溶洞樁基處理方法及其應(yīng)用

王 磊，宋曉婷，張 平，楊勝文，張戰(zhàn)彪

（1.中國(guó)一冶集團(tuán)有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430080；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；3.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

巖溶地區(qū)溶洞的形狀、尺寸及位置多樣性決定了巖溶地區(qū)樁基施工的復(fù)雜度和困難度，巖溶地區(qū)溶洞樁基的處理技術(shù)在整體施工過(guò)程中顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)溶洞樁基處理方法的研究有很多，如劉瑞琪[1]以大連地鐵2號(hào)線（松江路站—東緯路站）暗挖區(qū)間工程為例，采用了全斷面（帷幕）超前預(yù)注漿處理措施對(duì)溶洞進(jìn)行加固處理。馮健宗等[2]利用外護(hù)筒穿過(guò)土層至巖面，內(nèi)護(hù)筒鉆進(jìn)持力層，全長(zhǎng)埋設(shè)的雙護(hù)筒的成孔工藝進(jìn)行溶洞處理，結(jié)果表明，雙護(hù)筒跟進(jìn)法處理大型串珠狀溶洞效果較好。胡文軍等[3]提出在一次鉆孔注漿的基礎(chǔ)上，對(duì)綁扎在鋼筋籠的注漿管進(jìn)行二次壓漿，以此方法對(duì)泰東高速平陰黃河大橋樁基溶洞進(jìn)行處理。李勇良[4]對(duì)云桂客專營(yíng)盤山隧道巨型溶洞進(jìn)行了處理，主要通過(guò)C20混凝土分層、分段回填，預(yù)留2.2m×1.8m空心柱減少水化熱的方法對(duì)巨型空腔溶洞進(jìn)行處治。丁華仁等[5]對(duì)貴州省六威高速公路菁溝大橋樁基溶洞進(jìn)行處理，探究了鋼護(hù)筒在巖溶地區(qū)樁基施工中的應(yīng)用，檢測(cè)報(bào)告顯示了該方法的可行性。李到洪等[6]在衡陽(yáng)合江套湘江隧道建設(shè)中進(jìn)行了溶洞處理，對(duì)半填充溶洞進(jìn)行吹砂夾石及靜壓注漿處理，最終通過(guò)鉆芯取樣檢驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期加固效果。王曉華[7]對(duì)新建高速特大橋中樁基溶洞進(jìn)行處理，采用樁基礎(chǔ)全回轉(zhuǎn)全套管法，對(duì)沖擊鉆法和全套管法成本進(jìn)行了對(duì)比分析。顏輝[8]結(jié)合鄰近滬昆高鐵既有線溶洞樁基礎(chǔ)施工，介紹了全回轉(zhuǎn)全套管灌注樁施工技術(shù)，最終樁檢結(jié)果表示效果良好。上述的巖溶地區(qū)溶洞樁基處理技術(shù)均是基于相同的巖溶地區(qū)溶洞的處理原則，在原有溶洞處理方法上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工情況進(jìn)行改進(jìn)，但是大多數(shù)的研究者并沒(méi)有仔細(xì)說(shuō)明溶洞的處理原則，對(duì)溶洞樁基處理方法也沒(méi)有詳細(xì)分析各特點(diǎn)?；诖耍恼率紫汝U明巖溶地區(qū)溶洞的處理原則，然后對(duì)溶洞的處理方法進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 巖溶地區(qū)溶洞處理原則

（1）在樁基施工地區(qū)進(jìn)行充分的地質(zhì)勘察，施工時(shí)對(duì)于巖溶發(fā)育較為豐富的區(qū)域應(yīng)首先選擇避讓原則。

（2）當(dāng)不可避免溶洞時(shí)，要對(duì)施工地區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)的記錄，了解巖溶區(qū)域溶洞的大小、高度、埋深以及溶洞內(nèi)腔的填充情況，判斷溶洞的類型，從而為今后制訂詳細(xì)的處治方案提供依據(jù)。

