巖溶極強發育地區樁基施工處治方案研究

羅 德 泉

(廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510305)

0 引言

巖溶地區地質情況復雜，巖溶地區樁基施工面需要解決沖樁過程中孔位防護、孔壁防護問題、漏漿問題，周邊存在重要構造物時巖溶地區樁基施工容易引起周邊地層變形，引發次生災害，造成人員和經濟損失以及不良社會影響。項目位于廣花盆地巖溶極強發育區，溶洞發育，存在較厚砂層，在項目范圍內廣泛分布淤泥層，項目周邊交通繁忙，重要結構物眾多，項目施工過程中發生周邊地層沉降事件。本文在沉陷事件分析與處理的基礎上，介紹總結敏感地區巖溶樁基處置方案。

1 工程概況

項目區內隱伏巖溶位于第四系下，全線均有分布，根據鉆探及收集資料成果，巖溶多呈串珠狀，巖溶的埋藏深度變化較大，規模大小不一，洞高0.15 m～21.4 m。充填物為軟塑狀粉質粘土，少量無充填或半充填。全線遇洞率26.57%，線巖溶率0.3%～73.18%，樁基巖溶屬弱～極強發育，溶洞、溶槽或溶蝕裂隙較為發育，樁基成孔過程中泥漿易流失引起塌孔。

2 周邊地層沉降典型案例及成因分析

巖溶區的地基基礎研究方面,迄今國內還沒有進行系統的研究,目前較多報道的是一些學者和工程技術人員針對具體的工程實踐過程中所遇到的巖溶地基、溶洞地基、土洞地基、塌陷地基的分析評價。目前,評價巖溶地基穩定性和巖溶地基處理的方法多是定性的、經驗性的。在巖溶發育地區最常見的地質災害便是巖溶塌陷。其表現形式主要為突然毀壞城鎮設施,導致道路和建筑物破壞。

周邊地層沉降典型案例:

項目主線橋50號墩附近地面發生塌陷。塌陷發生時50-3樁基完成預注漿鉆孔，尚未注漿；塌陷發生時CYZX50-3的土層地質特征土層從上至下分別為素填土、淤泥質細砂、淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉細砂、微風化灰巖；微風化灰巖面埋深約18.5 m，其上緊鄰3 m～3.5 m厚的粉細砂層；覆蓋層內未見土洞，微風化灰巖有溶洞，且鉆孔50-3揭露巖面有高度10.3 m的大型溶洞，頂板厚約0.4 m，洞內全充填軟塑狀淤泥質粉質粘土。

分析判斷該處路面塌陷的原因有：巖面淺層的大型溶洞以及上覆細砂層是發生塌陷的自然原因；鄰近樁基采用沖擊鉆施工，震動較大，導致溶洞頂板塌陷或者開裂，致使細砂層和淤泥層水土流失，引起地面沉陷。該路段臨近白坭河，受潮汐影響，長期地下水位升降作用，在溶洞頂形成較大的土洞，在震動、擠壓作用下，土洞下沉，引起地面下陷，如圖1，圖2所示。

3 巖溶地區樁基處置方案

3.1 巖溶地區樁基處理目的

巖溶區樁基設計與施工需根據地質情況與地層沉降、孔位坍塌發生原因采取有針對性的方案，項目孔位坍塌主要原因在于厚砂層的流失與原有土洞在樁基施工過程中失穩，以及泥漿流失時引起的真空負壓作用破壞原有土洞穩定[1]。根據項目特點，本項目巖溶區樁基設計方案及采用施工措施的目的在于以下幾方面：

1)保證地面穩定。

項目地面失穩的風險源為淤泥質粉質粘土層和砂層，保證地面穩定采用的主要措施是在覆蓋層打設鋼護筒，以免在沖孔擊穿頂板時、或漏漿時造成孔口塌陷。

2)保證溶洞段護壁穩定。

項目保證溶洞段護壁穩定采用的主要措施是拋填片石粘土多次成孔，對無充填或半充填的溶洞進行預注漿或灌混凝土封閉，必要時采用旋噴帷幕或鋼護筒穿越。

3)保證現有結構安全。

項目位于市區，沿現狀主干道路建設，現狀交通量大、重載車輛多，沿線重要結構物廣泛分布，對地面變形、穩定要求較高，故溶洞處理的力度宜適當加強。在樁基施工前，對軟弱地層及溶洞進行預處理，減少樁基施工風險。

