破碎山体溶洞桩基施工技术

破碎山体溶洞桩基施工技术

摘要：溶洞桩基施工一直以来都是桥梁施工的难点，破碎山体、岩溶十分发育、地表地下水丰富，陡峭坡体易坍塌，各种不利地质条件集中体现，对比各种施工方法：抛填片石法、灌注混凝土法、护筒跟进法，采用各种成孔设备：旋挖钻、冲击钻、人工挖孔设备，最终形成一套安全快速，经济合理的溶洞桩基综合处理成型技术，有现实的推广意义。

关键词：破碎山体；溶洞；桩基；施工；技术

莆炎高速公路三明段雪峰大桥，全长492m，上部结构形式为16跨*30m连续刚构T梁，先简支后连续，下部构造采用柱式墩、箱型墩搭配桩基础，U型台搭配桩基础。地处石灰岩溶蚀严重，发育溶洞，且山体经过三钢集团采矿区，山体已经过30m深孔松动爆破，大部分山体处于失稳状态，桩基长度变化较大。此地雨水丰沛，径流量大，地表水经溶洞溶腔互相连通，坡陡路滑，且桥梁所在地为当地水源涵养区，环保要求高，施工难度极大。

一、溶洞处理总体方案

根据地质不同，岩溶预处理目前主要采用了以下五种办法：

1.溶腔大且无填充的情况下，原则上采用灌注砼或者砂浆进行填充。

2.对于有充填物及较小空洞的情况，采取充填片石钻进方式为主，必要时灌注素混凝土进行封堵，以利于成孔。

3.对于明显可见的半坡上的溶洞，采用旋挖钻成孔。主要为8号墩，一共采用旋挖钻成孔3根，但因岩质坚硬、桩长深、桩径大，旋挖钻机钻杆多次扭断，造成旋挖钻机自行退场。

4.桩长小于20m且溶洞深度小于1.5m的桩基，采用人工挖孔施工，溶洞采用片石砌筑及模筑混凝土等方式进行封堵，减少泥浆、塌孔等风险。

5.对于多层溶洞，多次出现反复、重复漏浆的，如第一层溶洞漏浆处理完成后，在第二层或第三层等下层溶洞漏浆处理后，第一层溶洞再次漏浆。多于这种情况主要采用低层黏土回填至漏浆位置下方，然后灌注混凝土利用冲击钻进行充填，挤压混凝土堵塞漏浆溶洞的方式进行处理。

二、溶洞处理施工工艺

（一）黏土+片石+袋装水泥等填充复钻

黏土、片石及袋装水泥填充复钻处理溶洞的范围较为广泛，是最主要的处理方式。其方便、快捷，节省费用。此种方法适用于：全填充粘土、砂等填充性较差的物质，半填充或者无填充溶洞。

对照地质图，当钻至溶洞顶板lm左右时，减小冲击钻冲程，控制在1～1.5m，通过短冲程快频率冲击的方法逐渐击穿溶洞，溶洞一被击穿，孔内水头迅速下降，这时采用片石、粘土和整包水泥（按1 m3：3 m3：0.5t比例，顺序为袋装水泥、袋装粘土、片石）回填5m冲击，用0.5～0.8m小冲程，不循环泥浆干打几分钟，使用黏土填充密实，再加水造浆提高水头到正常高度，等水泥初凝具有一定强度，将漏浆处堵住后再使用小冲程继续钻进，形成人工泥石护壁。如此反复多次回填片石、粘土和整包水泥，反复冲击直至形成泥石护壁并不再漏浆为止。

采用回填片石、粘土处理溶洞时，钢护筒底须穿透砂砾等透水层、落在不透水层上，尤其是多层溶洞，以防止出现溶洞后孔内水头急剧下降而造成坍孔。

对于较大的溶洞，尤其是半填充或无填充溶洞，有时采用填粘土和片石的方法难以成孔，或者担心成孔后灌注水下混凝土时孔壁被挤垮，这时用混凝土的方法处理。

有些较大的半填充的溶洞内，部分填充物强度较高，形成类似“探头石”等地形，在钻孔时容易发生偏孔卡钻，有这种现象时，采用填充混凝土处理效果较好。

（二）钢护筒跟进方案

钢护筒跟进的目的：主要是防止贯通溶洞的漏浆而造成砂质覆土层的塌孔，通过下置内护筒的作用，即可顺利穿越溶洞层至设计桩底标高，达到顺利终孔的要求；同时避免砼超灌甚至无法灌注至设计桩顶标高等情况。主要用于左幅12#-1桩基。该桩施工9个月扔无法成孔。根据地质补勘图纸显示，该桩存在4层溶洞，且溶洞位置相对集中，溶洞深度基本为0.5—0.7m，采用片石黏土充填及混凝土封堵均不能有效冲进，且孔口土层多次坍塌，孔口标高降低4m扔无法成孔，最终采用钢护筒跟进方案进行施工。