（3）將所掌握的工程地質(zhì)資料、相關(guān)規(guī)范與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法相結(jié)合，建立計(jì)算模型及選取參數(shù)，對(duì)巖溶地區(qū)溶洞頂板穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，確定溶洞頂板的最小安全厚度，為溶洞處理提供計(jì)算依據(jù)。

（4）對(duì)溶洞內(nèi)腔的填充物進(jìn)行土工試驗(yàn)，了解填充物類型，分析其物理力學(xué)特性，測(cè)量含水率、孔隙率、容重等，為需要進(jìn)行處治的溶洞充填設(shè)計(jì)提供依據(jù)。詳細(xì)的溶洞處治方案應(yīng)結(jié)合工程設(shè)計(jì)要求以及實(shí)際的工程地質(zhì)條件進(jìn)行考量，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的計(jì)算之后，還需在施工區(qū)域周圍進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，不斷完善施工方案，力求達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的效果。

2 溶洞處理方法比較

2.1 注漿法

原理：基于液壓、氣壓、電化學(xué)及高壓噴射等原理，將能夠固化的粒狀漿材或化學(xué)漿材通過(guò)注漿管注入巖石的孔隙、裂隙及空洞中，漿液經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、凝固、硬化使巖土中的土體顆粒在裂隙中膠結(jié)成為整體，以此減少巖土的滲透性，增強(qiáng)其強(qiáng)度與穩(wěn)定性，改善巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到巖土堵滲及加固的效果。其施工工藝流程如圖1所示。

特點(diǎn)：施工過(guò)程中該方法不需要大型復(fù)雜的設(shè)備，其施工技術(shù)運(yùn)用起來(lái)簡(jiǎn)單，易于操作。注漿法運(yùn)用范圍廣泛，并且可以將防水堵漏與加固施工同時(shí)進(jìn)行。

圖1 注漿法施工工藝流程

2.2 回填筑壁法

原理：對(duì)于內(nèi)腔內(nèi)無(wú)填充物或具有半填充物，高度較小且存在較嚴(yán)重漏水情況的溶洞，可以通過(guò)使用回填沖擊片石加黏土的方法改善溶洞內(nèi)部情況，在實(shí)施時(shí)對(duì)片石及黏土進(jìn)行反復(fù)的回填沖擊直至形成穩(wěn)定的泥漿護(hù)壁不再漏漿為止[9]，從而避免施工時(shí)出現(xiàn)溶洞漏漿，鉆孔內(nèi)水頭下降導(dǎo)致塌孔的現(xiàn)象。其施工工藝流程如圖2所示。

特點(diǎn)：回填筑壁法是目前已經(jīng)較為成熟的一種溶洞處理方法，該施工方法的經(jīng)濟(jì)成本較低，施工工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)用起來(lái)靈活方便。

2.3 鋼護(hù)筒跟進(jìn)法

原理：跟隨鉆機(jī)鉆孔到一定深度，采用自重下放或輔助振動(dòng)下放的方法將鋼護(hù)筒分節(jié)沉入鉆孔內(nèi)，隨即鉆機(jī)在護(hù)筒內(nèi)繼續(xù)鉆孔，當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)溶洞頂板時(shí)，由于鋼護(hù)筒的護(hù)壁作用，即使孔內(nèi)泥漿發(fā)生滲漏，也不會(huì)造成孔壁坍塌。其施工工藝流程如圖3所示[10]。

特點(diǎn)：對(duì)于深埋、大型的溶洞，采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)法處理效果較好。該施工方法所使用的鋼護(hù)筒自身發(fā)揮護(hù)壁的作用，即使在洞內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的漏漿、漏水現(xiàn)象，也不容易導(dǎo)致塌孔，鋼護(hù)筒自身能夠很好地穩(wěn)定孔壁。

