城鎮地區溶洞樁基施工塌陷及方案調整案例探析

老國健，盧 云

(1 廣州市高速公路有限公司, 廣州 510055； 2 廣州市廣園工程技術咨詢有限公司, 廣州 510055)

0 引言

巖溶發育地區橋梁樁基施工受地質環境的復雜程度影響，往往會伴隨著大量的不確定因素，如果稍有不慎很有可能對周邊人員、結構物以及對工程本身的樁基質量、進度、成本等帶來巨大的負面影響。因此，在橋梁樁基施工中如何有效應對巖溶發育地區是所有建設項目管理人員、設計單位、施工單位所關注的重點。

萬志勇[1]以廣梧高速公路項目為例，從設計角度出發，提出通過優化橋梁跨徑、基礎結構形式等避開大型溶洞的處治思路； 陳明曉[2]介紹了地質鉆探過程中判斷地質情況的心得體會； 鄒新軍等[3]通過計算分析，提出采用“短摩擦樁+樁端后壓漿”的方案應對大型串珠狀巖溶區域； 張建華等[4]通過寧道高速公路項目，介紹了單層+多層鋼護筒跟進支護、支承樁落在溶洞頂板上部時對溶洞進行注漿處理等方案，并提出合理確定樁的嵌巖深度以確保樁底至溶洞頂板厚度的思路； 羅新梅[5]通過浙贛線電氣化提速改造工程項目，介紹了“鋼護筒跟進支護+拋填”綜合處治的方案，并描述了施工期間的相關注意事項； 李軍伍等[6]以滬昆鐵路客運專線項目為例，魏曉江[7]以廣清高速為例，提出了“鋼護筒跟進+注漿+拋填+灌注低標號混凝土”的綜合處治方案； 余俊峰[8]提出了拋填的處置方案及相應細節； 石振明等[9]總結了溶洞處置的一般原則，并通過吉安某大橋新建工程鄰近居住區和村道處的溶洞處置案例，介紹了采用“鋼護筒跟進+拋填黃泥、片石”的處理方案。

綜上研究分析可知，目前應對溶洞樁基的處理方式主要有兩種：一是通過調整基礎形式、橋梁跨度或結構形式等方法優化設計方案，盡量避開溶洞，降低施工風險； 二是在施工方面，根據地質情況的不同采用諸如鋼護筒跟進、預注漿、拋填或灌注低標號混凝土等措施。上述處理方式均是針對溶洞樁基的順利成孔而制定，然而，隨著越來越多的城鎮區域高速公路項目，溶洞處治更應側重于對周邊眾多重要建(構)物或地下管線的保護。目前該方面的研究較少，因此，有必要總結應用于此方面的溶洞處治方案。

1 工程背景

廣佛肇高速公路廣州段位于廣州市區，鄰近既有市政道路，周邊房屋眾多，且與多條高(快)速道路、鐵路橋梁、大型地下引水管道、高壓線塔、引水渠等重要結構物交叉。而該高速所在地區巖溶極發育，巖面起伏大，地表有軟弱覆蓋層(淤泥,可塑、軟塑狀粉質黏土等)，砂層較厚，橋梁樁基施工過程中風險極高，容易發生坍塌甚至地面塌陷。

本項目某匝道橋11#橋墩平面位置及一般構造示意如圖1、圖2所示。該橋墩鄰近市政道路、引水渠及大型地下引水管道(西江引水管)，其中11#-1樁基與引水管凈間距僅約3m，具有極高的施工安全風險。11#橋墩大、小樁號側上部結構均為25m跨的小箱梁，橋面寬度20.2m； 11#橋墩原設計為三柱式帶蓋梁橋墩，樁基直徑均為1.6m，設計單樁樁頂反力6 500kN。本文將主要介紹11#-1樁基的溶洞處治情況。

圖1 11#墩橋平面位置圖

圖2 11#墩橋一般構造示意圖

2 原設計樁位地質情況及溶洞處治方案

鑒于11#-1樁基位置鄰近既有重要結構物，且本項目位于巖溶發育地區，為盡量降低施工風險，地質勘察單位在設計樁位進行地質鉆探的基礎上輔以管波探測技術，確保地質勘探的準確性。地質勘探結果顯示，管波探測結果與鉆孔情況基本一致，該處主要地層由上往下依次為素填土、砂層、基巖(將圖3中的各砂層、基巖進行了歸并)，其中砂層深度較深，達41.3m； 溶洞為基巖深層溶洞，溶洞頂板較厚，鉆孔顯示溶洞頂板厚度為10.2m； 溶洞高度較高，約7.6m，溶洞全充填軟塑狀黏性土； 溶洞底部有較厚完整基巖，鉆孔揭示基巖厚度約為13.8m。

