深厚覆土隐伏溶洞深桩基施工关键技术研究

摘要：桩基础是穿越岩溶区的有效手段，但深厚覆土条件下复杂多变的隐伏岩溶会为桥梁桩基的安全性带来极大隐患。本文依托某桥桩基工程，基于不同溶洞存在条件下的嵌岩桩变形规律及探明的隐伏溶洞存在区域及形态，对岩溶区桩基溶洞病害处理关键技术进行总结，结果表明，（1）隐伏溶洞的存在会减少基岩对嵌岩桩的约束，降低其承载能力，其中串珠型溶洞及距离较近的下伏溶洞的存在都会造成约束的力进一步减少;（2）多种探测技术相结合可精准有效地探明工程区域内的溶洞分布情况，数字化定位定量探查可以对物探成果分析进行验证，弥补物探定性、模糊性分析的缺陷;（3）在深厚覆土下存在隐伏溶洞的区域进行桩基础施工时，对较大的单溶洞可采用回填封堵漏浆，护筒跟进施工，混凝土灌注护壁结合的工法进行处治，对多层溶洞的处治可综合采用灌浆法和内护筒法，或全套护筒法。

关键词：隐伏溶洞;桩基础;综合探测技术;溶洞处治技术

0  引言

随着我国基础设施的不断发展，越来越多的铁路、公路需要穿过岩溶区[1]。岩溶区的桥梁桩基，由于岩体的岩性不同，溶洞的发展、发育情况不同[2]以及填充物的复杂性和多样性等，决定了岩溶地段桩基在遭遇不同荷载时容易发生较大位移而影响上部结构稳定，还易引发其他次生灾害[3-4]。

国内众多专家和学者对岩溶地区桩基施工问题进行了探索和针对性研究。周磊[5]分析了岩溶区嵌岩桩的受力特性和承载机理，探讨了岩溶区嵌岩桩桩端岩层的受力特性与破坏机理。邹新军[6]等分析了串珠状溶洞区桩侧摩阻力、桩端阻力的特点及其对桩身竖向承载性状的影响。陈剑华[7]针对岩溶强发育区地质情况复杂多变，提出了对溶洞进行预处理的方法。李洪亮[8]依托佛山一环工程的具体实践，对岩溶区桩基的勘察、设计以及地质隐患探测、评价、处理与检测等成套技术进行综合研究。

本文依托于某桥桩基工程，基于该区域岩溶发育状况，分析不同类型溶洞对嵌岩桩承载模式影響，并综合物探成果与三维激光探测技术，明确工程隐伏溶洞存在区域及形态，总结岩溶区桩基溶洞病害处理关键技术，以期为类似工程提供借鉴。

1  工程概况

桥址区域地质广泛分布为大理岩，发育溶蚀现象，多为溶孔、溶隙，揭示溶洞洞高0.4～4.6m，无填充或全填充硬塑状粉质黏土及碎石土，遇洞率34.04%，线溶率1.82%～56%，为微弱发育～弱发育。其中373#墩至385#墩区域岩溶发育严重，部分墩台遇较大溶洞，属于岩溶强发育。

2  岩溶区桩基不同承载模式数值分析

2.1 模型建立

本节采用有限元分析的方法，所选用的场地地基尺寸为20m×20m×40m。模型桩基横截面直径尺寸为0.8m，桩身长度为30m。有限元模型如图1所示。砂土地基采用Mohr-Columb本构，基岩采用Drucker-Prager弹塑性本构，桩基采用线弹性本构。桩身地基材料参数如表1所示。

2.2 单溶洞因素条件下岩溶区桩基抗压承载力分析

（1）不同溶洞高度

图2为不同溶洞高度条件下的嵌岩桩位移变形分布图（溶洞宽度为2m）。由图可知，桩顶竖向位移随着溶洞高度的增加而减小，而桩底竖向位移随着溶洞高度的增加而增大，说明随着溶洞竖向方向尺寸的增大会减小对桩身的约束，增加桩轴向变形量，并使得桩身略有上移，在溶洞高度由2m增加至4m时，桩底上移幅度增加12%，由4m增加至6m时，桩底上移幅度增加13.8%。

（2）不同溶洞宽度

图3为不同溶洞宽度条件下的嵌岩桩位移变形分布图（溶洞高度为2m）。由图可知，随着溶洞横向方向尺寸的增大会减小对桩身的约束，在溶洞宽度由2m增加至4m时，桩底上移幅度增加8.9%，由4m增加至6m时，桩底上移幅度增加3.2%，表明桩身轴向变形受隐伏溶洞高度的影响较大，宽度较次。

