溶(土)洞不良地質的對策及在橋梁樁基礎中的處理措施

張志勇

(福建福鐵地方鐵路開發有限公司, 福建福州 350000)

溶(土)洞不良地質的對策及在橋梁樁基礎中的處理措施

張志勇

(福建福鐵地方鐵路開發有限公司, 福建福州 350000)

文章簡要闡述了溶(土)洞的含義，并將其對工程的危害劃分為溶(土)洞水的危害和溶(土)洞洞穴的危害兩大類型。在此基礎上，從這兩大危害入手，介紹了相應的工程處理措施，即截流、排泄、圍堰、堵塞以及跨越、加固和繞避。為保證溶(土)洞地層鉆孔樁施工時能夠順利成洞，對泥漿造壁法、鋼護筒跟進法、密閉壓漿法和傳遞能量法等橋梁鉆孔樁基礎溶(土)洞地層施工處理方法做了較詳細的介紹。最后，以龍巖紫金山體育設施用地東側連接線跨漳龍鐵路立交橋工程為例，介紹了溶(土)洞處理措施。

橋梁； 樁基礎； 溶(土)洞處理； 技術措施

1 溶(土)洞及其工程危害性

1.1 溶(土)洞的定義

巖溶(又稱喀斯特)是可溶性巖石在水的溶蝕作用下，產生的各種地質作用、形態和現象的總稱。

土洞是指埋藏在巖溶地區可溶性巖層的上覆土層內的空洞。土洞繼續發展易形成地表塌陷。當上覆有適宜被沖蝕的土體，其下有排泄、儲存沖蝕物的通道和空間，地表水向下滲透或地下水位在巖土交界處附近作頻繁升降運動時，由于水對土層的潛蝕作用，易產生土洞和塌陷。

1.2 溶(土)洞對工程的危害

溶(土)洞對工程的危害總體上可分為兩大類型：溶(土)洞水的危害和溶(土)洞洞穴的危害。

溶(土)洞地區的地表水對路橋、鐵路工程的危害主要表現為：當工程橋涵和路基存在于溶(土)洞洼地、谷底區域時，溶(土)洞地表水可能沖刷、淹沒結構物，引起工程質量問題。溶(土)洞地下水對路橋、鐵路工程的危害主要表現為：雨季雨量較大時，可能導致公路路基、橋梁基坑坍塌、基底涌水；水量過大時可能造成基底浮力過大，水位下降時有可能引起基坑沉陷，危害建(構)筑物的安全。

溶(土)洞洞穴對建筑在其上的建(構)筑物的危害，主要表現為建(構)筑物基礎承載力不足，頂板強度、厚度不夠引起地基失穩破壞，覆蓋巖溶臨空面、建(構)筑物基礎懸空。

2 溶(土)洞危害的工程處理

溶(土)洞處理的目的是充填橋梁樁基底部和持力層范圍內已有的溶(土)洞，切斷具有侵蝕性的水流通道，阻止溶(土)洞繼續發育。根據上文分析，溶(土)洞對工程的危害體現在溶(土)洞水的危害和溶(土)洞洞穴的危害，因此其工程處理措施也應當從這兩方面著手。

2.1 溶(土)洞水的處理

2.1.1 截流

通過設置與水流方向呈垂直連接的截流盲溝、截水墻、截水洞等措施，達到對施工目標范圍內溶(土)洞水的截流和疏導，降低地下水位，保證施工的順利進行。3種截流措施具有各自的適用范圍。如：帶有反濾層的截流盲溝適宜水量較小而分散的溶(土)洞水；截流墻可以防止水流的沖擊和滲入；截流洞則可以疏導某一范圍內的溶(土)洞水。

2.1.2 排泄

針對常年流水，或季節性的、流量比較集中的溶(土)洞水要考慮排泄措施，如設置泄水洞、管道、橋涵及明溝等。排水溝渠的方向，或管道方向應與水流方向一致。4種排水措施具有各自的適用特點。如：泄水洞常用于排泄洼地和基底積水；排水管常用于排泄水量比較集中的溶洞水；公路排水橋涵常用于水量富集的溝谷或路段；排水溝(泄水洞、明溝引排)則用于將低洼處的積水引向其它方向。

