溶洞區樁基及骨架注漿填充施工關鍵技術研究

黃康顯

摘要：為解決樁基溶洞的填充處理問題，文章依托廣西某道路工程中巖溶樁基部分進行溶洞區樁基監測及骨架注漿填充施工關鍵技術研究。研究結果表明：不同埋深下達到最大樁土剪切變形量需要的時間不同，埋深靠近10m處一定范圍內中心點難以達到樁周軸力峰值所需的樁土剪切變形量;混凝土基層施工完成后，進行鋼管骨架的搭接，同時進行碎石填充及空口封堵的工作，鋼管骨架搭接完成后，逐層逐步進行混凝土注漿施工;填充體內的帶孔注漿鋼管組裝成的鋼管骨架，相對于凝固后的水泥砂漿，其力學性能優良，可以較好地承載從填充體內各個方向傳來的應力，減小填充體中水泥砂漿所要承擔的應力，從而使填充體的整體承載力增大，提高填充體的安全性。

關鍵詞：溶洞;樁基;施工技術;骨架注漿;有限元

中圖分類號：U445.55⁺1文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.034

文章編號1673-4874（2021）01-0121-05

0引言

我國喀斯特地貌分布極為廣泛，在工程施工中，不得不考慮到巖溶的危害與處理。在許多的工況中，如對樁基溶洞、隧道溶洞的填充處理等工況的處理不當會產生較大影響，甚至影響到整個施工的進程。國內外諸多學者對此問題進行了研究[1-6]，楊曉華等[7]以蛤蟆灘大橋為工程背景，主要從溶洞探測方法、頂板安全厚度分析和采取處治措施等3 個方面進行研究;林開明[8]著重闡述在巖溶發育區的雪峰大橋沖孔灌注樁基的施工過程，依據現場溶洞的實際情況（即溶洞內部充填情況及其尺寸），進行溶洞初步處理并吊裝輔助鋼護筒施工;朱汝振[9]結合左江大橋樁基施工案例，針對地質水文條件復雜地區的鉆孔灌注樁無法采用常規的泥漿循環鉆進等施工工藝，提出了撈渣工藝鉆進施工方法，并對采用護筒跟進和下放多層內護筒處理裸巖、溶洞、塌孔埋錘等突發狀況進行了探討。綜上所述，針對巖溶樁基的研究較多，但目前缺乏溶洞區樁基監測及骨架注漿填充施工關鍵技術研究，因此本文依托廣西某道路工程中巖溶樁基部分進行研究，為今后類似工程提供借鑒。

1工程概況

擬建的項目位于廣西壯族自治區某市（縣）境內，路線設計起點樁號為K0+000，下穿一山坳，橫跨一水塘，終點樁號為K0+639.99，路線全長為0.63999km。本項目全線采用二級公路標準，設計速度為40km/h，路基寬度為10m，汽車荷載等級為公路-1級。擬建隧道長260m，為單拱越嶺短隧道。進口樁號為K0+080，設計高程為936.780m，出口樁號為K0+340，設計高程為939.38m，最大埋深為52.51m，位于樁號K0+200。按雙車道二級公路標準設計，凈空寬x高為9×5.5m，進、出洞門形式擬采用端墻式。擬建橋中心樁號為K0+433，橋梁起點樁號為K0+409.47，終點樁號為K0+458.53，橋型擬采用1X35m，橋梁總長為49.06m，橋面寬為12.9m;上部結構采用預應力混凝土（后張）簡支小箱梁，下部結構橋臺采用樁基礎。

隧址區域屬高峰叢深洼地巖溶地貌類型，為廣泛分布的可溶巖（碳酸鹽巖）、XXS型構造和巖溶水文組成的典型巖溶系統——百朗地下河巖溶水文系統。巖溶峰叢海拔高度500～1500m不等，形成了地下河、溶洞、天坑、豎井、石芽、溶溝、溶槽、洼地、漏斗、波立谷等眾多巖溶地貌現象。群峰簇立，多呈錐狀、塔狀或平頂狀，基座大部相連，群峰之間點綴著大大小小的溶蝕洼地負地形。洼地有似圓形、橢圓形、條形或不規則形狀，規模較小，面積一般為0.5～5km²。

