摘要：钻孔灌注桩施工技术在我国桥梁结构建设中应用广泛，但是随着建筑工程规模的日益扩大，不良地质的干扰成为桥梁施工建设中经常会遇到的问题。本文结合某桥梁路段工程实例，对桥梁钻孔灌注桩施工中的溶洞处理措施进行研究，旨在进一步提高桩基的承载力，推动桥梁的安全稳定运行。
关键词：桥梁工程；溶洞地质；钻孔灌注桩施工
引言
钻孔灌注桩作为一种基础形式以其适应性强、成本适中、施工简便等特点被广泛地应用于公路桥梁及其它工程领域。但灌注桩属于隐蔽工程，影响灌注桩施工质量的因素很多，稍有不慎或措施不严，就会在灌注中产生质量事故，小到塌孔松散、缩颈，大到断桩报废，直至影响工期并对整个工程质量产生不利影响，给国家财产造成重大损失。所以，必须要先了解钻孔灌注桩施工过程可能出现的溶洞的各种情况，并根据各种情况制定相关的处理方法，尽量避免发生事故及减少事故造成的损失，以利于工程的顺利进展。
一、工程概况
本文所研究的桥梁总长2.825km，设有122个墩台和456根桩基，据实地勘察测量数据表明，大部分桩基存在岩溶不良地质现象，岩溶处于强至极强发育程度，最大溶洞深达22．2m。该桥梁采取钻孔灌注桩基础，钻孔灌注桩桩径为1.2~2.5m，其中以1.6m以上桩径的桩基为主，此外桥梁属于市区高架桥，占用原市政道路中央分隔带和道路边缘带。地下充填溶洞、溶槽及原道路行车干扰，成为影响钻孔灌注桩施工质量的最大干扰因素。
二、桩基施工中溶洞处理原则及方法探讨
1、溶洞区钻孔灌注桩施工需要根据现场实际情况确定基本的施工原则。
桩基础施工尽量选择旱季进行，特别是避开降水集中的暴雨季节。有钻孔资料的桩位先行施工；对于岩层变化比较大，岩层性质难以判断的桥梁需进行补钻地质钻孔，待确定岩层性质后再施工附近桩基。合理确定施工顺序，先安排含有较深、较大、较多溶洞的桩孔施工，先安排长桩施工。溶洞发育地段进行桩基施工时，应调整施工顺序，采用间隔施工，同一墩位的桩基严禁同时施工，必须待一根桩基混凝土浇筑完成后，且混凝土强度达到70%时，才可进行下一根桩基钻孔施工。摩擦式桩基的沉淀厚度不大于10cm，嵌岩桩基的沉淀厚度不大于5cm。为应对突发情况的发生，应采用有人值守的桩基施工设备，严禁采用自动冲孔桩机冲进施工。
2、桩基施工准备阶段，我们要根据地质钻探资料、现场工程情况及具有的施工条件预先确定溶洞处理方法。
2.1 单个溶洞高度≤4.0m情况：溶洞为空洞、半充填、流塑状全充填时采用粘土与片石全填塞；溶洞为软塑、可塑状全充填时采用粘土与片石半填塞；溶洞为硬塑状全充填时不处理；对于串珠式全充填溶洞，各溶洞高度均≤4m时采用粘土与片石全填塞或半填塞；对于串珠状空洞、半充填总溶洞高度均＞4m，各溶洞间岩层≤3m，当判定无联通通道时采用钢护筒一次性穿过，有联通通道时或溶洞顶板厚度≤1m时采用水玻璃和水泥浆进行预处理。
2.2 单个溶洞高度﹥4.0m，且溶洞内全填充情况：溶洞流塑状全充填时采用粘土与片石全填塞；溶洞软塑、可塑状全充填时采用粘土与片石半填塞；溶洞硬塑状全充填时不处理。