2.1 樁基設計方案

為避免樁基施工在穿越溶洞過程中帶來的安全風險，結合地質鉆探和管波探測的結果(溶洞上部存在完整基巖的情況)，樁基擬終孔于溶洞上層基巖，設計為嵌巖樁，嵌巖深度宜控制在1.5d～2.0d(d為樁徑)范圍，同時遵循“樁端嵌巖深度宜淺不宜深，優先保證頂板安全厚度”的原則，設置樁基終孔高程，定于高程-36m處終孔。

2.2 溶洞處治方案

鑒于11#-1樁基周邊有眾多重要建構物，施工期間安全風險極高，因此溶洞處治方案(圖3)如下：1)采用鋼護筒穿過上部粉砂、細砂覆蓋層，且進入中砂層不少于1.5m。2)對于深度較深的基巖巖面的細砂層，則采用預注水泥漿固化處理。3)沖孔過程中如遇漏漿，采用拋填片石黏土或袋裝水泥處理。4)要求沖樁施工接近終孔高程約1.5m時，要減小沖程，嚴禁隨意加深樁長。5)由于樁位極其鄰近大型地下引水管和市政道路，考慮工程場區地質條件復雜，決定在傳統的溶洞處治方式上進行優化，預防溶洞樁基施工中有可能誘發的不可知地質災害，進一步加強對該引水管和市政道路的安全儲備。具體如下：由于西江引水管埋深約3.5m，主要埋置于素填土層和粉砂層中，經綜合研究，計劃在引水管邊緣的3m處打設一排臨時的12m長拉森Ⅳ型鋼板樁。

圖3 11#-1地層分布柱狀圖及樁基溶洞處治方案

3 施工塌陷情況及處治措施

采用沖擊鉆進行樁基施工，考慮鋼護筒難以直接打入至設計值，使用引孔法跟進。施工過程中，在鉆孔到達設計終孔高程-36.0m位置時，發現巖樣與地勘資料不符，經設計單位同意，將樁基長度調整為穿過底層溶洞嵌于溶洞底部基巖的所需要的長度。而后施工單位繼續施工，沖程2m，于鉆孔高程到達-48.4m時孔內發生嚴重漏漿，隨后孔口出現塌陷，在5min時間內，塌陷區域不斷擴大，最終形成一個深度約8m、直徑約12m的大坑，鉆機連同鉆錘也隨之陷入，見圖4。而南側由于提前打入鋼板樁支護，鋼板樁外側地面無明顯沉陷。現場緊急處理后，對塌陷的區域拋填了片石黏土。并且為了防止引水管側砂層流失，在鋼板樁邊緣西江引水管側對細砂層進行了注漿處理。

圖4 塌陷位置平面圖

后續經檢測，西江引水管無變形，最外側的市政道路稍有沉降，最大沉降約6cm。持續監測后發現塌陷無繼續發展的趨勢。

3.1 地質補勘及塌陷原因分析

塌陷的原因初步考慮是在鉆進過程中擾動到了下層溶洞而致的。為能有效制定處治方案，決定對現場進行補勘。補勘應能充分探明地質情況，以便找出塌陷的真正原因，同時需要兼顧處治的時間以及費用成本。因此本次補勘的大體思路如下：

(1)由于橫橋向已經有11#-2樁基的鉆孔可供參考，本次補勘主要考慮在原孔位兩側順橋向進行布設探孔。

(2)考慮地質鉆探以及管波探測在實際運用中探查范圍的局限性，引入地層CT掃描勘察方法。相關研究[10-11]已經證明該方法在灰巖地區有較高的精度和可信度。

(3)由于原樁位塌孔后，鋼護筒因變形而難以拔出，原樁位不宜重新施工樁基，因此需另外尋找新樁位。布設的勘探孔應充分考慮新樁基位置以及地層CT掃描的可靠范圍，減少不必要的探孔。

