桩基溶洞处理措施及实例分析

林开明

(三明市公路养护中心，三明 365000)

1 引言

桩基础工程是公路桥梁结构的“基石”，它的质量好坏是桥梁结构永久稳定的关键， 溶洞对桩基础施工质量的影响及其带来的安全隐患是明显的； 特别是西南地区作为岩溶发育地带，溶洞桩基随处可见，处理起来很难，但是我们根据溶洞具体情况(类型、水流、大小、填充物情况等)，结合施工机械和材料等，是能够将桩基溶洞问题顺利解决。

2 工程及地质概况

莆炎高速公路三明段YA2 标段雪峰大桥位于明溪县城雪峰镇郊，其中心里程桩号K288+443，全长492 m，桩基共计104 根，最长的达60 m，最短的18 m，桥梁上部构造为先简支后连续的16 跨×30 m 连续刚构T 型梁，下部构造采用柱式墩+桩基础、 箱型墩+桩基础、U 型台+桩基础。 其中左线0 号、2 号、4 号、5 号、6 号、7 号墩桩基，右线0 号、2 号、3 号、5 号、6 号、7 号墩桩基穿过溶洞。 7～16# 墩桥址所在为三钢集团原采矿区， 经项目部调查该处山体已经进行过30 m 深的深孔松动爆破， 山体上层30 m 左右均已破碎，与地质补勘资料相吻合。 该部分山体大部分处于失稳状态，设计调查时地质勘查未施工，施工图纸中7～12# 墩均为暂定桩长， 后期补勘后7～16# 墩溶洞较多，桩基长度变化较大。

根据野外现场地质调绘分析及钻探资料揭露， 桥址受推覆构造影响， 桥区不良地质及特殊性岩土主要表现为石灰岩溶蚀严重， 发育溶洞， 以及林地组砂岩风化剧烈，风化层巨厚，据钻孔资料显示，桥区石灰岩地段钻孔见洞率达39%左右， 岩溶十分发育， 且局部溶洞为半充填、无充填、无水，对桥基施工及桩长影响较大。岩溶地区由于地质较为复杂，存在地层岩性软硬相异，裂隙发育，溶洞的空间形态多变等实际情况， 纵使在工程地质补勘察钻探时逐桩探查， 仍无法完全把握地层下的实际情况，其中左幅12# 墩附近地质最为复杂：12#-1 桩基位置上层9 m 范围为软弱砂质覆土(坡积土)，9～19.4 m 范围9～30.7 m 范围为构造破碎带层且存在4 层溶洞(其中分别在19.4 m、23.5 m、27.3 m 位置出现第1、2、3 层溶洞，30.7 m 位置为第4 层溶洞底部)，溶洞深度(大小)为0.5～0.7 m。

根据既有资料和勘探结果分析， 雪峰大桥桥址区溶率发育，大部分墩位(63 根)都遇到了溶洞。 根据最后地质补勘结果， 单洞最大岩洞高度14.6 m； 现场多为多层溶洞，最大层数达4 层，有的总高度还达到20 m(串珠状)；根据各桩施工地质图可判断， 个别墩位溶洞为连通型大溶洞；溶洞多为全填充或半填充结构。

3 溶洞桩基处理总体方案

根据地质不同， 岩溶预处理目前主要采用了以下5种方法[1]：

(1)溶腔大且无填充的情况下，原则上采用片石黏土回填复钻。

(2)溶腔小且有填充物的情况下，采取素混凝土灌注堵封，便于成孔。

(3)现场有明显可见的半坡上外露溶洞，采用旋挖钻成孔(主要在8 号墩位置，但因岩质坚硬、桩长深、桩径大，旋挖钻机钻杆多次扭断，成孔30 m 深3 孔后旋挖钻机自行退场)。

(4)现场出现多层溶洞时，顶层溶洞漏浆已处理，等到下一层或第3 层也已处理完成后，顶层溶洞位置再次出现漏浆现象， 则主要采用底层黏土回填至漏浆位置下方，然后灌注混凝土(回填至漏浆位置上方2～3 m)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。