2.1.3 圍堰

一般情況下，為例保證水工建筑物的正常施工，防止水或土進入施工區域，可采用圍堰、圍欄等措施。普遍使用的圍堰材料有混凝土圓柱管、混凝土心墻和斜墻、片石或鋼筋網等。為了防止多方向的水流匯集流入消水河，也可用不透水材料的圍堰予以阻隔。

2.1.4 堵塞

當溶(土)洞中的地下水水量較小時，而且由于溶(土)洞的布局導致水流分散，可以采用砂漿、漿砌片石等材料進行堵塞。當水量特別大時，再采取堵塞措施反而十分不易。在公路和鐵路隧道隧道工程中，由于工程的特殊性，常采用壓漿堵水和壓漿帷幕的措施來進行溶(土)洞水的堵塞。

2.2 溶(土)洞洞穴的處理

溶(土)洞洞穴在處理的時候，需要考慮洞穴的實際大小，洞穴所處的位置，以及對建(構)筑物的影響情況，分情況合理的采取措施進行處理。常用的措施如跨越洞穴、進行封堵處理、對洞穴進行加固處理、繞過洞穴等。

2.2.1 跨越

從結構形式來看，跨越可分為梁跨、板跨、拱垮等。對于橋墩基礎下的洞穴，當洞穴深度較大時，可采用按周邊受力的鋼筋混凝土板跨越，其上修筑橋墩。在公路、鐵路隧道路基范圍內，如果建(構)筑物部分懸空，則可采取橫梁或支墩支托縱梁，縱梁上再作邊墻。在特殊情況下，可在暗側頂板上作建(構)筑物。

2.2.2 加固

為防止洞穴坍塌或加強洞穴頂板巖層的穩定性而做加固措施。結合工程的具體情況，采用合理的加固措施，如采用樁基、對溶(土)洞洞穴采用加固錨桿、對洞穴進行回填加固等。當溶(土)洞發育情況比較復雜時，單單采用某一項加固措施可能難以收到很好的效果，此時，則需要根據具體情況，采用多種方式交叉的方法進行處理。

2.2.3 繞避

在地質勘測和選線的時候，可以對已經查明的具有危害性大，處理成本過高的溶(土)洞洞穴采取局部繞避或完全繞避的措施。既保證工程質量，又能提高工作效率，經濟合理。但該方法應用有一定的局限性，僅適用于前期勘察較充分的情況，對施工中遇到的溶(土)洞洞穴，則無法奏效。

3 溶(土)洞地區橋梁樁基施工技術

溶(土)洞地層鉆孔樁施工的技術難點在于保證在溶(土)洞層段順利成孔而不出現卡鉆、掉鉆等故障。這就要求操作人員在預先掌握樁孔地質資料的情況下，注意鉆孔過程中出現的異常現象，及時準確地判斷鉆孔狀況。工程技術人員應根據工程實際，制定具體的解決造壁、護壁、斜面開孔、穿越頂板和空洞的施工方案，保證鉆孔施工的順利進行。橋梁鉆孔樁基礎溶(土)洞地層施工處理方法主要有以下4種。

3.1 泥漿造壁法

泥漿造壁法就是根據溶(土)洞內充填物的不同種類和流塑性，在使用優質泥漿護壁施工的同時，按一定比例分別加入燒堿、水泥、鋸木屑、草袋、片(碎)石等混合材料，借助于鉆頭的沖擊搗固作用，將填充材料同稠密的泥漿一起擠入溶(土)洞和溶(土)洞裂隙中，形成強度連續的鉆孔路徑，在接續的鉆孔工序中形成孔壁封閉環，達到泥漿護壁的效果。泥漿造壁法主要適用于洞體尺度相對于樁徑不大的小溶(土)洞，具體情況按溶(土)洞的相對位置、圍巖種類和充填物的性質等因素確定。

