隱伏型巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)樁基處治方法研究

張 金，楊 俊，姚玉強(qiáng)，陳紹軍

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

巖溶為可溶性巖層（碳酸鹽、硫酸鹽、鹵素巖等）被水長期溶蝕而形成的各種地質(zhì)現(xiàn)象和形態(tài)。廣東省碳酸鹽巖分布面積占全省面積7%，主要集中在粵北地區(qū)?；洷钡貐^(qū)巖溶發(fā)育較強(qiáng)烈，存在大大小小的溶洞和縱橫交錯(cuò)的溶裂，粵北巖溶發(fā)育區(qū)約占粵北面積的1/3[1]?；洷被?guī)r區(qū)的主要巖土工程地質(zhì)問題是土洞和溶洞發(fā)育[2]。

隨著交通建設(shè)的深入推進(jìn)和路網(wǎng)的加密延伸，高速公路不可避免地需要穿越巖溶地區(qū)，其中巖溶地區(qū)的樁基設(shè)計(jì)與施工是公路建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以粵北地區(qū)某高速公路的橋梁樁基處治為案例，提出了隱伏型巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)樁基處治的方法與思路，旨在為同類工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

粵北地區(qū)某高速公路朝陽大橋所處橋址區(qū)地形較平坦，主要由第四系填土層、第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)沖洪積層、第四系更新統(tǒng)殘積層、白堊系三水組、泥盆系天子嶺組地層組成。白堊系三水組泥質(zhì)粉砂巖屬特殊性巖土，遇水易軟化，強(qiáng)度急劇降低。橋址區(qū)地下水豐富，主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙、巖溶水，不良地質(zhì)主要為巖溶，下伏灰?guī)r埋深變化大，節(jié)理、溶隙、溶洞密集分布，巖溶強(qiáng)發(fā)育，屬隱伏型巖溶。

1.2 樁基施工缺陷

朝陽右幅2-1 號案例樁基樁徑1.6 m，按端承摩擦樁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)樁頂15.267 m，樁底-41.733 m，樁長57 m，樁底置于溶洞底面以下，并保證樁端有足夠頂板厚度作為持力層。案例樁基采用沖孔樁工藝，沖進(jìn)期間累計(jì)出現(xiàn)18 次孔內(nèi)漏漿、塌孔、地表塌陷、地面涌漿等施工缺陷狀況，過程采取孔內(nèi)充填法（片碎石、片石黏土、混凝土）、塌陷區(qū)硬化、增設(shè)鋼護(hù)筒等措施，效果均不理想，最深沖進(jìn)位置仍然位于溶洞內(nèi)，未達(dá)到成樁要求。

1.3 樁基地質(zhì)情況

案例樁基所在右幅2 號橋墩地質(zhì)橫剖面見圖1。其中鉆孔QSZK117-3 在標(biāo)高-28.82～-38.12 m 存在單個(gè)高9.3 m 的溶洞，QSZK-ZY-2-4 在標(biāo)高-18.12～-21.32 m 存在累計(jì)高2.0 m 的串珠狀溶洞，QSZK-ZY-Y2-1B 在標(biāo)高-37.65～-38.95 m 存在單個(gè)高1.3 m 的溶洞，洞內(nèi)均充填軟塑狀黏土。

圖1 橋墩地質(zhì)橫剖面（單位：m）

2 樁基處治方法對比分析

巖溶地區(qū)地基常用處治方法有：充填法、跨越法、深層擠密法、化學(xué)注漿法、樁基法、護(hù)筒防護(hù)法[3]。

結(jié)合案例樁基施工缺陷、工點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)、區(qū)域構(gòu)筑物實(shí)施情況等受限因素，通過樁基處治方法的適應(yīng)性分析對比發(fā)現(xiàn)（見表1）：

表1 樁基處治方法適應(yīng)性分析對比

（1）充填法、深層擠密法，在樁基施工過程中已采用過，施工缺陷狀況反映出覆蓋層較軟弱，地下水較豐富，軟弱層樁孔護(hù)壁易透水坍塌，溶洞內(nèi)充填物易被流動溶隙水沖塌帶走，樁周護(hù)壁始終無法完成，效果不理想，不建議采用。

（2）跨越法、樁基礎(chǔ)法，存在改移下構(gòu)位置、增加樁基的情況，在巖溶發(fā)育且不規(guī)則的條件下，改移后的下構(gòu)基礎(chǔ)存在遇溶率增加的可能，工期長、造價(jià)高、不確定性因素多，不建議采用。

（3）護(hù)筒防護(hù)法，采取雙層鋼護(hù)筒護(hù)壁跟進(jìn)至溶洞底，達(dá)到硬性隔離的目的，但深層鋼護(hù)筒設(shè)置過長，跟進(jìn)過程中易受既有充填物、不規(guī)則巖面影響而出現(xiàn)屈曲，一旦發(fā)生變形則無法完全糾偏，存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，不建議采用。