(5)对于溶洞较小的多层溶洞，多次漏浆且以上方案多次处理无效的情况下，采用钢护筒跟进方案。主要用于雪峰大桥右幅12#-1 桩基。

4 溶洞桩基处理工艺

(1)黏土+片石+袋装水泥等填充复钻

采用黏土加片石或再加袋装水泥进行填充复钻处理溶洞是常见的处理方式，其具有便捷、节省造价的优点[2]。

根据钻探地质图， 钻进到距溶洞顶上方0.8～1.5 m时，将冲程减小，控制在1.5～0.8 m，利用快频率短冲程冲击的施工方法击穿，按顺序将粘土、片石、袋装水泥(按3 m3：1 m3：0.5 t 比例)投入溶腔，回填至溶腔顶以上5 m 位置后，采用0.3～0.8 m 小冲程继续冲击，这样不循环干冲5～10 min，让填充物进一步密实，然后加入泥浆水到正常高度，待水泥初凝并有一定强度后，再利用小冲程继续钻进，形成人工泥石护壁[3]。 如此反复，直到不再漏浆为止。雪峰大桥大部分桩基均采用本方法进行处理。 共计回填片石7577 m3，黏土(含桩基冲孔过程)92470 m3，袋装水泥74194 袋。

施工过程中遇到无填充或半填充的大型溶洞， 存在采用上面方法无法成孔现象， 或者在成孔后因灌注水下混凝土时压力过大而造成孔壁垮塌垮，此时，采用回填纯混凝土封堵处理。

施工中遇到部分半填充的溶洞内存在强度较高的填充物，容易在钻进时造成偏孔、卡钻，对于此种溶洞也采用了回填混凝土的方法进行处理。

(2)钢护筒跟进方案

雪峰大桥左幅12#-1 桩基设计长度39.7 m、桩径2 m，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，把孔口标高降低了4 m，累计施工9个月仍无法成孔，最终采用钢护筒跟进方案进行施工。 护筒尺寸为： 锁口钢护筒内径2.40 m (桩径加0.4 m)，18 mm壁厚，4 m 高度；跟进护筒内径2.2 m(桩径加0.2 m)，18 mm 壁厚，28 m 高度(分四段，每段7 m 高，现场采用双面坡口焊连接)。护筒采用18 mm 厚钢板在加工场用机械卷制，其连接采用双面坡口焊接。

钻进采用直径2.2 m 的钻头， 在钻机钻进至溶洞上方约1 m 位置时采用50T 履带吊车辅助DZ135 振动锤将各段钢护筒依次打入(跟进钢护筒利用焊接在锁口钢护筒内壁的专用导向支架以及经纬仪对其垂直度进行控制，在振动锤作用下不断下落就位)，直至第一段钢护筒到达岩面位置，随后回钻成孔。

(3) 灌注混凝土

对于桩长小于30 m 的部分桩基，主要采用灌注混凝土封堵溶洞的方法。 利用后混凝土罐车运送混凝土并灌注到孔底，人工孔内浇筑并振捣使混凝土流入溶洞内，实现对溶洞的封堵，以确保施工人员安全，同时也为了防止浇筑桩基时溶洞对桩基质量造成影响。

施工流程如下：

①先向洞内灌注混凝土，灌注高度高于溶洞顶部3～4 m。

②采用小冲程对填充物进行冲击， 将片石挤压至溶腔侧壁以形成泥浆碎石护壁， 随后灌注水泥砂浆将片石空隙进行初步堵塞。

③提起钻头停钻24 h， 待水泥强度达到2.5 MPa 以上，再继续冲击，直至穿越溶洞。

雪峰大桥大部分溶洞均采用上述方法进行处理，共灌注混凝土4873 m3。

5 施工中事故原因、处理及预防措施[4]

