巖溶地貌樁基工程溶洞處理工藝比選

◎張晶晶 中交廣州航道局有限公司

1.工程概況

柳州港鹿寨港區江口作業區一期工程No.A標段項目位于廣西壯族自治區柳州市鹿寨縣，柳江左岸，距上游紅花水利樞紐約17.6km。本項目包含疏浚炸礁工程、水工碼頭工程、道路堆場工程、生產輔助建筑物工程和港外道路工程。其中水工碼頭工程泊位總長501m，由6個2000噸級泊位組成，碼頭為多層框架結構的高樁梁板式碼頭，分為13個結構段，結構段之間采用簡支跨連接，碼頭下部結構共設329根φ1.4m的嵌巖灌注樁。

1.1 地質情況

項目所在地廣西壯族自治區是我國喀斯特地貌分布較為集中的省區之一，喀斯特地貌分地表和地下兩大類，地表有石芽與溶溝、喀斯特漏斗、落水洞、溶蝕洼地、喀斯特盆地與喀斯特平原和峰叢、峰林與孤峰；地下有溶洞與地下河，暗湖[1]。根據地勘揭示嵌巖灌注樁施工范圍內的地質特性上部地層主要為粉細砂、粘土、卵石層，而下部地層主要為全風化泥質灰巖、強風化泥質灰巖、溶洞及中風化灰巖。根據地勘揭示溶洞層的層頂平均標高+59.58m(+54.29～+65.33m)，層底平均標高+57.81m(+49.29～+64.33m)，平均厚度+1.77m(+0.60～+9.20m)。溶洞有無充填、部分半充填、部分全充填幾種情況，溶洞連通性較差，充填物包含礫石、卵石混粘性土等。

1.2 設計要求

前兩排樁樁底進入中風化灰巖層深度不小于5m，后三排樁樁底進入中風化灰巖層深度不小于4m，同時對于樁基溶洞處理時，樁基應穿過溶洞進入完整巖深度不小于4m。

2.工藝與選擇

根據地勘資料統計，樁基工程中存在溶洞的樁位有33根，其中10根溶洞高度＞4m，23 根溶洞高度≤4m，溶洞高度最高為9.2m。該33根灌注樁溶洞處理的成本、進度及質量決定著水工碼頭工程的成本、進度及質量。因此根據項目實際情況制定了四種溶洞處理方案，并且以專題會議的形式邀請項目參建各方共同參會達成一致意見，為現場溶洞處理提供快速決策的依據，從而保證樁基施工快速可靠地推進。

2.1 工藝制定

圖1 水工碼頭結構典型斷面圖

圖2 工程地質剖面圖

方案一：片石+粘土拋填沖擊法

設備：沖孔鉆機

材料：二片石+粘土

方法：根據地勘資料結合現場實際情況，當樁基施工過程中孔內水頭突然下降時可判斷該樁位在施工進尺高程存在溶洞，在孔內液面下降后甚至可用肉眼觀察到孔壁周圍存在的溶洞。將提前準備好的粘土及二片石利用挖掘機進行回填，回填的體積比大致按照1斗片石1斗粘土的比例進行，當拋投的回填料覆蓋住溶洞頂部后用沖孔樁機進行往復沖擊將回填料擠壓進入溶洞內，在沖擊時可適時添加泥漿液。按照投料、沖擊流程往復，直至穿過溶洞層且孔內液面無下降為止。

過程控制點：采用片石+粘土拋填沖擊法時樁機沖程的把握是重點，以地勘資料為依據，在距離溶洞頂高程1m左右時要減小沖程，以0.8m左右為宜，同時增加泥漿的比重，以避免沖程過大導致進入溶洞層時樁錘歪斜而卡鉆[2]。在沖擊回填料擠壓進入溶洞內時，沖程以0.6～0.8m為宜，一是避免沖程過大導致溶洞坍塌，二是保證回填料充分擠壓進入溶洞并形成護壁。同時在沖擊過程中要加強孔內觀測，在處理過程中當孔內水頭再次突然下降時，要及時補充回填料。

