溶洞強發育區域巖溶樁施工工藝研究

陳鵬

(中鐵二十二局集團第五工程有限公司，重慶 400711)

1 溶洞發育區域指標的界定

從基理上看，溶洞的產生是石灰巖區域當碳酸鈣即CaCO3遇到水溶的二氧化碳即CO2后變成碳酸氫鈣即Ca(HCO3)2，當遇到強壓或強熱條件時碳酸氫鈣會釋放二氧化碳變成穩定的碳酸鈣沉積下來，這就形成了溶洞。由于遇到的壓強或熱度情況各不相同，因此溶洞的程度也各不相同，在路橋施工中，對溶洞發育區域的界定指標通常如表1 所示。

表1 溶洞發育區域等級界定指標

2 工程概況

本文所選研究項目處于華南褶皺系粵中拗陷帶，地質構造痕跡不明顯。結合該區域相關地質資料以及前期鉆孔揭露情況可分析得出，該區域內地層巖性復雜，按其時代及成因進行相應分類主要包含：第四系全新統人工堆積層(Q4ml)填土;第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)黏性土、砂土和細圓礫土、粗圓礫土;泥盆系帽子峰組(D3m)泥質粉砂巖、粉砂巖;泥盆系天子嶺組(D3t)石灰巖，其中大量石灰巖巖溶現象強發育，溶洞密集多發，伴隨地下水情況復雜。

2.1 塌陷風險高

由于該工程巖溶樁施工處于溶洞強發育區域，其溶洞布局呈現串珠狀發育，溶洞內部為半填充或無填充，且溶腔較大，層數多為3～8 層，最大高度為63.40m。具體各巖溶樁號及相關溶洞對應統計情況如表2 所示。

表2 巖溶樁號及相關溶洞情況對應統計

由表2 可看出，由于對應的巖洞情況比較復雜，既密且大，因此在施工中出現塌陷的風險較高，不可預見性大，具體塌陷風險類別包括：場地失穩、地表塌陷、樁孔垮塌、泥漿漏失等、樁側壁受壓破壞，混凝土向孔外擠壓留出，遇連通型溶洞，不能成樁的風險。

2.2 地下水情況復雜

該工程區域地表水情況相對正常，主要補給來源為大氣降水，排泄渠道為大氣蒸騰作用。但受溶洞強發育影響，其地下水情況相對復雜，主要包括第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、覆蓋性碳酸巖類裂隙溶洞水三類。受這三種地下水復雜情況的影響，容易對施工造成的不良影響有三，分別為：其一，由于松散巖類孔隙水會隨著時間的推移而變化，這對巖溶樁會產生相應的抗浮影響；其二，復雜的地下水情況會對施工區域的土體參數造成影響，對巖溶樁基會造成承載力影響，同時也會對樁界面產生相應的摩擦力或張力影響；其三，由表2 所示，該區域內溶洞層數較多，這就為地下水提供了一個相對封閉且間隔的空間，即承壓水產生的先決條件，當施工過程中巖溶樁體穿過這些承壓水層時，附近的地下水平衡狀態很可能被破壞，對巖溶樁的承載力及穩定性造成一定程度的影響。

3 總體施工方案

施工采取地表加固+全回轉全護筒鉆孔方式：

第一步：在承臺外輪廓3 米處圍繞承臺插打一層緊密相接的Φ60 高壓旋噴樁作為止水帷幕，樁長按打至灰巖面控制。

第二步：帷幕內地表0-15m 范圍內采用袖閥管注漿工藝進行地表注漿加固，袖閥管間距1.2m，梅花形布置，采用后退式分段注漿，順序采用先周邊后中間，隔排跳樁實施。

第三步：袖閥管注漿施工完成后，采用C20 砼施作鋼筋混凝土墊層。

第四步：采用雙拼I40a 槽鋼鋪設18m×18m 網格底梁，網格地梁上鋪設鋼板作為鉆機平臺。

第五步：進行全套管全回轉鉆機鉆孔施工。

3.1 地表加固

3.1.1 截水帷幕

截水帷幕采用高壓旋噴帷幕注漿預加固工藝，帷幕深度從地面至灰巖層頂面，帷幕布置范圍為承臺輪廓外圍3m 處插打一層緊密相接的Φ60cm 旋噴樁作為截水帷幕。帷幕深度從地面至灰巖層頂面，高壓旋噴樁通過套管進行定位及導向，需嚴格控制孔的垂直度。

3.1.2 袖閥管注漿

因回轉鉆機和配重的重量易使強度不夠的松軟地面下陷，造成套管傾斜,無法作業，根據地質情況，承臺周邊范圍內存在部分空洞，為確保鉆機施工安全，采取袖閥管注漿對地表進行加固。

