溶(土)洞不良地质的对策及在桥梁桩基础中的处理措施

张志勇

(福建福铁地方铁路开发有限公司, 福建福州 350000)

溶(土)洞不良地质的对策及在桥梁桩基础中的处理措施

张志勇

(福建福铁地方铁路开发有限公司, 福建福州 350000)

文章简要阐述了溶(土)洞的含义，并将其对工程的危害划分为溶(土)洞水的危害和溶(土)洞洞穴的危害两大类型。在此基础上，从这两大危害入手，介绍了相应的工程处理措施，即截流、排泄、围堰、堵塞以及跨越、加固和绕避。为保证溶(土)洞地层钻孔桩施工时能够顺利成洞，对泥浆造壁法、钢护筒跟进法、密闭压浆法和传递能量法等桥梁钻孔桩基础溶(土)洞地层施工处理方法做了较详细的介绍。最后，以龙岩紫金山体育设施用地东侧连接线跨漳龙铁路立交桥工程为例，介绍了溶(土)洞处理措施。

桥梁； 桩基础； 溶(土)洞处理； 技术措施

1 溶(土)洞及其工程危害性

1.1 溶(土)洞的定义

岩溶(又称喀斯特)是可溶性岩石在水的溶蚀作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称。

土洞是指埋藏在岩溶地区可溶性岩层的上覆土层内的空洞。土洞继续发展易形成地表塌陷。当上覆有适宜被冲蚀的土体，其下有排泄、储存冲蚀物的通道和空间，地表水向下渗透或地下水位在岩土交界处附近作频繁升降运动时，由于水对土层的潜蚀作用，易产生土洞和塌陷。

1.2 溶(土)洞对工程的危害

溶(土)洞对工程的危害总体上可分为两大类型：溶(土)洞水的危害和溶(土)洞洞穴的危害。

溶(土)洞地区的地表水对路桥、铁路工程的危害主要表现为：当工程桥涵和路基存在于溶(土)洞洼地、谷底区域时，溶(土)洞地表水可能冲刷、淹没结构物，引起工程质量问题。溶(土)洞地下水对路桥、铁路工程的危害主要表现为：雨季雨量较大时，可能导致公路路基、桥梁基坑坍塌、基底涌水；水量过大时可能造成基底浮力过大，水位下降时有可能引起基坑沉陷，危害建(构)筑物的安全。

溶(土)洞洞穴对建筑在其上的建(构)筑物的危害，主要表现为建(构)筑物基础承载力不足，顶板强度、厚度不够引起地基失稳破坏，覆盖岩溶临空面、建(构)筑物基础悬空。

2 溶(土)洞危害的工程处理

溶(土)洞处理的目的是充填桥梁桩基底部和持力层范围内已有的溶(土)洞，切断具有侵蚀性的水流通道，阻止溶(土)洞继续发育。根据上文分析，溶(土)洞对工程的危害体现在溶(土)洞水的危害和溶(土)洞洞穴的危害，因此其工程处理措施也应当从这两方面着手。

2.1 溶(土)洞水的处理

2.1.1 截流

通过设置与水流方向呈垂直连接的截流盲沟、截水墙、截水洞等措施，达到对施工目标范围内溶(土)洞水的截流和疏导，降低地下水位，保证施工的顺利进行。3种截流措施具有各自的适用范围。如：带有反滤层的截流盲沟适宜水量较小而分散的溶(土)洞水；截流墙可以防止水流的冲击和渗入；截流洞则可以疏导某一范围内的溶(土)洞水。

2.1.2 排泄

针对常年流水，或季节性的、流量比较集中的溶(土)洞水要考虑排泄措施，如设置泄水洞、管道、桥涵及明沟等。排水沟渠的方向，或管道方向应与水流方向一致。4种排水措施具有各自的适用特点。如：泄水洞常用于排泄洼地和基底积水；排水管常用于排泄水量比较集中的溶洞水；公路排水桥涵常用于水量富集的沟谷或路段；排水沟(泄水洞、明沟引排)则用于将低洼处的积水引向其它方向。