根據區域地質資料及工程地質調繪成果，結合鉆探揭示的巖性特征，路線走廊帶內覆蓋層主要為新生代的第四系人工填土（Q₄^ml）、殘積坡（Q₄^el+dl）紅黏土或碎石土等，下伏基巖為石炭系下統大塘階（C₁d）灰白、淺灰色致密灰巖、細晶灰巖，局部夾少量少許白云巖及白云質灰巖，一般下部夾頁巖及較多的硅質巖。

根據地質調繪，沿線邊坡開挖高度較小，未見滑坡、崩塌、泥石流等不良地質作用，路線范圍內主要的不良地質為巖溶。本次鉆探于11鉆孔中有2個共揭露到2個溶洞，均為全充填溶洞。根據高密度法探測，發現在深度16.0～3.4m位置處溶洞由深到淺發育，0號橋臺附近沿縱橋向溶洞發育長度為1.8m左右。利用地質雷達法對橫橋向一側溶洞進行探測，發現在深度7.0～18.0m范圍內有溶洞發育，橫橋向溶洞發育長度為8.0m左右。根據上述物探結果，為探明溶洞發育的確切位置和了解該區域地層結構特征，決定采用地質鉆探法進行詳細探測。鉆探結果表明，橋梁橋臺所在位置溶洞充填物主要為泥土和碎石，為全充填型溶洞，0號橋臺附近溶洞發育深度為15.8～22.3m，平均高度為2.7m，溶洞發育比較強烈，對地基承載力和橋梁結構的穩定影響較大。

具體鉆孔溶洞發育情況如表1所示。

路線場地灰巖大部分出露于地表，低洼地帶分布有厚度一般≤10m的第四系覆蓋層，落水洞等地表巖溶景觀顯露，地表水與地下水連通密切，為裸露型巖溶。雖然鉆孔的遇洞隙率為18.2%，線巖溶率為1.7%，但是由于地表有洼地、落水洞、泉眼發育，地表巖溶發育密度>6個/km²，發育等級為巖溶強烈發育。隧道洞身處根據高密度電法和面波法的探測推斷成果，推斷其主要為較破碎灰巖或巖溶裂隙發育帶，主要以溶蝕裂隙發育為主，發育較淺，規模較小。從平面位置分析，4個低阻異常帶應該無相互關聯。總體上該區域場地在勘探深度范圍內巖溶發育規模均不大，洞身局部可能發育溶洞，巖石較破碎，對隧道圍巖穩定性有一定影響，但是無較大規模溶洞分布。

2巖溶強發育地區樁基施工技術研究

2.1巖溶強發育地區樁基施工

支撐II：豎向角鋼高4.0m，橫向角鋼長3.0m，斜向角鋼在橫、縱兩個方向角鋼上的相交點距二者的交界處的長度分別為1.5m和2.0m，放置于砌筑墻體中間相鄰的兩個六分點處;

支撐III：豎向角鋼高3.0m，橫向角鋼長2.0m，斜向角鋼在橫、縱兩個方向角鋼上的相交點距二者的交界處的長度分別為1.0m和1.5m，放置于砌筑墻體外側兩個六分點處。

3.2澆筑混凝土基層

在澆筑混凝土基層之前，先在洞底低洼程度較深的地方填充大量碎石塊。同時粗略估計定位節點位置，對洞底明顯高出的很突兀的地方進行規避或人工平整（在無法規避的幾處定位節點上），從而使所有底部支座平整地分布在一個平面上。

之后平整碎石，準確測定定位節點。在洞口位置沿洞口方向的直線上每隔1m定下一個定位節點，然后沿著這些節點的垂線方向，再過1m定下下一個定位節點，如此重復，形成各點間距1m的網點狀的定位節點布置。在測定好的定位節點上放置底部托盤，然后澆筑混凝土并震動、找平、養護。

