樁基溶洞處理措施及實(shí)例分析

林開明

(三明市公路養(yǎng)護(hù)中心，三明 365000)

1 引言

樁基礎(chǔ)工程是公路橋梁結(jié)構(gòu)的“基石”，它的質(zhì)量好壞是橋梁結(jié)構(gòu)永久穩(wěn)定的關(guān)鍵， 溶洞對(duì)樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量的影響及其帶來的安全隱患是明顯的； 特別是西南地區(qū)作為巖溶發(fā)育地帶，溶洞樁基隨處可見，處理起來很難，但是我們根據(jù)溶洞具體情況(類型、水流、大小、填充物情況等)，結(jié)合施工機(jī)械和材料等，是能夠?qū)痘芏磫栴}順利解決。

2 工程及地質(zhì)概況

莆炎高速公路三明段YA2 標(biāo)段雪峰大橋位于明溪縣城雪峰鎮(zhèn)郊，其中心里程樁號(hào)K288+443，全長492 m，樁基共計(jì)104 根，最長的達(dá)60 m，最短的18 m，橋梁上部構(gòu)造為先簡支后連續(xù)的16 跨×30 m 連續(xù)剛構(gòu)T 型梁，下部構(gòu)造采用柱式墩+樁基礎(chǔ)、 箱型墩+樁基礎(chǔ)、U 型臺(tái)+樁基礎(chǔ)。 其中左線0 號(hào)、2 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)墩樁基，右線0 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)墩樁基穿過溶洞。 7～16# 墩橋址所在為三鋼集團(tuán)原采礦區(qū)， 經(jīng)項(xiàng)目部調(diào)查該處山體已經(jīng)進(jìn)行過30 m 深的深孔松動(dòng)爆破， 山體上層30 m 左右均已破碎，與地質(zhì)補(bǔ)勘資料相吻合。 該部分山體大部分處于失穩(wěn)狀態(tài)，設(shè)計(jì)調(diào)查時(shí)地質(zhì)勘查未施工，施工圖紙中7～12# 墩均為暫定樁長， 后期補(bǔ)勘后7～16# 墩溶洞較多，樁基長度變化較大。

根據(jù)野外現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪分析及鉆探資料揭露， 橋址受推覆構(gòu)造影響， 橋區(qū)不良地質(zhì)及特殊性巖土主要表現(xiàn)為石灰?guī)r溶蝕嚴(yán)重， 發(fā)育溶洞， 以及林地組砂巖風(fēng)化劇烈，風(fēng)化層巨厚，據(jù)鉆孔資料顯示，橋區(qū)石灰?guī)r地段鉆孔見洞率達(dá)39%左右， 巖溶十分發(fā)育， 且局部溶洞為半充填、無充填、無水，對(duì)橋基施工及樁長影響較大。巖溶地區(qū)由于地質(zhì)較為復(fù)雜，存在地層巖性軟硬相異，裂隙發(fā)育，溶洞的空間形態(tài)多變等實(shí)際情況， 縱使在工程地質(zhì)補(bǔ)勘察鉆探時(shí)逐樁探查， 仍無法完全把握地層下的實(shí)際情況，其中左幅12# 墩附近地質(zhì)最為復(fù)雜：12#-1 樁基位置上層9 m 范圍為軟弱砂質(zhì)覆土(坡積土)，9～19.4 m 范圍9～30.7 m 范圍為構(gòu)造破碎帶層且存在4 層溶洞(其中分別在19.4 m、23.5 m、27.3 m 位置出現(xiàn)第1、2、3 層溶洞，30.7 m 位置為第4 層溶洞底部)，溶洞深度(大小)為0.5～0.7 m。

根據(jù)既有資料和勘探結(jié)果分析， 雪峰大橋橋址區(qū)溶率發(fā)育，大部分墩位(63 根)都遇到了溶洞。 根據(jù)最后地質(zhì)補(bǔ)勘結(jié)果， 單洞最大巖洞高度14.6 m； 現(xiàn)場多為多層溶洞，最大層數(shù)達(dá)4 層，有的總高度還達(dá)到20 m(串珠狀)；根據(jù)各樁施工地質(zhì)圖可判斷， 個(gè)別墩位溶洞為連通型大溶洞；溶洞多為全填充或半填充結(jié)構(gòu)。