2.3 复杂多溶洞因素条件下岩溶区桩基抗压承载力分析

（1）穿桩多串珠型溶洞条件

以宽度2m，高度2m的单溶洞变形（图2（a））为基准进行串珠型溶洞对桩基影响研究，结果如图4所示。对比可知，串珠型溶洞嵌岩桩沿轴向方向的变形略大于单溶洞嵌岩桩沿轴向方向的变形，说明串珠型溶洞对嵌岩桩约束相对较小，桩基承载能力较弱，桩顶下沉量更大，对工程影响更大。

（1）穿桩型溶洞与下伏溶洞并存条件

以宽度2m，高度2m的单溶洞变形（图2（a））为基准进行穿桩型溶洞与下伏溶洞并存对桩基影响研究，结果如图5所示。由图可知，桩顶竖向位移随着桩底下伏溶洞距离的增加而增大，而桩底竖向位移随着桩底下伏溶洞距离的增加而减小，表明桩沿轴向方向变形会随着桩底下伏溶洞距离的增加而略有减小。说明下伏溶洞的存在会降低桩底基岩的承载能力，但随着下伏溶洞与桩底距离的增大影响削弱，桩身竖向变形逐渐减小。

3  岩溶区隐伏溶洞综合探测技术

3.1 综合物探成果分析

（1）地质雷达探测

由地质雷达成果分析得出，374#墩、375#墩、377#墩、379#墩、383#墩均有岩溶发育现象。尤其在375#墩发现存在多处岩溶发育（图6），推测下方岩溶发育比较强烈。

（2）瞬变电磁探测

工区设计及线路布置图如图7所示，整个测区面积大小为300m×12m，包含11个承台，每个承台尺寸为11m×7m;共布置三条测线，测线间距3m，测线1、3行进方向由东向西，测线2行进方向由西向东;测线上分布着等间距测点，测点间距2.5m。

图8为三条测线的视电阻率图。从图8（a）可以看出，在测线1的开始与结尾处位置均有地下高阻体存在，怀疑为岩溶发育区域。推测，383#墩及373#墩附近区域可能发育溶洞，且溶洞内不含水或含少量水。综合图8（b、c）分析可得，测线2与测线3所在位置地层下方无明显低阻体，说明该地区地下水位较深，地表下方几十米范围内基本没有低阻含水体。推测得出，若存在发育溶洞的情况，也几乎是不充填或者砂石泥土充填。

（3）跨孔电阻率CT探测

以375#墩部分测线探测结果为例，图9为井间电阻率工作示意图及测线布置图，每个探测桥墩共有4个钻孔（4钻孔以桥墩为中心），呈矩形分布。

图10为跨孔电阻率探测A1-A3、A4-A3测线成果剖面图。推断两孔之间区域岩溶裂隙发育，其中电阻率异常区A1-A3-1～2岩体破碎，岩溶裂隙发育。A1-A3-3～4为岩溶发育区，存在溶洞。A1-A3-5岩体破碎，裂隙发育。电阻率异常区A4-A3-1～3岩体破碎，裂隙较为发育。A4-A3-4～6为岩溶发育区，存在溶洞。

3.2 三维激光扫描探测

岩溶隐伏溶洞探测采用3D激光扫描系统，通过钻孔放探头进入空区、溶洞进行扫描测量，375#墩钻探孔内摄像图片如图11所示。

图12为375#墩溶洞三维实体模型，此孔在孔深15-17.5m处有向西北、东北、东南三个方向延伸的溶洞，溶洞向西北方向延伸長度最大约1.5m，溶洞面积约0.6m2，体积约0.55m3;溶洞向东北方向延伸长度最大约0.6m，溶洞面积约0.45m2，体积约0.35m3;溶洞向东南方向延伸长度最大约1.6m，溶洞面积约0.55m2，体积约0.46m3;大致呈东北高西南低的赋存状态，整体溶洞体积约1.355m3。

4  岩溶区桩基穿越隐伏溶洞处治综合施工技术研究

4.1 小型单溶洞处治

小型溶洞危害性较轻[9]，首先迅速用大功率泥浆泵补浆补水，然后将准备好的片石、黏土等按适当的比例抛入，采用小冲程轻砸，使黏土和片石充分挤入溶洞内壁发挥护壁作用。直至孔中的泥浆停止下降，并慢慢上升后，可用冲锤进行适当挤压，当泥浆漏失现象全部消失后转入正常钻进。如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。

4.2 大型单溶洞处治

大型单溶洞由于各孔的溶洞尺寸和溶洞深度均较大，且不均匀性，对桩基稳定性影响较大[10]。处治时一般首先回填封堵漏浆，继而护筒进行跟进施工，最后再进行混凝土灌注护壁。

