某橋梁樁基工程巖溶處理方案研究

陳偉、徐汝寶、陽俊、曹宇

（1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081；2.湖南華威建筑工程有限公司，湖南 衡陽 421400）

0 引言

國內外許多學者對巖溶工程案例進行了分析研究。張軍采用“鉆探+CT 物探”綜合勘探方法對杭州地鐵6 號線河鳳區間隧道覆蓋型巖溶形態和分布進行了探測，對不同巖溶特征給出了具體的整治方案。邢志豪等利用數值模擬方法對深圳地鐵16 號線穿越巖溶溶洞工程進行了研究，對比分析加固措施的空間屬性對地鐵隧道安全性的影響。馮建分析了巖溶的成因，提出了橋梁工程中巖溶的處理方法。謝寅濤等分析了地震荷載作用下巖溶區橋梁的安全性。

1 工程簡介

巖溶區溶溝、溶槽、基巖裂隙與溶洞、土洞相互連通，水文地質條件復雜，若施工不當，極易誘發地質災害。如鉆、沖孔樁施工過程中漏漿，將改變地下水動力條件，誘發地面塌陷；機械振動也可誘發地面塌陷；鉆頭穿過溶洞、土洞頂板時，孔內水頭急劇下降，鉆孔孔壁失去孔內壓力而引起塌孔；護壁泥漿快速向下流動產生較大的沖擊水壓力或產生真空吸蝕也會誘發地面塌陷典型災害：樁基巖溶坍塌導致埋鉆、路面沉陷（見圖1）和房屋受損。

圖1 路面沉陷

1.1 工程概況

亂頭1 號大橋是三清高速三標工期控制性工程，全長為726.08m，起始里程為K40+246.96～K40+973.04，孔跨為18×40m。最高墩高為51.15m。根據現場進度分析，14墩和15墩是保證工期目標實現的最關鍵工程，兩墩墩高分別為45.039m 和47.961m，15墩樁基礎為8 根樁徑為180cm 的基樁，其中4 根樁長為31m，4 根樁長為29m。

根據地勘資料分析，15墩位于巖溶發育強烈區域，有特大型溶洞存在，溶洞高度范圍為10～16m，碎石黏土填充，碎石為白云巖，含量為20%～30%，粒徑為0.5～3.0cm。該工程地質條件復雜，從上到下分別為含碎石黏土、強風化白云巖、中風化白云巖。溶洞埋深約為25m。

1.2 加固方案比選

14墩與15墩之間有公路垂直相交，來往人員、車輛密集。且該區域距民房較近，樁基施工過程中，對土層擾動明顯，可能會危及公路及民房安全，有較大的施工安全隱患，因此有必要對該工程進行加固。

樁基巖溶處置方法通常有三種：片石或混凝土回填、鋼護筒跟進、預注漿加固。

1.2.1 片石或混凝土回填

此方法為最常規最簡便的方案，適用于小型、中型溶洞，先將塌陷區域的松散土進行挖除作業，再用碎石、片石與土摻和加以壓實或者回填。目的是防止地表水的沖蝕，同時也能提高橋梁樁基土的承載強度。利用片石或混凝土回填堵塞巖溶通道及腔體，防止漿液漏失引發塌孔、埋鉆等工程事故。該工程溶洞發育強烈，溶洞高度達23.1m，若采用此方案需要反復多次回填片石或混凝土，回填體高達23m，且自身穩定性無法保證，極易發生塌孔、埋鉆及周邊地層塌陷，引發次生災害，無法保證施工工期。故此方案無法確保樁基順利成孔，不適合該工程。

1.2.2 鋼護筒跟進

鋼護筒跟進法適用于高度大于3m 的單個溶洞，溶洞內為空洞、半充填、流塑狀全充填。

根據地勘資料顯示，該工程巖溶形態復雜，溶洞高度達到23.1m，層狀溶洞分布，需下放多層鋼護筒，且溶洞充填物為黏土碎石，為硬塑性填充，鋼護筒下放側摩阻力過大，再加上樁徑較大（1.8m）、樁基較長（45m），鋼護筒跟進困難，進一步加劇施工難度，鋼護筒無法跟進到位導致成孔失敗，且施工周期無法控制（湖南大王山冰雪世界工程曾采用此方案耗時3年完成40 根樁基，其中一根樁基施工周期長達10 個月），故不建議采用此方案。

1.2.3 預注漿加固

通過預注漿技術提前加固溶洞，可以有效充填固結充填物并封閉巖溶裂隙，提高充填物強度及自穩性，避免沖孔過程中垮塌及漿液滲漏，該方法可大面積施工，對施工機械設備要求不高，施工難度小，可通過補注漿確保加固質量，為后期樁基正常施工提供可靠保障，確保工期。

經過以上分析，建議采用預注漿加固施工技術。

2 選定方案技術要求

2.1 主要工程問題及成因分析

由于工程施工環境中的地質因素，在選定施工方案和施工技術時要注意以下在實際工程中可能會出現的問題。

一是該工程地質屬于富水條件下緊密結構，會出現注漿量不足或較少時導致注漿作業效果出現不理想的狀況。

二是白云巖地質在地下富水因素的影響下，出現軟化現象，使地質強度比較低，且樁基長期受地下水的浸泡，其地基承載力不足200kPa，如果施工方案不到位，極易影響施工質量甚至會導致坍塌。