2.1.3 围堰

一般情况下，为例保证水工建筑物的正常施工，防止水或土进入施工区域，可采用围堰、围栏等措施。普遍使用的围堰材料有混凝土圆柱管、混凝土心墙和斜墙、片石或钢筋网等。为了防止多方向的水流汇集流入消水河，也可用不透水材料的围堰予以阻隔。

2.1.4 堵塞

当溶(土)洞中的地下水水量较小时，而且由于溶(土)洞的布局导致水流分散，可以采用砂浆、浆砌片石等材料进行堵塞。当水量特别大时，再采取堵塞措施反而十分不易。在公路和铁路隧道隧道工程中，由于工程的特殊性，常采用压浆堵水和压浆帷幕的措施来进行溶(土)洞水的堵塞。

2.2 溶(土)洞洞穴的处理

溶(土)洞洞穴在处理的时候，需要考虑洞穴的实际大小，洞穴所处的位置，以及对建(构)筑物的影响情况，分情况合理的采取措施进行处理。常用的措施如跨越洞穴、进行封堵处理、对洞穴进行加固处理、绕过洞穴等。

2.2.1 跨越

从结构形式来看，跨越可分为梁跨、板跨、拱垮等。对于桥墩基础下的洞穴，当洞穴深度较大时，可采用按周边受力的钢筋混凝土板跨越，其上修筑桥墩。在公路、铁路隧道路基范围内，如果建(构)筑物部分悬空，则可采取横梁或支墩支托纵梁，纵梁上再作边墙。在特殊情况下，可在暗侧顶板上作建(构)筑物。

2.2.2 加固

为防止洞穴坍塌或加强洞穴顶板岩层的稳定性而做加固措施。结合工程的具体情况，采用合理的加固措施，如采用桩基、对溶(土)洞洞穴采用加固锚杆、对洞穴进行回填加固等。当溶(土)洞发育情况比较复杂时，单单采用某一项加固措施可能难以收到很好的效果，此时，则需要根据具体情况，采用多种方式交叉的方法进行处理。

2.2.3 绕避

在地质勘测和选线的时候，可以对已经查明的具有危害性大，处理成本过高的溶(土)洞洞穴采取局部绕避或完全绕避的措施。既保证工程质量，又能提高工作效率，经济合理。但该方法应用有一定的局限性，仅适用于前期勘察较充分的情况，对施工中遇到的溶(土)洞洞穴，则无法奏效。

3 溶(土)洞地区桥梁桩基施工技术

溶(土)洞地层钻孔桩施工的技术难点在于保证在溶(土)洞层段顺利成孔而不出现卡钻、掉钻等故障。这就要求操作人员在预先掌握桩孔地质资料的情况下，注意钻孔过程中出现的异常现象，及时准确地判断钻孔状况。工程技术人员应根据工程实际，制定具体的解决造壁、护壁、斜面开孔、穿越顶板和空洞的施工方案，保证钻孔施工的顺利进行。桥梁钻孔桩基础溶(土)洞地层施工处理方法主要有以下4种。

3.1 泥浆造壁法

泥浆造壁法就是根据溶(土)洞内充填物的不同种类和流塑性，在使用优质泥浆护壁施工的同时，按一定比例分别加入烧碱、水泥、锯木屑、草袋、片(碎)石等混合材料，借助于钻头的冲击捣固作用，将填充材料同稠密的泥浆一起挤入溶(土)洞和溶(土)洞裂隙中，形成强度连续的钻孔路径，在接续的钻孔工序中形成孔壁封闭环，达到泥浆护壁的效果。泥浆造壁法主要适用于洞体尺度相对于桩径不大的小溶(土)洞，具体情况按溶(土)洞的相对位置、围岩种类和充填物的性质等因素确定。

