复杂岩溶地质桥梁桩基础的设计和施工探究

时间：2024-07-28

付梦求

（广东省建筑工程机械施工有限公司广州 510500）

0 引言

岩溶是由于溶蚀作用在溶解性岩石或地层上形成的一种地质地貌类型［1］。岩溶的存在将给工程建设带来诸多挑战和不确定性，在岩溶溶蚀区域修建建筑物，如不考虑岩溶的空间规模、桩基作用发展情况而设计和施工，将会面临地基不稳、地表塌陷、桩基沉降等一系列问题［2］，不仅增加工程成本和影响施工工期，甚至引发工程安全事故。

近年来随着我国基础设施建设的不断推进和发展，更多的工程需要建造在岩溶发育区域上［3］。因此，采用合理经济的岩溶桩基施工处理方案，对桩基承载能力性能，上部结构稳定性意义重大。目前，对于桩基溶洞领域的研究已较为深入和成熟，从施工技术来看，钢护筒跟进法、填充片石黏土、灌注混凝土等技术可有效解决溶洞对桩基施工的不良影响［4-5］，徐金鑫等人［6］探讨了岩溶地区桩基工艺及溶洞“零沉降”技术；陈东波［7］针对岩溶地区厚覆砂层冲孔问题作出了深入的研究，通过工期及经济的定量分析，确定出可循环长钢护筒跟进法是厚覆桩基施工的较优方案；王同民［8］基于BIM 三维地质模型，详细阐述了工程超长桩施工工艺流程，通过检测表明桩身质量优良，完整性好；竺维彬等人［9］通过工程发生事故实例，系统总结红层岩溶发育区的工程风险，并建立各类工法的风险模型以及防治对策。在桩基的研究和设计方案上，张乾青等人［10］基于现场物探和室内试验结果确定溶洞的物理参数，并提出了穿越无填充溶洞单桩的承载特性设计方法。邢宇铖［11］基于有限元分析得出穿越溶洞型单桩的变形机理，并建立了沉降计算模型；黑晓丹［12］结合岩溶发育场地工程的基础施工问题，探讨了桩基贯穿溶洞的设计要点和标准。目前，岩溶桩基施工技术研究多针对于单一工程，而涉及桥梁改造、重建项目往往为多个单位工程，岩溶地质概况及水文条件变化复杂多样，据此有必要提出该类项目安全合理、技术可行的岩溶桩基处理方案。故本文以某危桥改造项目为背景，探讨和总结岩溶地质条件下桩基设计及施工技术要点，以期为解决类似工程问题提供一定参考。

1 工程概况

1.1 场区地质概况

本项目为广东省农村公路桥梁安全整治总承包，项目桥梁多分布于粤北山区的地区，该地区位于破碎带，地层发育严重，如图1 所示。根据钻探揭露，本区域岩溶为场地范围内主要的不良地质作用，场地内基岩面起伏不平，斜岩、溶洞等岩溶现象发育，场地岩溶属强发育。

图1 桥梁位置Fig.1 Bridge Location

1.2 岩溶桩基施工存在问题

由于本项目岩溶地区特殊的地质概况，对灌注桩施工带来较大的困难，通常会容易出现以下问题：

1.2.1 漏浆

漏浆是现场施工人员重点关注的问题，具体表现为孔内水头下降，泥浆迅速往外流石，如不及时处理将会诱发塌孔问题。造成漏浆的主要原因是地下的不良地质条件引起水位下降，如溶洞、岩溶裂隙、孔洞等不均匀地层。漏浆的防治措施如下：

⑴施工过程发生漏浆时，应立刻提出钻头，持续向孔内补浆，控制水头高度，随即采用大量片石和粘土反复冲击，保证孔壁的稳定性。

⑵若按上述方法无法保持水压力，可采取混凝土填灌法，将其灌注至溶洞顶面1 m以上，待混凝土不再下沉，即停止灌注。

1.2.2 塌孔

在钻孔过程中出现急剧漏浆时，水头稳定短时间内难以恢复，造成孔外压力大于孔内压力，引起孔壁坍塌。塌孔问题主要是由于地层松散、钻孔速度过快、泥浆质量差等原因导致，结合塌孔现象的严重程度，处理措施如下：

⑴当孔壁已出现坍塌时，应埋设钢护筒，并在护筒周围回填片石和粘土，填充材料可以起到护壁的效果。

⑵若碰到大溶洞引起的塌孔，在上述方法不能有效处理时，应迅速提起钻头，拔出护筒，回填优质的黄土或粘土，并用内护筒跟进法贯穿溶洞。

1.2.3 混凝土流失

孔周边未完全填充溶洞时，经常会出现混凝土流失，由于混凝土的密度要比泥浆大，孔壁侧压力大于护壁的承载力，导致混凝土冲破护壁而发生泄漏。故在漏浆补救中，应根据泥浆的泄漏速度控制好混凝土的灌注速率。