外钢护筒的内直径为D=d+40cm（d为设计桩径），壁厚δ=12㎜，采用机械卷制加工制作；内钢护筒：采用壁厚δ=12～18㎜的钢板，在加工场用机械集中卷制加工制作，焊缝全部为双面坡口，每节制作长度为7.5～10.5米，制作内钢护筒的内径D′=d+20cm（d为设计桩径），制作好后运至施工现场。

各节内钢护筒的连接焊缝全部采用双面开坡口进行满焊，两节护筒的接缝除施焊外，还需在接缝处焊接50mm宽、δ=10㎜的加强钢带。以保证其尺寸准确，使护筒体顺直度达到要求，整个内护筒的竖向壁成一直线。对其控制好质量的环节上起到关键的作用。

钻头比桩径大20cm，正常钻进至溶洞上方约1m处，采用50T履带吊辅助DZ135振动锤，先将内钢护筒分节打入土层中至岩面，再进行回钻成孔。在下沉钢护筒的施工过程中，振动锤必须平稳，牢固的焊在内钢护筒顶部，并在护筒顶面的平面位置一定要居中，尽可能避免因偏心造成护筒产生偏斜。同时采用水平尺严格控制好各节护筒连接的垂直度，不得超过施工规范要求的1/200，力求钢护筒垂直入土。若一旦发现有偏斜的趋势，马上进行纠正，将可能发生偏斜的不利因素消除在萌芽状态中。

内护筒沉入岩面后，先采用冲锤进行成孔一定深度后（注：进尺为1.5～2米），及时采用25T汽车吊辅助振动锤将内护筒下沉至进尺岩面标高处；然后再进行冲孔、下内钢护筒；与之循环反复进行至桩底设计标高处；同样，在施工过程中严格测量、控制好各节护筒连接的垂直度，不得超过施工规范要求的1/200。

三、溶洞区域桩基施工

（一）钻进

因地质情况的复杂性，部分溶洞仍由可能达不到理想的预处理效果，而且因桩基较深，钻探压浆孔孔底偏位可能较大，对预处理的效果有影响。因此在钻孔过程中注意在达到溶洞位置时仍然要注意减小冲程，观察溶洞处理效果，防止溶洞处理效果不佳时造成卡钻及掉钻。在钻进过程中要结合设计地质展开图和预处理施工记录，做好溶洞二次处理的准备工作。

当钻进至小型溶洞出现漏浆时，应及时抛填片石、黏土、袋装水泥，补充优质泥浆进行复钻。 当钻进至大型溶洞出现漏浆时，首先应及时抛填片石、黏土及袋装水泥，补充优质泥浆进行复钻，如处理效果不佳时，考虑填筑低标号混凝土，填筑低标号混凝土的处理措施仍然失效时，采用水泥压浆或者水玻璃双液注浆处理。

在钻进过程中应勤测量主绳与桩中心偏差及垂直度，过程孔位偏差应小于10mm，垂直度不大于1%，保证成孔质量。

（二）溶洞地区钻孔桩冲击成孔事故原因、处理及预防措施

1.钻孔偏斜

当施工中遇到溶洞分布不均或者裂隙比较破碎的地层时，有时会出现钻孔偏斜，其原因主要是由于岩层中岩石结构不同，受到风化侵蚀的程度也不同，岩层软硬不均，岩面倾斜，或者是一些不规则的空洞，造成冲击钻底部受力不均等，出现偏斜。

在钻孔过程中遇到软硬不均的地层时，会发现冲击钢丝绳会有规律的向一侧摆动，此时可向孔内倾斜的一侧抛填片石，同时采用小冲程冲击，直到冲击钢丝摆动幅度正常，垂直上下时，方可采用正常施工方法施工。若岩面倾斜坡度较陡，岩层较硬，纠偏不成功时，可采用水下爆破或利用地质钻机密排钻孔，然后再改为上述方法纠偏。