工藝原理：袖閥管注漿加固機理是通過鉆機成孔，插入袖閥管，封閉袖閥管外與孔壁間隙或澆注套殼料，灌漿按設計通過泵壓將水泥漿液注入巖土土體中充填或置換出原地層空隙中的空氣和自由水等，通過水泥漿與土體的化學反應和擠壓作用，形成具有較高強度的水泥固結體和樹枝狀的水泥網脈體，從而達到提高強度、減少變形及減少漏水的目的(圖1)。

圖1 袖閥管施作流程

布孔形式：采用袖閥管注漿對底層進行加固，鉆孔排間距均為1.2m×1.2m，孔徑110mm，梅花形布置，共布置孔位170 個，袖閥管直徑60mm，注漿深度0-15m，注漿方式采用后退式分段注漿，順序為先周邊后中間、隔排跳樁施工，施工過程中應對鉆孔進行編號，布孔順序及序號如圖2 所示。

圖2 袖閥管布孔形式

鉆孔：注漿孔成孔采用常規地質合金鉆頭或應用金剛石鉆頭及沖錘成孔，鉆頭直徑110mm，鉆進過程中采用泥漿護壁，注漿加固原則上以封閉土、石界面，形成隔水帷幕，注漿深度根據地勘鉆孔情況揭露，注漿深度覆蓋細砂層以下5 米范圍粉質粘土層，待達到設計標高后下入袖閥管，鉆孔采用跳樁施工，施工時保證孔位偏差小于50mm，孔垂直度偏差不超過1%。

澆筑套殼料：鉆孔至設計深度并采用清水洗孔后，向孔內澆注套殼料，套殼料利用鉆機鉆桿進行灌注，用來防止袖閥注漿管在注漿過程中變形、變位或損壞，并能保證水泥漿通過。

套殼料配制采用粘性土、水泥為主要材料配制，為了提高套殼料的脆性，可摻入細砂或粉煤灰等。配合比為(重量比)水泥:粘土:水=1:1.5:1.88,(以現場試驗調配為準)，用來防止袖閥注漿管在注漿過程中變形、變位或損壞，并能保證水泥漿通過。套殼強度必須兼備開環和防止串漿，套殼料通過導管從孔底連續注入，導管應下至孔底10cm 處，用灌漿泵通過導管將套殼料送到孔底，使套殼料自下而上全部置換孔內泥漿，當孔口返出套殼料的密度與壓注前密度差不大于0.02g/cm3并確定灌滿后結束。

澆筑套殼料必須連續進行，不得中間停頓，灌注時間力求最短，最長不宜超過20 分鐘。

下袖閥管：

灌注套殼料后立即將底部封閉的袖閥管插至孔底，袖閥管內徑60mm,由兩部分組成，注漿部位為帶射漿孔的花管，以上為無孔管，底部封閉，花管每隔33cm(即每米3 組)鉆一組(6-8 個孔)射漿孔，射漿孔呈梅花形布置，其外為長5-8cm 的橡皮袖閥包裹，與孔底間距不大于20cm,下放時盡量使袖閥管垂直并位于孔中央。袖閥管上口露出地面約30cm，安設時向管中注滿清水，水的重力作用使袖閥管不會浮起，在袖閥管上部蓋上蓋，防止雜物進入，影響注漿作業質量。一般情況下，因有套殼的止漿作用不需封口，若確實需要，則在孔口地面以下0.5～1m 范圍采用速凝水泥砂漿封堵，防止注漿過程中冒漿。(圖3)

圖3 袖閥管結構示意圖

開環注漿：

待套殼強度達到0.3 MPa 后(一般為3 天)，開始注漿，注漿遵循鉆孔先后順序進行，先外圍后中間。

a.下入直徑50mm 止漿栓塞，連接注漿芯管，下至孔底灌漿深度；連接送漿管路、壓力表裝置準備注漿。

b.塞緊栓塞，對管路通水試壓，壓力1-1.2Mpa；如出現壓力突降，則表示已開環，開環后持續5-10min 開始灌注1：1水泥漿液。

c.袖閥管注漿采用42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.8：1～1:1，施工順序為先進行外圍后中間孔注漿,為防止串漿，采用跳孔注漿的方式進行。注漿自下而上分段進行，每次注漿段長1m；達到設計要求標準后，結束該段注漿，上提1m 注漿管，每完成3-4m 注漿長度，要拆掉一節注漿芯管，直至注完該孔全部注漿段。單孔單延米注漿量：