方案二：混凝土灌注法

設備：沖孔鉆機

材料：C15混凝土

方法：導管底下放至溶洞底部高程位置，后進行混凝土灌注，灌注過程中觀察孔內混凝土情況，當混凝土面有明顯上升時，同步提升導管。孔內混凝土面高于溶洞頂高程1.5m左右且觀察15min～30min無明顯回落時停止混凝土灌注，2～3d后重新成孔。

圖3 粘土片石+粘土拋填沖擊法現場施工圖

圖4 混凝土灌注法現場施工圖

圖5 鋼護筒跟進法現場施工圖

過程控制點：混凝土灌注法不能立即判斷溶洞處理是否成功，需要待灌注的混凝土形成強度后再次用鉆機成孔后方能進行判斷，因此若不能一次處理成功，除影響施工進度外，處理成本亦成倍增加。因此在溶洞處理前應仔細查閱樁位鉆孔柱狀圖和地質剖面圖，初步判斷溶洞的大小，在保證混凝土的連續供應的同時在灌注過程中可間隔性的往復提升下放導管使混凝土充分填充至溶洞中，提高溶洞處理的成功率。

方案三：片石+粘土+混凝土灌注法

設備：沖孔鉆機

材料：二片石+粘土+C15混凝土

方法：此方法為片石+粘土拋填沖擊法和混凝土灌注法的結合，在溶洞處理的初期先向孔內投放二片石和粘土，在沖錘的沖擊擠壓下對溶洞進行部分填充，后利用導管灌注混凝土填充溶洞，待混凝土成型后再次利用沖孔鉆機重新沖擊成孔。

過程控制點：此方法過程控制點除方案一和方案二中所述外，關鍵是要處理好何時開始進行混凝土的灌注，避免混凝土灌注量少而造成溶洞處理失敗。因此可在鉆孔柱狀圖的基礎上初步判斷溶洞的大小后預估處理量，按照1/3～1/2的量進行粘土和二片石的拋填后再進行混凝土的灌注。

方案四：鋼護筒跟進法

設備：振動錘、旋挖鉆機

材料：鋼護筒

方法：旋挖鉆機旋挖至溶洞頂板上方1m左右時，利用振動錘下沉鋼護筒，不斷往復焊接加長護筒，直至鋼護筒穿過溶洞底部，利用鋼護筒形成的孔壁后澆筑成樁。

過程控制點：鋼護筒跟進的的關鍵點是要確保護筒完全穿過溶洞底部，在實際施工過程中可采用孔內回灌泥漿觀察液面是否明顯下降進行判斷。同時跟進鋼護的垂直度決定著灌注樁垂直度，因此鋼護筒跟進時加強觀測，必要時可采用導向架進行垂直度的保證。

2.2 工藝初步選擇

將地勘資料中揭示存在溶洞的樁位進行統計，并按照溶洞的高度進行歸類，分為高度h≤2m，2m＜h≤4m，h＞4m三類，針對不同高度的溶洞按照以往類似工程的經驗進行初步選擇不同的工藝，具體表1所示。

表1 工藝選擇表

3.實際處理工藝及參數統計

在項目實施過程中根據初步擬定的工藝針對不同高度溶洞選擇性的處理，根據統計，除片石+粘土拋填沖擊法存在多次處理溶洞的情況外，其余工藝都能一次成功處理樁基施工過程中的溶洞，具體的材料使用量及處理時間如表2所示。

表2 施工實際參數統計表

4.經濟分析

根據上述各項工藝處理溶洞統計材料使用量和結合項目實施時段的材料價格，進行上述幾種工藝處理溶洞的經濟性比較分析（詳見表3）。

表3 經濟分析表

5.結論

（1）以上4種溶洞處理工藝在相適應的溶洞高度情況下，都有著較高的可靠性；

（2）根據施工實際參數統計及經濟分析，巖溶地貌樁基工程中針對不同高度的溶洞，可采取的工藝可按表4比選；

表4 工藝比選表

（3）采用片石+粘土拋填沖擊法處理溶洞首次不成功的情況下，可及時更換成片石+粘土+混凝土灌注法或混凝土灌注法，避免多次處理造成工期不利。