造壁法处理溶(土)洞的效果取决于加强型泥浆的配制质量，因此在泥浆配制时应注意各种配料的选择和使用要求。黏土是泥浆配制的主要原料，应具有水化快，造浆能力强，粘度大，含砂率低等特点，一般要求其胶体率不小于95 %，含砂率小于3 %，造浆能力大于215 L/kg，塑性指数不小于20。当溶(土)洞内充填物为细砂或流塑性物质时，在泥浆中掺加适量水泥，可以起到提高泥浆抗渗透能力，增强护壁功能，防止塌孔漏浆的功效，水泥的用量一般为黏土用量的15 %～20 %。烧碱具有保持和提高泥浆粘稠度的作用，对处理孔壁漏浆有较好的效果，一般按黏土用量的2 %～3 %使用。泥浆中适量掺加的木屑可提高其悬浮能力，提高钻进速度，满足溶(土)洞地层的清孔要求。片(碎)石的使用能起到溶(土)洞孔壁骨架加固作用，一般选用15～25 cm的片石和7 cm以下的碎石。配料的选择也可以因地制宜地选用其他材料，以达到处理溶(土)洞的效果最佳为宜。

3.2 钢护筒跟进法

钢护筒是常规法深水钻孔桩基础施工中的辅助措施，护筒的作用在于桩基定位、施钻导向、保护孔口和维持孔内水头压力等。溶(土)洞地区钻孔桩基础的施工，由于溶(土)洞地层复杂的地质状况，溶沟、溶槽、溶(土)洞等相互连通，溶(土)洞或富含软塑、流塑充填物，或为无充填的空洞，处理措施不当会出现泥浆急剧流失，造成塌孔、卡钻等事故。如果这种事故发生在灌注水下混凝土过程中，就会出现混凝土流失，不能有效地埋植导管，发生断桩事故。因此，钢护筒跟进施工作业溶(土)洞地层钻孔桩基础施工中具有护孔成桩的特殊作用。通常情况下，钢护筒跟进作业就是在准确的桩孔位置处将钢护筒就位后，首先用振动打桩锤将其逐步下沉到需要保护孔壁的地层和岩石上，再用回旋钻机钻孔，缓慢下沉钢护筒，接近溶(土)洞时，向孔内抛填片石与絮状物，并用钻机将抛填物向四周挤压，将溶(土)洞填满，为钢护筒跟进提供依托，保证钢护筒不出现倾斜现象，最终将钢护筒下沉到设计位置或稳定坚固的基岩上，达到护孔成桩的目的。

钢护筒跟进法作业，在处理泥砂型溶(土)洞时，按其覆盖层厚度与所含的淤泥砂量又分为以下2种情况。当覆盖层和溶(土)洞内泥砂层较薄，发生塌孔不会引起钢护筒严重变形或产生位移时，应将原先设置的长度较短的钢护筒吊起，更换新的钢护筒或对原有的钢护筒接长穿过溶(土)洞区直至岩层(如果是摩擦桩，钢护筒埋深至设计桩底标高处)。在溶(土)洞区段钻孔作业时，应加大泥浆的稠度，加强所填片石混合物的密实度和稳定性，保证钢护筒的顺利下沉。当覆盖层较厚且溶(土)洞内含有较厚的淤泥层，孔内水位下降时，由于钢护筒周边的侧压力较大且分布不均匀，钢护筒在下沉过程中可能产生严重变形或偏转位移，此时，应将钢护筒吊起，填土压实后再重新钻桩。钢护筒变形不大时，应对钢护筒的外形尺寸进行校正维护，并采取控制护筒变形的结构加强措施(如采用大厚度钢板)或工程措施，控制护筒变形的发展，保证钢护筒的变形和位移在允许范围内，然后利用回旋钻机慢慢将钢护筒下沉至岩层和设计标高位置。

钢护筒跟进法适合于水中或陆上桩基础穿越串珠状溶(土)洞或溶(土)洞大而空的情况。根据地质状况的不同，跟进作业可采用单护筒跟进(简称单跟)或双护筒跟进(简称双跟)施工，前者适用于串珠状溶(土)洞且洞内充填物为软塑物质或卵石土、溶(土)洞不大的情况；后者适用于充填物为流塑性物质且溶(土)洞范围大或溶(土)洞为空洞时的情况。钢护筒跟进法施工所需的工序和辅助设备较多、进度慢、成本高，但成孔和成桩质量稳定，施工中应综合施工难度和经济因素选择使用。