2.3 单个溶洞高度﹥4.0m，且溶洞内为空洞、半填充情况：判定无联通通道时采用钢护筒一次性穿过顶板、洞间岩层，直至护筒嵌入下岩层0.5m，判定溶洞有联通通道时必须采用水玻璃和水泥浆进行预处理。
2.4 特殊地段溶洞情况：水中桩基施工采用内外双护筒方式，外层钢护筒跟进至岩面，内层钢护筒穿过溶洞跟进至溶洞底面；对周围交通、建筑影响比较大的地段桩基施工采用钢护筒跟进至岩面。
3、几种溶洞处理方法的分析研究
3.1 抛填挤压法
通过抛填片石、粘士等充填料挤密溶洞，进行钻孔造壁，提高溶洞稳定性，减少施工中的危险性。适用于低危险等级桩基，或与其他措施联合处理危险性较高的溶洞。可实施性较强，施工安全性较高，工程经济性好。抛填材料一般为1：1粘土、片石混合料，其中片石直径为15～20cm。抛填材料堆放在距桩孔比较容易取放的地方，并且数量足够，同时配备好随时待命的机械设备。此外还要配备大的泥浆池以及相应的抽浆设备，这样可以在发现漏浆的时候及时补浆。
抛填片石、粘土技术要点：
3.1.1 在对此类溶洞进行处理的时候，要在发现漏浆的第一时间用最快的速度处理，采取先抛填比重较大的材料，来防止因为泥浆的比重和浮力较大所产生的阻碍抛填填材料不能顺利进入孔底。同时，为了避免回填少了起不到堵住漏浆的作用，而回填太高又会浪费材料并导致重新冲进的进度比较缓慢，因此，回填的高度一般以能稳住泥浆为宜。
3.1.2 意外跑浆：地质资料揭示无溶洞或只有很小的溶洞，但突然发生跑浆，估计是挤破了旁边大溶洞的洞壁，或小溶洞与旁边的大溶洞是相连的。采取投放片石、粘土起到护壁作用，使钻孔顺利通过岩溶区。
3.1.3 遇到较大的土洞、空溶洞时，或连体薄层深洞迅速跨塌，出现掉锤现象，在快到溶洞顶板2m距离位置时应低锤轻冲击、慢冲击，减少溶洞大面积跨塌掉锤现象，保证桩基顺利终孔。
3.2 注浆预处理法
对于安全等级要求高的岩溶发育区或单孔溶洞，可考虑采用预注浆的处理方式，对基岩顶面的土洞及以下的溶洞进行充填或预支撑处理，然后再施工桩基，可大大降低施工风险，保障施工中的作业安全及周边建筑的稳定性。注浆浆液可根据溶洞的发育规模及地下水的连通性、流速分别选择单液或双液水泥浆，灌浆材料采用32.5R水泥，水灰比按照1：0.6、1：0.8、1：1、1：2、1：3、1：5六种配比，由稀到浓进行灌浆，可掺砂、水玻璃、速凝剂等少量添加剂，掺入量不大于水泥量的0.5%。
预注浆处理可根据岩溶区的安全性等级及单洞规模分别考虑单孔、三孔或多孔，具体施工工艺如下：
3.2.1 布置原则
单孔注浆注浆孔布置在桩基中心点处，3孔注浆需在比桩基钢护筒直径大50cm的圆周上等边三角形布置，多孔注浆需在比桩基钢护筒直径大50cm的圆周上均匀布置。
3.2.2 钻孔深度
一般的钻孔深度为设计终孔标高以下50cm，特殊情况可加深钻孔深度，具体情况根据实际另行确定。如发现溶洞未压浆密实的，应加大压力和浆量进行补注浆，确保施工过程中不漏浆。
3.3 钢护筒跟进法
3.3.1外层钢护筒（覆盖层）
3.3.1.1 覆盖层钢护筒的目的主要是防止贯通溶槽的漏浆而造成砂质覆土层以及地表层的塌孔，首先正常钻进至溶洞上方约1m处，采用辅助振动锤等打入设备将钢护筒分节打入土层中至岩面。
