溶洞樁基處理方法及其應用

王 磊，宋曉婷，張 平，楊勝文，張戰彪

（1.中國一冶集團有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430080；2.武漢理工大學交通學院，湖北 武漢 430063；3.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

巖溶地區溶洞的形狀、尺寸及位置多樣性決定了巖溶地區樁基施工的復雜度和困難度，巖溶地區溶洞樁基的處理技術在整體施工過程中顯得尤為重要。國內外對溶洞樁基處理方法的研究有很多，如劉瑞琪[1]以大連地鐵2號線（松江路站—東緯路站）暗挖區間工程為例，采用了全斷面（帷幕）超前預注漿處理措施對溶洞進行加固處理。馮健宗等[2]利用外護筒穿過土層至巖面，內護筒鉆進持力層，全長埋設的雙護筒的成孔工藝進行溶洞處理，結果表明，雙護筒跟進法處理大型串珠狀溶洞效果較好。胡文軍等[3]提出在一次鉆孔注漿的基礎上，對綁扎在鋼筋籠的注漿管進行二次壓漿，以此方法對泰東高速平陰黃河大橋樁基溶洞進行處理。李勇良[4]對云桂客專營盤山隧道巨型溶洞進行了處理，主要通過C20混凝土分層、分段回填，預留2.2m×1.8m空心柱減少水化熱的方法對巨型空腔溶洞進行處治。丁華仁等[5]對貴州省六威高速公路菁溝大橋樁基溶洞進行處理，探究了鋼護筒在巖溶地區樁基施工中的應用，檢測報告顯示了該方法的可行性。李到洪等[6]在衡陽合江套湘江隧道建設中進行了溶洞處理，對半填充溶洞進行吹砂夾石及靜壓注漿處理，最終通過鉆芯取樣檢驗達到了預期加固效果。王曉華[7]對新建高速特大橋中樁基溶洞進行處理，采用樁基礎全回轉全套管法，對沖擊鉆法和全套管法成本進行了對比分析。顏輝[8]結合鄰近滬昆高鐵既有線溶洞樁基礎施工，介紹了全回轉全套管灌注樁施工技術，最終樁檢結果表示效果良好。上述的巖溶地區溶洞樁基處理技術均是基于相同的巖溶地區溶洞的處理原則，在原有溶洞處理方法上，結合現場的施工情況進行改進，但是大多數的研究者并沒有仔細說明溶洞的處理原則，對溶洞樁基處理方法也沒有詳細分析各特點。基于此，文章首先闡明巖溶地區溶洞的處理原則，然后對溶洞的處理方法進行詳細分析。

1 巖溶地區溶洞處理原則

（1）在樁基施工地區進行充分的地質勘察，施工時對于巖溶發育較為豐富的區域應首先選擇避讓原則。

（2）當不可避免溶洞時，要對施工地區的地質情況進行詳細的記錄，了解巖溶區域溶洞的大小、高度、埋深以及溶洞內腔的填充情況，判斷溶洞的類型，從而為今后制訂詳細的處治方案提供依據。

（3）將所掌握的工程地質資料、相關規范與結構力學分析方法相結合，建立計算模型及選取參數，對巖溶地區溶洞頂板穩定性進行計算，確定溶洞頂板的最小安全厚度，為溶洞處理提供計算依據。

（4）對溶洞內腔的填充物進行土工試驗，了解填充物類型，分析其物理力學特性，測量含水率、孔隙率、容重等，為需要進行處治的溶洞充填設計提供依據。詳細的溶洞處治方案應結合工程設計要求以及實際的工程地質條件進行考量，經過仔細的計算之后，還需在施工區域周圍進行相關試驗，不斷完善施工方案，力求達到經濟合理的效果。