2.4 全回轉(zhuǎn)全套管法

原理：通過(guò)全回轉(zhuǎn)設(shè)備反復(fù)旋轉(zhuǎn)套管產(chǎn)生的扭矩和垂直下壓力，使鋼套管發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，套管管口處的高強(qiáng)刀頭能夠切削分離土體及巖層，同時(shí)采用抓斗或旋挖鉆機(jī)等設(shè)備將套管內(nèi)部切削分離的土體和巖層等障礙物抓出孔外，當(dāng)鉆機(jī)設(shè)備鉆進(jìn)至樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，下放鋼筋籠并且通過(guò)導(dǎo)管澆筑混凝土，最后邊澆筑混凝土邊拔出套管。其施工工藝流程如圖4所示。

圖2 回填筑壁法施工工藝流程

圖3 鋼護(hù)筒跟進(jìn)法施工工藝流程

圖4 全回轉(zhuǎn)全套管法施工工藝流程

特點(diǎn)：該施工方法挖掘深度大，掘進(jìn)速度快，尤其是在溶洞發(fā)育較為豐富的地區(qū)能夠節(jié)約鉆孔時(shí)間，提高施工效率。

綜上，以上四種巖溶地區(qū)溶洞樁基處理技術(shù)的施工原理、施工工藝及施工特點(diǎn)不盡相同。注漿法適用于具有無(wú)填充物或半填充物的各類大小及埋深的溶洞；回填筑壁法對(duì)于淺埋、小型溶洞和溶溝較為適用；鋼護(hù)筒跟進(jìn)法對(duì)于深埋、大型的溶洞處理效果較好；全回轉(zhuǎn)全套管法采用回轉(zhuǎn)設(shè)備使套管發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，切削土體，因其噪聲小、振動(dòng)小的特點(diǎn)適用于鄰近既有鐵路及地下盾構(gòu)結(jié)構(gòu)巖溶地區(qū)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程地質(zhì)條件

橋址處屬長(zhǎng)江沖積平原河谷地段，地形地貌為河流堆積地貌特征，擬建橋梁沿線地形起伏大，總體東高西低，地面高程7.74～27.18m。長(zhǎng)港河和新港河在橋位北側(cè)匯合后流向長(zhǎng)江，河谷岸坡坡度5～40°，局部近直立，河谷深約3～15m。橋位現(xiàn)狀主要為居民區(qū)、工礦企業(yè)和天然河道。擬建工程采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，根據(jù)鉆探揭露，橋址地層巖性自上往下依次是第四系人工填土（Q4ml）、全新統(tǒng)沖積（Q4al）、更新統(tǒng)殘積（Q3el）等覆蓋層，下伏基巖為二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）生物碎屑灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖、石炭系中統(tǒng)黃龍群（C2h）白云質(zhì)灰?guī)r夾角礫灰?guī)r。橋梁地基主要位于砂礫石層及灰?guī)r地層，發(fā)育巖溶溶蝕現(xiàn)象，根據(jù)鉆孔揭露，巖溶形態(tài)主要以溶隙、溶洞為主，局部地段存在溶槽的可能；巖溶發(fā)育主要分布在基巖面淺部，尤其在橋墩1～7號(hào)墩基巖中巖溶發(fā)育較強(qiáng)，個(gè)別樁基下溶洞甚至呈串珠狀自上而下分布；另外在33號(hào)、34號(hào)墩地基下勘探出存在溶洞。

3.2 溶洞處置方案及效果

考慮到橋址處屬長(zhǎng)江沖積平原河谷地段，地形地貌為河流堆積地貌特征，擬建橋梁沿線地形起伏大，對(duì)于施工難度影響較大等原因，綜合經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量等多方面因素考慮，最終決定采用局部鋼護(hù)筒跟進(jìn)法進(jìn)行溶洞處治。鋼護(hù)筒跟進(jìn)法即使在洞內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的漏漿、漏水現(xiàn)象，也不容易導(dǎo)致塌孔，鋼護(hù)筒自身能夠很好地穩(wěn)定孔壁。