表3 注漿參數表

圖4 袖閥管注漿擴散圖

圖5 加固范圍剖面圖

結束注漿：

每次注漿結束后做好注漿過程中各項記錄：開環位置、注漿時間、注漿壓力、水泥用量、水灰比、注漿過程出現的特殊情況等。具備一下條件可以結束注漿。

a. 注漿孔口壓力達到0.8-1.0MPa，注人率不大于5L/min，穩壓灌注20min。

b.單段累計注漿量達到2000L，孔口壓力達到0.8MPa 設計壓力。

c.存在巖溶發育段次，注漿壓力達1MPa，注人10000L后可待凝1h 再復灌至結束標準。

d.最后灌段全孔累計注灰達1t/m，可結束該孔。

3.2 結合溶洞情況進行樁長設定

結合前文第2 部分的相關數據及分析內容，充分考慮各巖溶樁號對應的溶洞情況及相應地下水情況，進行樁長設定情況如表4、圖6 所示。

圖6 巖溶樁孔對應工程地質展示圖

表4 巖溶樁號對應樁長設定

3.3 勞動力及機械配備

施工所需勞動力情況為：全回轉鉆操作工3 人、焊工8人、混凝土工5 人、雜工4 人、挖機司機1 人、吊車司機1 人，吊車指揮1 人；機械配置情況包含：全套管全回轉鉆機1、液壓泵站1、挖土機1、履帶吊車1、電焊機8、泥漿泵4、水泵2、罐車4、灑水車2、泥漿運輸車2、旋噴鉆機2、高壓注漿泵1。

4 全回轉施工工藝

4.1 布樁安排

項目施工前期，對前文表2 中溶洞強發育情況、溶腔情況、填充情況綜合考量后，根據其地質特性充分考慮塌孔概率高的風險來進行鉆機施工位設置，其原則為先難后易(先進行較深、溶腔較大、層數較多的樁號的施工)、先長后短(先安排樁長較長的樁號進行施工)。同時，為避免塌孔情況造成的巖溶樁身破壞，在實施間隔樁施工的前提下，還要保證施鉆前施工孔相鄰樁基混凝土強度大于80%，且成樁時間超過48 小時。工藝流程具體施工工藝流程圖如圖7 所示。

圖7 溶洞強發育區域巖溶樁施工工藝流程

4.2 施工準備事宜

如圖7 所示工藝流程，施工準備主要事宜如下：

場地平整：相關職能位置(便道、排水及樁基位等)的淤泥雜草清除，以填片石進行平整化操作，保證施工機械操作的穩定性。

核心物資籌措：為提高施工環節鉆機的工作效率，在現場準備損耗度較高的一次性套管(套管厚度30mm，底部加強管壁厚40mm，高度50cm)，鈦合金刀頭15-18 把(套管最低端鑲嵌的鋸齒狀刀頭)。

技術準備：技術準備工作的重點有二，其一，施工方案準備，結合表2，表4，圖6，圖7 相關內容，對每一個巖溶樁位進行溶洞位置、溶腔、層數等情況的分析，并提出針對性的施工方案、沖孔方案及防塌孔預案。其中巖溶區域可采用沖擊成孔來降低不良地質情況引起的地基承載力不足，降低由施工降水引起的對覆蓋性巖溶區域內建筑物的不良影響。由于該工藝采用隔跳施工，所以要科學的進行施工工序細化，防止串孔情況的發生；其二，技術交底，技術部門針對施工點圖進行的交底工作，要細化圖6 的工程地質展示圖，詳細的標注溶洞埋深、各層溶洞頂/底板與護筒頂的間距、護筒埋深、鉆孔孔序、注意事項等細節。

4.3 場地布置

場地布置要充分的考慮到施工區域溶洞強發育，因此在作業區域的鋼筋混凝土硬化，準備相應的配套機具、設備以及材料等。目前地表加固采用注漿等方式，為保證設備在施工期間的作業安全，荷載按最重的全回轉全護筒工藝設備布置考慮。注漿完成后施工場地采取“30cm 鋼筋混凝土墊層+雙40 槽鋼網格地梁+防滑鋼板+18cm 厚路基板”，該方式為全回轉鉆機提供基礎平臺，確保施工安全。

本工程采用JAR320 鉆機，所需最小鉆孔平臺為10×16m，依據現場總平面布置圖及設備運行等條件，場地硬化層采用尺寸為20m×30m×0.3m 鋼筋混凝土墊層鉆孔平臺，混凝土墊層內設置雙層雙向C16@150 鋼筋網片，并在樁基范圍提前預留?2.5m 孔洞。(圖8)

