度較高的填充物，容易在鉆進時造成偏孔、卡鉆，對于此種溶洞也采用了回填混凝土的方法進行處理。

(2)鋼護筒跟進方案

雪峰大橋左幅12#-1 樁基設計長度39.7 m、樁徑2 m，采用片石黏土充填及混凝土封堵均不能有效沖進，且孔口土層多次坍塌，把孔口標高降低了4 m，累計施工9個月仍無法成孔，最終采用鋼護筒跟進方案進行施工。 護筒尺寸為： 鎖口鋼護筒內徑2.40 m (樁徑加0.4 m)，18 mm壁厚，4 m 高度；跟進護筒內徑2.2 m(樁徑加0.2 m)，18 mm 壁厚，28 m 高度(分四段，每段7 m 高，現場采用雙面坡口焊連接)。護筒采用18 mm 厚鋼板在加工場用機械卷制，其連接采用雙面坡口焊接。

鉆進采用直徑2.2 m 的鉆頭， 在鉆機鉆進至溶洞上方約1 m 位置時采用50T 履帶吊車輔助DZ135 振動錘將各段鋼護筒依次打入(跟進鋼護筒利用焊接在鎖口鋼護筒內壁的專用導向支架以及經緯儀對其垂直度進行控制，在振動錘作用下不斷下落就位)，直至第一段鋼護筒到達巖面位置，隨后回鉆成孔。

(3) 灌注混凝土

對于樁長小于30 m 的部分樁基，主要采用灌注混凝土封堵溶洞的方法。 利用后混凝土罐車運送混凝土并灌注到孔底，人工孔內澆筑并振搗使混凝土流入溶洞內，實現對溶洞的封堵，以確保施工人員安全，同時也為了防止澆筑樁基時溶洞對樁基質量造成影響。

施工流程如下：

①先向洞內灌注混凝土，灌注高度高于溶洞頂部3～4 m。

②采用小沖程對填充物進行沖擊， 將片石擠壓至溶腔側壁以形成泥漿碎石護壁， 隨后灌注水泥砂漿將片石空隙進行初步堵塞。

③提起鉆頭停鉆24 h， 待水泥強度達到2.5 MPa 以上，再繼續沖擊，直至穿越溶洞。

雪峰大橋大部分溶洞均采用上述方法進行處理，共灌注混凝土4873 m3。

5 施工中事故原因、處理及預防措施[4]

(1)鉆孔偏斜

在樁基現場施工中，發現有溶洞分布不均(或形狀不規則)，巖層裂隙、破碎、受到風化程度不同形成軟硬不均、巖面傾斜，使鉆頭底部受力不均，容易出現鉆孔偏移軸線造成偏斜現象， 現場連接沖擊鉆頭的鋼絲繩有規律地向一側擺動，此時應及時停止沖擊，向鋼絲繩擺動一側往孔內拋填強度相當的片石，采用小沖程沖擊方法，一次不成功，就采用多次；若5 次以上仍糾偏不成功，就利用地質鉆機密排鉆孔或水下松動爆破， 再用以上方法進行糾偏。

(2)卡錘

當鉆進到粘土層或者夾雜溶蝕性的溝槽時， 經常發生卡錘事故，分析其主要原因有如下幾個方面：在粘土層中沖擊的沖程太高，泥漿太稠，遇到溶蝕性地層時，沒有及時調整沖程，造成卡錘被溶溝、溶槽卡住；鉆孔形狀為梅花形，沖擊錘被狹窄部位卡到；孔口掉下較大石塊或者其他東西，卡住沖錘。 針對以上出現的各種卡錘的原因，應根據不同原因采用不同的處理及預防措施， 不宜盲目大力向上拉錘，待沖錘松動后方可用力向上提，否則會造成沖錘卡的更緊或者塌孔埋錘。 在提錘時通常采用打撈鉤、鋼絲繩活套等進行打撈，當卡鉆部位為比較堅硬巖層時，用平常清孔方法排出石渣，利用松動爆破法結合錘頭上下反復撞擊卡點巖塊，慢慢讓鉆頭突破卡點，再用片石回填至卡鉆部位以上2 m 位置， 小沖程沖擊慢慢穿越該地層。

(3)漏漿

鉆孔施工過程中遇到裂隙較發育巖層或無充填物溶腔時，經常發生漏漿現象。 根據地質勘察情況，在鉆孔前要預先考慮泥漿池盡量大些，并在鉆孔口附近準備好足夠的片石和粘土。 在距離溶洞比較近(0.6 m 左右)位置，減小沖程，加大泥漿比重，密切觀察泥漿情況，發現泥漿面變化，立即提起沖錘，補充泥漿，回填片石和粘土混合物，待泥漿穩定后方可繼續沖孔。 在沖擊過程中會反復發生漏漿情況， 重復上述做法，直到不再漏漿為止。

(4)塌孔

施工中遇到較大溶洞，其上部為松散砂質覆土(坡積土)等軟弱層，溶腔內無填充物，鉆至空腔時，出現漏漿面急劇下降現象，孔內軟弱層失去平衡壓力，孔壁坍塌，嚴重時地面出現塌陷，甚至造成鉆孔設備傾斜、人、機墜入洞內等嚴重安全事故。 此時，應先把設備移開，后用粘土回填基坑，并向孔中拋填片石，回填到地表標高，放置5天待地面穩定后重新放樣，鉆探時盡量采用小沖程，同時仔細觀察泥漿情況。 為預防突發此類事故，要根據地質鉆探資料， 把巖層以上軟弱層范圍， 利用鋼護筒圍護，沖擊時盡量采用小沖程，嚴禁一墩范圍內多臺鉆機同時施工。 出現塌孔埋鉆事故時，若坍塌量較小，直接清孔后用吊機配合將鉆頭提出；若坍塌量較大時，采取下護筒至錘頭，用空心錘清理錘頭，吊機配合將鉆頭提出； 若采取上述措施無法處理時， 考慮直接將沖砸鉆頭，配合磁鐵將鐵屑吸出。

6 樁基處理及質量檢測

經過兩年多的施工，完成雪峰大橋樁基施工104 根，據聲波透射法檢測數據顯示，其中Ⅰ類樁101 根占比例97% ，Ⅱ類樁3 根占比例3% 。 此外，從灌注結果分析，充盈系數一般為1.2～1.3 ， 說明溶洞處置方案是切實可行、安全有效。

7 結束語

雖然雪峰大橋樁基范圍地質情況較為復雜且難以預見，但憑借地質鉆探記錄，通過嚴謹細致的分析，依據不同溶洞情況采取具有針對型的措施以及嚴格的現場質量安全管理。由于前期完善的準備工作和過硬的施工質量，減少了在樁基工程施工過程中塌方事故的出現、 節約了工程開支。 同時，通過本工程的實踐，筆者認為：黏土加片石填充復沖為主，填充混凝土為輔，配合部分鋼護筒跟進的方式，有效保證了工程樁施工過程中人員、機械設備等安全，確保了樁基礎質量；同時注意回填片石+粘土方法進行溶洞處理時，鋼護筒底端應落在不透水層上，以防出現溶洞后孔內水頭急劇下降而造成坍孔， 對于多層溶洞更應如此；另外，處理溶洞樁基相關問題，跟沖孔鉆機操作手關系很大， 務必跟操作手認真做好地質、 施工方案(含質量安全注意事項)等相關資料的細致交底工作，確保現場施工安全并保質保量順利完成。