(1)钻孔偏斜

在桩基现场施工中，发现有溶洞分布不均(或形状不规则)，岩层裂隙、破碎、受到风化程度不同形成软硬不均、岩面倾斜，使钻头底部受力不均，容易出现钻孔偏移轴线造成偏斜现象， 现场连接冲击钻头的钢丝绳有规律地向一侧摆动，此时应及时停止冲击，向钢丝绳摆动一侧往孔内抛填强度相当的片石，采用小冲程冲击方法，一次不成功，就采用多次；若5 次以上仍纠偏不成功，就利用地质钻机密排钻孔或水下松动爆破， 再用以上方法进行纠偏。

(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，应根据不同原因采用不同的处理及预防措施， 不宜盲目大力向上拉锤，待冲锤松动后方可用力向上提，否则会造成冲锤卡的更紧或者塌孔埋锤。 在提锤时通常采用打捞钩、钢丝绳活套等进行打捞，当卡钻部位为比较坚硬岩层时，用平常清孔方法排出石渣，利用松动爆破法结合锤头上下反复撞击卡点岩块，慢慢让钻头突破卡点，再用片石回填至卡钻部位以上2 m 位置， 小冲程冲击慢慢穿越该地层。

(3)漏浆

钻孔施工过程中遇到裂隙较发育岩层或无充填物溶腔时，经常发生漏浆现象。 根据地质勘察情况，在钻孔前要预先考虑泥浆池尽量大些，并在钻孔口附近准备好足够的片石和粘土。 在距离溶洞比较近(0.6 m 左右)位置，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

施工中遇到较大溶洞，其上部为松散砂质覆土(坡积土)等软弱层，溶腔内无填充物，钻至空腔时，出现漏浆面急剧下降现象，孔内软弱层失去平衡压力，孔壁坍塌，严重时地面出现塌陷，甚至造成钻孔设备倾斜、人、机坠入洞内等严重安全事故。 此时，应先把设备移开，后用粘土回填基坑，并向孔中抛填片石，回填到地表标高，放置5天待地面稳定后重新放样，钻探时尽量采用小冲程，同时仔细观察泥浆情况。 为预防突发此类事故，要根据地质钻探资料， 把岩层以上软弱层范围， 利用钢护筒围护，冲击时尽量采用小冲程，严禁一墩范围内多台钻机同时施工。 出现塌孔埋钻事故时，若坍塌量较小，直接清孔后用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，吊机配合将钻头提出； 若采取上述措施无法处理时， 考虑直接将冲砸钻头，配合磁铁将铁屑吸出。

6 桩基处理及质量检测

经过两年多的施工，完成雪峰大桥桩基施工104 根，据声波透射法检测数据显示，其中Ⅰ类桩101 根占比例97% ，Ⅱ类桩3 根占比例3% 。 此外，从灌注结果分析，充盈系数一般为1.2～1.3 ， 说明溶洞处置方案是切实可行、安全有效。

7 结束语

虽然雪峰大桥桩基范围地质情况较为复杂且难以预见，但凭借地质钻探记录，通过严谨细致的分析，依据不同溶洞情况采取具有针对型的措施以及严格的现场质量安全管理。由于前期完善的准备工作和过硬的施工质量，减少了在桩基工程施工过程中塌方事故的出现、 节约了工程开支。 同时，通过本工程的实践，笔者认为：黏土加片石填充复冲为主，填充混凝土为辅，配合部分钢护筒跟进的方式，有效保证了工程桩施工过程中人员、机械设备等安全，确保了桩基础质量；同时注意回填片石+粘土方法进行溶洞处理时，钢护筒底端应落在不透水层上，以防出现溶洞后孔内水头急剧下降而造成坍孔， 对于多层溶洞更应如此；另外，处理溶洞桩基相关问题，跟冲孔钻机操作手关系很大， 务必跟操作手认真做好地质、 施工方案(含质量安全注意事项)等相关资料的细致交底工作，确保现场施工安全并保质保量顺利完成。