造壁法處理溶(土)洞的效果取決于加強型泥漿的配制質量，因此在泥漿配制時應注意各種配料的選擇和使用要求。黏土是泥漿配制的主要原料，應具有水化快，造漿能力強，粘度大，含砂率低等特點，一般要求其膠體率不小于95 %，含砂率小于3 %，造漿能力大于215 L/kg，塑性指數不小于20。當溶(土)洞內充填物為細砂或流塑性物質時，在泥漿中摻加適量水泥，可以起到提高泥漿抗滲透能力，增強護壁功能，防止塌孔漏漿的功效，水泥的用量一般為黏土用量的15 %～20 %。燒堿具有保持和提高泥漿粘稠度的作用，對處理孔壁漏漿有較好的效果，一般按黏土用量的2 %～3 %使用。泥漿中適量摻加的木屑可提高其懸浮能力，提高鉆進速度，滿足溶(土)洞地層的清孔要求。片(碎)石的使用能起到溶(土)洞孔壁骨架加固作用，一般選用15～25 cm的片石和7 cm以下的碎石。配料的選擇也可以因地制宜地選用其他材料，以達到處理溶(土)洞的效果最佳為宜。

3.2 鋼護筒跟進法

鋼護筒是常規法深水鉆孔樁基礎施工中的輔助措施，護筒的作用在于樁基定位、施鉆導向、保護孔口和維持孔內水頭壓力等。溶(土)洞地區鉆孔樁基礎的施工，由于溶(土)洞地層復雜的地質狀況，溶溝、溶槽、溶(土)洞等相互連通，溶(土)洞或富含軟塑、流塑充填物，或為無充填的空洞，處理措施不當會出現泥漿急劇流失，造成塌孔、卡鉆等事故。如果這種事故發生在灌注水下混凝土過程中，就會出現混凝土流失，不能有效地埋植導管，發生斷樁事故。因此，鋼護筒跟進施工作業溶(土)洞地層鉆孔樁基礎施工中具有護孔成樁的特殊作用。通常情況下，鋼護筒跟進作業就是在準確的樁孔位置處將鋼護筒就位后，首先用振動打樁錘將其逐步下沉到需要保護孔壁的地層和巖石上，再用回旋鉆機鉆孔，緩慢下沉鋼護筒，接近溶(土)洞時，向孔內拋填片石與絮狀物，并用鉆機將拋填物向四周擠壓，將溶(土)洞填滿，為鋼護筒跟進提供依托，保證鋼護筒不出現傾斜現象，最終將鋼護筒下沉到設計位置或穩定堅固的基巖上，達到護孔成樁的目的。

鋼護筒跟進法作業，在處理泥砂型溶(土)洞時，按其覆蓋層厚度與所含的淤泥砂量又分為以下2種情況。當覆蓋層和溶(土)洞內泥砂層較薄，發生塌孔不會引起鋼護筒嚴重變形或產生位移時，應將原先設置的長度較短的鋼護筒吊起，更換新的鋼護筒或對原有的鋼護筒接長穿過溶(土)洞區直至巖層(如果是摩擦樁，鋼護筒埋深至設計樁底標高處)。在溶(土)洞區段鉆孔作業時，應加大泥漿的稠度，加強所填片石混合物的密實度和穩定性，保證鋼護筒的順利下沉。當覆蓋層較厚且溶(土)洞內含有較厚的淤泥層，孔內水位下降時，由于鋼護筒周邊的側壓力較大且分布不均勻，鋼護筒在下沉過程中可能產生嚴重變形或偏轉位移，此時，應將鋼護筒吊起，填土壓實后再重新鉆樁。鋼護筒變形不大時，應對鋼護筒的外形尺寸進行校正維護，并采取控制護筒變形的結構加強措施(如采用大厚度鋼板)或工程措施，控制護筒變形的發展，保證鋼護筒的變形和位移在允許范圍內，然后利用回旋鉆機慢慢將鋼護筒下沉至巖層和設計標高位置。

鋼護筒跟進法適合于水中或陸上樁基礎穿越串珠狀溶(土)洞或溶(土)洞大而空的情況。根據地質狀況的不同，跟進作業可采用單護筒跟進(簡稱單跟)或雙護筒跟進(簡稱雙跟)施工，前者適用于串珠狀溶(土)洞且洞內充填物為軟塑物質或卵石土、溶(土)洞不大的情況；后者適用于充填物為流塑性物質且溶(土)洞范圍大或溶(土)洞為空洞時的情況。鋼護筒跟進法施工所需的工序和輔助設備較多、進度慢、成本高，但成孔和成樁質量穩定，施工中應綜合施工難度和經濟因素選擇使用。

