浅析岩溶地质条件下的桩基施工

尹小香

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南 长沙 410000

1 工程概况

清远北江大桥为清远第一城侧跨越北江的一座特大桥。全桥长993.97m，有0#～28#共29个墩台。其上部结构组成为：2×20m+11×30m+（50+2×90+50）+11×30m=980m，包含2孔20m的预应力砼空心板梁，22孔30m的预应力砼T梁，以及4孔一联的预应力砼连续刚构。其下部结构为ϕ1.8m～ϕ2.2m直径的钻孔灌注桩基础。其中0#、1#墩为ϕ1.8m钻孔灌注桩，共计8根；14#、15#、16#三个主墩为ϕ2.0m钻孔灌注桩，每墩10根，共计30根；其余各墩均为ϕ2.2m钻孔灌注桩，共计54根。除0#、1#、2#三墩台的10根摩擦桩外，其余82根桩均为处于溶岩及裂隙较发育地带的支承桩[1]。

2 工程地质及水文地质条件

大桥范围内地层分成四组，表层为第四系松散沉积层，以灰色、灰白色和黄色冲洪积粗砂、砾砂、卵石和粉质黏土为主，厚度2.0～12.9m。第二组为第四系残积层，主要分布在桥南，为黏粒占主要成分的粉质黏土。第三组为老第三系沉积物，呈紫红色、红褐色强风化砾砂岩，该层厚度0.5～7.5m。第四组泥盆系上统石灰岩，岩层顶面高程－49.92～-12.5m，石灰岩顶面溶蚀裂隙与节理裂隙较发育，桥位中部、北部发育程度高于南部，地质勘察钻孔中多数发现有溶洞。主桥位溶洞分布广而多。在桥位方案论证中，第一方案，28个钻孔，有12个发现了溶洞；第二方案，28个钻孔，有17个发现溶洞；第三方案，28个钻孔，有11个发现溶洞，最大的溶洞约16m。溶洞按其填充状态可分为空的、半填充的和完全填充的三类：按其填充物的性质可分为黏性土、沙砾和稀土三类；按其漏水情况可分为漏水和不漏水两类。溶洞的走向与河流的流向相同。根据上述地质条件，从技术、经济等方面经过比较，选择了静压化学灌浆法、套内护筒法等施工技术配合使用处理溶洞，取得预期的效果，推介如下[2]。

3 主桥桩基对溶洞的处理

主桥桩基精确放样后，在桩基施工平台上用地质钻于桩中心进行超前钻，必要时增加钻位。根据超前钻的结果，确定护筒的打入深度。有溶洞的桩位，护筒沉至风化岩层，置于强风化岩面上，这样可穿过土洞。护筒的底部即为岩层或溶洞的顶部。没有溶洞的桩，护筒沉放要穿过淤泥质亚黏土、黏砾层，置于沙砾质亚黏土层至少2m深。根据溶洞的不同类型，最后决定兼用两种不同的施工方案。

方案A：当溶洞内有填充物填满或有流沙的，或当溶洞为空洞或填充物不满（水洞）且深度在3m以内的，在钻孔桩施工前先进行预处理，采用静压化学灌浆法固结填充物和流沙，或用此法填满溶洞，在固结体达到一定强度以后再钻孔施工。

方案B：当溶洞为空洞，且深度在3m以上的，拟用套内护筒法施工，即用内护筒穿过溶洞的施工方案。

方案A（静压化学灌浆法）施工方法。

图1 基坑防护图

3.1 技术要求

溶洞预处理的目的是为了加固溶洞填充物和填满溶洞空间并达到一定的强度（20MPa以上），防止钻孔桩施工时泥浆流失、流沙及坍孔等情况的发生，保障成孔及水下混凝土浇筑等一系列施工工序的顺利完成。溶洞预处理施工，在钻孔桩施工之前进行，相当于在桩基础施工过程中，于钻孔桩施工工序之前加入一道预处理工序，与桩基施工的各工序一起形成流水作业。

3.1.1 处理方法选择由于溶洞埋藏较深，不能用爆破或填充混凝土等一般方法处理，有效的处理方法是灌浆法。而在众多的灌浆法中，因溶洞的不规则性，决定了其处理的最有效和比较经济的方法是静压化学灌浆法。因此，采用静压化学灌浆法，同时也可兼用喷射灌浆法，促进填充物强度的加强。

3.1.2 静压化学灌浆的加固特点浆材可在几秒或在几十秒内瞬间凝固，可控制浆液灌注在一定范围内且不流失，材料的利用率高，比较经济。浆材的结石率为100%，即1m3体积浆材可得1m3结石体。对溶洞中的砂、砾等土体，浆液是通过渗透作用板结砂和砾的；对于溶洞中的稀土、亚黏土等土体，浆液是通过劈裂、挤密作用加固土体的；对于无填充物和半填充溶洞的空间，浆液是通过充填作用填满溶洞的。浆液在土体中的渗透扩散方向是往小主应力面方向，浆液固化后，小主应力面得到加固，而原次小主应力面变成小主应力面。这样，通过对小主应力面反复不断的加固，一方面渗透、挤密溶洞中的土体的空隙，充填溶洞的空间，在桩体周围形成防水帷幕，防止流沙和保证护壁泥浆不流失；另一方面，提高溶洞中土体的承载力和抗剪力形成挡土墙，防止坍孔。静压化学灌浆的关键在于浆材的配方和工艺。

