浅谈溶洞群地区桥梁桩基设计与施工中的若干问题
随着城市建设的进一步发展，越来越多的桥梁建设在设计中无法避免要经过一些溶洞群等不良地质区，贵阳环城高速公路南环线牛郎关互通立交桥梁共10座，总长3567延米，设计桩基础436根，桩径为φ1.8m的端承式嵌岩灌注桩。
本文通过该互通立交桩基础施工实践对溶洞群地区桩基设计和施工中的若干问题进行讨论，为以后类似工程设计与施工提供参考意见。
标签：桥梁桩基础溶洞群施工方法
0 引言
牛郎关互通立交设计桩基436根、桩径为φ1.8m的端承式嵌岩灌注桩，设计挖孔桩274根，钻孔桩162根，桩基总长7146.5m，挖孔桩最深27m，最浅9m，钻孔桩最深62m，最浅7m。
实际施工中，由于桥位区岩溶极为发育，分布广，走向复杂，溶腔多样，形成了溶洞群，加上地下水极为发育且埋藏浅，造成溶腔填充物复杂。
其中设计的66根挖孔桩在施工到一定深度后因黄泥、流砂、水大无法继续下挖而变更为钻孔桩施工。
虽然整个互通桥梁桩基每孔都进行了地质钻探勘查，但因由于该地区存在极不规则的溶洞群，导致钻探后仍然存在许多不可预知性，给桩底持力层的确认带来很大难度。
本文通过该互通立交桥桩基施工实践对溶洞群区域地基桩基设计与施工中的若干问题进行讨论，为今后类似工程的设计与施工提供参考。
1 桥位区地质情况
牛郎关互通立交地处贵州高原中部山区，位于贵阳市花溪区孟关乡牛郎关，桥区地貌类型属构造溶蚀型低中山地貌，岩层结构基本是露地层为上覆残坡积层（Qel+dl）亚粘土，下伏基岩为三叠系下统安顺组(T1a) 薄～中厚层状白云岩，大冶组(T1d)薄至中厚层状灰岩，层间夹泥线、钙质泥岩。
地层产状为280°∠65°，呈单斜产出。
该区为白云岩分布区，根据钻探资料，白云岩存在不均匀风化，风化厚度变化差异很大，局部地段岩溶发育，钻孔揭露溶洞较多，且桥区地下水丰富、埋藏浅。
大部分溶洞内有充填物，充填物以黄色黏土为主，偶含角砾、砂质、白云岩和灰岩碎块，且涌水量大现象。
溶洞最大高度为16m（牛郎关1号大桥6号墩），最小高度为0.5m左右，综合全区溶洞分布相对高差为37.58m，可见溶洞在深度分布上无明显规律性。
2 关于桩位钻探问题
施工钻探和勘探对设计及施工而言是非常重要的一环。
有以下3个问题值得讨论：
2.1 钻孔数量。
设计要求施工钻探为一桩一孔，即在桩位中心处钻孔，根据《公路工程地质勘查规范》（JTJ064-98），对桩径φ2.0m可采取一桩一孔。
实际施工中，发现溶洞发育区多数桩基中心及桩围1～1.5m的范围补钻1～3孔揭示的溶洞发育程度、高程情况各不相同，体现岩溶地质的复杂性。
本人认为当桩位中心钻孔揭示的白云岩或灰岩为新鲜完整的微风化岩时，可以据此作为设计依据，若孔中心钻孔揭示的岩石呈弱风化、裂隙发育、岩石破坏，或虽岩芯完整，但溶孔、溶槽发育时，必须沿桩身外围三角补钻。
2.2 钻孔深度。
按照《公路工程地质勘查规范》（JTJ064-98），岩溶地区钻孔深度为设计桩底以下整体岩层不少于5m，本项目由于桩基是边勘查边设计边施工，建设单位及设计单位要求钻孔入岩深度为桩底设计标高以下整体弱风化不小于5m。
本人认为，地质钻孔深度应探入连续完整弱风化岩层应不小于8m较为合适（因岩层溶洞发育差别很大），以探明桩底以下8m的完整持力层情况是更安全可靠。
2.3 钻探工期安排。
本互通立交在施工队伍进场后，才边钻探、边设计、边施工，往往等不了设计审查这一关，因设计仓促经常给施工进度造成一定影响，设计本身不够完善的地方也难以发现。
