岩溶地质条件下桩基施工探讨

马钰

摘 要：桥梁桩基作为地下隐蔽工程，在喀斯特地貌的施工中，遇到溶洞是非常普遍的。施工中如果处理不当，会造成漏浆、卡锤、埋锤和塌孔等事故的发生，使工程质量难以控制，不仅给施工带来很大困难，还会威胁到通车后桥梁的运营安全。因而，在充分了解桥梁孔桩施工遇到的溶洞的基本形态、规模大小、岩层结构和洞内充填物形状等资料后，采取有效的防范和处理措施，可防止施工事故发生，有利于节约施工成本，提高施工效率。

关键词：桥梁桩基；溶洞；施工方案；处理措施

中图分类号：U443.15 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）02-0065-03

黔桂铁路扩能改造工程位于贵州省黔东南州境内，管段内主要为喀斯特地貌，成因上表现为以岩溶作用为主导的溶蚀地貌系列，不良地质主要为灰岩和泥灰岩中的发育岩溶。如果在钻孔施工过程中发生漏浆、卡锤、埋锤和塌孔等事故，不仅会增加施工的难度，而且还会影响工程进度。针对施工中出现的各种事故，总结对于溶洞的处理方法，对以后提高工程质量具有十分重要的意义。

1 溶洞形态和特征

根据勘察报告和桩孔的超前钻探资料可知，黔东南地区为典型侵蚀地貌系列和以岩溶作用为主导的溶蚀地貌，地质条件复杂，溶沟、漏斗、水溶洞、落水洞、空溶洞和地下暗河发育，多层溶洞分布在不同地层。当钻孔桩需要穿越溶洞时，成孔难度大，混凝土浇筑过程无法控制，极易形成断桩，无法保证成桩和桩体的质量。特别是位于溶洞边缘位置的孔桩，穿过溶洞后基岩面成倾斜状，当倾斜角度较大时，孔桩施工中的钻机钻头或冲锤会单侧受力，沿倾斜岩面一侧滑移，容易造成偏孔或卡钻等现象的发生。同时，溶洞为空溶洞或水溶洞时常常与地下暗河相连，会出现漏水、漏浆的现象，造成附近水源污染。根据以上溶洞发育特征、分布、大小和填充情况分析，主要有填充型溶洞、无填充型溶洞、连通性好的溶洞和连通性差的溶洞这几类。

2 溶洞地段的施工方案和工艺

2.1 施工方案的选择

由于溶洞范围较大、厚度较深，当采用挖孔桩施工时，如果没有可靠的措施就进行穿越，极易造成坍孔，还极易发生人身伤亡事故，并且挖孔桩作为落后的施工工艺，已经逐步被现场施工所淘汰，所以，挖孔的方案被否定。因此，在岩溶地区应先考虑采用冲击成孔的施工工艺。冲击成孔是在泥浆护壁条件下靠重锤下落重力冲击成孔，其特点是冲锤下落冲击力大，下落高度可控，发生塌孔、漏浆等问题时可快速提钻至孔口以上，避免埋锤事故。虽然在处理倾斜岩面、土层探头石等特殊地质情况时，会存在一定困难，但采取片石回填、水下爆破等有效措施后，便能够达到施工要求。所以，冲击成孔是处理岩溶地质条件孔桩施工的最优方案。

2.2 施工准备

2.2.1 钻孔前的准备工作

在施工前，技术人员应列出每个孔位的地质柱状图，包括溶洞的大小、位置、填充情况、顶板厚度、是否存在易塌孔地层等，为每个桩制订出相应的地表加固、溶洞处理方案和钻孔方法，还应做好溶洞地质处理的材料备料工作，在现场附近设置场地，准备足够的片石、黏土、袋装水泥等材料。同时，应充分准备现场所需的机械设备，例如挖掘机、水泵等应提前准备好。根据溶洞的大小配置备用泥浆池、排水沟、泥浆泵，如果桩孔漏浆，可以马上进行补浆。