下面以具體工程中針對(duì)7#、8#、13#、14#主墩樁基下方淤泥質(zhì)土層較厚、土質(zhì)差的情況，采用預(yù)先下沉鋼護(hù)筒至淤泥質(zhì)土層以下5m的溶洞處理方法為例，說(shuō)明該項(xiàng)目溶洞的具體處理措施。

外鋼護(hù)筒的內(nèi)直徑D=d+40cm（d為設(shè)計(jì)樁徑），壁厚δ=20mm，采用機(jī)械卷制加工制作。

內(nèi)鋼護(hù)筒采用壁厚δ=12～18mm的鋼板，在加工場(chǎng)用機(jī)械集中卷制加工制作，焊縫全部為雙面坡口，每節(jié)制作長(zhǎng)度為7.5～10.5m，制作內(nèi)鋼護(hù)筒的內(nèi)徑D′=d+20cm（d為設(shè)計(jì)樁徑），制作好后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。

各節(jié)內(nèi)鋼護(hù)筒的連接焊縫全部采用雙面開(kāi)坡口進(jìn)行滿焊，兩節(jié)護(hù)筒的接縫除施焊外，還需在接縫處焊接50mm寬、δ=10mm的加強(qiáng)鋼帶，以保證其尺寸準(zhǔn)確，使護(hù)筒體順直度達(dá)到要求，整個(gè)內(nèi)護(hù)筒的豎向壁成一直線。

鉆頭直徑比樁徑大20cm，正常鉆進(jìn)至溶洞上方約1m處，采用50T履帶吊輔助DZ135振動(dòng)錘，先將內(nèi)鋼護(hù)筒分節(jié)打入土層中至巖面，再進(jìn)行回鉆成孔。

內(nèi)護(hù)筒沉入巖面后，先采用沖錘成孔一定深度（進(jìn)尺為1.5～2m），及時(shí)采用25T汽車吊輔助振動(dòng)錘將內(nèi)護(hù)筒下沉至進(jìn)尺巖面標(biāo)高處；然后再進(jìn)行沖孔、下內(nèi)鋼護(hù)筒；循環(huán)反復(fù)進(jìn)行至樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高處。同樣，在施工過(guò)程中嚴(yán)格測(cè)量、控制好各節(jié)護(hù)筒連接的垂直度，不得超過(guò)施工規(guī)范要求的1/200[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章首先總結(jié)了巖溶地區(qū)溶洞的處理原則，概述了施工時(shí)遇到溶洞等特殊地質(zhì)應(yīng)如何制訂處治方案，分析了四種溶洞樁基處理方法，并結(jié)合湖北鄂州某大橋項(xiàng)目的具體施工方案，得出了以下結(jié)論：

（1）對(duì)于巖溶發(fā)育較為豐富的區(qū)域應(yīng)首先選擇避讓原則。當(dāng)不可避免溶洞時(shí)，需要對(duì)溶洞內(nèi)腔的填充物進(jìn)行土工試驗(yàn)，了解填充物類型，分析其物理力學(xué)特性，為需要進(jìn)行處治的溶洞充填設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）巖溶地區(qū)進(jìn)行樁基溶洞處治的方法主要有注漿法、回填筑壁法、鋼護(hù)筒跟進(jìn)法、全回轉(zhuǎn)全套管法。工程中需要結(jié)合實(shí)際的工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境加以選擇，也可選擇將多種方法結(jié)合使用。

（3）考慮湖北鄂州某大橋項(xiàng)目綜合經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量等多方面因素，最終決定采用局部鋼護(hù)筒跟進(jìn)法進(jìn)行溶洞處治。在實(shí)際的工程中，通過(guò)該方法提高了成樁質(zhì)量，有效解決了施工過(guò)程中出現(xiàn)的塌孔、縮孔等不良問(wèn)題，為今后溶洞樁基處治提供了一定的參考。