深厚覆土隱伏溶洞深樁基施工關鍵技術研究

摘要：樁基礎是穿越巖溶區(qū)的有效手段，但深厚覆土條件下復雜多變的隱伏巖溶會為橋梁樁基的安全性帶來極大隱患。本文依托某橋樁基工程，基于不同溶洞存在條件下的嵌巖樁變形規(guī)律及探明的隱伏溶洞存在區(qū)域及形態(tài)，對巖溶區(qū)樁基溶洞病害處理關鍵技術進行總結，結果表明，（1）隱伏溶洞的存在會減少基巖對嵌巖樁的約束，降低其承載能力，其中串珠型溶洞及距離較近的下伏溶洞的存在都會造成約束的力進一步減少;（2）多種探測技術相結合可精準有效地探明工程區(qū)域內(nèi)的溶洞分布情況，數(shù)字化定位定量探查可以對物探成果分析進行驗證，彌補物探定性、模糊性分析的缺陷;（3）在深厚覆土下存在隱伏溶洞的區(qū)域進行樁基礎施工時，對較大的單溶洞可采用回填封堵漏漿，護筒跟進施工，混凝土灌注護壁結合的工法進行處治，對多層溶洞的處治可綜合采用灌漿法和內(nèi)護筒法，或全套護筒法。

關鍵詞：隱伏溶洞;樁基礎;綜合探測技術;溶洞處治技術

0 ?引言

隨著我國基礎設施的不斷發(fā)展，越來越多的鐵路、公路需要穿過巖溶區(qū)[1]。巖溶區(qū)的橋梁樁基，由于巖體的巖性不同，溶洞的發(fā)展、發(fā)育情況不同[2]以及填充物的復雜性和多樣性等，決定了巖溶地段樁基在遭遇不同荷載時容易發(fā)生較大位移而影響上部結構穩(wěn)定，還易引發(fā)其他次生災害[3-4]。

國內(nèi)眾多專家和學者對巖溶地區(qū)樁基施工問題進行了探索和針對性研究。周磊[5]分析了巖溶區(qū)嵌巖樁的受力特性和承載機理，探討了巖溶區(qū)嵌巖樁樁端巖層的受力特性與破壞機理。鄒新軍[6]等分析了串珠狀溶洞區(qū)樁側摩阻力、樁端阻力的特點及其對樁身豎向承載性狀的影響。陳劍華[7]針對巖溶強發(fā)育區(qū)地質(zhì)情況復雜多變，提出了對溶洞進行預處理的方法。李洪亮[8]依托佛山一環(huán)工程的具體實踐，對巖溶區(qū)樁基的勘察、設計以及地質(zhì)隱患探測、評價、處理與檢測等成套技術進行綜合研究。

本文依托于某橋樁基工程，基于該區(qū)域巖溶發(fā)育狀況，分析不同類型溶洞對嵌巖樁承載模式影響，并綜合物探成果與三維激光探測技術，明確工程隱伏溶洞存在區(qū)域及形態(tài)，總結巖溶區(qū)樁基溶洞病害處理關鍵技術，以期為類似工程提供借鑒。

1 ?工程概況

橋址區(qū)域地質(zhì)廣泛分布為大理巖，發(fā)育溶蝕現(xiàn)象，多為溶孔、溶隙，揭示溶洞洞高0.4～4.6m，無填充或全填充硬塑狀粉質(zhì)黏土及碎石土，遇洞率34.04%，線溶率1.82%～56%，為微弱發(fā)育～弱發(fā)育。其中373#墩至385#墩區(qū)域巖溶發(fā)育嚴重，部分墩臺遇較大溶洞，屬于巖溶強發(fā)育。

