地下暗河环境桥梁桩基水下混凝土灌注施工

朱占发,陈博博,秦 欢

（中交二公局第二工程有限公司,陕西 西安 710119）

0 引言

喀斯特地貌广泛分布于我国云南、贵州及广西等地区。由地下水与地表水对可溶性岩石溶蚀与沉淀，侵蚀与沉积，以及重力崩塌、坍塌、堆积等作用形成。地表有石芽与溶沟、喀斯特漏斗、落水洞、溶蚀洼地等地貌。地下地质情况复杂，伴有溶洞与地下河、暗湖。在上述区域进行桥梁桩基施工，根据有无地下水分为干桩混凝土灌注和水下混凝土灌注施工工艺。其中有地下水工况，使用泥浆护壁成孔工艺时，存在较多溶洞和地下河进入桩基孔内的情况，导致实际现场成孔困难，进行水下混凝土灌注时出现塌孔、断桩的情况。

该文依托广西平南高速武鸣西枢纽互通桩基施工中遇到的溶洞及地下暗河情况，对桩基成孔钻进过程溶洞处理以及水下混凝土灌注工艺创新，为后续其他同等或类似地质情况的桥梁桩基施工提供相关借鉴经验。

1 项目概况

武鸣西枢纽立交主线桥设计范畴K121+800~K123+600，设计长度1 800 m。中心桩号：K122+668.401，双向六车道高速公路，设计车速120 km/h，路基全宽34 m。立交匝道A、B、C、D、F、G、H设计车速50 km/h，匝道E设计车速40 km/h，8条匝道桥均采用单出、入口的单向两车道形式，匝道路基全宽10.5 m。桥梁基础均采用桩基础，其中Φ1.2 m小计40根，Φ1.5 m小计106根，Φ1.8 m小计77根，Φ2.0 m小计90根，枢纽内共计桩基313根。根据现场施工情况统计以及专业地下水勘察发现，武鸣西枢纽互通下共存在两条暗河，并在此处交汇，如图1。

图1 武鸣西枢纽立交桩位平面布置图

2 项目地质情况

武鸣西枢纽地层岩性由上至下主要为第四系残坡积粉质黏土、冲洪积黏土及石炭系强~中风化灰岩。其中强~中风化灰岩为该区主要地层，中风化灰岩承载力较高，设计为桩基础的持力层。桥址区未发现断裂构造，岩层总体倾向南，产状为75°∠15°，为单斜构造。根据《中国地震动峰值加速度区划图》及《中国地震动反映谱特征周期区划图》（GB 18306—2015），拟建线路沿线地震动峰值加速度为0.05 g，反应谱特征周期为0.35 s，相当于地震基本烈度为Ⅵ度。根据地质调绘资料表明，桥址区无地表水发育，立交区勘察范围内未见地下水发育（2020年6月底—2020年7月底完成现场地质调绘）。但桥址区发育有大量可溶性碳酸盐岩类地层，岩性为灰岩，在水的冲蚀作用下，易形成溶洞，对桥梁的基础有一定的影响。据试验资料，地表土、地表水和地下水对混凝土及混凝土结构中的钢结构具微腐蚀性。

3 桩基成孔工艺

项目设计图纸推荐利用旋挖钻机进行桩基成孔施工。但根据设计图纸地质情况描述，中风化灰岩钻芯强度可达到70~80 MPa，最大为103.5 MPa，旋挖钻施工易出现无法钻进的情况，入岩后钻头磨损严重。桩基入岩后存在较多溶洞，旋挖钻施工出现卡钻、埋钻及偏孔的现象，施工处理难度大，影响整体桩基施工进度。在岩溶发育区，旋挖钻施工时自给泥浆护壁能力较冲击钻差，易出现塌孔的现象，无法保证桩基成桩质量。

结合现场实际情况及桩基施工经验，该项目最终使用冲击钻成孔施工工艺。冲击钻施工适应性高，施工过程中泥浆护壁能力强，出现塌孔的现象较少，并能很好地处理中、小型溶洞。在出现卡锤现象时，吊车可进行上下提拉并进行轻微振动，使锤头与孔壁产生缝隙后将锤头吊出，保证桩基顺利成孔。

地下暗河环境伴随有溶洞等不良地质，导致泥浆泄露，无法形成钻孔施工所需稳定水头。地下暗河水进入桩基孔内，造成塌陷，该项目在施工中遇到地表塌陷（如图2）。为保证顺利钻进成孔，根据不同地质情况，常为以下几种处理方式。

图2 桩基钻进过程中出现地表塌陷

（1）片石黏土筑壁法：在溶洞内无充填或半充填，溶洞不太大（在3 m以内），但存在严重漏水或半漏水，护筒内水头高度不能保持时，可用片石加黏土（按1∶1体积比）回填冲击使其形成泥石护壁[1]。如片石黏土筑壁法效果较差，部分溶洞位置需进行反复冲击造壁，过程中可同步回填水泥或素混凝土，保证护壁效果满足施工要求。

（2）钢护筒跟进法：在溶洞较大、洞内无充填物或有流塑充填物、漏水很严重、片石加黏土反复打密仍无法形成泥石护壁时，可增加钢护筒跟进法施工。钢护筒钢板由20 mm厚的Q235钢材组成，分段接长、分段振沉。钢护筒上、下口各设置30 cm宽、12 mm厚加劲箍，以便钢护筒振设施工。

