岩溶极强发育地区桩基施工处治方案研究

罗 德 泉

(广州市高速公路有限公司，广东 广州 510305)

0 引言

岩溶地区地质情况复杂，岩溶地区桩基施工面需要解决冲桩过程中孔位防护、孔壁防护问题、漏浆问题，周边存在重要构造物时岩溶地区桩基施工容易引起周边地层变形，引发次生灾害，造成人员和经济损失以及不良社会影响。项目位于广花盆地岩溶极强发育区，溶洞发育，存在较厚砂层，在项目范围内广泛分布淤泥层，项目周边交通繁忙，重要结构物众多，项目施工过程中发生周边地层沉降事件。本文在沉陷事件分析与处理的基础上，介绍总结敏感地区岩溶桩基处置方案。

1 工程概况

项目区内隐伏岩溶位于第四系下，全线均有分布，根据钻探及收集资料成果，岩溶多呈串珠状，岩溶的埋藏深度变化较大，规模大小不一，洞高0.15 m～21.4 m。充填物为软塑状粉质粘土，少量无充填或半充填。全线遇洞率26.57%，线岩溶率0.3%～73.18%，桩基岩溶属弱～极强发育，溶洞、溶槽或溶蚀裂隙较为发育，桩基成孔过程中泥浆易流失引起塌孔。

2 周边地层沉降典型案例及成因分析

岩溶区的地基基础研究方面,迄今国内还没有进行系统的研究,目前较多报道的是一些学者和工程技术人员针对具体的工程实践过程中所遇到的岩溶地基、溶洞地基、土洞地基、塌陷地基的分析评价。目前,评价岩溶地基稳定性和岩溶地基处理的方法多是定性的、经验性的。在岩溶发育地区最常见的地质灾害便是岩溶塌陷。其表现形式主要为突然毁坏城镇设施,导致道路和建筑物破坏。

周边地层沉降典型案例:

项目主线桥50号墩附近地面发生塌陷。塌陷发生时50-3桩基完成预注浆钻孔，尚未注浆；塌陷发生时CYZX50-3的土层地质特征土层从上至下分别为素填土、淤泥质细砂、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉细砂、微风化灰岩；微风化灰岩面埋深约18.5 m，其上紧邻3 m～3.5 m厚的粉细砂层；覆盖层内未见土洞，微风化灰岩有溶洞，且钻孔50-3揭露岩面有高度10.3 m的大型溶洞，顶板厚约0.4 m，洞内全充填软塑状淤泥质粉质粘土。

分析判断该处路面塌陷的原因有：岩面浅层的大型溶洞以及上覆细砂层是发生塌陷的自然原因；邻近桩基采用冲击钻施工，震动较大，导致溶洞顶板塌陷或者开裂，致使细砂层和淤泥层水土流失，引起地面沉陷。该路段临近白坭河，受潮汐影响，长期地下水位升降作用，在溶洞顶形成较大的土洞，在震动、挤压作用下，土洞下沉，引起地面下陷，如图1，图2所示。

3 岩溶地区桩基处置方案

3.1 岩溶地区桩基处理目的

岩溶区桩基设计与施工需根据地质情况与地层沉降、孔位坍塌发生原因采取有针对性的方案，项目孔位坍塌主要原因在于厚砂层的流失与原有土洞在桩基施工过程中失稳，以及泥浆流失时引起的真空负压作用破坏原有土洞稳定[1]。根据项目特点，本项目岩溶区桩基设计方案及采用施工措施的目的在于以下几方面：

1)保证地面稳定。

项目地面失稳的风险源为淤泥质粉质粘土层和砂层，保证地面稳定采用的主要措施是在覆盖层打设钢护筒，以免在冲孔击穿顶板时、或漏浆时造成孔口塌陷。

2)保证溶洞段护壁稳定。

项目保证溶洞段护壁稳定采用的主要措施是抛填片石粘土多次成孔，对无充填或半充填的溶洞进行预注浆或灌混凝土封闭，必要时采用旋喷帷幕或钢护筒穿越。

3)保证现有结构安全。

项目位于市区，沿现状主干道路建设，现状交通量大、重载车辆多，沿线重要结构物广泛分布，对地面变形、稳定要求较高，故溶洞处理的力度宜适当加强。在桩基施工前，对软弱地层及溶洞进行预处理，减少桩基施工风险。