3 溶洞樁基處理總體方案

根據(jù)地質(zhì)不同， 巖溶預(yù)處理目前主要采用了以下5種方法[1]：

(1)溶腔大且無填充的情況下，原則上采用片石黏土回填復(fù)鉆。

(2)溶腔小且有填充物的情況下，采取素混凝土灌注堵封，便于成孔。

(3)現(xiàn)場有明顯可見的半坡上外露溶洞，采用旋挖鉆成孔(主要在8 號(hào)墩位置，但因巖質(zhì)堅(jiān)硬、樁長深、樁徑大，旋挖鉆機(jī)鉆桿多次扭斷，成孔30 m 深3 孔后旋挖鉆機(jī)自行退場)。

(4)現(xiàn)場出現(xiàn)多層溶洞時(shí)，頂層溶洞漏漿已處理，等到下一層或第3 層也已處理完成后，頂層溶洞位置再次出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象， 則主要采用底層黏土回填至漏漿位置下方，然后灌注混凝土(回填至漏漿位置上方2～3 m)利用沖擊鉆進(jìn)行充填，擠壓混凝土堵塞漏漿溶洞的方式進(jìn)行處理。

(5)對(duì)于溶洞較小的多層溶洞，多次漏漿且以上方案多次處理無效的情況下，采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)方案。主要用于雪峰大橋右幅12#-1 樁基。

4 溶洞樁基處理工藝

(1)黏土+片石+袋裝水泥等填充復(fù)鉆

采用黏土加片石或再加袋裝水泥進(jìn)行填充復(fù)鉆處理溶洞是常見的處理方式，其具有便捷、節(jié)省造價(jià)的優(yōu)點(diǎn)[2]。

根據(jù)鉆探地質(zhì)圖， 鉆進(jìn)到距溶洞頂上方0.8～1.5 m時(shí)，將沖程減小，控制在1.5～0.8 m，利用快頻率短沖程沖擊的施工方法擊穿，按順序?qū)⒄惩?、片石、袋裝水泥(按3 m3：1 m3：0.5 t 比例)投入溶腔，回填至溶腔頂以上5 m 位置后，采用0.3～0.8 m 小沖程繼續(xù)沖擊，這樣不循環(huán)干沖5～10 min，讓填充物進(jìn)一步密實(shí)，然后加入泥漿水到正常高度，待水泥初凝并有一定強(qiáng)度后，再利用小沖程繼續(xù)鉆進(jìn)，形成人工泥石護(hù)壁[3]。 如此反復(fù)，直到不再漏漿為止。雪峰大橋大部分樁基均采用本方法進(jìn)行處理。 共計(jì)回填片石7577 m3，黏土(含樁基沖孔過程)92470 m3，袋裝水泥74194 袋。

施工過程中遇到無填充或半填充的大型溶洞， 存在采用上面方法無法成孔現(xiàn)象， 或者在成孔后因灌注水下混凝土?xí)r壓力過大而造成孔壁垮塌垮，此時(shí)，采用回填純混凝土封堵處理。

施工中遇到部分半填充的溶洞內(nèi)存在強(qiáng)度較高的填充物，容易在鉆進(jìn)時(shí)造成偏孔、卡鉆，對(duì)于此種溶洞也采用了回填混凝土的方法進(jìn)行處理。

(2)鋼護(hù)筒跟進(jìn)方案

雪峰大橋左幅12#-1 樁基設(shè)計(jì)長度39.7 m、樁徑2 m，采用片石黏土充填及混凝土封堵均不能有效沖進(jìn)，且孔口土層多次坍塌，把孔口標(biāo)高降低了4 m，累計(jì)施工9個(gè)月仍無法成孔，最終采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)方案進(jìn)行施工。 護(hù)筒尺寸為： 鎖口鋼護(hù)筒內(nèi)徑2.40 m (樁徑加0.4 m)，18 mm壁厚，4 m 高度；跟進(jìn)護(hù)筒內(nèi)徑2.2 m(樁徑加0.2 m)，18 mm 壁厚，28 m 高度(分四段，每段7 m 高，現(xiàn)場采用雙面坡口焊連接)。護(hù)筒采用18 mm 厚鋼板在加工場用機(jī)械卷制，其連接采用雙面坡口焊接。