为减少钢护筒的用量，以双层钢护筒护壁的方式进行桩基成孔。设置双钢护筒，在钻进至强风化岩层位置处时，打入外层钢护筒至入岩位置以保证覆盖土层的稳定，避免覆盖土层出现塌孔现象。护筒为直径比设计桩径大20 cm的壁厚2 cm的钢板加工而成，在后续内层钢护筒下放预留足够空间。遇溶洞漏浆后不再用泥浆护壁钻进，而采用清水钻进的工艺配合掏渣桶施工的方法成桩。此阶段不再处理溶洞，仅保证孔内液面高于冲击钻冲程，利用地下水进行冲击钻锤头的润滑和降温。桩基成孔后下放内钢护筒，内钢护筒分为两节，底节钢护筒高度为入岩深度+1.0 m，最上一节护筒与底节护筒通过限位连接钢板临时连接，在桩基灌注完成后混凝土初凝前，拔除外护筒及顶节护筒周转使用。

（3）清水钻孔施工：根据地勘以及设计图纸，溶洞均出现在强风化及中风化岩层之中，地表覆盖层则无溶洞情况。因此在桩基钻进施工过程中，顶部覆盖层仍由泥浆护壁方式进行钻进施工，确保孔壁施工质量，不出现塌孔等情况。进入岩层后，如出现溶洞导致漏浆后不再进行泥浆补充，岩层相对较稳定，不再出现塌孔等情况，使用清水钻孔施工工艺，钻渣采用掏渣筒进行清理[2]。以减少桩基回填复钻施工，保证桩基施工进度并降低施工成本。

岩溶区域地质构造复杂，溶洞形态千差万别，对桥梁安全性的影响程度不同，对其处理的方法也应有所不同，给桥梁桩基施工带来了很大困难。施工中往往事故多、进度慢、成本高。因此，施工前应熟悉地质报告，掌握溶洞所在位置、大小、有无充填物、是否漏水等影响施工的因素，确定每根桩的施工方案，严格按照现场的开孔原则，务必把各项准备工作、应急措施做到位后才允许开孔。

4 水下混凝土灌注施工

4.1 混凝土配合比设计

项目设计桥梁桩基混凝土为C30水下混凝土，结合项目桩基施工环境，对桩基混凝土的配合比进行优化调整。与常规位置同标号混凝土相比，主要是增加胶凝材料以及加大混凝土的坍落度，实际使用桩基C30水下混凝土与其他部位常规C30混凝土设计配合比见表1。

表1 C30混凝土设计配合比

在混凝土配合比设计阶段，主要通过试配确认混凝土最佳配合比。桩基水下混凝土增大胶凝材料主要是因为桩基混凝土浇筑完成后无法进行养生，需确保混凝土强度满足要求。桩基进行水下混凝土灌注施工时，为防止堵管、爆管引起的桩基质量事故，水下混凝土坍落度较常规位置的混凝土大，故现场要严格控制混凝土坍落度，并进行现场试验。

4.2 复合式护壁结构

泥浆护壁钻孔完成的桩基以及钢护筒跟进的桩基，常规的水下混凝土灌注施工工艺即可满足施工要求。清水钻施工时，由于无泥浆护壁，暗河流动造成颗粒搬运，无法形成稳定的水下环境进行桩基混凝土灌注施工。为保证桩基混凝土顺利灌注，防止出现桩基夹泥、断桩的质量事故，减少施工成本投入，考虑复合式护壁结构进行桩基混凝土灌注施工，如图3。

图3 复合式护壁结构布置示意

复合式护壁结构为钢筋笼外骨架形式，外骨架支撑于孔壁，保证桩基直径不小于设计值，避免溶洞填充物和暗河搬运的大颗粒物质进入桩身混凝土中，对孔壁进行加强。骨架外侧包裹柔性材料——防水土工布，避免水下混凝土扩散至骨架外侧，隔断外界细颗粒物质进入桩基混凝土，影响成桩质量。防水土工布为柔性材料，能较好适应桩基孔壁的不平整变化。复合式护壁结构为介于泥浆护壁和钢护筒跟进护壁的刚柔结合护壁，可保证桩基成桩质量，降低施工成本。

4.3 混凝土灌注

桩基混凝土均使用导管进行水下混凝土灌注施工。首先根据桩径、桩长、导管直径以及泥浆或水的容重参数等计算出首批混凝土所需用量，然后配置足够容量的料斗及首罐混凝土，确保首批混凝土能够保证导管埋置深度不小于1 m[3]。首批混凝土灌注完成后，紧接着进行剩余混凝土的灌注，不得中断。根据灌注混凝土量检查孔内混凝土面上升情况，用以指导调整导管埋深，保证导管埋深满足规范要求。混凝土灌注过程中，需对钢筋笼临时固定，防止混凝土灌注过程中钢筋笼出现上浮的情况。为保证桩基成桩施工质量，需对桩基混凝土进行超灌，超灌高度控制在0.8~1 m。

5 成桩检测

桩基钢筋笼加工过程中，按照要求设置声测管，在混凝土浇筑完成并达到规范要求强度后，对桩基进行超声波无损检测，主要判断其桩身完整性。对于桩身存在的缺陷，应判明其存在的问题、具体位置和对桩身完整性的影响；对于影响成桩质量的位置，需采取可靠措施进行处理，确保桩身完整性。

6 结语

喀斯特地貌下伴有溶洞，根据地形情况有时存在地下暗河，其中地下暗河的流水搬迁和流动作用，使得地下暗河环境桩基施工极为困难。针对地下环境复杂的工况，可靠的施工工艺确保桩基成孔及混凝土灌注施工质量必不可少。泥浆护壁+清水钻复合成孔可加快成桩速度，复合式护壁结构不仅能确保桩基混凝土灌注施工质量，也可减少相关成本投入，为同类型地下暗河桩基施工提供参考经验。