3.3.1.2 桩基钢护筒跟进的施工工艺：
场地平整、定位→埋设外钢护筒→冲孔至溶洞顶（回填片石或C20砼）→溶洞顶部处理→下放钢护筒→溶洞处理或下内层钢护筒→正常成孔至桩底标高（终孔）。
3.3.1.3 穿过覆盖层时采用比外护筒直径稍大的冲锤，保证成孔直径比护筒外径大0.1～0.15m，钢护筒深入中、微风化岩层0.5m或其他非软弱覆盖层2m，检孔并检查成孔直径及其倾斜度。钢护筒逐段拼接，释放护筒，直至其不能自行下落，然后采用振动锤施打至预定深度。在护筒埋设过程中，要注意护筒逐段拼接时，段与段之间拼接的顺直度要控制好，以防止折曲；孔口定位，护筒口中心要保证与桩基中心基本重合，然后将其与地面开孔护筒用钢板连接固定；护筒底部刃脚处要加强，以防止施打过程中发生卷刃；由于基岩面不平整，护筒底部不可能周边全断面接触，这样就可能造成护筒滑偏、底部变形、底部漏浆、坍塌等问题，为了尽量避免此类问题发生，在护筒振打下落时，参照地质资料控制好护筒的入土总深度，并加强护筒刃脚，护筒就位后，在基岩面附近反复回填粘土、石碴并掺加水泥，冲击造壁。
3.3.2 内层钢护筒
3.3.2.1 下置内钢护筒的目的主要是防止贯通溶槽的漏浆而造成砂质覆土层的塌孔，通过下置内护筒的作用，即可顺利穿越溶槽层至设计桩底标高，达到顺利终孔的要求，同时避免混凝土超灌甚至无法灌注至设计桩顶标高等情况。
3.3.2.2 内钢护筒下至溶槽处的处理
由于施工处不良地质溶洞的深度大同时有可能存在贯通的溶洞存在，对于此处的处理更不得马虎，若处理不当有可能出现卡锤的情况出现。这时需根据补勘探的地质资料，详细了解各溶槽顶标高的准确位置。进入溶槽后，孔内的泥浆势必可能漏失。如果孔内浆液漏失完后，尽快用吊机设备将冲击锥锤吊开，将拼装备好的水下砼导管放入孔内，采用C20砼进行封堵，砼须多次进行，且每次灌入的砼不宜过多，同时砼需在待前面砼达到初凝后进行，砼的塌落度控制在30～50mm，通过砼的低流动性达到暂时封堵的目的；待砼凝固产生一定强度后，再用冲击锥锤进行重复回钻、跟进内钢护筒，也可采用回填片石进行反复冲砸，通过挤压旁边的溶洞空间，使孔桩周围形成护壁，再跟进内钢护筒。
3.3.3 钢护筒制作
3.3.3.1制作外钢护筒的内直径宜为D=d+40cm（d为设计桩径）；制作内钢护筒的内直径宜为D′=d+20cm（d为设计桩径）。护筒采用厚14mm、12mm、10mm、8mm四种钢板加工而成，护筒内径及壁厚按以下原则选取，钢护筒应采用集中卷制加工制作，焊缝全部为双面坡口，每节制作长度5-7米，具体选用钢板壁厚可参考以下参数：
3.3.3.2 护筒长度可根据施工需要，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2～3m或至基岩顶面；内层护筒埋设深度要求穿过溶洞至基岩面，详见钻孔示意图如下：
三、溶洞处理中的钻孔灌注桩施工控制要点
1、泥浆比重的控制。由于溶洞外存在裂隙，且部分裂隙贯通，施工过程中会出现漏浆现象，所以在冲孔进尺过程中保持较大比重的泥浆，在遇到此种情况时可控制泥浆的流失速度，并对裂隙的封堵具有较好的效果。