3.3 密閉壓漿法

密閉壓漿法就是利用土體化學加固原理，使用高壓輸漿泵將化學漿液通過灌漿導管均勻壓入地層，使原來松散砂石散粒體或巖石裂隙充滿漿液，固結成1種強度較高、抗滲水性且與周圍巖體膠結穩定的新結構“人造石”，達到防止地下水流動，將泥砂固結成“人工石”，極大地改善了樁基鉆孔條件，使鉆孔能得到順利施工的方法。根據密閉壓漿實施時間的不同，這種方法分為施鉆前密閉和施鉆中密閉2種情況，工藝上也不相同。施鉆前密閉壓漿就是用小型鉆孔機械鉆孔至溶(土)洞所在位置，然后用高壓注漿泵將化學漿液注入溶(土)洞的砂石層中，并迅速填滿溶(土)洞凝結砂石散粒體和圍巖裂隙，形成“人造石”，阻斷地下水，從而改善地質類型。溶(土)洞內砂石固結完成后，便可采用沖擊鉆施鉆成孔。這種施工方法的前提條件是溶(土)洞內必須富含砂石等充填物而不能為空洞。當溶(土)洞內的地下水流較小時，采用水玻璃類化學漿液進行處理具有較好的固結效果；當地下水流較大時，再采用水玻璃類化學漿液進行處理就難以取得良好的固結效果，此時采用氰凝漿液處理將會是種很好的選擇。氰凝漿液是1種新型的聚氨酯類灌注材料，遇水反應劇烈，產生大量氣體，是1種很好的防水，堵水材料。

3.4 傳遞能量法

對溶(土)洞地層進行處理時會遇到巖面傾斜、巖質軟硬不均的情況，在施工過程中可能會遇到樁孔偏斜、斷樁、損壞鉆頭刃腳等現象，這時適宜采用的處理方法為傳遞能量法。

傳遞能量法，即在鉆機即將進入地下溶(土)洞的斜面時，通過向溶(土)洞內投擲堅硬片石和黏土塊，對鉆孔進行修正的方法。鉆機施工過程中，鉆機的適宜沖程為0.6 m左右，既保證了足夠的沖擊能，又起到了形成混合柱體，破碎斜面的施工目的。為了保證傳遞能量法可以得到更好的施工效果，需要通過兩種判斷方法對溶(土)洞地層巖面的實際傾斜狀況作出判斷：①依據地質鉆探柱狀剖面圖；②依據施工過程中鉆繩的擺動和鉆機沖擊的聲音。傳遞能量法對鉆孔作業具有很好的導向作用。

4 溶(土)洞處理在實際工程中應用

4.1 工程概況

龍巖紫金山體育設施用地東側連接線跨漳龍鐵路立交橋工程，位于龍巖市新羅區紅坊鎮，主要跨越漳龍鐵路及一條上山公路，屬于龍巖紫金山體育設施用地東側連接線控制性工程。道路從龍巖紅田路道路工程紅炭山加油站附近引出，跨越漳龍鐵路及1條上山公路，通往龍巖紫金山體育公園綜合開發項目，設計為雙向4車道，機動車道凈寬14.0 m，雙側設2.0 m人行道。與漳龍線相交處鐵路里程為K68+910.40，道路里程為K0+132.863，鐵路與道路夾角約62.86°。

本橋為預應力混凝土連續小箱梁，采用先簡支后連續方法架設，設計全長83.15 m，橋寬19 m，劃分為2×0.5 m(兩側防撞墻)+2×2.0 m(兩側人行道)+14 m(機動車道)。橋墩采用柱式墩，樁基礎；柱徑1.3 m，樁徑1.5 m，1#墩樁長36 m，柱長9 m，2#墩樁長32 m，柱長3.5 m，均為4根樁；0#臺采用U型橋臺，樁基礎，承臺高2.0 m，樁徑1.2 m，樁長32 m，共12根樁；3#臺采用樁基接蓋梁承臺，樁徑1.2 m，樁長30 m，共3根樁；樁基礎除1#墩為端承樁(支承)，其他樁基均為摩擦樁。

橋梁樁基持力層內(以下)存在土洞及溶洞，其中土洞發育率為41.67 %，洞頂埋深40.4～42.4 m，洞高為0.9～7.2 m，為空土洞和充填土洞。溶洞發育率為58.33 %，巖溶發育深度39.6～63.1 m，該場地屬于埋藏型巖溶區的巖溶、土洞發育的不良地質作用分布區域。需要預先注漿加固后再進行樁基施工(圖1)。