2.2.2 钻机就位处理

钻机安装就位前，应根据现场施工的实际需要平整场地，并对钻机就位的位置进行有效加固，防止钻机因震动或受力产生倾斜或移动，保证成孔位置的精度和垂直精度的设计要求。同时，在钻进工作中，要经常校核钻机位置和钻杆的垂直度等数据，发现问题及时校正。

2.2.3 采取跳桩施工工序

钻孔桩混凝土灌注桩是先由冲击锤头冲击成孔，然后利用导管灌注水下混凝土成桩。在成孔过程中，周围土体对桩身产生侧向的土压力，特别是入岩前的土层标高，受土的压力和冲击震动影响，易产生坍塌或缩孔的现象。在钻孔桩成孔过程中，它是依靠孔桩内泥浆产生的侧向压力来平衡周围土体侧向压力的，这样可以维持平衡，防止塌孔。当连续作业或多台钻机在一个承台区域内同时作业时，采用跳桩施工可以有效防止冲击震动对这种受力平衡的干扰，减小对已经灌注但未达到设计强度的桩体混凝土的干扰，同时也可以防止孔桩在溶洞位置形成联通现象，避免在成桩灌注过程中出现“窜孔”。

2.2.4 钢护筒使用

在施工过程中，考虑到成本因素，所以对高度小或为土质填充物的溶洞采用埋设2～4 m的钢护筒围护孔口，防止土层地质坍塌；对发育规模大、层数多、溶洞内填充物性能差和存在暗河等特大型的溶洞，要考虑采用整体钢护筒跟进施工的方法。

2.2.5 桩位测设

采用全站仪对孔桩定位后，在孔桩直径外设置外引控制桩，用于护筒埋设和施工过程中的复核。机械配合开挖后埋设钢护筒，并在埋设完成后复核护筒的位置，对护筒周围进行夯填，避免钢护筒移位。钻孔时，应加强对护桩的管理，严格控制群桩中心平面位置，位置偏差不得大于5 cm。

2.2.6 泥浆比重控制

根据测量结果随时调节泥浆比重，合适的泥浆比重能够保证落锤速度和循环清渣的需要，同时又能通过适当的泥浆侧压力防止塌孔。在易塌地层或填充物溶洞钻进时，可提高泥浆比重，降低提锤高度，减小震动干扰，放缓成孔速度，必要时应回填片石或混凝土，冲平后再进行钻进，以确保孔壁的稳定。

3 溶洞的处理方法

3.1 小型溶洞的处理

对于普通溶洞一般采用冲击成孔方案。

对于钻孔中遇到的小型溶洞，钻孔接近溶洞顶以前，应根据地质勘探资料所揭示的溶洞大小和充填情况，准备足够的片石、黏土、袋装水泥和直径为10～20 cm小片石，同时要有足够的供水设备（例如水泵、泥浆泵等）和水源或泥浆。

当冲孔深度到达溶洞顶标高附近时，由于溶洞顶部岩层呈不规则状，岩石强度不一，破碎程度不确定，极易导致岩层受冲击力的影响，突然出现破裂、塌落，造成卡钻、钻机倾覆等问题，因此，在钻机钻进过程中要及时收集孔桩出渣，根据出渣情况核对地质，利用测绳等工具精确计算钻进深度和孔底标高。根据设计地勘的详细地质资料可知，在冲击成孔至溶洞顶面1 m标高时，要及时调整冲击钻机冲程，减小提锤高度，利用小冲程缓慢钻进，防止因溶洞顶面剩余岩层厚度薄、受到的冲击力过大导致岩面破裂、塌落，发生卡钻。