三是因其特殊的地質，可能出現施工殘積土隨地下流動的水從樁基下部流失，導致樁基臺階很難形成，且出現空洞等不穩定現象。

2.2 選定方案技術

覆蓋型巖溶地區巖溶塌陷主要是由于上部土層受外部水流或沖擊因素影響沿著土層裂縫或巖石裂縫流入溶洞中。在施工過程中，可以采用注漿的方式填充土層孔洞、裂隙，在土石交界面形成穩定可靠的水平防滲帷幕，阻斷土顆粒流失通道，可有效避免沖擊荷載導致的土洞或溶洞塌陷。通過植入注漿鋼管，可加固土體，進一步提高土層抗變形能力，阻止因土體變形過大造成的塌陷。該工程中巖溶塌陷分布特征如下。

該工程中出現的塌陷多呈帶狀分布，塌陷位置在場地中部區域且呈斜交狀，沿地質基巖尤其是較陡傾的區域地段伸展。

根據地質塌陷后現場測試的物探試驗數據（水平測距為52～75m、87～106m，地表地質呈現局部塌陷狀態）可推斷出，此塌陷是因溶溝（槽）軟弱帶或松散土層引起的（見圖2）。

圖2 剖面反演模型電阻率斷面圖

為確保施工過程中人員及機械、周邊道路及民房的安全，防止出現安全事故，建議如下。

一是在樁基施工前，必須堅持一樁一探，在樁身范圍內均勻布設3 個探溶孔，切實搞清該樁巖溶分布情況，及樁底持力層3～5d 范圍內，有無溶洞發育，確保樁底持力層滿足設計要求。

二是采用樁周布設單排Φ60 雙管旋噴樁注漿。預加固樁基溶洞，以樁中心點為基準，在內圈半徑為1.2m 的圓上布設15 個旋噴孔，相互咬合成嚴密有效的防滲帷幕，為保證后續施工進度，旋噴漿液建議采用特種高強高滲巖溶專用灌漿料，旋噴施工完成后，3d 左右即可進行旋挖樁施工。

三是采用承臺周邊和內側布置注漿孔，以旋噴注漿的方式加固周邊土體。

四是根據三清高速施工圖地質勘查報告第二冊SJ2-1-4 工程地質橫斷面圖，上層土體和溶腔土體有個大型土洞相連，考慮到樁基施工和周邊房屋道路安全，旋噴注漿范圍為地層表面至溶洞底，旋噴注漿工程量為0.5m/m。

五是樁基旋噴注漿工藝要注意的幾個方面。

混凝土灌注樁質量檢測標準如表1 所示。

表1 混凝土灌注樁質量檢測標準（單位：mm）

其一，采用地質鉆帶套管鉆進成孔，施工過程中根據需要可能要下放多層套管，確保成孔質量。

其二，采用跳孔分序鉆進，先鉆注一序孔，后鉆注二序孔，確保有效搭接。

其三，待鉆進至溶洞底板下2m，下放旋噴注漿管，在溶洞范圍內旋噴注漿，旋噴注漿壓力值控制在25～30MPa，漿液配比為：水∶水泥∶高強無收縮灌漿料=1∶0.5∶0.5 和水∶水泥=1∶1，鉆進旋噴提升速度10cm/min，全孔深旋噴。

其四，注漿效果的質檢方法可采用開挖檢查、取芯、注水試驗等。

其五，該溶巖處理方案完成后，針對預防塌陷效果顯示良好。

六是橋梁樁基巖溶處理方案中的監控量測。

橋梁樁基工程中巖溶處理過程中的監控量測呈現兩個特點。

其一，支護區段的安全監控。在滿足施工標準規定的安全監測要求的前提下，在有塌陷或溶巖的區域需要采取必要的監控措施，以更好地進行全面安全監測。

其二，監控量測對于還未施工區域的施工還可以提供前期的觀測數據，以作為后期施工作業的數據反饋依據和方案指導參考。通過監測可反饋的施工步驟如下：建立地質力學模型—通過對沒有巖溶影響的樁基量測數據反分析巖體力學參數—通過超前預報手段理清溶洞的幾何參數與力學參數—根據反分析得到圍巖的巖體力學參數、溶洞的幾何參數與力學參數—運用數值分析的手段確定未施工段的加固方案。

3 結語

綜上所述，在實際施工中，應將溶洞根據巖溶的發育條件、發育階段劃分為不同類型，并針對不同類型做出施工方案，采取適當的施工技術和處治措施，保證橋梁樁基施工的安全性、穩定性。本文結合工程案例中橋梁樁基工程巖溶塌陷的形成特點，從實際出發進行闡述和分析，找到了最優巖溶塌陷處理方案。通過應用橋梁樁基巖溶處理的關鍵技術，同時輔以環境地質預報和地質雷達、紅外探測等探測技術，可以保證橋梁施工技術在巖溶地質環境中有更好的突破與發展。