（1）回填封堵漏浆

遇到较大的溶洞，特别是溶洞底部原本存在漏浆源的半充填溶洞，冲孔过程中充填物滑落或被重新揭开，易造成重新漏浆。为了堵住漏浆源，发现漏浆后，集中水泵向孔中补水并保持水头，同时立即向孔中抛袋装水泥，并向孔中投入3～5m厚黏土、片石混合物，待漏浆停止后重新冲孔，冲孔到漏浆部位的时间宜控制在水泥终凝时间之前，然后停止6～10h。如此反复操作，直到凝固后的水泥黏土浆把漏浆源堵死为止。

（2）钢护筒跟进法

遇到特大型空溶洞或半充填的溶洞时，为防止漏浆造成孔壁坍塌，采用预钻孔，然后埋钢护筒隔离上部松软覆盖层的方法进行处理。即先采用较大直径的钻头冲击至距溶洞顶1.0m处，然后下内护筒至孔底，再换小钻头继续冲砸，直至击穿溶洞，然后回填黏土、片石混合物，采用反复冲击的办法将洞内冲砸密实，再转入正常钻进。

对于桩基穿越溶洞高较大的空洞时，采取下钢护筒的处理方案。冲击钻冲穿溶洞后，打入比孔口护筒稍小的钢护筒，用导向锤将钢护筒振至溶洞底岩面，在护筒内回填混凝土堵漏，待混凝土达到一定强度后再用冲击钻冲孔，穿过溶洞后，按正常工艺施工。

（3）灌注混凝土护壁二次成孔钻进法

对于桩基穿越洞高较大且填充物为流塑状溶洞时，在钻至溶洞底板后，不需清孔，向孔内灌注水下混凝土到距溶洞顶0.5m左右处，待混凝土达到7d强度后，重新钻进。灌注的混凝土会在桩孔周围形成一个圆形或半圆形围护，有效防止溶洞内流塑状填充物涌入或混凝土流失而引起的断桩。

4.3 多层溶洞处治

通过由小型溶洞组成的多层溶洞时，一般多出现漏浆、斜孔等病害[11]，处理方法可采用处理多个小型单溶洞的方法一一解决。

由大型溶洞组成的多层溶洞的处治

多层溶洞，根据溶洞层数、大小和填充物的情况，采用片石灌浆填充、多层护筒嵌套施工相结合的方法进行处理。开钻前，根据工程钻孔柱状图，确定哪层溶洞需埋设钢护筒及个数，开孔时根据埋设钢护筒的数量确定孔径（L为底节护筒内径，t为筒壁厚度），一般内套护筒比外层护筒小15cm，最内层护筒内径不小于设计桩径+0.15m。穿过溶洞使钢护筒底部支撑在溶洞底板或顶板上，接着重新在护筒内钻孔。

5  结论

本文依托某桥桩基工程，分析了隐伏溶洞对嵌岩桩桩基承载模式的影响，并综合多种类型物探成果分析与三维激光扫描探测建模技术，定性定量地明确了工程隐伏溶洞存在区域及形态，在此基础上，对岩溶区桩基溶洞病害处治关键技术进行了总结，结果表明：

（1）隐伏溶洞的存在会减少基岩对嵌岩桩的约束，其中溶洞高度较宽度对嵌岩桩影响更大，串珠型溶洞会造成约束的力进一步减少，随着下伏溶洞与桩底距离的增大，桩身竖向变形逐渐减小。

（2）采用数字化定位定量探查装备进行精准探查，对岩溶、裂隙等地质灾害源进行定位、定量精细化探查，对超前钻、物探等勘察结果进行验证，即避免了超前钻的“一孔之见”的弊端，又克服了物探探测只能定性、模糊分析的缺陷。

（3）在深厚覆土下存在隐伏溶洞的区域进行桩基础施工时，对较大的单溶洞可采用回填封堵漏浆，护筒跟进施工，混凝土灌注护壁结合的工法进行处治，对多层溶洞的处治可综合采用灌浆法和内护筒法，或全套护筒法。

参考文献：

[1]肖载兴.富水串珠状溶洞公路隧道施工技术研究[J].铁道建筑技术，2021（09）：128-133.

[2]刘存林，吴胜仓.综合勘察方法在某公路工程岩溶勘察中的应用[J].公路，2021，66（05）：76-79.

[3]李红.公路工程岩溶地区桩基施工中存在的问题及对策分析[J].建筑技术开发，2020，47（05）：149-151.

[4]胡巍耀.岩溶地区隧道施工要点与对策研究[J].工程技术研究，2019，4（10）：49-50.

[5]周磊.岩溶区嵌岩桩承载特性及其设计方法研究[D].湖南大学，2010.

作者信息：彭肇，男，1988年1月，汉，陕西汉中，本科，工程师，研究方向岩溶桩基处理