基于巖溶發育地區鐵路橋梁樁基施工技術應用分析

高永民, 楊小軍, 楊 杰, 向云詩

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 工程概述

中老鐵路磨萬線北起中老邊境口岸磨丁，南至老撾首都萬象，線路全長 414.332 km。該鐵路全部采用中國管理標準和技術標準建設，設計時速為160 km/h，為電氣化客貨混運鐵路。磨萬線Ⅴ標I分部施工范圍位于老撾萬象省萬榮縣境內，全長38.26 km，共有橋梁15座，總長度7 129.4 m，橋梁基礎為鉆孔灌注樁，樁徑分別為1.0 m和1.25 m。其中6座橋梁位于巖溶發育地區，灌注樁有570根，總長度13 405 m，最大樁長54.0 m，最大嵌巖深度38.4 m。

2 工程地質條件

巖溶橋址區樁基地質情況為：第四系全新人工填土(Q4ml)粉質黏土、沖洪積層(Q4al+pl)粉質黏土、松軟土、細沙、粗圓礫土、卵石土、破殘積層(Q4dl+el)粉質黏土，溶洞填充物(Q4ca)粉質黏土；下伏基巖以二疊系(P)灰巖、白云質灰巖、巖溶化灰巖為主，巖溶中等—強烈發育，隱伏性巖溶發育，存在大量無填充、半填充、全填充的溶洞及溶隙，充填物多為軟塑—流塑狀黏土、細砂等，且多呈串珠狀及貫通型溶洞；地下水豐富，存在中小型暗河和集中徑流，地質條件極其復雜，鉆孔護壁難度大。橋址區內地勘鉆孔平均見洞率為57%，大部分橋梁地勘鉆孔見洞率為70%～96%，最大溶洞高約為13.0 m。

3 成樁施工難點

3.1 成孔施工難度非常大

為查明巖溶橋址區橋墩的巖溶發育情況，確保基礎的穩定性和安全性，依照相關大綱以及規范、規定布孔原則對巖溶墩臺采用了逐墩逐樁施鉆的方法進行了詳細勘察。然而，在實際進行成孔施工過程中，受資金投入以及勘探技術的制約，依據地質勘察設計施工圖，依然不能精準確認地層中溶洞的大小、分布情況和走向[1]，使得成孔施工過程中存在一定的偏差，漏漿、孔壁坍塌等現象頻繁發生，大大降低了成孔質量以及施工效率。同時，由于地層巖面起伏以及巖溶在空間上發育的復雜性及不確定性，在成孔時常常因為遇到斜面巖等，施工過程中不得不投入大量的時間、材料等進行鉆孔偏斜處理，極大地增加了施工成本，拖延了施工進度。

同一個墩內，應先施工跟進鋼護筒、溶洞部位深、地質情況更為復雜的樁孔，應封堵大部分溶洞、裂隙通道，降低后續樁孔施工難度。同時，為防止沖擊振動致使鄰樁孔壁坍塌或與鄰樁下部貫通或影響鄰孔已澆筑混凝土強度，應避免同墩臺相鄰樁孔同時施工，可在相鄰樁混凝土達到一定強度后方可開鉆或進行跳樁施工。

3.2 清孔作業困難

本工程巖溶橋址區的樁孔大部分樁孔較深，沉渣的數量比較多，地層中存在大量溶蝕裂隙，且成孔過程中溶洞充填段孔壁穩定性較原位地層孔壁差，所以清孔作業困難。一旦在成孔過程中巖溶處理不足，進行清孔作業時控制不當，將會引起樁孔內漏漿、溶洞充填段充填物的滑塌以及塌孔等，需重新進行回填黏土片石等處理，因多次進行清孔作業，從而使施工風險大大增加。

3.3 水下混凝土灌注要求高、難度大

本工程樁基長度大，且因地層中存在的大量溶洞、裂隙通道等復雜的巖溶地貌，雖在成孔過程中進行了處理，但實際灌注的混凝土數量仍大大的超過了設計混凝土方量。同時也延長了持續灌注樁的時間。混凝土采用導管直升法進行澆筑，澆筑前應在現場檢測混凝土入模坍落度、溫度及含氣量，坍落度為180～220 mm。灌注前如不能準確控制混凝土的入模塌落度、初凝時間以及首批混凝土方量(滿足導管深度不小于1.0 m)，灌注時如不能準確控制混凝土灌注速度、導管埋深(宜為2～6 m)，則極有可能出現夾泥、堵管、混凝土下沉、筑管、斷樁等情況，從而使灌注施工失敗，影響施工質量，增加施工成本。依據實際情況，澆筑巖溶發育復雜的樁孔，導管埋深可以稍微加大，以防澆筑過程中混凝土面下沉而出現斷樁。