3.3 密闭压浆法

密闭压浆法就是利用土体化学加固原理，使用高压输浆泵将化学浆液通过灌浆导管均匀压入地层，使原来松散砂石散粒体或岩石裂隙充满浆液，固结成1种强度较高、抗渗水性且与周围岩体胶结稳定的新结构“人造石”，达到防止地下水流动，将泥砂固结成“人工石”，极大地改善了桩基钻孔条件，使钻孔能得到顺利施工的方法。根据密闭压浆实施时间的不同，这种方法分为施钻前密闭和施钻中密闭2种情况，工艺上也不相同。施钻前密闭压浆就是用小型钻孔机械钻孔至溶(土)洞所在位置，然后用高压注浆泵将化学浆液注入溶(土)洞的砂石层中，并迅速填满溶(土)洞凝结砂石散粒体和围岩裂隙，形成“人造石”，阻断地下水，从而改善地质类型。溶(土)洞内砂石固结完成后，便可采用冲击钻施钻成孔。这种施工方法的前提条件是溶(土)洞内必须富含砂石等充填物而不能为空洞。当溶(土)洞内的地下水流较小时，采用水玻璃类化学浆液进行处理具有较好的固结效果；当地下水流较大时，再采用水玻璃类化学浆液进行处理就难以取得良好的固结效果，此时采用氰凝浆液处理将会是种很好的选择。氰凝浆液是1种新型的聚氨酯类灌注材料，遇水反应剧烈，产生大量气体，是1种很好的防水，堵水材料。

3.4 传递能量法

对溶(土)洞地层进行处理时会遇到岩面倾斜、岩质软硬不均的情况，在施工过程中可能会遇到桩孔偏斜、断桩、损坏钻头刃脚等现象，这时适宜采用的处理方法为传递能量法。

传递能量法，即在钻机即将进入地下溶(土)洞的斜面时，通过向溶(土)洞内投掷坚硬片石和黏土块，对钻孔进行修正的方法。钻机施工过程中，钻机的适宜冲程为0.6 m左右，既保证了足够的冲击能，又起到了形成混合柱体，破碎斜面的施工目的。为了保证传递能量法可以得到更好的施工效果，需要通过两种判断方法对溶(土)洞地层岩面的实际倾斜状况作出判断：①依据地质钻探柱状剖面图；②依据施工过程中钻绳的摆动和钻机冲击的声音。传递能量法对钻孔作业具有很好的导向作用。

4 溶(土)洞处理在实际工程中应用

4.1 工程概况

龙岩紫金山体育设施用地东侧连接线跨漳龙铁路立交桥工程，位于龙岩市新罗区红坊镇，主要跨越漳龙铁路及一条上山公路，属于龙岩紫金山体育设施用地东侧连接线控制性工程。道路从龙岩红田路道路工程红炭山加油站附近引出，跨越漳龙铁路及1条上山公路，通往龙岩紫金山体育公园综合开发项目，设计为双向4车道，机动车道净宽14.0 m，双侧设2.0 m人行道。与漳龙线相交处铁路里程为K68+910.40，道路里程为K0+132.863，铁路与道路夹角约62.86°。

本桥为预应力混凝土连续小箱梁，采用先简支后连续方法架设，设计全长83.15 m，桥宽19 m，划分为2×0.5 m(两侧防撞墙)+2×2.0 m(两侧人行道)+14 m(机动车道)。桥墩采用柱式墩，桩基础；柱径1.3 m，桩径1.5 m，1#墩桩长36 m，柱长9 m，2#墩桩长32 m，柱长3.5 m，均为4根桩；0#台采用U型桥台，桩基础，承台高2.0 m，桩径1.2 m，桩长32 m，共12根桩；3#台采用桩基接盖梁承台，桩径1.2 m，桩长30 m，共3根桩；桩基础除1#墩为端承桩(支承)，其他桩基均为摩擦桩。

桥梁桩基持力层内(以下)存在土洞及溶洞，其中土洞发育率为41.67 %，洞顶埋深40.4～42.4 m，洞高为0.9～7.2 m，为空土洞和充填土洞。溶洞发育率为58.33 %，岩溶发育深度39.6～63.1 m，该场地属于埋藏型岩溶区的岩溶、土洞发育的不良地质作用分布区域。需要预先注浆加固后再进行桩基施工(图1)。