（4）化學(xué)注漿法，通過樁周軟弱層注漿，使?jié){液滲透硬化并與樁周咬合，提升完整性；樁身范圍注漿，使?jié){液與溶洞內(nèi)充填物結(jié)合形成穩(wěn)定固結(jié)體，減弱流動溶隙水影響，達(dá)到樁基可施工成孔條件，可實(shí)施性高、經(jīng)濟(jì)性好，建議采用。

3 樁基處治方案

3.1 總體思路

樁基施工缺陷處治的總體思路：

首先回填原樁孔至地表，靜置穩(wěn)定；然后對樁周軟弱覆蓋層和樁身溶洞范圍采取化學(xué)注漿加固措施，確保覆蓋層穩(wěn)定、洞內(nèi)形成穩(wěn)定固結(jié)體，待注漿實(shí)施完再取芯檢測；當(dāng)注漿效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)后，按單樁沖孔成樁方案復(fù)沖施工。

3.2 注漿加固方案

化學(xué)注漿加固是處治樁基施工缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括樁周孔注漿和樁身孔注漿。

（1）樁周孔穿過軟弱覆蓋層至巖面以下約1.0 m處，在樁身外側(cè)60 cm 處沿圓周設(shè)置單層共15 個(gè)注漿孔（見圖2），相鄰孔間距按約60 cm 布置，注漿孔深38 m，孔內(nèi)壓注水泥漿液。

（2）樁身孔穿過溶洞至交界面以下約1.0 m 處，樁身范圍布置3 個(gè)注漿孔，相鄰孔間距90 cm，呈等邊三角形布置（見圖2），注漿孔深56 m，孔內(nèi)壓注水泥和水玻璃的混合漿液。

圖2 案例樁基注漿孔布置示意

（3）注漿孔利用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，鉆孔設(shè)計(jì)外徑130 mm，在鉆進(jìn)過程中采取跟設(shè)套管以確保成孔質(zhì)量及成孔率，成孔后再將套管拔出。

（4）利用鋼花管注漿技術(shù)[4]，使注漿效果達(dá)到最佳。鋼花管采用?89×4.5 mm 無縫鋼管加工制作，且沿管軸線交錯(cuò)間隔20 cm 在管壁上呈梅花狀設(shè)置注漿小孔（孔徑為1.0 cm），小孔用特制膠帶或凝膠密封，鋼花管間接頭采用鋼套管連接。注漿管應(yīng)下至注漿孔孔底，并同步跟設(shè)套管，施工時(shí)宜先孔底壓漿后再提升注漿管分層壓漿，外層套管應(yīng)隨注漿管同步提升，保證注漿效果和實(shí)施范圍，以防串漿、跑漿。

（5）注漿施工主要工序：樁位布設(shè)注漿孔→孔位放點(diǎn)→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)成孔（跟管鉆進(jìn)）→下注漿管（跟設(shè)套管）→注漿施工→孔口壓漿→終凝前補(bǔ)漿→結(jié)束封孔。

施工時(shí)宜先進(jìn)行樁身孔注漿，再進(jìn)行樁周孔注漿，應(yīng)注意樁基內(nèi)外注漿孔施工的間隔時(shí)間、同批次施工注漿孔的間距和間隔時(shí)間。

3.3 注漿加固參數(shù)

3.3.1 注漿材料

注漿漿液的水灰比應(yīng)根據(jù)土的飽和度、滲透性確定[5]。采用水泥砂漿漿液時(shí)，對于飽和土，水灰比宜為0.45～0.65，適用于粉質(zhì)黏土、卵石土；對于非飽和土，水灰比宜為0.5～0.6，適用于全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，工點(diǎn)綜合控制水灰比為0.5～0.6。采用水泥和水玻璃的混合漿液時(shí)，可在原水泥漿液中摻入水玻璃，水玻璃用量約為水泥用量的20%，水玻璃模數(shù)為2.5～3.3，這樣漿液不僅具備水泥漿的強(qiáng)度，又具備水玻璃的滲透性[6]。

3.3.2 注漿壓力

若注漿壓力過大，易破壞軟弱地層的整體穩(wěn)定性，故考慮低壓力方式注漿。當(dāng)采用水泥砂漿漿液時(shí)，注漿壓力宜為1.0 MPa；當(dāng)采用水泥和水玻璃的混合漿液時(shí)，注漿壓力應(yīng)不大于1.0 MPa[7]。

3.3.3 設(shè)計(jì)注漿量

設(shè)計(jì)注漿量包括樁身范圍溶洞區(qū)域的巖溶注漿量和樁周土體注漿量。

巖溶注漿量根據(jù)巖溶裂隙發(fā)育情況計(jì)算[8]：

式中：K 為土石界面下基巖的實(shí)際充填系數(shù)，宜為2～3，水平巖溶發(fā)育區(qū)取小值，垂直巖溶發(fā)育區(qū)取大值，此處綜合區(qū)域地質(zhì)情況取值3；R 為擴(kuò)散半徑，宜為3～5 m，此處綜合取值3 m；L 為壓漿段長度，此處取樁身范圍溶洞高度9.3 m；μ 為巖溶裂隙率，此處綜合區(qū)域鉆孔遇溶洞率、巖溶發(fā)育情況近似取50%；β’為有效充填系數(shù)，一般為0.8～0.9，此處取值0.8；λ 為超灌系數(shù)，一般取1.2；γ 為巖溶洞隙填充率，據(jù)鉆孔揭示溶洞內(nèi)充填情況近似取值0.5。