2、冲程控制。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，冲锤冲程过大时，极易突然冲破溶洞顶板，造成卡锤或偏孔事故。因此在冲孔过程中，应采用不大于2m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。
3、溶洞内的造壁。进入溶洞后，要反复回填片石、粘土等，尽量将溶洞内的孔壁冲击坚实。同时多次回填的另一好处是减少了由于溶洞顶板、底板的不平整，冲锤易产生滑偏的可能性。
四、溶洞桩基施工容易出现的问题及处理方法探讨
1、塌孔。塌孔有两种情况：一种是孔口坍塌。另一种是孔内坍塌。
1.1 主要原因：对第一种情况，多为护筒埋设不稳固，周边黏土未夯实，护筒埋置太浅，下端孔口漏水、坍塌或孔口附近地面受水浸湿泡软或钻机装置在护筒上由于振动使孔口坍塌。对第二种情况，多为洞穴顶板被意外击穿或击穿裂隙通道后，孔内泥浆水头急剧下降，覆盖土层处护壁失稳而造成塌孔；同时孔内补浆不及时，在松软砂层钻进进尺太快；清孔后泥浆比重、黏度等指标降低等因素也会造成孔内坍塌。
1.2 处理方法：塌孔事故应力求预防为主，一旦发生应及时处理。保证钻孔时泥浆质量的各项指标满足规范要求；保证钻孔时有足够的水头高度；在不同土层中选用不同的冲程；起落钻头时对准钻孔中心；偏孔位置及时纠偏；塌孔不严重者可回填黏土和水泥后加大泥浆比重、加高水头，继续钻进；塌孔严重者应使用片石、黏土回填，换孔位钻进，待其它孔位完成后再复钻。同时施工现场需要准备片石、粘土和水泥等应急材料，并准备水车、泥浆车和铲车随时参加抢险；由于施工现场位于市区道路，车辆繁多、两侧构造物密集，出现塌孔时容易危及周边，应安排专人指挥交通和疏散周围人群，做好警戒措施，避免造成不必要的人员伤亡。
2、卡钻
2.1卡钻的主要原因是对溶洞分布情况不明确，在钻到离溶洞顶板很近时采用高落程冲击，使钻头冲破溶洞顶板岩石，钻头倾斜，卡在溶洞顶板岩石不同部位。
2.2 防止卡钻措施为：严格控制冲程，在施工过程中细心观察，根据不同的地质情况掌握好冲程。如在基岩中采用3~5m的冲程，在靠近溶洞顶月1m处采用0.5~1.5m的小冲程变化冲进，要求轻锤慢打使孔壁圆滑坚固，通过短冲程快频率冲击的方法逐渐将洞顶击穿，防止因冲程过长导致卡钻。
2.3遇到卡钻时首先分析原因，然后对症下药：若卡在顶板岩石中部，可缓缓上下活动钻头，待松动后慢慢提出。若斜卡在顶板岩石中，可自制简易正绳器，将钻头拉正，缓缓提起；若卡在顶板岩石下部，则可利用大钻头上下松动，由下向上顶撞的办法，轻打卡点的石头将顶板岩石破掉后提出，也可用钢丝绳将小钻头放入把顶板岩石砸碎，再将大钻头提出。
2.4卡钻严重时，用钻机本身提钻时钻机尾部会翘起来引起安全事故，利用钢丝绳和千斤顶给钻头一个外力，再用钻机轻打卡点石，或者采用“振动爆破法”处理，即将经过周密计算和经验总结的一定药量的防水炸药用垂陀放入孔内，沿锤的滑槽放到锤底，而后引爆。震卡锤，再用卷扬机和千斤顶同时提拉。卡钻钻头取出后应停止向下继续钻孔，应快速回填片石和粘土，一般回填高度为1.5米，调整钻机冲程后反复冲砸，在顶板上部形成坚硬柱体以传递冲力，冲击使卡钻的突石、溶洞表明面平整，防止卡钻再次发生。