3.2 溶洞區樁基設計及施工控制方案

本項目部分橋梁位于灰巖地區，巖溶較為發育，橋位區內地層夾有多處土洞、溶洞，溶(土)洞分布空間及深度具有一定的隨機性，巖面埋深不一，強度不均勻，地質情況變化較大。作為地下隱蔽工程，在橋梁樁基礎施工中，遇到溶洞給施工帶來很大困難，如處理方法不當，往往會造成掉鉆、卡錘、埋錘、漏漿、塌孔、斷樁等事故發生，甚至會影響橋梁結構安全。因此在樁基施工前充分了解橋梁各樁基所遇溶洞的發育規律、基本形態、規模大小、溶穴頂底板巖層厚度、完整性、洞內充填物形狀等，以采取穩妥的處理措施，確定合理的樁基類型和樁底高程。針對項目巖溶發育情況，項目統籌勘察、設計、施工單位進行了溶洞區樁基設計施工方案探討。

1)地質勘察階段。

巖溶塌陷成因復雜，影響因素眾多，且具有隱伏性、突發性等特點[4]。巖溶區域樁基礎的工程地質勘察一般采用一樁一孔或多孔的地質鉆孔法,受巖溶發育不規則因素的影響,個別樁位處巖層差異較大,巖溶分布極不規則,需綜合運用多種措施加強巖溶樁基的地質勘察:

a.補勘階段采用逐樁鉆探+管波探測,對于鉆孔揭露存在巖溶發育,且溶洞分布差異較大的樁位,以及獨立柱樁,適當增補鉆孔。

b.采用增補勘察鉆孔仍不能探明溶洞分布的巖溶發育復雜地段,采用地質鉆探結合地層CT探測的方法,推斷孔旁溶洞或軟弱夾層的發育情況。

c.對于單洞高度大于5 m,串珠狀溶洞總高大于8 m,且存在頂板較薄、上覆砂土層的樁位,補充對樁位附近重要地面道路、橋梁、房屋等結構物的地下溶洞分布情況的CT探測。

2)設計階段。

結合地質勘察結果進行動態設計，根據地質情況與周邊結構物重要程度進行安全等級劃分。綜合地質鉆孔、管波探測、CT掃描結果采用“一樁一方案”的形式,出具設計方案。對于洞高超過10 m的大溶洞進行專項設計。

a.按巖溶路段橋梁基礎施工過程中產生事故后果的嚴重性從高到低分為三個等級:高危險等級、中危險等級和低危險等級。根據新建樁基附近地質情況對施工風險進行等級劃分,共分為三級:高風險等級、中風險等級及低風險等級。綜合危險區域及施工風險等級,將樁基安全等級從高到低分為1級～3級，如表1所示。

表1 樁基安全等級劃分表

b.綜合考慮樁基施工影響及造價因素針對不同的安全等級采取不同強度的防護措施。對于安全等級為1級和2級的樁基，覆蓋層及樁底采用預注漿的方式填充土洞，封閉溶洞通道。采用鋼護筒跟進穿越軟弱層，進入粘土層一定深度或沉放至巖面。

3)施工階段。

a.據周邊情況、鉆孔深度、巖土層情況、溶洞發育情況、泥漿排放及處理條件綜合考慮，選用合適鉆孔設備。沖擊鉆適應各種不同地質情況，更容易處理斜面、漏漿等情況；發生漏漿、塌孔事故時提鉆快、處理及時。且沖擊鉆在過溶洞時通過反復沖孔可將無填充溶洞填堵密實，堵塞溶洞間連通通道，防止樁位附近地層出現沉降。

b.為控制成孔質量，采用成孔專用膨潤土與粘土，沖孔施工過程中控制泥漿比重，在接近溶洞頂板時提前預拋片石粘土與袋裝水泥，同時采用小沖程慢進尺。

c.鋼護筒采用引孔跟進工藝，成孔期間采取適當的護壁措施保證覆蓋層的穩定，比如加大泥漿比重、嚴格控制進尺、適當添加成孔材料(如片石、碎石、粘土、水泥)對于沉放至巖面人鋼護筒，底部沖至巖面，采用拋填片石、粘土或混凝土的方式進行護筒刃腳的護壁，確保護筒刃腳的安全。

d.改進注漿工藝。為控制注漿穩固效果，對水泥雙液漿配比進行試驗取原裝土層與砂試制試件，確定合適的配比與凝結時間。為控制施工過程中注漿穩壓壓力，采用“一鉆一注”的注漿方式，逐孔注漿。

4 結語

巖溶地區工程地質有一定的復雜性,經過多年來的工程實踐,各種新方法、新技術尤其是信息技術、電子計算機技術的引進,使巖溶工程勘察得到了很大的發展[2,3]。在巖溶極強發育區，需在勘察設計階段及施工階段采取措施，綜合應用地質鉆孔、管波、地層CT等方法對巖溶發育進行勘查，為溶洞處置提供基礎技術資料；綜合考慮危險區域及施工風險等級將項目區域內樁基進行安全等級劃分；通過綜合分析樁基施工影響及造價因素針對不同的安全等級采取不同強度的防護措施，選取合適的施工機械，控制泥漿質量與注漿質量。通過以上措施項目總結，并不斷完善項目巖溶地區樁基處置方案，在實際施工中取得了很好的效果。