2 ?巖溶區(qū)樁基不同承載模式數(shù)值分析

2.1 模型建立

本節(jié)采用有限元分析的方法，所選用的場地地基尺寸為20m×20m×40m。模型樁基橫截面直徑尺寸為0.8m，樁身長度為30m。有限元模型如圖1所示。砂土地基采用Mohr-Columb本構，基巖采用Drucker-Prager彈塑性本構，樁基采用線彈性本構。樁身地基材料參數(shù)如表1所示。

2.2 單溶洞因素條件下巖溶區(qū)樁基抗壓承載力分析

（1）不同溶洞高度

圖2為不同溶洞高度條件下的嵌巖樁位移變形分布圖（溶洞寬度為2m）。由圖可知，樁頂豎向位移隨著溶洞高度的增加而減小，而樁底豎向位移隨著溶洞高度的增加而增大，說明隨著溶洞豎向方向尺寸的增大會減小對樁身的約束，增加樁軸向變形量，并使得樁身略有上移，在溶洞高度由2m增加至4m時，樁底上移幅度增加12%，由4m增加至6m時，樁底上移幅度增加13.8%。

（2）不同溶洞寬度

圖3為不同溶洞寬度條件下的嵌巖樁位移變形分布圖（溶洞高度為2m）。由圖可知，隨著溶洞橫向方向尺寸的增大會減小對樁身的約束，在溶洞寬度由2m增加至4m時，樁底上移幅度增加8.9%，由4m增加至6m時，樁底上移幅度增加3.2%，表明樁身軸向變形受隱伏溶洞高度的影響較大，寬度較次。

2.3 復雜多溶洞因素條件下巖溶區(qū)樁基抗壓承載力分析

（1）穿樁多串珠型溶洞條件

以寬度2m，高度2m的單溶洞變形（圖2（a））為基準進行串珠型溶洞對樁基影響研究，結果如圖4所示。對比可知，串珠型溶洞嵌巖樁沿軸向方向的變形略大于單溶洞嵌巖樁沿軸向方向的變形，說明串珠型溶洞對嵌巖樁約束相對較小，樁基承載能力較弱，樁頂下沉量更大，對工程影響更大。

（1）穿樁型溶洞與下伏溶洞并存條件

以寬度2m，高度2m的單溶洞變形（圖2（a））為基準進行穿樁型溶洞與下伏溶洞并存對樁基影響研究，結果如圖5所示。由圖可知，樁頂豎向位移隨著樁底下伏溶洞距離的增加而增大，而樁底豎向位移隨著樁底下伏溶洞距離的增加而減小，表明樁沿軸向方向變形會隨著樁底下伏溶洞距離的增加而略有減小。說明下伏溶洞的存在會降低樁底基巖的承載能力，但隨著下伏溶洞與樁底距離的增大影響削弱，樁身豎向變形逐漸減小。

3 ?巖溶區(qū)隱伏溶洞綜合探測技術

3.1 綜合物探成果分析

（1）地質(zhì)雷達探測

由地質(zhì)雷達成果分析得出，374#墩、375#墩、377#墩、379#墩、383#墩均有巖溶發(fā)育現(xiàn)象。尤其在375#墩發(fā)現(xiàn)存在多處巖溶發(fā)育（圖6），推測下方巖溶發(fā)育比較強烈。

（2）瞬變電磁探測

工區(qū)設計及線路布置圖如圖7所示，整個測區(qū)面積大小為300m×12m，包含11個承臺，每個承臺尺寸為11m×7m;共布置三條測線，測線間距3m，測線1、3行進方向由東向西，測線2行進方向由西向東;測線上分布著等間距測點，測點間距2.5m。

圖8為三條測線的視電阻率圖。從圖8（a）可以看出，在測線1的開始與結尾處位置均有地下高阻體存在，懷疑為巖溶發(fā)育區(qū)域。推測，383#墩及373#墩附近區(qū)域可能發(fā)育溶洞，且溶洞內(nèi)不含水或含少量水。綜合圖8（b、c）分析可得，測線2與測線3所在位置地層下方無明顯低阻體，說明該地區(qū)地下水位較深，地表下方幾十米范圍內(nèi)基本沒有低阻含水體。推測得出，若存在發(fā)育溶洞的情況，也幾乎是不充填或者砂石泥土充填。