鑒于上述思路，決定在原樁位兩側增加補堪鉆孔11-1a，11-1b，鉆孔間距3.6m，詳見圖5。在鉆孔11-1b鉆探時揭露的地質情況與原11#-1樁基的地質情況較為相符，但在鉆孔11-1a鉆探期間發現地質變化劇烈，地質情況復雜，在高程-58.08～-29.68m間懷疑有大型溶(土)洞存在。為了進一步探明該處巖溶發育狀況，隨即在鉆孔11-1a的右側增加一個補勘鉆孔11-1c，并利用11-1b,11-1c兩個鉆孔進行地層CT掃描。

圖5 補勘鉆孔平面位置示意圖

3.1.1 補勘結果

(1)4處地質鉆孔均揭露存在溶洞(圖6)，溶洞全充填或半充填，主要填充物為黏性土夾碎石、卵石，砂礫等，溶洞頂部高程在-45.76～-29.68m間，有較大變化，溶洞底部高程基本一致，單洞洞高最大為26.6m； 深層溶洞規模較小。

圖6 地質縱斷面

(2)地層CT掃描剖面(圖7)跨距為5.14m，探測深度達75m。從圖中可以看出，剖面基巖面有劇烈變化，形成最大洞高約26m的溶(土)洞，溶洞貫穿整個剖面，且與上部覆蓋層直接連接貫通。

圖7 地層CT掃描成像剖面

(3)地質鉆探與地層CT掃描的結果相互印證，揭露樁位下的確有大型溶(土)洞存在。

3.1.2 塌陷原因分析

(1)樁位處巖面以上覆蓋層內存在特厚的砂層，基巖內的大型溶(土)洞是塌陷的誘因。

(2)沖孔至溶(土)洞后，發生漏漿，樁孔內漿液水頭急劇下降,鉆孔內失去孔內壓力,與外部地下水形成較高的水壓差,導致孔壁失穩,同時由于溶(土)洞與上層覆蓋層貫通，因此推斷孔壁失穩使上層軟弱覆蓋層也受到擾動，綜合引起沿鉆孔樁孔壁的地面塌陷。

(3)淺層覆蓋層淤泥質粉質黏土壓縮性較高、強度低，孔內漏漿引起孔內漿液水頭急降的同時形成漏斗效應，導致樁位附近地下水位下降，使淤泥質粉質黏土層的附加應力增大，從而發生鄰近市政道路路面的不均勻沉降。

(4)鉆孔施工中沖程過大，沖擊振動加速了上述過程的發育，進一步促使塌陷的形成，振動對塌陷具有誘發作用。

3.2 樁基設計方案調整

鑒于原樁位不能使用，故需對基礎進行調整，原樁位變更為兩根1.4m的騎馬樁，即11#-1a樁基、11#-1b樁基，此兩根樁基分別利用鉆孔11-1a，11-1b作為樁中心。樁基類型仍然采用嵌巖樁，設計單樁樁頂反力3 600kN。

11#-1a樁基位置處溶洞較高，表層溶洞無頂板，溶洞頂為6.4m高的可塑粉質黏土層，黏土層較厚，主要為砂層和淤泥質粉質黏土層，鉆孔過程中容易坍塌。因此考慮采用鋼護筒穿過砂層，進入黏土層，總長度33m。其次巖面溶洞雖為全填充，但考慮到已發生過大規模塌陷，施工前預注雙液漿(水泥漿+水玻璃)處理溶洞。樁基穿過溶洞后，樁底嵌于溶洞底基巖位置，同時考慮盡量確保樁底完整基巖的厚度(鉆探按入巖5倍樁徑的深度預留)，定于高程-58.3m處終孔，嵌巖深度約1.5d，樁長64.5m。

11#-1b樁基位置處同樣砂層較厚，為防止施工過程中塌孔，同樣考慮采用鋼護筒穿過砂層進入可塑黏土層，總長度25.5m。其次為了防止相鄰溶洞串聯引起大規模漏漿，采用預注雙液漿處理溶洞。在樁基持力層上，雖然該樁位鉆孔顯示溶洞上層有較厚的完整基巖，但是一方面考慮到該基巖巖層起伏較大，巖面較為傾斜，作為持力層有一定風險； 另一方面鑒于11#-1a樁基長度達64.5m，考慮同一個承臺兩根樁基長度不宜相差太大，盡量避免“長短腿”現象； 經綜合分析，決定樁基穿過深層溶洞，樁底嵌于溶洞底基巖位置，于高程-58.4m處終孔，樁長64.7m。以上溶洞處理方案詳見圖8。