在钻进过程中，如果发现落锤时主绳摆动幅度加大，落锤后主绳偏离孔口中心，则需注意孔桩内泥浆稠度、颜色、出渣和其他情况。当孔桩内泥浆稠度、颜色发生变化或泥浆标高下降时，说明溶洞顶面岩石已经被击穿，锤头进入了溶洞。锤头进入溶洞标高后如果发生偏孔现象，则按3∶7的比例回填片石和黏土至偏孔位置1 m以上，重复钻进。如果一次无法纠正，就按照此方法反复进行，直到完全纠正偏孔情况为止。对于反复回填纠正仍无法解决偏孔现象时，需进行孔桩内水下爆破或在清孔后对偏孔位置灌注水下混凝土，等到水下混凝土达到要求强度后，再重新钻进来解决偏孔问题。

通过无填充物溶洞时，孔内泥浆在落锤的同时会发生孔内泥浆面快速下降或完全泄漏，此时应抛填片石和黏土混合物或袋装混合料，加大泥浆比重，选用小冲程进尺，通过冲击、挤压等作用力在孔桩周围形成泥结石孔壁。对仍然继续漏浆，没有一次形成完整护壁的孔桩，需继续抛片石、黏土、袋装水泥等材料，重复以上操作，直到不漏浆为止。通过回填在空溶洞内较松散的锥形堆积体和冲击、挤压形成的泥结石护壁来堵塞溶洞通道，使孔桩顺利通过溶洞。

根据设计资料可知，在钻进达到溶洞底标高时，发现同样冲程，钻机钻进速度明显降低，震动加大，且当绳摆动有所加大时，则说明已钻进到溶洞底板。溶洞为地下水长期溶蚀形成，穿过溶洞后，下岩石面多为倾斜状，且岩石强度不均匀，软硬不一，容易发生孔位向地质较软一侧倾斜或锤头侧滑无法成孔等情况，发现冲锤到达溶洞底面后，应及时调整钻机冲程，改用小冲程钻进，并随时检查是否发生偏孔问题。在钻进过程中，应注意观察钢丝绳的位置变化、渣样的变化和锤头的磨损情况，当主绳摆动幅度加大，主绳偏离桩孔设计中心时，就表明发生偏孔现象。一旦发现偏孔应立即停止冲击钻进，同样采回填片石、黏土并重复钻进的方式纠偏。无法通过片石、黏土回填纠偏的，应对偏空位置灌注水下混凝土进行纠偏；一次无法纠正的要重复回填钻进，慢慢纠正陡斜岩面，直到整个冲锤底部完全进入岩面，才可恢复正常钻进速度。

穿过溶洞后，因为溶洞多是通过挤压形成的泥石孔壁，受到震动容易发生坍塌、漏浆等常见情况，塌落的片石可能会滑落到孔桩内，在再次提锤的过程中就会被岩石卡住，出现埋锤的情况。在穿过溶洞后的钻孔过程中，要尽量采用小冲程冲击，密切观察孔桩内的泥浆变化，一旦发现漏浆或异常情况，要马上提锤到孔口，采取回片石、黏土和袋装混合料等至溶洞顶面标高以上，重复冲击，在溶洞位置形成新的泥结石护壁，之后再继续钻进。

在有浅埋岩溶地层或存在地面塌陷隐患的位置施工桩孔时，应先采取水泥砂浆注浆回填，采用开挖、回填等措施加固后再进行钻孔施工。

有特殊情况的孔桩位于溶洞边缘，孔桩穿过溶洞时为半边岩石、半边填充物或空溶洞时，应采用探孔爆破的方法。在孔桩标高到达溶洞部位后，靠近溶洞边缘一侧的采用地质钻机成孔，孔深控制在1 m，将乳化炸药放在地质钻护筒内吊入孔底，实施水下爆破，以松动溶洞壁岩石。之后与正常穿过溶洞的步骤一样，回填片石、黏土，反复冲击穿过溶洞。当一次爆破无法穿过时，可重复爆破。