圖1 橋墩與溶(土)洞的位置關系

4.2 溶(土)洞處理施工要點

溶(土)洞處理的目的是充填橋梁樁基底部和持力層范圍內已有的溶(土)洞，切斷具有侵蝕性的水流通道，阻止溶(土)洞繼續發育。溶(土)洞處理應該在樁基施工之前開始實施。為樁基施工做好提前預防措施。溶(土)洞處理方法有：

(1)注漿孔平面布置：1#墩注漿孔布置在靠近樁邊位置，每根樁布置3個孔，成等邊三角形狀；其他墩臺注漿孔布置在四個角點，每個墩臺布置4個孔進行試注漿，若遇溶洞按1#墩注漿孔形狀進行加密鉆孔注漿。注漿孔兼作地質鉆探孔，利用注漿孔進一步揭示溶巖情況。

(2)加固深度：根據勘探孔揭示溶巖的發育情況，加固深度確定為巖土界面以下4 m范圍，即孔深潛入基巖4 m，若鉆孔過程中遇溶洞，應將鉆孔至底板下0.5～1.0 m。

(3)注漿材料：注漿水泥采用P.O32.5水泥，水玻璃38～43波美度，模數2.4～3.0。一般采用單液水泥漿注漿，水泥漿液水灰比為：0.8∶1～1∶1。若遇空的熔巖通道、較大溶洞和裂隙處，視具體情況先灌注機制砂或稀的水泥砂漿對溶蝕腔體進行充填，再采用粉煤灰水泥漿液，全充填溶洞采用單液注漿。當裂隙通道發育、漿液擴散較遠或向深流失嚴重，或地表冒漿嚴重時，應采用雙液注漿。水泥漿、水玻璃配比為：0.1∶1～1∶0.05。雙液注漿工藝復雜，必要時可同時摻入緩凝劑(水玻璃量的1 %～3 %)。

(4)注漿壓力參數：灰巖中為0.1～0.3 MPa，巖土界面附近逐步加大至0.3～0.5 MPa。

(5)注漿結束標準：當注漿達到下列標準之一時，可結束該孔注漿：①注漿孔壓力維持在0.2 MPa左右，吸漿量不大于40 L/min，維持注漿壓力30 min，然后結束注漿。②冒漿點已出注漿范圍外3～5 m時。

當達不到上述標準時，可采用雙液注漿或清孔后再次注漿，清孔與上次注漿時間間隔不小于24 h。

(6)注漿效果檢查：①注漿前后，鉆孔注水實驗的單位長度吸水量對比，檢查注漿效果。注漿后單位長度吸水量應小于注漿前吸水量的3 %～5 %，且不存在明顯漏水現象。②鉆孔檢查，檢查孔數0#臺為三個，1#墩、2#墩、3#臺均為一個。根據取芯漿液填充情況直觀判斷注漿效果(取芯固結體強度需達到1.5 MPa)。土層、裂隙巖溶、洞穴等必須干鉆取芯，巖芯采取率大于90 %。檢查孔同時兼作補漿孔。

待溶(土)洞處理檢查合格后方可進行橋梁樁基礎施工。

(7)施工注意事項：注漿加固由周邊向中間進行，有空洞時灌注機制砂或稀的水泥漿液(可含碎石)直至溶(土)洞充填后才能進行注漿。注漿孔應跳孔施鉆，不應全部鉆孔完后再注漿，以免孔位串漿，增加施工難度及情況工作量。

5 結束語

通過對溶(土)洞處理常用技術措施的分析比較，結合龍巖紫金山體育設施用地東側連接線跨漳龍線立交橋工程特點，制定了橋梁樁基礎溶(土)洞處理的實施方案。根據工程實施過程中反饋的情況來看，該方案是科學合理的，能夠有效保證工程質量，取得了良好的經濟社會效益。

[1] 工程地質手冊編委會. 工程地質手冊[M].4版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2] 薛立建. 公路橋梁樁基工程溶洞處理研究[D]. 河北工業大學, 2013.

[3] 張治中. 巖溶地區橋梁基礎設計與施工措施[J]. 鐵道標準設計, 2008(5):61-62.

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張志勇(1977～)，男，大學本科，工程師。

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[定稿日期]2016-09-28