本人认为，为保证工程质量，能在详细设计阶段完成钻探是非常必要的。
3 关于桩基嵌岩深度及持力层厚度问题
关于桩基嵌入完整基岩的深度，现行规范有以下两种计算模式：一是《建筑地基基础规范》（GBJ7-89）计算模式，只计算基岩端阻力，嵌岩深度按构造要求确定，但不小于0.5m，并要求桩底以下3倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、洞隙分布，在桩端应力扩散范围内无岩体临空面，岩石地基承载力可根据其折减系数换算确定；二是《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）计算模式，该计算模式不仅考虑嵌岩段端阻力和侧阻力，而且还计算桩身周围覆盖土层侧阻力，应该说，这种计算模式是比较符合实际。
但是对于岩溶地区而言，由于石柱、石笋、溶沟、溶槽、半边溶洞、窜珠溶洞等形态存在，给计算桩身侧阻力和桩底承载力带来很大麻烦，设计时应慎重，应适当提高安全系数，确保桩基承载力安全可靠。
对于桩底溶洞顶板的持力层安全厚度，专家咨询意见为≥5m，设计及施工中均按该意见执行控制。
对于岩溶地区挖孔桩，可在挖孔至设计高程后，采用人工配风钻的方法在孔底周边三角布设3个钎探孔进行探明桩底5m以下是否存在溶洞、溶沟等现象，一旦发现孔底5m范围内持力层厚度存在较大差异，就不能受溶洞顶板5m厚度的限制，应穿透溶洞置于完整基岩上。
根据计算数据及施工经验，当岩面较平整，桩的嵌岩深度超过2倍桩径时，桩侧嵌固力约占总荷载的50%以上，随着嵌固深度增加，承载力也随之增大，当超过3倍桩径时，承载力增长已不大，故嵌岩深度不宜过大，为防止岩溶地区存在未探明的溶洞，或桩基底落于溶沟、溶穴、岩笋之上等，桩底承载力不能充分承受时，本人认为应最大限度地利用桩侧嵌固力，桩基嵌岩深度取2.5D～3D（D为桩径）较合理。
4 关于桩基成孔工艺的选择问题
由于岩溶地质的复杂性、不可预知性，结合该互通立交桩基施工实践，本人认为冲孔工艺较回旋钻孔工艺要好；在具备人工挖孔条件下，挖孔工艺较机械钻孔工艺强。
牛郎关互通立交桩基采用了机械冲孔和人工挖孔两种工艺。
对于孔深小于20m的桩基，岩层完整，溶洞无填充物、涌水量较小的桩基均采用人工挖孔工艺，该工艺最大优点是可全面开挖，工期快，对施工场地及用电量要求不高，最重要是能够清楚洞察桩底溶洞发育的真实情况，能与施工钻探地勘资料能直接对照，确保终孔桩底基岩完整，桩基安全性有绝对把握。
挖孔过程对于一般溶洞可采取浇注钢筋砼护壁、或浆砌砖墙封堵，其处理方法简单易行，若挖孔遇到大黄泥、流砂等流塑状填充物溶洞，挖孔便异常艰难，此时应改为钻孔，降低施工成本，确保施工安全。
冲孔工艺采用卷扬机加冲击锥施工，主要是该工艺对岩溶发育和岩层不均匀性具有较好的适应性。
由于溶洞发育极不规则，溶洞、溶槽、溶沟、溶穴、溶笋等形态存在，使得岩层均匀性极差，而不均匀地质对回旋钻机而言是致命的弱点，采用冲击钻可避免回旋钻卡钻、斜孔、进尺困难、溶洞处理难等缺点。
当然冲孔桩最大的缺点是孔桩经过反复冲击后，孔径变大，混凝土超灌量增加，因而冲击钻头外径经常采用比设计桩径小5～10cm，具体数据取决于施工经验或岩层强度，岩层强度大扩孔系数便小。
5 关于溶洞处理问题
溶洞处理方法有许多论述，这里结合本互通立交桩基施工实践，总结有以下几点：
①利用地质勘探孔提前给空溶洞补水，以达到防止钻孔过程中溶洞顶板被击穿时孔内泥浆水头突然下降而造成塌孔情况发生。
