采用水泥土混合料用于溶洞止漿試驗性研究

廖玉倉 楊彥詩 劉德新

溶洞樁基施工中，一旦將溶洞打通，泥漿液面將驟然下降，導致樁內護壁兩側應力差增加，進而導致塌孔現象發生，此外溶洞位置處理難度大。尤其針對串珠狀溶洞，若采取護壁措施不當，塌孔現象將反復發生，嚴重制約施工進度。本文通過采用水泥、黏土、片石組成不同的配合比進行回填，收集數據，分析不同配合比情況下的填充效果，為溶洞樁基沖擊成孔提供參考。

復雜溶巖發育地質條件下的樁基施工存在巨大的安全風險，同時嚴重制約著施工進度。根據現場調查，在不采取預防手段即應急措施的情況下，溶洞樁基施工發生塌孔、卡錘、埋鉆等一系列事故的概率較正常地質段落大3-5倍，極端情況下還將導致地面大范圍塌陷及鉆機傾覆等事故。本文主要為溶洞樁溶洞回填提供理論分析依據及現場模擬試驗，以期解決溶洞樁施工中根治塌孔的技術難題，進而保證現場施工順利進行。

一、工程概況

廣西荔玉高速公路TJ17 標巖溶地質樁基分布在院垌分離立交4#-15#墩之間，多為串珠狀溶洞，溶洞洞徑0.4-14.3m，平均洞徑2.99m，溶洞發育頂深度11.2-37.0m 不等，溶洞底深度12.1-39.3m 不等，未見明顯溶蝕基準面，巖溶發育等級為強烈發育。溶洞內呈粘性土、碎石全填充、半填充及無填充。護壁方法為片石粘土筑壁法。護壁材料選用水泥、黏土及片石混合物。可作為溶洞樁施工的典型案列。

二、研究目的

在溶洞樁施工過程中，通過采用不同的水泥、黏土、片石混合料填充試驗，研究防止軟弱層坍塌及溶洞區封閉所采用的最合理的護壁效果，得出混合料最優摻填配合比，并為后續施工提供借鑒，從而達到加快施工效率、節約施工成本的目的。

三、研究方案

1.方案擬定

樁基施工中突然遇到溶洞時，其塌孔原因主要有兩點：其一是由于樁基在施工過程中突然打通溶洞孔壁引發漏漿，帶動泥漿液面驟然降低致使周邊護壁失穩，從而引發塌孔等事故；其二是溶洞位置受長期侵蝕，其臨空面異常脆弱，是發生二次塌孔的敏感點。尤其是串珠狀溶洞，在同一斷面上存在多個獨立封閉的溶洞，施工中由于其護壁受力變化劇烈，采用單一片石回填無法根治塌孔現象。因此需要選用一種帶有膠凝材料的混合物進行回填。

圖1 溶洞樁試驗研究流程圖

2.準備階段

溶洞樁基施工前需根據溶洞大小計算所需回填材料方量，初次施工，現場進行分類儲備片石2000m3、黏土2000m3(清表后粉黏土質即可）、P032.5 水泥的材料數量300t。現場準備卡特320 型挖機2 輛，自卸車2 輛，現場試制混合料摻填配合比，確定水下初凝時間、終凝時間、混合物護壁強度等試驗參數。

此外場內需完成三通一平，泥漿循環系統布置，周邊排水情況設置，人員施工前培訓交底等準備工作。

3.施工要求

樁基施工過程中，操作手應全程觀察，發現異常情況立即停鉆。其中，在施工至溶洞頂一定范圍內（1 ～3m），要求操作手減小沖程進行施工；現場安排挖機1 輛，并要求挖機司機原地待命，保證出現異常后，應急處置及時展開。