3.3組裝注漿鋼管骨架

（1）組裝帶孔注漿鋼管

鋪設第一層帶孔鋼管組合骨架，以定位固定的底部支座為基礎，將帶孔注漿鋼管從上部嵌套固定。在帶孔注漿鋼管頂部連接三軸連接件，然后將相鄰的兩個三軸連接件用帶孔注漿鋼管連接，從而形成一個網狀平面。將臨近洞口的鋼管與注漿導管相連接，并伸出洞外，鋼管骨架中間的空洞用碎石填充。

在洞口的位置，不再鋪設豎直方向的注漿鋼管，而是使水平方向的注漿鋼管貼近洞口位置。為了后續注漿的方便，在所有貼近洞口的注漿鋼管上都連接有注漿導管。

當鋼管骨架搭接完成后距洞口高度約有一人高時，再采用由里向外的搭接方法，從最里側開始直接一次性搭接完成，且在搭接過程中完成碎石的填充。

（2）上部鋼管封頂

當施工臨近溶洞頂部時，在頂部的帶孔注漿鋼管上端嵌套安裝頂部托盤，頂部托盤上沿交錯垂直的兩個方向各穿過兩根0.8m長的鋼筋，使得澆筑后的填充體的上部在承力時，更多的力會分擔到內部填充有水泥砂漿的注漿鋼管上。

（3）砌筑墻體

在溶洞口之前用于確定定位節點的直線位置砌筑墻體。本施工技術采用逐層砌筑的方式，根據溶洞內鋼管骨架的搭接進度進行砌筑。當砌筑到洞口上部時，留有約為一人高的空間暫時不進行砌筑。

3.4注漿

根據現場測量，預訂水泥砂漿。在骨架搭接和墻體砌筑結束后，將伸出砌體墻的注漿導管連接在注漿機上，然后按由下而上的順序依次灌注水泥砂漿。在灌注水泥砂漿前，需在砌筑的墻體外側設置支撐。本工法中選取一種三角鋼支撐，在砌筑墻體的五處六分點分別布置，以保證內部灌注水泥砂漿且并未凝固前，砌筑的墻體不會因為砂漿的重力擠壓而外突破壞。施工完成后，要注意及時封堵。其施工效果如圖4所示。

3.5施工方法數值模擬效果

針對本項目的施工方法，此處對其進行施工完成后的ANSYS建模分析，從而得出其應力云圖。

（1）模型簡化

實際施工情況得到的結構是較為復雜的，且在某些細節處力學效果較不理想，為使其力學模型簡單化、科學化，需要對其模型進行簡化處理。

在實際工程應用中，鋼管內部灌注水泥砂漿并凝固后，其強度與實心鋼管相差不大，故取橫截面稍小的實心鋼管（d=50mm）作為代替。同樣，結點處三軸連接件的模型不需另行建立，而視為幾根實心鋼管在該處結點直接相連，以使其力學模型簡單化。鋼管骨架間的空洞中先填充有碎石，后灌注水泥砂漿，二者混合凝固后得到的混合物的強度大于單純的水泥砂漿，故建模時視其為單純的水泥砂漿，降低填充物強度，分析的結果不會使得實際情況比ANSYS模擬更差。

溶洞內部的空間是不規則的，其建模繁復，且會對運算后對結果的觀察造成干擾，然而考慮到本施工技術的推廣性，對溶洞內部的細微結構并無強制要求，故將整個溶洞空間進行簡化規則處理。將溶洞空間簡化為一個切面形狀為橢圓（短軸：長軸=0.6）并繞軸線旋轉閉合而成的扁平模型，且該模型的下面一部分和側面一部分被切除，如此簡化即可大致模擬出溶洞內部空間。本次數值模擬建立模型時，溶洞尺寸為5.9×4.0×2.7m，溶洞底部距地層邊界取其高度的2倍，為5.4m，溶洞頂部距地面邊界的高度為樁長與頂板厚度之和。

溶洞上存在大量的天然巖體，而溶洞填充物最主要的目的在于待天然巖體失穩后，填充物可以支撐上部天然巖體，避免其塌落而對道路施工與行車造成危害。此處進行ANSYS建模分析的研究對象是溶洞的填充體，故將其上部的天然巖體簡化為與其自重大致相等的均布荷載施加在溶洞填充體上，對自然巖體失穩后的溶洞填充體進行力學分析。