2 溶洞处治原则

对于本项目工程溶洞区域桩基施工，利用地质勘探资料和结合现场施工情况，根据溶洞尺度、填充程度及形态等采取针对性措施，具体处治原则如下：

2.1 单个溶洞高度≤4.0 m

⑴溶洞为空洞、半充填、流塑状全充填采用粘土+片石全填塞；

⑵溶洞为软塑、可塑状全充填采用粘土+片石半填塞；

⑶溶洞为硬塑状全充填不处理；

⑷对于串珠状全充填溶洞，各溶洞高度均≤4.0 m，采用粘土+片石全填塞或半填塞；

⑸对于串珠状空洞、半充填，总高度＞4.0 m，各溶洞间岩层≤3.0 m 时，采用钢护筒一次性穿过，各溶洞间岩层＞3.0 m时，可优先采用粘土+片石全填塞。

2.2 单个溶洞高度＞4.0 m，且溶洞内全充填

⑴溶洞为流塑状全充填采用粘土+片石全填塞；

⑵溶洞为软塑、可塑状全充填采用粘土+片石半填塞；

⑶溶洞为硬塑状全充填不处理；

2.3 单个溶洞高度＞4.0 m，且溶洞内为空洞、半充填

⑴采用钢护筒一次穿过顶板、洞间岩层，直至护筒嵌入溶洞下岩层0.5 m。

⑵对于空洞或半充填溶洞，当地表覆盖层为粉砂、砂、淤泥、卵石等不稳定土层时，采用钢护筒下放至基岩表面以下0.5 m，再进行灌注桩钢筋笼和混凝土施工。

以本项目的某危桥1为例，经地质勘探报告表明，0#墩台处下分布有串珠型溶洞，溶洞分为两层，层间间隔为4 m，高度均为2 m 左右。基于上述原则和实际情况，采用多次抛填片石粘土效果不理想后，最终确定钢护筒跟进方案。具体施工技术要点如下。

⑴片石、粘土抛填法

根据判定规则，成孔时遇溶洞时漏浆，采用片石加粘土回填，土石比控制在1∶（3～5）范围内，具体工艺为测孔底标高→反算孔底至洞顶距离→回填片石（一斗）→轻击压实→测回填后孔底至洞顶距离（如在洞顶以下）→回填片石（一抖）→轻击压实→测回填后孔底至洞顶距离（如在洞顶以下），如此反复，直至回填料高出洞顶约50 cm，如泥浆面明显下降，上部回填粘土，直至泥浆面稳定，小冲程冲击，如再次漏浆，按上述方案处理，直至冲过溶洞层。

⑵钢护筒跟进法

下放钢护筒可避免溶洞漏浆而引起粉质粘土层塌孔。具体施工工艺如下：

①钢护筒准备

护筒采用厚12 mm、10 mm 和8 mm 三种钢板加工而成，护筒内径及壁厚按以下原则选取：

a.护筒壁厚：桩径≤1.6 m 时，护筒长度＜10 m，护筒壁厚采用8 mm；10 m≤护筒长度＜20 m，护筒壁厚采用10 mm；护筒长度＞20 m，护筒壁厚采用12 mm；

设置双层护筒时，外层护筒内径采用比桩径大40 cm，内层护筒内径采用比桩径大20 cm。

b.护筒长度：护筒长度根据施工需要，分节段制作拼装，当地表覆盖层为粉砂、卵石等不稳定土层时，设置外层护筒，穿过软弱覆盖层以下2～3 m 或至基岩顶面；内层护筒埋置深度要求穿过溶洞至基岩面。

②钢护筒的沉放

钢护筒穿过覆盖时，采用比护筒直径稍大的冲锤，保证成孔直径比护筒外径大0.10～0.15 m。由于地质情况的复杂性，钻探资料并不能完全反映出桩位处地质情况的完整面貌，冲程过大时极易突然冲破岩层顶板，造成卡锤、偏孔事故，故在冲孔过程中，应采用不大于1 m的中、小冲程进行岩层内的进尺，尤其是在接近溶洞顶板时，更要采用小冲程。若冲锤在溶洞顶部厚度范围内上下移动无明显障碍时，表明顶板成孔完毕，逐段拼接，疏放护筒，直至其不能自行下落，然后采用振动锤施打至预定深度。在钢护筒跟进施工中，需严格控制钢护筒的垂直度，不能存在歪斜和缩颈的问题。

3 桩基设计优化

本项目危桥2改造工程，桥址位于断裂构造带，根据物探CT 结果显示，基底岩溶极发育，岩面高差起伏较大，覆盖层主要为厚层砂卵石层及软塑状粘性土，卵石分布极其不规律，地下水位较高，且地下存在不同深度、不同大小的多个土洞或溶洞，地质条件极其复杂。在对本桥前期桩基施工过程中，第1 号灌注桩冲孔至岩溶发育地层，出现较为严重漏浆，现场立即停工并多次回填片石粘土，同时距桥位下游100 m 左右观察发现河水变浑，推测判断为返浆点。地勘单位随即采用钻探和物探方式进行补勘，旨在探明周围隐患区域的地面下浅层脱空情况、场地的软弱土层、隐伏岩溶、土洞的发育情况。综合补勘资料揭露，危桥区分布较多岩溶，且贯通可能性极大，沿桥的纵横向分布排列，溶洞多数为串联、裂隙贯通。

3.1 桥梁下部结构设计优化

按照原有桥梁桩基方案，原桥型及桥墩构造如图2所示，桥墩采用双柱敦结构形式，设计要求钻孔嵌入中风化岩层不小于6.5 m。然而，考虑到该桥区地质岩溶极强发育，溶洞数目多且相互连通，采用原有方案必然耗费巨大的回填材料、钢护筒用量，甚至造成塌孔、塌陷等工程事故，影响工程进度和质量。故本危桥2 岩溶处理采取“绕避”措施解决，即优化桩基结构形式。

图2 原方案桥型及桥墩构造Fig.2 Bridge Type and Pier Structure of the Original Scheme （mm）

接到反映后，设计单位基于对地勘资料、施工单位相关资料，对桩位处地质情况实时核查，经过讨论、研究确定优化为灌注摩擦型桩，优化后的桥型和桥墩如图3所示。桩根数由2增加为8根，桩长由32.7 m缩短为21.2 m，从而最大限度地避免与溶洞接触，防止因对溶洞的扰动而产生施工难题。

图3 优化后桥型及桥墩构造Fig.3 Structure of Bridge Type and Pier after Optimization （mm）