圖8 鉆機所需最小平臺示意圖

砼平臺上鋪設雙拼40b 槽鋼作為網格地梁，網格地梁采用焊接拼接，網格地梁最上層鋪設鋼板并與槽鋼焊接牢固，槽鋼接觸部位滿焊，且焊縫高度≥10mm，鋼板上焊接20 螺紋鋼作為防滑條提高鉆機與地基的摩擦力。布置原則主要考慮盡可能在水平調整油缸下方，同時避開樁基位置，現場可根據實際情況對基礎進行補強。(圖9、10)

圖9 網格地梁示意圖

圖10 網格地梁現場圖

4.4 鉆機定位及成孔工藝

4.4.1 鉆機定位工藝

采用全回轉鉆機定位工藝，首先要對鉆機的水平度與垂直度進行調制，保證定位后的障礙樁與鋼套管中心一致，動力站、操作室和鉆機三位一體相銜接。為防止在鉆進工作中發生扭動情況，要在鉆機上安裝反力架，并在遠端以履帶吊車對反力架進行固定。同時，固定用吊車還可同步進行鋼套管安裝及場地清障等輔助工作，提高機械利用效率。具體全回轉鉆機定位示意圖如圖11 所示。

圖11 全回轉鉆機定位示意圖

4.4.2 成孔工藝

JAR320 全回轉鉆機驅動Φ2000mm鋼套管，底端鑲嵌鋸齒狀15～17 把鈦合金刀頭，旋轉、鉆進、沉入，實現樁土分離，管內沖抓斗取土，持續加壓下切至設計目標深度，形成套管護壁成孔。工藝中注意事項有二，分別為：其一，保證套管與樁中心偏差值不大于50mm；其二，當第一節套管壓入后(約3m),取土與后續下壓套管同步進行，保持套管底口超過前開挖面約3m 的距離，同時各節套管拼接時以30°倒角焊接為接管提供便利，并時時監控套管的垂直度情況(如垂直度不達標則立即糾偏)，直至達到設計孔底部。

具體施工步驟：a.覆蓋層(土層)鉆進，根據地質揭示填筑土、細砂、粉質黏土、細圓礫土、部分地層施工時套管需超前鉆進，當護筒壓入至土體2.5m 以上位置時方可進行沖抓斗跟進取土，回轉鉆進的同時進行取土作業，并實時監測取土深度，不能超挖。如遇到孤石或薄巖層抓斗無法取土時，則采用十字沖錘擊碎再用抓斗取渣，作業時遇有不均勻地層或卵石層時，應采用蠕動式作業，要多回轉少壓入，緩慢穿過。b.溶洞層鉆進時全套管全回轉鉆機繼續向下鉆機后，需要始終保持套管底超前于開挖面，不斷調整套管超前深度。當穿越溶洞頂巖層厚度較小或裂隙較發育時，直接采用全回轉鉆機驅動套管的同時下壓套管，利用底節套管刀具切削巖層實現套管跟進，始終保持套管底一次跟進超前于溶洞底部下2.5m。當穿越大型溶洞過程中，應在穿越之前提前連接套管，同時在鉆進過程中上下雙抱箍交替使用，即便貫穿溶洞頂板也不存在掉管的風險。遇溶洞不能用沖抓斗直接沖擊硬巖，應在溶洞頂板1m 處采用采用低轉速蠕動式作業，多回轉少壓入利用刀頭緩慢穿過巖層進入溶洞。c.巖層鉆進當溶洞與溶洞間巖層較完整或厚度較大，如穿越石灰巖層中套管利用夾持壓力強行將套管壓入土層時，硬質土和套管壁間的阻力較大，鉆進緩慢且嚴重磨損套管，此時應采取旋挖鉆進行跟進，旋挖鉆孔可超前下挖20～30cm，保證護筒順利跟進，鉆渣采用旋挖鉆清除。

4.4.3 全回轉鉆機穿越溶洞安全性能驗算

全回轉鉆機施工時利用鋼護筒扭矩進行鉆進，考慮最不利因素：以E#樁基為例，最大溶腔42m，鋼護筒長度跟進至溶腔底板，護筒總長為107m，通過鋼護筒自重與土體摩擦力和設備自身抱箍力進行分析如下：

鋼護筒總重：107m×π×2m×235kg/m2=158t；

土層摩擦力：粉質黏土22m，細圓礫土8m，過程穿越石灰巖層較淺，按照通長溶洞考慮。粉質黏土摩阻力=22×1.86×3.14×35=4497KN；砂礫土摩阻力=1.86×3.14×75×8=3504KN(其中粉質黏土摩阻力值取35KN/m2，砂礫土摩阻力 值 取 75KN/m2)， 土 體 對 鋼 護 筒 摩 阻 力=4497+3504=8001KN。