鉆進(jìn)采用直徑2.2 m 的鉆頭， 在鉆機(jī)鉆進(jìn)至溶洞上方約1 m 位置時(shí)采用50T 履帶吊車輔助DZ135 振動(dòng)錘將各段鋼護(hù)筒依次打入(跟進(jìn)鋼護(hù)筒利用焊接在鎖口鋼護(hù)筒內(nèi)壁的專用導(dǎo)向支架以及經(jīng)緯儀對(duì)其垂直度進(jìn)行控制，在振動(dòng)錘作用下不斷下落就位)，直至第一段鋼護(hù)筒到達(dá)巖面位置，隨后回鉆成孔。

(3) 灌注混凝土

對(duì)于樁長小于30 m 的部分樁基，主要采用灌注混凝土封堵溶洞的方法。 利用后混凝土罐車運(yùn)送混凝土并灌注到孔底，人工孔內(nèi)澆筑并振搗使混凝土流入溶洞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶洞的封堵，以確保施工人員安全，同時(shí)也為了防止?jié)仓痘鶗r(shí)溶洞對(duì)樁基質(zhì)量造成影響。

施工流程如下：

①先向洞內(nèi)灌注混凝土，灌注高度高于溶洞頂部3～4 m。

②采用小沖程對(duì)填充物進(jìn)行沖擊， 將片石擠壓至溶腔側(cè)壁以形成泥漿碎石護(hù)壁， 隨后灌注水泥砂漿將片石空隙進(jìn)行初步堵塞。

③提起鉆頭停鉆24 h， 待水泥強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa 以上，再繼續(xù)沖擊，直至穿越溶洞。

雪峰大橋大部分溶洞均采用上述方法進(jìn)行處理，共灌注混凝土4873 m3。

5 施工中事故原因、處理及預(yù)防措施[4]

(1)鉆孔偏斜

在樁基現(xiàn)場施工中，發(fā)現(xiàn)有溶洞分布不均(或形狀不規(guī)則)，巖層裂隙、破碎、受到風(fēng)化程度不同形成軟硬不均、巖面傾斜，使鉆頭底部受力不均，容易出現(xiàn)鉆孔偏移軸線造成偏斜現(xiàn)象， 現(xiàn)場連接沖擊鉆頭的鋼絲繩有規(guī)律地向一側(cè)擺動(dòng)，此時(shí)應(yīng)及時(shí)停止沖擊，向鋼絲繩擺動(dòng)一側(cè)往孔內(nèi)拋填強(qiáng)度相當(dāng)?shù)钠?，采用小沖程沖擊方法，一次不成功，就采用多次；若5 次以上仍糾偏不成功，就利用地質(zhì)鉆機(jī)密排鉆孔或水下松動(dòng)爆破， 再用以上方法進(jìn)行糾偏。

(2)卡錘

當(dāng)鉆進(jìn)到粘土層或者夾雜溶蝕性的溝槽時(shí)， 經(jīng)常發(fā)生卡錘事故，分析其主要原因有如下幾個(gè)方面：在粘土層中沖擊的沖程太高，泥漿太稠，遇到溶蝕性地層時(shí)，沒有及時(shí)調(diào)整沖程，造成卡錘被溶溝、溶槽卡住；鉆孔形狀為梅花形，沖擊錘被狹窄部位卡到；孔口掉下較大石塊或者其他東西，卡住沖錘。 針對(duì)以上出現(xiàn)的各種卡錘的原因，應(yīng)根據(jù)不同原因采用不同的處理及預(yù)防措施， 不宜盲目大力向上拉錘，待沖錘松動(dòng)后方可用力向上提，否則會(huì)造成沖錘卡的更緊或者塌孔埋錘。 在提錘時(shí)通常采用打撈鉤、鋼絲繩活套等進(jìn)行打撈，當(dāng)卡鉆部位為比較堅(jiān)硬巖層時(shí)，用平常清孔方法排出石渣，利用松動(dòng)爆破法結(jié)合錘頭上下反復(fù)撞擊卡點(diǎn)巖塊，慢慢讓鉆頭突破卡點(diǎn)，再用片石回填至卡鉆部位以上2 m 位置， 小沖程沖擊慢慢穿越該地層。