2 溶洞處理方法比較

2.1 注漿法

原理：基于液壓、氣壓、電化學及高壓噴射等原理，將能夠固化的粒狀漿材或化學漿材通過注漿管注入巖石的孔隙、裂隙及空洞中，漿液經過擴散、凝固、硬化使巖土中的土體顆粒在裂隙中膠結成為整體，以此減少巖土的滲透性，增強其強度與穩定性，改善巖土體的物理力學性質，從而達到巖土堵滲及加固的效果。其施工工藝流程如圖1所示。

特點：施工過程中該方法不需要大型復雜的設備，其施工技術運用起來簡單，易于操作。注漿法運用范圍廣泛，并且可以將防水堵漏與加固施工同時進行。

圖1 注漿法施工工藝流程

2.2 回填筑壁法

原理：對于內腔內無填充物或具有半填充物，高度較小且存在較嚴重漏水情況的溶洞，可以通過使用回填沖擊片石加黏土的方法改善溶洞內部情況，在實施時對片石及黏土進行反復的回填沖擊直至形成穩定的泥漿護壁不再漏漿為止[9]，從而避免施工時出現溶洞漏漿，鉆孔內水頭下降導致塌孔的現象。其施工工藝流程如圖2所示。

特點：回填筑壁法是目前已經較為成熟的一種溶洞處理方法，該施工方法的經濟成本較低，施工工藝簡單，運用起來靈活方便。

2.3 鋼護筒跟進法

原理：跟隨鉆機鉆孔到一定深度，采用自重下放或輔助振動下放的方法將鋼護筒分節沉入鉆孔內，隨即鉆機在護筒內繼續鉆孔，當鉆機鉆進溶洞頂板時，由于鋼護筒的護壁作用，即使孔內泥漿發生滲漏，也不會造成孔壁坍塌。其施工工藝流程如圖3所示[10]。

特點：對于深埋、大型的溶洞，采用鋼護筒跟進法處理效果較好。該施工方法所使用的鋼護筒自身發揮護壁的作用，即使在洞內發生嚴重的漏漿、漏水現象，也不容易導致塌孔，鋼護筒自身能夠很好地穩定孔壁。

2.4 全回轉全套管法

原理：通過全回轉設備反復旋轉套管產生的扭矩和垂直下壓力，使鋼套管發生轉動，套管管口處的高強刀頭能夠切削分離土體及巖層，同時采用抓斗或旋挖鉆機等設備將套管內部切削分離的土體和巖層等障礙物抓出孔外，當鉆機設備鉆進至樁底設計標高時，下放鋼筋籠并且通過導管澆筑混凝土，最后邊澆筑混凝土邊拔出套管。其施工工藝流程如圖4所示。

圖2 回填筑壁法施工工藝流程

圖3 鋼護筒跟進法施工工藝流程

圖4 全回轉全套管法施工工藝流程

特點：該施工方法挖掘深度大，掘進速度快，尤其是在溶洞發育較為豐富的地區能夠節約鉆孔時間，提高施工效率。

綜上，以上四種巖溶地區溶洞樁基處理技術的施工原理、施工工藝及施工特點不盡相同。注漿法適用于具有無填充物或半填充物的各類大小及埋深的溶洞；回填筑壁法對于淺埋、小型溶洞和溶溝較為適用；鋼護筒跟進法對于深埋、大型的溶洞處理效果較好；全回轉全套管法采用回轉設備使套管發生轉動，切削土體，因其噪聲小、振動小的特點適用于鄰近既有鐵路及地下盾構結構巖溶地區。