4 巖溶發育地質條件下鐵路橋梁樁基施工

4.1 施工流程

經過對地質情況進行綜合分析，結合本工程的實際情況研究決定采用沖擊式鉆機進行灌注樁施工。施工過程中對孔斜、巖溶漏漿、溶洞、裂隙通道等進行積極高效的處理，提高成孔質量和施工效率，降低混凝土超澆量。其施工流程如圖1所示。

圖1 巖溶地層沖(鉆)孔灌注樁施工流程

4.2 巖溶處理

對于地勘揭示存在溶洞等不良地質條件的樁孔，針對同一墩臺，應遵循先難后易、先大后小、先深后淺的原則，優先施工溶洞較大、溶洞層次較多、溶洞埋深較深的，地質條件最為復雜的樁孔；最后施工溶洞較小的、溶洞層次較少的、溶洞埋深較淺的樁孔。施工時對溶洞、裂隙通道等采用多種措施，進行綜合治理，以保證樁孔質量。

4.2.1 超前注漿法

在樁孔鉆進施工前，可根據前期逐墩逐樁的地質勘察結果，通過地質勘察孔向溶洞內灌注單水泥漿液或水泥水玻璃雙漿液、水泥砂漿、低標號混凝土等進行超前預處理，以堵塞地層中溶洞、裂隙通道等，增加地層整體性和完整性，減少后期樁基施工時巖溶漏漿、塌孔、混凝土超澆等問題發生。在注漿施工前，應對注漿材料進行配合比設計，其中水泥漿液水灰比為0.8∶1～1∶1；水玻璃與水泥漿的體積比控制在5%～20%之間；水泥砂漿水灰比為1∶0.5～1∶0.8，灰砂比為1∶0.5～1∶1。注漿壓力為1.0～1.5 MPa，當注漿壓力達到設計要求且持續穩定10 min不進漿即可結束注漿。

為保證注漿效果，注漿時應遵循先周邊、后中間的原則。當地勘揭示溶洞或注漿量大、注漿壓力不上升時，可先灌注低標號混凝土或水泥砂漿進行回填，再灌注水泥漿，以減少水泥漿液流失或注漿不密實。針對串珠狀溶洞，注漿處理時應自下而上分層進行處理，以保證將每一層溶洞全部注滿(圖2)。

圖2 超前注漿法示意

4.2.2 拋填法

對于一般性巖溶，即溶洞高度小于5.0 m，漏漿量較小、漏漿較慢的樁基，施工中優先采用拋填法回填適量比例為2∶1的片石、黏土和袋裝水泥(3袋/m)進行處理。施工時，現場應提前準備足夠數量的堵漏材料以及裝載機等相關機械設備。當鉆進至溶洞頂板以上1.0 m左右時，減小沖擊鉆沖程，通過短沖程快頻率的沖擊方法逐漸擊穿溶洞，以防引起埋鉆、卡鉆、地表塌陷、溶洞塌方等事故[2]。若孔內未出現漏漿現象，則通過短沖程低頻率的沖擊方法繼續鉆進至溶洞底部，然后提出鉆頭，向孔內拋填片石、黏土，投入量按該溶洞的豎向高度加1.5 m計，后重復進行鉆孔繼續施工。若擊穿溶洞后孔內發生漏漿現象，則立即補充泥漿，同時拋入片石、黏土，投入量按該溶洞的豎向高度加1.5 m計。待孔內泥漿穩定后復沖鉆孔繼續施工。若同一溶洞拋填后再次漏漿，則按上述方法再次回填反復沖擊擠壓密實，進而使溶洞段孔壁達到平衡狀態，以使孔壁穩定，同時能夠增加樁側摩阻力，從而一定程度上提升樁基礎承載力[3-4]。若經上述方法處理仍反復漏漿的，應及時提出建議修改處理措施(圖3)。