采用式（1）計(jì)算樁身范圍溶洞區(qū)域的巖溶注漿量，V1=189.3 m3。

樁周土體注漿應(yīng)先計(jì)算單個(gè)注漿孔灌注量V20（參照堿液注漿加固中每孔灌注量的計(jì)算[7]）：

式（2）中：α 為有效充填系數(shù)，一般為0.6～0.8，這里取值0.8；β 為漿液流失損耗系數(shù)，一般取1.1；l 為灌漿孔的長度，m；r 為有效加固半徑，當(dāng)無實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，一般取0.4～0.5 m，這里參照相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)取0.5 m；n 為擬加固土的天然孔隙率，地勘資料列出有關(guān)地層的試驗(yàn)孔隙比樣本均值e 和換算后的天然孔隙率n（見表2），計(jì)算時(shí)樁周土體天然孔隙率n 取均值0.39。

表2 地層孔隙比和天然孔隙率

再根據(jù)注漿孔位置和個(gè)數(shù)計(jì)算總的樁周土體注漿量。

對于樁周孔，l 為38 m，單個(gè)樁周孔的灌注量采用式（2）計(jì)算得：Va20=10.4 m3。

對于樁身孔，除樁身范圍溶洞區(qū)域的注漿之外，還應(yīng)考慮注漿孔在土體范圍的注漿量，此處取值38 m，單個(gè)樁身孔的灌注量采用式（2）計(jì)算得：Vb20=10.4 m3。

樁周土體總的注漿量V2=Va20×15+Vb20×3=10.4×15+10.4×3=187.2 m3。

設(shè)計(jì)注漿量應(yīng)為V1+V2=376.5 m3。

其中單個(gè)樁身孔的平均注漿量計(jì)算得：189.3/3+10.4=73.5 m3。

4 樁基處治效果

4.1 注漿效果檢驗(yàn)

4.1.1 注漿量對比

從對比情況（見表3）看：第1～15 樁周注漿孔施工注漿量比設(shè)計(jì)量稍多；第16～18 樁身注漿孔施工注漿量比設(shè)計(jì)量少，但總體上設(shè)計(jì)與施工較匹配，數(shù)量存在些許出入與實(shí)際地層分布起伏、地層特性差異、注漿施工等因素相關(guān)。

表3 注漿量設(shè)計(jì)施工對比

4.1.2 鉆芯法檢驗(yàn)注漿效果

由于漿液擴(kuò)散、發(fā)展的模糊性，對注漿效果檢驗(yàn)及評判尚無統(tǒng)一的檢測手段及評判標(biāo)準(zhǔn)。

本案例采用現(xiàn)階段常用的鉆芯法檢驗(yàn)芯樣來驗(yàn)證，檢驗(yàn)在注漿施工結(jié)束28 d 后進(jìn)行，其中設(shè)置樁身1 個(gè)、樁周2 個(gè)取芯孔。取芯芯樣檢查發(fā)現(xiàn)，漿液與土層、填充物固結(jié)良好，密實(shí)度均在85%以上，表明注漿效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4.2 沖孔成樁驗(yàn)證

注漿達(dá)到預(yù)期目標(biāo)后，現(xiàn)場復(fù)沖樁基并且順利終孔，澆筑混凝土后成樁，最終工點(diǎn)樁基施工缺陷得到成功處治。

5 結(jié)語

（1）粵北灰?guī)r地區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，多屬隱伏型巖溶且灰?guī)r埋深大，樁基處治方法的選用主要受區(qū)域地形地質(zhì)、區(qū)域構(gòu)筑物施工情況的限制。

（2）針對隱伏型巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)案例樁基施工缺陷狀況，對巖溶區(qū)樁基處治方法進(jìn)行了適應(yīng)性分析，對比發(fā)現(xiàn)化學(xué)注漿法可提升軟弱覆蓋層整體性、阻隔地下水下滲、使樁身溶洞范圍形成較穩(wěn)定的固結(jié)體、減弱流動溶隙水影響，使樁基滿足可施工成孔條件，可實(shí)施性高、經(jīng)濟(jì)性好。

（3）設(shè)計(jì)了施工缺陷案例樁基的化學(xué)注漿加固方案和注漿加固參數(shù)，為樁基施工缺陷處治提供技術(shù)支撐和依據(jù)。

（4）樁基施工缺陷處治實(shí)踐案例表明化學(xué)注漿方案合理可行、注漿效果最終達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

（5）隱伏型巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)利用化學(xué)注漿加固措施可有效處治樁基施工缺陷。