3 工程實例

3.1 工程地質條件

橋址處屬長江沖積平原河谷地段，地形地貌為河流堆積地貌特征，擬建橋梁沿線地形起伏大，總體東高西低，地面高程7.74～27.18m。長港河和新港河在橋位北側匯合后流向長江，河谷岸坡坡度5～40°，局部近直立，河谷深約3～15m。橋位現狀主要為居民區、工礦企業和天然河道。擬建工程采用鉆孔灌注樁基礎，根據鉆探揭露，橋址地層巖性自上往下依次是第四系人工填土（Q4ml）、全新統沖積（Q4al）、更新統殘積（Q3el）等覆蓋層，下伏基巖為二疊系下統棲霞組（P1q）生物碎屑灰巖夾炭質頁巖、石炭系中統黃龍群（C2h）白云質灰巖夾角礫灰巖。橋梁地基主要位于砂礫石層及灰巖地層，發育巖溶溶蝕現象，根據鉆孔揭露，巖溶形態主要以溶隙、溶洞為主，局部地段存在溶槽的可能；巖溶發育主要分布在基巖面淺部，尤其在橋墩1～7號墩基巖中巖溶發育較強，個別樁基下溶洞甚至呈串珠狀自上而下分布；另外在33號、34號墩地基下勘探出存在溶洞。

3.2 溶洞處置方案及效果

考慮到橋址處屬長江沖積平原河谷地段，地形地貌為河流堆積地貌特征，擬建橋梁沿線地形起伏大，對于施工難度影響較大等原因，綜合經濟、質量等多方面因素考慮，最終決定采用局部鋼護筒跟進法進行溶洞處治。鋼護筒跟進法即使在洞內發生嚴重的漏漿、漏水現象，也不容易導致塌孔，鋼護筒自身能夠很好地穩定孔壁。

下面以具體工程中針對7#、8#、13#、14#主墩樁基下方淤泥質土層較厚、土質差的情況，采用預先下沉鋼護筒至淤泥質土層以下5m的溶洞處理方法為例，說明該項目溶洞的具體處理措施。

外鋼護筒的內直徑D=d+40cm（d為設計樁徑），壁厚δ=20mm，采用機械卷制加工制作。

內鋼護筒采用壁厚δ=12～18mm的鋼板，在加工場用機械集中卷制加工制作，焊縫全部為雙面坡口，每節制作長度為7.5～10.5m，制作內鋼護筒的內徑D′=d+20cm（d為設計樁徑），制作好后運至施工現場。

各節內鋼護筒的連接焊縫全部采用雙面開坡口進行滿焊，兩節護筒的接縫除施焊外，還需在接縫處焊接50mm寬、δ=10mm的加強鋼帶，以保證其尺寸準確，使護筒體順直度達到要求，整個內護筒的豎向壁成一直線。

鉆頭直徑比樁徑大20cm，正常鉆進至溶洞上方約1m處，采用50T履帶吊輔助DZ135振動錘，先將內鋼護筒分節打入土層中至巖面，再進行回鉆成孔。

內護筒沉入巖面后，先采用沖錘成孔一定深度（進尺為1.5～2m），及時采用25T汽車吊輔助振動錘將內護筒下沉至進尺巖面標高處；然后再進行沖孔、下內鋼護筒；循環反復進行至樁底設計標高處。同樣，在施工過程中嚴格測量、控制好各節護筒連接的垂直度，不得超過施工規范要求的1/200[11]。

4 結束語

文章首先總結了巖溶地區溶洞的處理原則，概述了施工時遇到溶洞等特殊地質應如何制訂處治方案，分析了四種溶洞樁基處理方法，并結合湖北鄂州某大橋項目的具體施工方案，得出了以下結論：

（1）對于巖溶發育較為豐富的區域應首先選擇避讓原則。當不可避免溶洞時，需要對溶洞內腔的填充物進行土工試驗，了解填充物類型，分析其物理力學特性，為需要進行處治的溶洞充填設計提供依據。

（2）巖溶地區進行樁基溶洞處治的方法主要有注漿法、回填筑壁法、鋼護筒跟進法、全回轉全套管法。工程中需要結合實際的工程地質條件及周邊環境加以選擇，也可選擇將多種方法結合使用。

（3）考慮湖北鄂州某大橋項目綜合經濟、質量等多方面因素，最終決定采用局部鋼護筒跟進法進行溶洞處治。在實際的工程中，通過該方法提高了成樁質量，有效解決了施工過程中出現的塌孔、縮孔等不良問題，為今后溶洞樁基處治提供了一定的參考。