圖3 拋填法示意

4.2.3 鋼護筒跟進法

對于溶洞高度不小于5.0 m的封閉型較大溶洞以及部分較大的串通型溶洞，或遇地下水與溶槽、溶溝及河床水相互貫通形成有流動水的通道，形成大范圍漏漿時，采用鋼護筒跟進，用以阻斷溶洞內流塑充填物或封閉地下動水，益于后續鉆孔施工；既可以有效起到孔壁防護的作用，也可以避免因鉆孔樁孔壁塌造成地面塌陷[5]。在跟進鋼護筒前，應按前文拋填法的施工方法將溶洞進行充填處理，以使鋼護筒與溶洞底部基巖面緊密貼合，有足夠的側向約束，保證成樁質量和施工安全。

當溶洞空間大、樁基較長鋼護筒跟進困難，不能一次跟進到底時，可多次鉆孔、分級跟進。為了降低同墩位的下一根樁施工時的溶洞處理難度，在同墩位的樁基中，優先施工護筒跟進法的樁基。鋼護筒從孔口跟進至溶洞底以下1.0 m后按常規方案鉆孔到設計樁底。施工過程中選用鋼護筒跟進法，在一定程度上可使施工質量得到有效提升，同時還能加快整體施工進度(圖4)。

圖4 鋼護筒跟進法示意

4.2.4 灌注混凝土充填法

對5 m左右高度的溶洞，有時采用拋填片石、黏土、袋裝水泥的方法處理后樁孔內仍反復漏漿，難以進行造孔，而跟進鋼護筒又不能達到預期效果，這時可采用灌注混凝土的方法進行處理。為節約混凝土灌注量，可先拋填片石、黏土、袋裝水泥，反復擠壓密實，以充填溶洞和封堵裂隙通道，增加充填物的強度。同時預先回填處理能起到增大泥漿粘聚力、提升泥漿護壁能力、降低孔壁坍塌的作用。如此反復處理，待鉆至溶洞底后，再灌注混凝土。混凝土灌注至溶洞頂以上1.0 m，待凝12～36 h后，再重新進行鉆孔施工(圖5)。

圖5 灌注混凝土填充法示意

5 應用成果

本工程在巖溶區橋梁鉆孔灌注樁施工中采用拋填法、鋼護筒跟進法和灌注混凝土法對所遇到的巖溶進行針對性、綜合性治理，取得了良好的施工效果和經濟效益。巖溶區570根基樁一次性樁檢合格率達100%，其中I類樁562根，占比98.6%，II類樁8根。同時，在保證施工質量的前提下，相較前期試樁時單一的巖溶處理工藝，將擴孔系數由2.33減小至1.65，節約混凝土9 450 m3，混凝土單價450元/m3，混凝土單項降低成本約425萬元；巖溶處理費增加產值約1 269萬元，新增重復造孔單項預計增加產值約1 309萬元。

6 結束語

綜上所述，在巖溶地區進行鐵路橋梁樁基施工時，首先要做好地質勘察工作，然后根據地質資料制定對應的施工方案，并結合現場實際情況對巖溶采取多種措施進行綜合處治，以確保樁基工程施工質量。

本工程采用上述方法順利完成了巖溶地區鐵路橋梁樁基工程的施工，并取得了良好的施工效果，具有一定的借鑒參考價值，但還應注意幾點：

(1)鉆進過程中不論出現漏漿現象與否，必須對地質勘察揭示的溶洞和實際鉆進過程中發現的隱伏性巖溶進行處理，以提高成孔質量和減小后續灌注混凝土時混凝土的超澆量，從而降低成本。

(2)針對中小型暗河和集中徑流，為保證孔壁穩定性，鉆孔過程中應先拋填片石黏土進行處理以阻斷地下動水通道，后續可跟進鋼護筒。

(3)鉆孔施工過程中應嚴格控制鉆孔傾斜度，切忌盲目追求鉆孔進尺，以防在擊穿溶洞過程中發生卡鉆現象以及后續鋼筋籠安裝時不能下設到位。

(4)澆筑過程中要勤加測量孔內混凝土面，適當增加導管埋深，以防混凝土面下沉造成的斷樁事故；澆筑至設計高程時不要立即拔出導管，應確定混凝土面無變化后方可拆卸導管。