隱伏型巖溶強發育區樁基處治方法研究

張 金，楊 俊，姚玉強，陳紹軍

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，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現象和形態。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。粵北地區巖溶發育較強烈，存在大大小小的溶洞和縱橫交錯的溶裂，粵北巖溶發育區約占粵北面積的1/3[1]。粵北灰巖區的主要巖土工程地質問題是土洞和溶洞發育[2]。

隨著交通建設的深入推進和路網的加密延伸，高速公路不可避免地需要穿越巖溶地區，其中巖溶地區的樁基設計與施工是公路建設的關鍵環節。本文以粵北地區某高速公路的橋梁樁基處治為案例，提出了隱伏型巖溶強發育區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 區域地質條件

粵北地區某高速公路朝陽大橋所處橋址區地形較平坦，主要由第四系填土層、第四系全新統、更新統沖洪積層、第四系更新統殘積層、白堊系三水組、泥盆系天子嶺組地層組成。白堊系三水組泥質粉砂巖屬特殊性巖土，遇水易軟化，強度急劇降低。橋址區地下水豐富，主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙、巖溶水，不良地質主要為巖溶，下伏灰巖埋深變化大，節理、溶隙、溶洞密集分布，巖溶強發育，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，按端承摩擦樁設計，設計樁頂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，沖進期間累計出現18 次孔內漏漿、塌孔、地表塌陷、地面涌漿等施工缺陷狀況，過程采取孔內充填法（片碎石、片石黏土、混凝土）、塌陷區硬化、增設鋼護筒等措施，效果均不理想，最深沖進位置仍然位于溶洞內，未達到成樁要求。

1.3 樁基地質情況

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

圖1 橋墩地質橫剖面（單位：m）

2 樁基處治方法對比分析

巖溶地區地基常用處治方法有：充填法、跨越法、深層擠密法、化學注漿法、樁基法、護筒防護法[3]。

結合案例樁基施工缺陷、工點區域地質、區域構筑物實施情況等受限因素，通過樁基處治方法的適應性分析對比發現（見表1）：

表1 樁基處治方法適應性分析對比

（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，軟弱層樁孔護壁易透水坍塌，溶洞內充填物易被流動溶隙水沖塌帶走，樁周護壁始終無法完成，效果不理想，不建議采用。

（2）跨越法、樁基礎法，存在改移下構位置、增加樁基的情況，在巖溶發育且不規則的條件下，改移后的下構基礎存在遇溶率增加的可能，工期長、造價高、不確定性因素多，不建議采用。

（3）護筒防護法，采取雙層鋼護筒護壁跟進至溶洞底，達到硬性隔離的目的，但深層鋼護筒設置過長，跟進過程中易受既有充填物、不規則巖面影響而出現屈曲，一旦發生變形則無法完全糾偏，存在較大的施工風險，不建議采用。

（4）化學注漿法，通過樁周軟弱層注漿，使漿液滲透硬化并與樁周咬合，提升完整性；樁身范圍注漿，使漿液與溶洞內充填物結合形成穩定固結體，減弱流動溶隙水影響，達到樁基可施工成孔條件，可實施性高、經濟性好，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，靜置穩定；然后對樁周軟弱覆蓋層和樁身溶洞范圍采取化學注漿加固措施，確保覆蓋層穩定、洞內形成穩定固結體，待注漿實施完再取芯檢測；當注漿效果達到預期目標后，按單樁沖孔成樁方案復沖施工。

3.2 注漿加固方案

化學注漿加固是處治樁基施工缺陷的關鍵環節，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60 cm 處沿圓周設置單層共15 個注漿孔（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）注漿孔利用地質鉆機成孔，鉆孔設計外徑130 mm，在鉆進過程中采取跟設套管以確保成孔質量及成孔率，成孔后再將套管拔出。

（4）利用鋼花管注漿技術[4]，使注漿效果達到最佳。鋼花管采用?89×4.5 mm 無縫鋼管加工制作，且沿管軸線交錯間隔20 cm 在管壁上呈梅花狀設置注漿小孔（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。注漿管應下至注漿孔孔底，并同步跟設套管，施工時宜先孔底壓漿后再提升注漿管分層壓漿，外層套管應隨注漿管同步提升，保證注漿效果和實施范圍，以防串漿、跑漿。