隨著泥漿液面的迅速降低，其塌孔風險將迅速增大，但仍然給操作人員留有一定的應變時間，此時則需立即展開應急處置措施，首先一旦發現液面降低應立即停止鉆機鉆進，并迅速提鉆，以防鉆機被埋。其次，挖機就位，按指定比例依次迅速填投片石、黏土、水泥等材料，同時注入泥漿液作為拌和用水，盡快恢復至原液面，盡可能降低塌孔概率。

圖2 溶洞群地質縱斷面圖

表1 土壓力計算對比表

表2 漏漿情況及處理時間與塌孔的數據統計表

4.試驗研究及數據收集

根據現場檢測，水田內飽和土體密度在約18g/cm3，現場配置泥漿比重1.4，計算可塑～硬塑黏土最大厚度30m，靜止土壓力及泥漿護壁下土壓力對比如表1。

本工程溶洞樁地區，周邊環境為水田軟基等地段，地表層為可塑～硬塑黏土（平均深度大于8m），其護筒長度設置平均6m，根據施工統計，當泥漿液面下降5m 以內，受護筒保護，其樁頂基本不出現塌孔現象，一旦超過5m 塌孔率顯著提升，一般首次塌孔時間在泥漿面下降后0-30min 內發生概率很小，在此期間內完成溶洞填充，并迅速注入泥漿將液面恢復至護筒底1.5m 以上是防止塌孔的關鍵點之一。具體統計如表2。

表3 配合比調試記錄

一旦發生塌孔現象，最為明顯的特征是原地面明顯沉降，此外鉆機設備在發生塌孔后明顯異常。此時樁內護壁異常脆弱，隨著時間的推移將持續塌陷，需立即測定塌孔部位，補充泥漿及回填片石等材料，修復塌孔孔壁。由于首次塌孔后泥漿護壁已遭到破壞，只采用片石回填存在兩個問題：其一是無法保證塌孔處填充物密實，且單一片石回填，缺乏粘結性，護壁效果差，樁孔結構尺寸控制不理想；其二是片石成本較大，回填后沖擊施工效率較片石結合黏土填充較慢。此外為保證軟弱結構面的護壁強度，需在回填材料中摻入一定比例的水泥，當沖擊鉆二次沖孔后，帶動片石、黏土及水泥有效混合，隨著水泥混合物終凝完成，其護壁效果將大大提升，當再次遇到串樁溶洞后，已凝結成形的孔壁可有效保證不塌孔，進而解決身施工質量、節約回填材料及縮短工期。

根據實驗初始配合比確定為水泥：黏土：片石=250kg：850kg：1050kg，實際施工過程對回填效果進行觀察檢測，并進行調整，試驗情況如表3。

5.總結及成果

本文通過水泥土混合料用于溶洞止漿試驗性研究，總結出一套在中小型溶洞樁基施工的技術成果，以指導項目施工，進而保證施工質量，提高施工效率。具體如下：

（1）漏漿最佳處理時間；漏漿后0 ～30min；

（2）在洞徑≤5m 無填充溶洞內，水泥：黏土：片石=110：1170kg：950kg；

（3）在洞徑為5 ～9m 無填充溶洞內，水泥：黏土：片石=120：1150kg：950kg；

（4）在洞徑≤5m 填充溶洞內，水泥：黏土：片石=180kg：820kg：1150kg；

（5）在洞徑為5 ～9m 填充溶洞內，水泥：黏土：片石=200kg：700kg：1250kg。

四、結語

巖溶地區地質情況復雜，地質構造特殊，在其施工前必須掌握詳細的地質報告資料，在鉆孔過程中遇到的情況也復雜多變，且往往具有綜合特征及連鎖效應。因此溶洞樁的處理必須全面考慮，針對實際施工過程中突出存在的問題采取相應的解決措施，做好施工技術方案比選，綜合考慮各類處置措施的優劣，一般而言采用泥漿筑壁法僅適用于中小溶洞的樁基施工，如遇到超大溶洞宜采用護筒跟進法等進行處置，施工中應準確判斷，從而在保證施工質量的情況下給項目帶來施工效益。