2.卡锤

当钻进到粘土层或者夹杂溶蚀性的沟槽时，经常发生卡锤事故，分析其主要原因有如下几个方面：在粘土层中冲击的冲程太高，泥浆太稠，遇到溶蚀性地层时，没有及时调整冲程，造成卡锤被溶沟、溶槽卡住；钻孔形状为梅花形，冲击锤被狭窄部位卡到；孔口掉下较大石块或者其他东西，卡住冲锤。针对以上出现的各种卡锤的原因，采取不同的处理和预防措施，不宜盲目大力向上拉锤，待冲锤有松动后方可用力向上提，否则冲锤可能会卡的更紧或者塌孔埋锤。通常采用打捞钩、活套进行打捞或者用千斤顶协助提锤，当卡钻部位为较为坚实的岩层时，用低浓度的泥浆置换高浓度的泥浆，清理孔中的钻渣，利用爆破法、上下反复顶撞卡点岩块，将钻头提出，再用片石回填至卡钻部位以上1m以上，然后采用小冲程穿越该地层。

3.漏浆

当钻到有空洞或者裂隙较发育的地层时，经常发生漏浆事故，分析主要原因是溶洞内无填充物，溶洞顶被打穿造成漏浆，或者基岩裂隙较发育，泥浆漏入裂隙中。针对上面的漏浆事故，在钻孔前应预先在钻孔口附近准备足够的粘土、片石，泥浆池比一般的要大些，保证突发漏浆时，能及时补浆和回填桩孔。根据地质勘察情况，在距离溶洞比较近的地方，减小冲程，加大泥浆比重，密切观察泥浆情况，发现泥浆面变化，立即提起冲锤，补充泥浆，回填片石和粘土混合物，待泥浆稳定后方可继续冲孔。在冲击过程中可能会反复发生漏浆情况，重复上述做法，直到不再漏浆为止。

4.塌孔

当溶洞顶覆盖层为松散砂性土，溶洞内无填充物，冲孔到此处时，漏浆面急剧下降，引起钻孔沙土随泥浆流入溶洞，造成地面塌陷，甚至造成人机掉入洞内的严重后果。针对这种塌孔，先用粘土回填基坑，然后向孔中抛填片石，待地面稳定后重新放样钻探，钻探时尽量采用小冲程，同时密切观察泥浆情况。此类事故的原因，主要是溶洞较大，且无填充物，上覆盖层结构松散，在冲击钻的冲击下，溶洞顶岩层突然破裂塌陷，泥浆瞬间流失，泥浆连带松散的覆盖层流入溶洞，造成大范围的坍塌。为预防此类事故，根据地质钻探资料，若岩层以上为松散的砂类土或者易坍塌的岩土时，采用护筒跟进至溶洞底，冲击时采用小冲程，避免一墩多台钻机同时施工。施工中出现塌孔埋钻事故时，若坍塌量较小，采取直接清孔，千斤顶、吊机配合将钻头提出；若坍塌量较大时，采取下护筒至锤头，用空心锤清理锤头，千斤顶、吊机配合将钻头提出；若采取上述措施无法处理时，考虑直接冲砸钻头，配合磁铁将铁屑吸出或提请设计变更处理。

四、泥浆处理与环境保护

溶洞施工产生的泥浆处理，是不容回避的问题，开始施工前就要做出处理预案。施工前，组织建设单位、监理单位、施工单位，及当地环保水利等部门，研究对策，制定有效方案，坚决执行。

由于溶洞四通八达，不易确定泥浆突然从哪里流出，要围着施工区域，提前修筑挡土墙，加强土体，在挡土墙外围建设大型拦泥坝，每个拦泥坝容积不小于500立方，使用泥浆处理系统使泥水分离，循环利用，或者使用泥浆车外运处理。

在每个桩基施工场地附近修建泥浆池，泥浆池的容积应大于该桩基设计体积的1.5倍，泥浆池设泥浆泵可通拦泥坝，确保泥浆存放在指定的区域。

结论：地质条件千差万别，溶洞桩基的施工方法在不断的总结和完善，随着新型施工设备的推广，更加详细更加标准的施工措施得以实施，安全有效，环保节能，科学合理，综合施工溶洞桩基的能力，必将得到进一步的提升。

参考文献

[1]《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011），人民交通出版社.

[2]《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004），人民交通出版社.

[3]中华人民共和国交通运输部.高速公路施工标准化活动实施方案，2011.2.23.

[4]水利部办公厅关于印发《生产建设项目水土保持设施自主验收规程（试行）的通知》（办水保[2018]133号）.