圖8 溶洞處治方案

在對周邊建(構)物采取保護措施方面，考慮之前已打入的拉伸鋼板樁垂直度無明顯變化，且對該處淺層覆蓋層進行了注漿處理，再結合塌陷原因的分析，認為原保護措施未失效，決定本次處治沿用之前的保護方案。

另外，雙液漿中水玻璃摻量是按工地試驗配合得到的，務求得到漿液的最佳凝固時間，漿液如果凝固太快，達不到充分固化樁周溶洞填充物的作用； 而漿液若凝固太緩慢，會導致漿液流動性大，使處治費用難以控制。經試驗，施工采用配合比為每方用量水泥740kg、水740kg、水玻璃22.5kg，水玻璃占水泥用量3%，雙漿液初凝時間約37min。

最后，根據廣東省《巖溶地區公路橋梁樁基設計與施工技術指南》(GDJTG/T A01—2016)[12]，對11#-1a，11#-1b樁基單樁軸向受壓承載力[Ra]進行驗算：

式中：k1，k2分別為根據溶洞頂板厚度而定的端阻力折減系數、總側摩阻力發揮系數，k1,k2均按表1取值； 其余各參數具體含義及計算見規范5.4.2條。

系數k1和k2取值 表1

樁基選擇溶洞下層基巖作為持力層，根據地質鉆探，樁底完整基巖厚度約為3.5倍樁徑，因此k1取0.29，k2取0.91。另外計算中偏安全地不考慮鋼護筒與巖土的側摩阻力。11#-1a樁基單樁承載力驗算結果為7 120kN； 11#-1b樁基由于樁入巖深度約達16m(扣除溶洞高度)，因此巖層提供的側摩阻力較大，經驗算，單樁承載力為45 469kN。樁基設計均滿足受力要求。

變更后騎馬樁后，對橋梁承臺結構尺寸相應進行調整，見圖9。承臺長度由原2.2m變更為5.9m，寬度由原2.2m變更為2.4m，高度由原1.5m變更為2.0m，承臺設計滿足相關規范要求。其余橋梁結構無需調整，減少了結構的變更量。

圖9 橋墩一般構造圖

3.3 施工注意事項

(1)加強對泥漿質量的控制，要求采用黏性較好的膨潤土作為造漿材料，并在施工過程中注意泥漿比重的檢查，泥漿相對密度(泥漿相對于水的密度)不應低于1.3，確保能充分發揮泥漿護壁的作用。

(2)當沖孔至溶(土)洞頂部1.5m時減緩沖程，進尺控制在50～80cm； 在溶洞范圍內沖擊成孔時，沖程不宜大于1m，降低沖擊振動，盡量減小沖樁過程中對大型溶(土)洞的擾動。

(3)加強對沖孔進尺深度的量控，并密切關注孔內情況，當發生孔內漏漿時迅速拋填黏土、片石，如果漏漿嚴重，在回填片石和黏土的基礎上，補充袋裝水泥或灌注低標號混凝土，及時封堵漏漿并恢復孔內水頭高度，待泥漿面穩定后再進行沖孔。

(4)在樁周布設沉降位移監測點，密切關注地面是否有沉降變化。

4 結論及建議

(1)地質勘察至關重要，設計人員在進行勘察時應提高警惕尤其是巖溶發育地區，以便后續處治方案的制定能切實有效。本文案例中就是由于首次地質勘察未能充分揭示地質情況，導致11#-1樁基在加深過程中擾動了未探明的大型溶(土)洞，從而引發地面塌陷。

(2)本文介紹的溶洞樁基處治方案在傳統的溶洞處治方式上，進一步結合城鎮區域的特殊性額外增加了對周邊建(構)物的保護措施，保護措施可以根據具體情況進行設置。筆者認為介紹的處治方案和思路雖然增加了工程費用，但是有效地保障了周邊建(構)物及人員的安全，取得了顯著的社會效益。

(3)在采用沖擊鉆施工溶洞樁基的過程中，應根據地質情況的變化及時調整沖程，減少施工振動對不良地質的擾動； 同時現場必須儲備足夠的應急物資，以備在出現如漏漿甚至地面塌陷等情況時能迅速進行處理。

(4)在城鎮范圍溶洞樁基處治必須提高防護等級，建議相關主管部門、業主單位在同類型項目的概預算編制中增大該費用的預留，盡量避免重(較)大變更的出現。

目前本工程變更后的兩根樁基均已順利成孔。