（5）注漿施工主要工序：樁位布設注漿孔→孔位放點→鉆機就位→鉆進成孔（跟管鉆進）→下注漿管（跟設套管）→注漿施工→孔口壓漿→終凝前補漿→結束封孔。

施工時宜先進行樁身孔注漿，再進行樁周孔注漿，應注意樁基內外注漿孔施工的間隔時間、同批次施工注漿孔的間距和間隔時間。

3.3 注漿加固參數

3.3.1 注漿材料

注漿漿液的水灰比應根據土的飽和度、滲透性確定[5]。采用水泥砂漿漿液時，對于飽和土，水灰比宜為0.45～0.65，適用于粉質黏土、卵石土；對于非飽和土，水灰比宜為0.5～0.6，適用于全風化泥質粉砂巖，工點綜合控制水灰比為0.5～0.6。采用水泥和水玻璃的混合漿液時，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%，水玻璃模數為2.5～3.3，這樣漿液不僅具備水泥漿的強度，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定性，故考慮低壓力方式注漿。當采用水泥砂漿漿液時，注漿壓力宜為1.0 MPa；當采用水泥和水玻璃的混合漿液時，注漿壓力應不大于1.0 MPa[7]。

3.3.3 設計注漿量

設計注漿量包括樁身范圍溶洞區域的巖溶注漿量和樁周土體注漿量。

巖溶注漿量根據巖溶裂隙發育情況計算[8]：

式中：K 為土石界面下基巖的實際充填系數，宜為2～3，水平巖溶發育區取小值，垂直巖溶發育區取大值，此處綜合區域地質情況取值3；R 為擴散半徑，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，此處綜合區域鉆孔遇溶洞率、巖溶發育情況近似取50%；β’為有效充填系數，一般為0.8～0.9，此處取值0.8；λ 為超灌系數，一般取1.2；γ 為巖溶洞隙填充率，據鉆孔揭示溶洞內充填情況近似取值0.5。

采用式（1）計算樁身范圍溶洞區域的巖溶注漿量，V1=189.3 m3。

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

式（2）中：α 為有效充填系數，一般為0.6～0.8，這里取值0.8；β 為漿液流失損耗系數，一般取1.1；l 為灌漿孔的長度，m；r 為有效加固半徑，當無實驗條件時，一般取0.4～0.5 m，這里參照相關工程經驗取0.5 m；n 為擬加固土的天然孔隙率，地勘資料列出有關地層的試驗孔隙比樣本均值e 和換算后的天然孔隙率n（見表2），計算時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

再根據注漿孔位置和個數計算總的樁周土體注漿量。

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

對于樁身孔，除樁身范圍溶洞區域的注漿之外，還應考慮注漿孔在土體范圍的注漿量，此處取值38 m，單個樁身孔的灌注量采用式（2）計算得：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。

設計注漿量應為V1+V2=376.5 m3。

其中單個樁身孔的平均注漿量計算得：189.3/3+10.4=73.5 m3。

4 樁基處治效果

4.1 注漿效果檢驗

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計量稍多；第16～18 樁身注漿孔施工注漿量比設計量少，但總體上設計與施工較匹配，數量存在些許出入與實際地層分布起伏、地層特性差異、注漿施工等因素相關。

表3 注漿量設計施工對比

4.1.2 鉆芯法檢驗注漿效果

由于漿液擴散、發展的模糊性，對注漿效果檢驗及評判尚無統一的檢測手段及評判標準。

本案例采用現階段常用的鉆芯法檢驗芯樣來驗證，檢驗在注漿施工結束28 d 后進行，其中設置樁身1 個、樁周2 個取芯孔。取芯芯樣檢查發現，漿液與土層、填充物固結良好，密實度均在85%以上，表明注漿效果達到預期目標。

4.2 沖孔成樁驗證

注漿達到預期目標后，現場復沖樁基并且順利終孔，澆筑混凝土后成樁，最終工點樁基施工缺陷得到成功處治。

5 結語

（1）粵北灰巖地區巖溶發育強烈，多屬隱伏型巖溶且灰巖埋深大，樁基處治方法的選用主要受區域地形地質、區域構筑物施工情況的限制。

（2）針對隱伏型巖溶強發育區案例樁基施工缺陷狀況，對巖溶區樁基處治方法進行了適應性分析，對比發現化學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定的固結體、減弱流動溶隙水影響，使樁基滿足可施工成孔條件，可實施性高、經濟性好。

（3）設計了施工缺陷案例樁基的化學注漿加固方案和注漿加固參數，為樁基施工缺陷處治提供技術支撐和依據。

（4）樁基施工缺陷處治實踐案例表明化學注漿方案合理可行、注漿效果最終達到預期目標。

（5）隱伏型巖溶強發育區利用化學注漿加固措施可有效處治樁基施工缺陷。