图1 桥墩与溶(土)洞的位置关系

4.2 溶(土)洞处理施工要点

溶(土)洞处理的目的是充填桥梁桩基底部和持力层范围内已有的溶(土)洞，切断具有侵蚀性的水流通道，阻止溶(土)洞继续发育。溶(土)洞处理应该在桩基施工之前开始实施。为桩基施工做好提前预防措施。溶(土)洞处理方法有：

(1)注浆孔平面布置：1#墩注浆孔布置在靠近桩边位置，每根桩布置3个孔，成等边三角形状；其他墩台注浆孔布置在四个角点，每个墩台布置4个孔进行试注浆，若遇溶洞按1#墩注浆孔形状进行加密钻孔注浆。注浆孔兼作地质钻探孔，利用注浆孔进一步揭示溶岩情况。

(2)加固深度：根据勘探孔揭示溶岩的发育情况，加固深度确定为岩土界面以下4 m范围，即孔深潜入基岩4 m，若钻孔过程中遇溶洞，应将钻孔至底板下0.5～1.0 m。

(3)注浆材料：注浆水泥采用P.O32.5水泥，水玻璃38～43波美度，模数2.4～3.0。一般采用单液水泥浆注浆，水泥浆液水灰比为：0.8∶1～1∶1。若遇空的熔岩通道、较大溶洞和裂隙处，视具体情况先灌注机制砂或稀的水泥砂浆对溶蚀腔体进行充填，再采用粉煤灰水泥浆液，全充填溶洞采用单液注浆。当裂隙通道发育、浆液扩散较远或向深流失严重，或地表冒浆严重时，应采用双液注浆。水泥浆、水玻璃配比为：0.1∶1～1∶0.05。双液注浆工艺复杂，必要时可同时掺入缓凝剂(水玻璃量的1 %～3 %)。

(4)注浆压力参数：灰岩中为0.1～0.3 MPa，岩土界面附近逐步加大至0.3～0.5 MPa。

(5)注浆结束标准：当注浆达到下列标准之一时，可结束该孔注浆：①注浆孔压力维持在0.2 MPa左右，吸浆量不大于40 L/min，维持注浆压力30 min，然后结束注浆。②冒浆点已出注浆范围外3～5 m时。

当达不到上述标准时，可采用双液注浆或清孔后再次注浆，清孔与上次注浆时间间隔不小于24 h。

(6)注浆效果检查：①注浆前后，钻孔注水实验的单位长度吸水量对比，检查注浆效果。注浆后单位长度吸水量应小于注浆前吸水量的3 %～5 %，且不存在明显漏水现象。②钻孔检查，检查孔数0#台为三个，1#墩、2#墩、3#台均为一个。根据取芯浆液填充情况直观判断注浆效果(取芯固结体强度需达到1.5 MPa)。土层、裂隙岩溶、洞穴等必须干钻取芯，岩芯采取率大于90 %。检查孔同时兼作补浆孔。

待溶(土)洞处理检查合格后方可进行桥梁桩基础施工。

(7)施工注意事项：注浆加固由周边向中间进行，有空洞时灌注机制砂或稀的水泥浆液(可含碎石)直至溶(土)洞充填后才能进行注浆。注浆孔应跳孔施钻，不应全部钻孔完后再注浆，以免孔位串浆，增加施工难度及情况工作量。

5 结束语

通过对溶(土)洞处理常用技术措施的分析比较，结合龙岩紫金山体育设施用地东侧连接线跨漳龙线立交桥工程特点，制定了桥梁桩基础溶(土)洞处理的实施方案。根据工程实施过程中反馈的情况来看，该方案是科学合理的，能够有效保证工程质量，取得了良好的经济社会效益。

[1] 工程地质手册编委会. 工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 薛立建. 公路桥梁桩基工程溶洞处理研究[D]. 河北工业大学, 2013.

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张志勇(1977～)，男，大学本科，工程师。

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[定稿日期]2016-09-28