（3）跨孔電阻率CT探測

以375#墩部分測線探測結果為例，圖9為井間電阻率工作示意圖及測線布置圖，每個探測橋墩共有4個鉆孔（4鉆孔以橋墩為中心），呈矩形分布。

圖10為跨孔電阻率探測A1-A3、A4-A3測線成果剖面圖。推斷兩孔之間區(qū)域巖溶裂隙發(fā)育，其中電阻率異常區(qū)A1-A3-1～2巖體破碎，巖溶裂隙發(fā)育。A1-A3-3～4為巖溶發(fā)育區(qū)，存在溶洞。A1-A3-5巖體破碎，裂隙發(fā)育。電阻率異常區(qū)A4-A3-1～3巖體破碎，裂隙較為發(fā)育。A4-A3-4～6為巖溶發(fā)育區(qū)，存在溶洞。

3.2 三維激光掃描探測

巖溶隱伏溶洞探測采用3D激光掃描系統(tǒng)，通過鉆孔放探頭進入空區(qū)、溶洞進行掃描測量，375#墩鉆探孔內(nèi)攝像圖片如圖11所示。

圖12為375#墩溶洞三維實體模型，此孔在孔深15-17.5m處有向西北、東北、東南三個方向延伸的溶洞，溶洞向西北方向延伸長度最大約1.5m，溶洞面積約0.6m2，體積約0.55m3;溶洞向東北方向延伸長度最大約0.6m，溶洞面積約0.45m2，體積約0.35m3;溶洞向東南方向延伸長度最大約1.6m，溶洞面積約0.55m2，體積約0.46m3;大致呈東北高西南低的賦存狀態(tài)，整體溶洞體積約1.355m3。

4 ?巖溶區(qū)樁基穿越隱伏溶洞處治綜合施工技術研究

4.1 小型單溶洞處治

小型溶洞危害性較輕[9]，首先迅速用大功率泥漿泵補漿補水，然后將準備好的片石、黏土等按適當?shù)谋壤龗伻?，采用小沖程輕砸，使黏土和片石充分擠入溶洞內(nèi)壁發(fā)揮護壁作用。直至孔中的泥漿停止下降，并慢慢上升后，可用沖錘進行適當擠壓，當泥漿漏失現(xiàn)象全部消失后轉入正常鉆進。如此反復使鉆孔順利穿越溶洞。

4.2 大型單溶洞處治

大型單溶洞由于各孔的溶洞尺寸和溶洞深度均較大，且不均勻性，對樁基穩(wěn)定性影響較大[10]。處治時一般首先回填封堵漏漿，繼而護筒進行跟進施工，最后再進行混凝土灌注護壁。

（1）回填封堵漏漿

遇到較大的溶洞，特別是溶洞底部原本存在漏漿源的半充填溶洞，沖孔過程中充填物滑落或被重新揭開，易造成重新漏漿。為了堵住漏漿源，發(fā)現(xiàn)漏漿后，集中水泵向孔中補水并保持水頭，同時立即向孔中拋袋裝水泥，并向孔中投入3～5m厚黏土、片石混合物，待漏漿停止后重新沖孔，沖孔到漏漿部位的時間宜控制在水泥終凝時間之前，然后停止6～10h。如此反復操作，直到凝固后的水泥黏土漿把漏漿源堵死為止。

（2）鋼護筒跟進法

遇到特大型空溶洞或半充填的溶洞時，為防止漏漿造成孔壁坍塌，采用預鉆孔，然后埋鋼護筒隔離上部松軟覆蓋層的方法進行處理。即先采用較大直徑的鉆頭沖擊至距溶洞頂1.0m處，然后下內(nèi)護筒至孔底，再換小鉆頭繼續(xù)沖砸，直至擊穿溶洞，然后回填黏土、片石混合物，采用反復沖擊的辦法將洞內(nèi)沖砸密實，再轉入正常鉆進。