3.2 大型或特殊溶洞的处理

对于溶洞发育规模大、层数多、溶洞内填充物性能差和存在暗河等的特大型溶洞，无法采用取片石加黏土挤压形成护壁孔桩的方法，要采用整桩钢护筒跟进的方法。该方法费用较高，需要多台施工机械配合，且施工进度慢，所以只有在普通方法无法处理时才使用。此方法就是在冲击成孔的同时，在孔桩内沉入钢护筒，利用钢护筒在溶洞的位置形成钢护筒护壁，用以隔断溶洞内流塑性充填物或空溶洞与孔桩的联通。在施工中可以就近设置场地制作钢护筒，也可以在其他地点制作完成后运至场地内。在钢护筒施工中，使用震锤等机械将其振动下沉至已钻成的孔桩内，分段钢护筒采用焊接方式连接。钢护筒跟进有两种施工方式：①在冲击钻进的成孔过程中，钢护筒及时跟进，护筒下沉紧跟钻进标高，主要使用在单独的较大溶洞、空溶洞和水溶洞中；②孔桩冲击完成后，穿过溶洞，并且均已形成泥结石护壁，为防止在之后的冲击成孔过程中已形成的泥结石护壁出现坍塌、漏浆、埋钻等问题，应利用钢护筒跟进穿过溶洞位置堵漏，防止坍塌。此方法适用于桩孔穿过多个溶洞的情况。

在施工过程中，钢护筒的内壁直径应大于钻头外径3～5 cm。在冲击过程中，要注意检查冲锤外侧锤牙的磨损程度，充分利用冲击成孔的扩孔性能，使钢护筒顺利下沉。要想保证钢护筒可以顺利下沉，就要采用导向架导向下沉。导向架设计要简洁、实用，一般采用槽钢焊接而成。护筒长度较长时，在振沉过程中可能会因振动而使护筒倾斜。在振沉过程中，要安排专人用测量仪器或者铅锤吊放来监测护筒的垂直度和护筒口的平面倾斜度，以便及时调整护筒的垂直度，发现情况及时纠偏，并反复提升、下沉进行纠正。振沉结束后，安排测量人员对护筒中心和桩位进行复核检查，根据规范要求，护筒下沉时倾斜度不大于1%，平面误差不大于50 mm。如果测量人员发现护筒中心与桩位偏差超过规范要求时，就应拔起重新振沉。

4 结束语

在岩溶地区进行地下隐蔽工程——桥梁桩基施工，会给施工带来很大困难，工程质量只能通过严格的过程控制和成桩后的检测来确认，因而，对作业人员的操作熟练程度、工艺水平都有较高的要求。如何有效地避免在钻孔过程中出现掉钻、卡锤、埋锤、漏浆、塌孔和在灌注水下混凝土过程中发生断桩等问题呢？针对溶洞特性，对成孔施工方法和溶洞处理措施作了初步探讨，希望为同类的工程施工提供参考。虽然溶洞地段桩基施工很难控制，但是只要在设计、施工过程中能够充分考虑各种因素的影响，且现场施工组织严密、措施得当，严格规范施工，桩基溶洞问题就能得到很好的解决。

参考文献

[1]铁道部经济规划研究院.TZ322—2010 铁路工程施工技术指南——铁路桥梁钻孔桩施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]铁道部经济规划研究院.TZ203—2008 客货共线铁路桥涵工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2008.

[3]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T5148—2001 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].北京：中国经济出版社，2002.

〔编辑：白洁〕

Pile Foundation Construction Discussion Karst Geological Conditions

Ma Yu

Abstract： As a bridge foundation concealed underground works by karst， met cave is very common. Construction if handled improperly， can cause plasma leakage occurs， the card hammer， hammer and buried hole collapse and other accidents， so that the project quality is difficult to control， not only caused great difficulties to the construction， but also a threat to the safe operation after the opening of the bridge. Thus， in the full understanding of the cave bridge pile construction met the basic shape， size， structure and cave formations filling shapes and other information， to take effective preventive and treatment measures to prevent construction accidents， help save construction costs and improve construction efficiency.

Key words： bridge foundation； cave； construction program； treatment measures