3.2 溶洞区桩基设计及施工控制方案

本项目部分桥梁位于灰岩地区，岩溶较为发育，桥位区内地层夹有多处土洞、溶洞，溶(土)洞分布空间及深度具有一定的随机性，岩面埋深不一，强度不均匀，地质情况变化较大。作为地下隐蔽工程，在桥梁桩基础施工中，遇到溶洞给施工带来很大困难，如处理方法不当，往往会造成掉钻、卡锤、埋锤、漏浆、塌孔、断桩等事故发生，甚至会影响桥梁结构安全。因此在桩基施工前充分了解桥梁各桩基所遇溶洞的发育规律、基本形态、规模大小、溶穴顶底板岩层厚度、完整性、洞内充填物形状等，以采取稳妥的处理措施，确定合理的桩基类型和桩底高程。针对项目岩溶发育情况，项目统筹勘察、设计、施工单位进行了溶洞区桩基设计施工方案探讨。

1)地质勘察阶段。

岩溶塌陷成因复杂，影响因素众多，且具有隐伏性、突发性等特点[4]。岩溶区域桩基础的工程地质勘察一般采用一桩一孔或多孔的地质钻孔法,受岩溶发育不规则因素的影响,个别桩位处岩层差异较大,岩溶分布极不规则,需综合运用多种措施加强岩溶桩基的地质勘察:

a.补勘阶段采用逐桩钻探+管波探测,对于钻孔揭露存在岩溶发育,且溶洞分布差异较大的桩位,以及独立柱桩,适当增补钻孔。

b.采用增补勘察钻孔仍不能探明溶洞分布的岩溶发育复杂地段,采用地质钻探结合地层CT探测的方法,推断孔旁溶洞或软弱夹层的发育情况。

c.对于单洞高度大于5 m,串珠状溶洞总高大于8 m,且存在顶板较薄、上覆砂土层的桩位,补充对桩位附近重要地面道路、桥梁、房屋等结构物的地下溶洞分布情况的CT探测。

2)设计阶段。

结合地质勘察结果进行动态设计，根据地质情况与周边结构物重要程度进行安全等级划分。综合地质钻孔、管波探测、CT扫描结果采用“一桩一方案”的形式,出具设计方案。对于洞高超过10 m的大溶洞进行专项设计。

a.按岩溶路段桥梁基础施工过程中产生事故后果的严重性从高到低分为三个等级:高危险等级、中危险等级和低危险等级。根据新建桩基附近地质情况对施工风险进行等级划分,共分为三级:高风险等级、中风险等级及低风险等级。综合危险区域及施工风险等级,将桩基安全等级从高到低分为1级～3级，如表1所示。

表1 桩基安全等级划分表

b.综合考虑桩基施工影响及造价因素针对不同的安全等级采取不同强度的防护措施。对于安全等级为1级和2级的桩基，覆盖层及桩底采用预注浆的方式填充土洞，封闭溶洞通道。采用钢护筒跟进穿越软弱层，进入粘土层一定深度或沉放至岩面。

3)施工阶段。

a.据周边情况、钻孔深度、岩土层情况、溶洞发育情况、泥浆排放及处理条件综合考虑，选用合适钻孔设备。冲击钻适应各种不同地质情况，更容易处理斜面、漏浆等情况；发生漏浆、塌孔事故时提钻快、处理及时。且冲击钻在过溶洞时通过反复冲孔可将无填充溶洞填堵密实，堵塞溶洞间连通通道，防止桩位附近地层出现沉降。

b.为控制成孔质量，采用成孔专用膨润土与粘土，冲孔施工过程中控制泥浆比重，在接近溶洞顶板时提前预抛片石粘土与袋装水泥，同时采用小冲程慢进尺。

c.钢护筒采用引孔跟进工艺，成孔期间采取适当的护壁措施保证覆盖层的稳定，比如加大泥浆比重、严格控制进尺、适当添加成孔材料(如片石、碎石、粘土、水泥)对于沉放至岩面人钢护筒，底部冲至岩面，采用抛填片石、粘土或混凝土的方式进行护筒刃脚的护壁，确保护筒刃脚的安全。

d.改进注浆工艺。为控制注浆稳固效果，对水泥双液浆配比进行试验取原装土层与砂试制试件，确定合适的配比与凝结时间。为控制施工过程中注浆稳压压力，采用“一钻一注”的注浆方式，逐孔注浆。

4 结语

岩溶地区工程地质有一定的复杂性,经过多年来的工程实践,各种新方法、新技术尤其是信息技术、电子计算机技术的引进,使岩溶工程勘察得到了很大的发展[2,3]。在岩溶极强发育区，需在勘察设计阶段及施工阶段采取措施，综合应用地质钻孔、管波、地层CT等方法对岩溶发育进行勘查，为溶洞处置提供基础技术资料；综合考虑危险区域及施工风险等级将项目区域内桩基进行安全等级划分；通过综合分析桩基施工影响及造价因素针对不同的安全等级采取不同强度的防护措施，选取合适的施工机械，控制泥浆质量与注浆质量。通过以上措施项目总结，并不断完善项目岩溶地区桩基处置方案，在实际施工中取得了很好的效果。