理论上采取增加泥浆储备以防水头突然下降而塌孔的做法是可行的，但实际施工过程中，塌孔发生是瞬间内的事，补充泥浆往往是来不及，加上泥浆有限，故个人认为利用地质钻探孔进行补水仍是预防钻孔过程突然漏浆塌孔的最好办法。
②遇到溶洞后回填片石黏土进行反复冲填，是处理溶洞、斜孔、卡钻等问题最简单适用可行的方法。
本互通桩基冲孔施工过程中对溶洞处理基本普遍采用该方法成孔。
③遇到溶洞裂隙发育，孔内漏水、漏浆严重，采用投片石和粘土往往不能解决问题，可采取投入袋装水泥和粘土，然后反复冲击使得水泥黏土拌和均匀，静置5～7d让胶体凝固后再冲击施工，该方法是处理裂隙漏浆最简单适用的有效方法。
其原理是水泥与黏土经过充分搅拌后形成一种具有强度的复合体，后经反复冲击而被挤入裂缝中起到封闭作用。
④孔口地表塌陷处理。
造成孔口地表塌陷原因主要有以下两点：一是孔口覆
盖层中角砾层、砂质土等被洗空而形成“空肚皮”，在钻机震动荷载作用下产生坍塌；二是因溶洞顶板比较破碎，原溶洞内充填物起临时支撑作用，因冲孔施工泥浆循环作用把充填物清除出孔外，造成充填物支撑作用逐步消失而引起溶洞顶板坍塌。
地表突然下陷是非常危险的安全隐患，唯一的预防措施是根据地质钻探报告资料认真分析溶洞顶板厚度和岩层强度，施工时要放慢钻进速度，或采用较小冲击锥先破穿溶洞顶板，同时多投入片石、黏土反复冲填挤密溶洞。
孔口地表可采用回填片石砼静置数天后再冲孔便可处理，必要时还可在孔口段适当加长钢护筒措施。
⑤挖孔桩施工中，经常出现孔壁突然崩塌漏浆，或孔底刚发现甚至未发现溶洞先突然涌起泥浆、流砂，极大危及孔下施工人员的安全。
遇到该情况时，不可盲目处理，应立即撤出人员、工具，待其涌浆或涌水稳定后，再安排施工经验丰富人员下孔清理，若清理顺利，不再有泥浆涌起出现，可先对溶洞进行处理后再继续往下挖孔，否则，最好选择重新回填片石、黏土至孔口后采取冲孔。
⑥桩基砼灌注过程中，为防止砼超压力过大挤垮由黏土和片石冲填维护溶洞孔壁，造成砼超灌或出现断桩事故。
故要求在灌注砼施工前，应先结合地勘报告资料和投入的片石黏土数量加以判断溶洞孔壁牢固强度，为防止意外断桩，建议灌注砼导管埋深最好选在4～6m，灌注速度要缓慢适当。
6 关于桩底沉渣清除问题
对于嵌岩桩而言，规范允许的孔底沉渣厚度≤5cm，采用冲击成孔工艺对孔底沉渣厚度控制显得非常关键。
一般而言，清孔阶段置换泥浆浓度应由浓变稀，一旦清孔完毕验孔合格后应立即下钢筋笼进行砼灌注，避免静置时间过长造成孔底沉渣可能超厚，初灌砼的冲击力会冲起部分沉渣，并随连续灌注过程，孔内泥浆水位上升而将部分沉渣带出孔外。
实际施工中，灌注成桩的桩基不可能每根桩底沉渣厚度都能够取芯检查，经常利用桩基砼内预埋的3根超声波检测器进行质量检查，一旦发现桩底沉渣过厚，可采用钻机取芯成孔（一般施工3孔），再用高压水从钻孔口注入，另外孔口出渣的循环通路，直至将桩底沉渣清除干净，再压注水灰比1:0.5d的水泥浆进行处理。
该处理方法投入小，简单可行。
另外，对于深孔桩，且桩基上半部有地下暗河穿过时，采用正常清渣的方法往往是无法成功，可采用加大泥浆稠度，并在暗河位置稍下方处再增加一台换浆机和桩底部换浆机同时清渣，不但功效高、效果好，而且还经济适用。
参考文献：
[1]《公路工程地质勘查规范》（JTJ064-98）.
[2]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）.
[3]《公路工程质量检验评定标准》人民交通出版社2004年第1版.。