（2）參數選取

帶孔鋼管選用Q235鋼材，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。水泥砂漿的參數根據經驗值，選取彈性模量為20GPa，泊松比為0.13。

（3）ANSYSY建模分析

對建立的模型進行網格劃分及分析，如圖5（a）所示。將填充體中的水泥砂漿部分和組合鋼管骨架部分通過“glue”命令中的“pick all”選項來使其粘結為整體，隨后進行網格劃分，并在溶洞填充體模型中低于XOY坐標面的圓弧面以及下底面上施加三個方向的面約束。取巖石容重為25kN/m³，設溶洞上覆巖層的厚度均為10.0m，則模型簡化后施加在溶洞填充體上的均布荷載為250kN/m²，方向豎直向下。

對照兩次運算結果，在相同的外部荷載作用下，帶鋼管骨架的溶洞填充體內部應力的絕對值的最小值為1.7749，最大值為26.828;反觀純注漿溶洞填充體，其內部應力的絕對值的最小值為14157，最大值為343.987。二者對比，帶有鋼管骨架的填充體能使得填充體在承擔相同荷載的情況下，內部應力大幅度減小。

另一方面，觀察兩種情況的應力云圖，如圖5所示，純注漿的模型最大應力在填充體中心及下部接觸面的中心部位，與外部的接觸面較大;而帶有鋼管骨架的填充體最大的應力大部分被束縛在了填充體內部偏上的位置，底部接觸面上只有很小的分布面積，不會對接觸面造成過大的傷害，符合溶洞填充的原則與目的。

4結語

隨著基礎建設的發展，不可避免會在喀斯特地質條件下進行工程施工。本文依托廣西某道路工程研究巖溶強發育地區樁基施工和帶孔鋼管組合骨架注漿溶洞填充施工技術，得出如下結論：

（1）不同埋深下達到最大樁土剪切變形量需要的時間不同，埋深靠近10m處一定范圍內中心點難以達到樁周軸力峰值所需的樁土剪切變形量，由此將樁土負摩阻力劃分為可達樁周軸力變形所需最大剪切變形的上部樁段與不可達樁周軸力變形所需最大剪切變形的下部樁段。

（2）混凝土基層施工完成后，進行鋼管骨架的搭接，同時進行碎石填充及空口封堵的工作。鋼管骨架搭接完成后，逐層逐步進行混凝土注漿施工。填充體內的帶孔注漿鋼管組裝成的鋼管骨架，相對于凝固后的水泥砂漿，其力學性能優良，可以較好地承載從填充體內各個方向傳來的應力，從而減小填充體中水泥砂漿所要承擔的應力，使填充體的整體承載力增大，提高填充體的安全性。

參考文獻

[1]吳東升.巖溶強烈發育地區橋梁樁基礎的勘察和設計[J].公路，2019，64（12）：113-117.

[2]藍奇，樁基溶洞處理永久性內鋼護筒法優點與成本分析[J].西部交通科技，2019（11）：87-89.

[3]王偉，巖溶區溶洞型樁基承載機理及溶腔整治技術研究[D].北京：北京交通大學，2019.

[4]梁冠亭，鄧利明，肖銘釗，等.多溶洞地層樁端極限承載力下限有限元分析[J].長江科學院院報，2020，37（6）：94-99.

[5]張永杰，鄧俊強，楊興山，等.考慮溶洞空間形態的巖溶樁基穩定性分析方法[J].中國公路學報，2019，32（1）：37-45.

[6]趙明華，肖堯，徐卓君，等.基于Griffith強度準則的巖溶區樁基溶洞穩定性分析[J].中國公路學報，2018，31（1）：31-37.

[7]楊曉華，李愛明，李吉富.山區既有公路橋梁樁基下伏溶洞處治技術[J].公路，2020（10）：100-106.

[8]林開明.樁基溶洞處理措施及實例分析[J].福建交通科技，2020（4）：106-108.

[9]朱汝振.深水、裸巖、溶洞復雜地區樁基施工工藝[J].西部交通科技，2020（6）：91-94.