根據上述計算，向上的荷載包括土體摩阻力和設備的上下抱箍力，向下荷載為鋼護筒本身的自重，僅計算土體摩阻力已遠大于鋼護筒最長懸空自重，而抱箍力能滿足瞬間起拔力5160KN，故該設備在鉆進過程中完全滿足安全使用條件，不存在鋼護筒下落風險。

4.4.4 鋼套管焊接工藝

在成孔工藝過程中，各節鋼套管的焊接十分重要，首先，要在銜接處外側預留30°坡口倒角，以滿焊焊接保證焊縫平順。并進行焊接技術質量檢驗，不允許存在夾渣、弧坑、裂紋、氣孔、焊瘤、咬邊等技術缺陷情況。

4.5 樁基灌注工藝

4.5.1 導管安裝工藝

混凝土澆筑用導管的長度決定于孔深和工作臺高度，以螺絲扣型接頭在漏斗底距離鉆孔上口一節處(距孔底30～50cm 處)設置，保證導管內的氣體、水及球型堵塞物可排出，并安裝防松裝置。

4.5.2 封底工藝

封底采用混凝土雙次灌注工藝進行，為提高工作效率提前準備大、小兩個料斗。第一次灌注采用大料斗按所需混凝土量進行，第二次改用定量小料斗進行。在第一次灌注時，需求量的計算公式如式(1)所示：

式中：V 為首批混凝土所需數量，單位：m3；

h1為井孔混凝土面達到Hc 時，導管內混凝土柱體平衡導管外泥漿壓力所需的高度，單位：m；

Hc為灌注首批混凝土時，井孔內混凝土面至孔底的高度，單位：m；

r 為導管半徑；

D 為樁孔直徑。

以表2 中F#巖溶樁為例，F#巖溶樁樁長為120m，樁徑為1.8m，如表4，圖6，其中h1≥Hwρw/ρc；HC=h2+h3；HW為井孔內混凝土面以上水或泥漿的深度；d 取值0.3m；ρw、ρc分別為泥漿、混凝土的容重取ρw=1.1KN/m3，ρc=2.5KN/m3；h2導管初次埋置深度(h2≥1.0m)；h3導管底端至鉆孔底間隙，約0.4m。將以上數據代入式(1)，則有：

V ≥(πd2h1+πD2Hc)/4= (3.14*0.32*50+3.14*1.82*1.4)/4=7.1

4.5.3 樁基檢測

施工完畢后按照《鐵路工程基樁檢測技術規程》(TB10218-2019)要求及設計指標進行相應檢測。

5 結論

5.1 溶洞強發育區域巖溶樁施工的特殊性

在文中相關工藝的研究反復強調了各節鋼套管的焊接問題，是因為在溶洞強發育區域內，基巖起伏變化復雜，當巖溶樁孔在穿越溶洞(尤其是溶腔較大無填充溶洞)時，極易出現垂直度超標、孔道偏斜等情況，甚至折樁事故也時有發生，因此在成孔過程中一旦發現鋼套管垂直度不達標，要立即進行停鉆校正，避免更嚴重的情況發生。同時，在溶洞強發育區域內，除可探測到的溶洞外，還經常伴隨著一些裂隙發育，這會導致灌注時漏漿情況的發生，因此在溶洞強發育區域進行巖溶樁施工時所選用的泥漿要比普通區域所選用的泥漿比重更大(1.3～1.4)、膠體率更高(大于95%)。

5.2 超長樁基施工工藝要點

從文章3.1 節的論述可見，該工程巖溶樁長均超過100m，屬于超長樁基，因此在許多環節進行了針對性強化，如：在施工準備階段，對地質情況的反復勘察及技術交底，是因為在溶洞強發育區域內，橋梁樁基對周圍的地質情況會造成或多或少的影響，如建筑物沉降、地表下陷、道路開裂等，這些都有可能造成超長樁基的不穩定，因此，除了嚴格遵循相關施工工藝外，還要廣布觀測點，將監測評價原則落實在施工期及驗收期；在場地布置階段，對場地硬化的處理，保證了鉆機作業期間的穩定性，為孔樁的垂直度達標提供了先決條件。

總而言之，在溶洞強發育區域進行巖溶樁施工的不可預見因素很多，孔內事故率即多且雜，這就對施工勘察、施工方案設計、技術交底、人力機械籌備、施工實務、工程監理直到終孔驗收的全過程都提出了更高的要求，一定要結合實際的地質情況，細化施工工藝細節，做好事故預案，才能有效的降低溶洞強發育區域的施工風險。