(3)漏漿

鉆孔施工過程中遇到裂隙較發(fā)育巖層或無充填物溶腔時(shí)，經(jīng)常發(fā)生漏漿現(xiàn)象。 根據(jù)地質(zhì)勘察情況，在鉆孔前要預(yù)先考慮泥漿池盡量大些，并在鉆孔口附近準(zhǔn)備好足夠的片石和粘土。 在距離溶洞比較近(0.6 m 左右)位置，減小沖程，加大泥漿比重，密切觀察泥漿情況，發(fā)現(xiàn)泥漿面變化，立即提起沖錘，補(bǔ)充泥漿，回填片石和粘土混合物，待泥漿穩(wěn)定后方可繼續(xù)沖孔。 在沖擊過程中會(huì)反復(fù)發(fā)生漏漿情況， 重復(fù)上述做法，直到不再漏漿為止。

(4)塌孔

施工中遇到較大溶洞，其上部為松散砂質(zhì)覆土(坡積土)等軟弱層，溶腔內(nèi)無填充物，鉆至空腔時(shí)，出現(xiàn)漏漿面急劇下降現(xiàn)象，孔內(nèi)軟弱層失去平衡壓力，孔壁坍塌，嚴(yán)重時(shí)地面出現(xiàn)塌陷，甚至造成鉆孔設(shè)備傾斜、人、機(jī)墜入洞內(nèi)等嚴(yán)重安全事故。 此時(shí)，應(yīng)先把設(shè)備移開，后用粘土回填基坑，并向孔中拋填片石，回填到地表標(biāo)高，放置5天待地面穩(wěn)定后重新放樣，鉆探時(shí)盡量采用小沖程，同時(shí)仔細(xì)觀察泥漿情況。 為預(yù)防突發(fā)此類事故，要根據(jù)地質(zhì)鉆探資料， 把巖層以上軟弱層范圍， 利用鋼護(hù)筒圍護(hù)，沖擊時(shí)盡量采用小沖程，嚴(yán)禁一墩范圍內(nèi)多臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工。 出現(xiàn)塌孔埋鉆事故時(shí)，若坍塌量較小，直接清孔后用吊機(jī)配合將鉆頭提出；若坍塌量較大時(shí)，采取下護(hù)筒至錘頭，用空心錘清理錘頭，吊機(jī)配合將鉆頭提出； 若采取上述措施無法處理時(shí)， 考慮直接將沖砸鉆頭，配合磁鐵將鐵屑吸出。

6 樁基處理及質(zhì)量檢測

經(jīng)過兩年多的施工，完成雪峰大橋樁基施工104 根，據(jù)聲波透射法檢測數(shù)據(jù)顯示，其中Ⅰ類樁101 根占比例97% ，Ⅱ類樁3 根占比例3% 。 此外，從灌注結(jié)果分析，充盈系數(shù)一般為1.2～1.3 ， 說明溶洞處置方案是切實(shí)可行、安全有效。

7 結(jié)束語

雖然雪峰大橋樁基范圍地質(zhì)情況較為復(fù)雜且難以預(yù)見，但憑借地質(zhì)鉆探記錄，通過嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的分析，依據(jù)不同溶洞情況采取具有針對(duì)型的措施以及嚴(yán)格的現(xiàn)場質(zhì)量安全管理。由于前期完善的準(zhǔn)備工作和過硬的施工質(zhì)量，減少了在樁基工程施工過程中塌方事故的出現(xiàn)、 節(jié)約了工程開支。 同時(shí)，通過本工程的實(shí)踐，筆者認(rèn)為：黏土加片石填充復(fù)沖為主，填充混凝土為輔，配合部分鋼護(hù)筒跟進(jìn)的方式，有效保證了工程樁施工過程中人員、機(jī)械設(shè)備等安全，確保了樁基礎(chǔ)質(zhì)量；同時(shí)注意回填片石+粘土方法進(jìn)行溶洞處理時(shí)，鋼護(hù)筒底端應(yīng)落在不透水層上，以防出現(xiàn)溶洞后孔內(nèi)水頭急劇下降而造成坍孔， 對(duì)于多層溶洞更應(yīng)如此；另外，處理溶洞樁基相關(guān)問題，跟沖孔鉆機(jī)操作手關(guān)系很大， 務(wù)必跟操作手認(rèn)真做好地質(zhì)、 施工方案(含質(zhì)量安全注意事項(xiàng))等相關(guān)資料的細(xì)致交底工作，確保現(xiàn)場施工安全并保質(zhì)保量順利完成。