3.1.3 工艺设计布孔：在超前钻有溶洞的桩位四周均布4个灌浆孔。钻孔：孔径80mm，孔深要求达到最深溶洞的底部。 材料：普硅425＃水泥（新标准为普硅32.5MPa水泥）与化学浆。工艺：采用双液灌浆系统进行全孔灌浆，要求少量多次、反复灌浆。

3.2 主要施工机械设备

主要机械设备有：BW250泥浆泵，BW150泥浆泵，100型钻机，泥浆搅拌机和贮浆槽，高压灌浆管及其配件。

方案B（套内护筒）施工方法

3.2.1 内护筒长度的确定护筒长度L＝h＋3（m）（h为地质超前钻确定的溶洞高度）

3.2.2 内护筒内径的确定。内护筒内径应大于Φ220cm，同时外径应小于外护筒内径5cm左右，如果只下一次内护筒（一层溶洞），内护筒内径选用233cm，壁厚为1cm，则外径为235cm（主桥外护筒内径为240cm）。当遇到第二层溶洞时，第二层溶洞的内护筒（即第三次护筒）选用220cm内径。

3.3 溶洞顶部冲孔

根据超前钻的资料，当钻孔施工接近溶洞顶部时，用冲击钻冲孔，要求轻锤慢打，使孔壁圆滑坚固，提升高度一般不超过50cm。所有卡扣及钢丝绳必须先经测试检查，其他施工工艺及注意事项与常规相同。

3.4 内护筒的沉放方法

3.4.1 当冲击穿过溶洞顶部时要反复提升冲锤，在顶部厚度范围上下慢放轻提，冲锤不明显受阻碍，说明顶部已成孔并且是圆滑垂直的，此时用钢丝绳活扣绑住内护管，用吊机（或冲机自吊）把内护筒放入外护筒内至孔底。到孔底后，内护筒不会靠自重沉到溶洞底部（因溶洞底有沉渣、沉淀物等）。

3.4.2 将内护筒进行下沉，直到溶洞的底部。

3.5 内、外护筒间空隙及内护筒与溶洞底部间空隙的处理

3.5.1 在内护筒底部及顶部100cm范围内回填砂、碎石，中部回填中砂。

3.5.2 用高压喷射灌浆法（施喷法）对回填体进行灌浆处理。灌浆后，内护筒上下两端空隙被砂、碎石及浆液冲填固结，固结强度要求达到30MPa，其抗渗系数可达10～7m/s。灌浆处理后，即可重新冲孔。

3.5.3 在内护筒顶部及底部100cm范围内回填小碎石素水泥混凝土，内护筒中部回填砂，同样能起到堵塞空隙的目的。

3.5.4 对于需要处理多层溶洞的桩基，一般仍采用上述灌浆法填充固结空隙进行施工。目的是为了增加溶洞底部（同时有可能是下层溶洞的顶部）附近填充物的密度和强度，并且增加内、外护筒间的胶合力。

3.5.5 重新冲钻，直至嵌入完整基岩。当符合设计及规范要求时，经监理工程师同意即可终孔，此桩即成孔。成孔后的工序工艺与常规相同，并不赘述[3]。

4 施工过程中的常见问题及技术措施

4.1 钻孔漏浆

在施工过程中有可能会出现漏浆现象，尤其在钻孔过程中的漏浆现象更是十分常见。一旦出现钻孔漏浆，很容易引起碎石层、强风化层的坍孔现象，甚至对施工现场人员人身安全带来极大的威胁。为了能够解决这一问题，在出现钻孔漏浆中，应当尽快借助应急预案迅速对桩孔进行回填处理，以反复冲砸的方式解决钻孔漏浆问题。

4.2 卡钻

出现卡钻的原因可能是碎石层护壁牢固质量不足的缘故，导致部分大孤石块出现滚落以引起卡钻现象。在这种情况下，需要结合钻进记录进行分析、推断孔位位置的孤石，如卡钻位置与偏孔位置一致的情况，则需要采取应急预案来利用钢轨制小钻头进行反复冲击，以砸碎大孤石块，有效解决卡钻现象。

4.3 清孔漏浆

在钻孔结束后的清孔处理环节中，也有可能出现漏浆现象，针对清孔漏浆现象，可以应用向孔内补充浆液的方式进行处理。然而在实际现场中可以显然看到，泥浆面与护筒顶部位置距离相对比较稳定，因此需要从孔内进行回填以堵漏处理，在反复冲砸中尝试减少泥浆面与护筒顶部位置的距离。如果不成功的情况下，可以结合设计要求、监理同意后，从钢筋笼位置埋设压浆管，待灌注结束数日后从桩底压入水泥浆的方式解决漏浆问题。

图2 清孔漏浆图

5 结束语

化学灌浆法对溶洞的预处理可达到预期目的，有效防止了钻孔桩施工时泥浆流失、流沙及坍孔现象，可保证成孔及水下水泥混凝土浇筑等工序顺利完成。套内护筒法要求对施工过程的每个环节（从确定内护筒长度、内径到沉放方法乃至内外护筒间空隙、内护筒与溶洞底部间空隙的处理）都必须落实到位，便可顺利成孔。只要施工程序合理，施工过程严格把好技术关，可有效缩短工期，保证了工程质量与经济效益的双赢。