對于樁基穿越溶洞高較大的空洞時，采取下鋼護筒的處理方案。沖擊鉆沖穿溶洞后，打入比孔口護筒稍小的鋼護筒，用導向錘將鋼護筒振至溶洞底巖面，在護筒內(nèi)回填混凝土堵漏，待混凝土達到一定強度后再用沖擊鉆沖孔，穿過溶洞后，按正常工藝施工。

（3）灌注混凝土護壁二次成孔鉆進法

對于樁基穿越洞高較大且填充物為流塑狀溶洞時，在鉆至溶洞底板后，不需清孔，向孔內(nèi)灌注水下混凝土到距溶洞頂0.5m左右處，待混凝土達到7d強度后，重新鉆進。灌注的混凝土會在樁孔周圍形成一個圓形或半圓形圍護，有效防止溶洞內(nèi)流塑狀填充物涌入或混凝土流失而引起的斷樁。

4.3 多層溶洞處治

通過由小型溶洞組成的多層溶洞時，一般多出現(xiàn)漏漿、斜孔等病害[11]，處理方法可采用處理多個小型單溶洞的方法一一解決。

由大型溶洞組成的多層溶洞的處治

多層溶洞，根據(jù)溶洞層數(shù)、大小和填充物的情況，采用片石灌漿填充、多層護筒嵌套施工相結合的方法進行處理。開鉆前，根據(jù)工程鉆孔柱狀圖，確定哪層溶洞需埋設鋼護筒及個數(shù)，開孔時根據(jù)埋設鋼護筒的數(shù)量確定孔徑（L為底節(jié)護筒內(nèi)徑，t為筒壁厚度），一般內(nèi)套護筒比外層護筒小15cm，最內(nèi)層護筒內(nèi)徑不小于設計樁徑+0.15m。穿過溶洞使鋼護筒底部支撐在溶洞底板或頂板上，接著重新在護筒內(nèi)鉆孔。

5 ?結論

本文依托某橋樁基工程，分析了隱伏溶洞對嵌巖樁樁基承載模式的影響，并綜合多種類型物探成果分析與三維激光掃描探測建模技術，定性定量地明確了工程隱伏溶洞存在區(qū)域及形態(tài)，在此基礎上，對巖溶區(qū)樁基溶洞病害處治關鍵技術進行了總結，結果表明：

（1）隱伏溶洞的存在會減少基巖對嵌巖樁的約束，其中溶洞高度較寬度對嵌巖樁影響更大，串珠型溶洞會造成約束的力進一步減少，隨著下伏溶洞與樁底距離的增大，樁身豎向變形逐漸減小。

（2）采用數(shù)字化定位定量探查裝備進行精準探查，對巖溶、裂隙等地質(zhì)災害源進行定位、定量精細化探查，對超前鉆、物探等勘察結果進行驗證，即避免了超前鉆的“一孔之見”的弊端，又克服了物探探測只能定性、模糊分析的缺陷。

（3）在深厚覆土下存在隱伏溶洞的區(qū)域進行樁基礎施工時，對較大的單溶洞可采用回填封堵漏漿，護筒跟進施工，混凝土灌注護壁結合的工法進行處治，對多層溶洞的處治可綜合采用灌漿法和內(nèi)護筒法，或全套護筒法。

參考文獻：

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[2]劉存林，吳勝倉.綜合勘察方法在某公路工程巖溶勘察中的應用[J].公路，2021，66（05）：76-79.

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[5]周磊.巖溶區(qū)嵌巖樁承載特性及其設計方法研究[D].湖南大學，2010.

作者信息：彭肇，男，1988年1月，漢，陜西漢中，本科，工程師，研究方向巖溶樁基處理