3、漏浆
3.1漏浆的主要原因有：厚覆盖土体疏松多孔；溶洞挤压不密实、钻进过程对填补孔壁的扰动；清孔过程泥浆比重下降改变溶洞内与孔内压力，造成溶洞处孔壁破坏；串联溶洞内的水体或地下暗河对溶洞填充物的冲刷，造成孔壁破坏。
3.2 处理办法为：迅速将锤提出，大致判断漏浆位置，根据漏浆情况抛填黏土和片石，回填高度一次以2m-3m为宜，然后补浆至孔口。如果多次漏浆则应灌注混凝土进行封堵。
4、埋钻
埋钻也有两种情况：一是沉渣埋钻，二是塌孔埋钻，要避免沉渣埋钻，钻头不能长时间停留在孔底不动，要经常上下活动，使得泥浆不停地循环，这样就可以防止沉渣埋钻的现象发生，如发生塌孔埋钻，最主要的是将主绳保住，利用回旋钻机扫孔和“反冲法”将钻头提出。
5、钻孔偏位
5.1钻孔偏位原因：基岩面大坡度倾斜且微风化层不连续，软硬不均，钻头容易沿坡面歪斜产生斜孔偏孔，当出现冲击钢丝绳摆动较大、进尺突然加大时，则预示发生偏孔，应及时停钻。
5.2处理措施：处理偏孔采用回填片石的措施可有效地解决，片石的强度要强于岩层的强度，处理时应提起钻头，向孔内抛填15cm~25cm大小的片石、碎石及粘土块，回填到斜面顶或偏孔处0.5m以上后再重新冲砸钻进，采取小冲程、低频率的方式冲孔，使钻头保持水平，钢丝绳保持竖直，浅程缓进。若一次纠偏效果不行则进行多次回填，并反复进行直至进入均匀、稳定完整的基岩内1.0m，然后按正常施工，通过回填片石、粘土，既改变孔底虚实不均的问题，又利于保持桩孔垂直，又可造壁堵漏。如出现严重的岩石斜面或溶洞交汇岩层强度不一致，采取回填片石黏土方法将难以凑效，这种情况下可先掏渣清孔，后向孔内灌注高强度的水下混凝土封底，将溶洞填充满或到达与倾斜岩面上缘相平大的高度，等强度达到30MPa后再重新钻进。
6、混凝土流失及断桩处理
6.1灌桩中混凝土流失。对于能预计的小容洞，成孔后直接灌注砼填充，有小量差方是正常的。但是当溶洞较高、体积较大时，不采取任何措施时水下混凝土实际灌注的数量一般要大大超过设计数量。针对水下混凝土灌注过程中流失的现象及防止断桩发生，一般有以下施工措施有：
（1）加大混凝土生产和运输能力；
（2）加大混凝土初灌量，避免因首盘混凝土数量不够造成导管埋深不够而断桩；
（3）灌注过程中加大导管埋深，混凝土灌至溶洞或裂隙处时，适当增加导管埋深，确认安全后，再提升导管。灌注混凝土过程中，在混凝土能下去的情况下，导管下口埋入深度一般宜控制在2~6m。灌注时要勤测量混凝土面高程，对灌注过程中出现的缓慢下降要有准确的判断，防止混凝土面突然下降导管悬空造成断桩事故；
（4）对漏浆严重或多次漏浆的个别孔，应做到心中有数，在灌注时应加大混凝土灌注高度，一般考虑超过设计高程1.5~2.0m，尽量避免在灌注完成拔出导管后混凝土面下降造成断桩。
（5）遇到大的溶洞或溶洞失水现象严重的桩，为防止浇筑超方过多或发生事故，应准确计算溶洞高程后，灌注混凝土前先在钢筋笼上对应于溶洞的位置，附近钢护筒用薄铁板作包裹处理，以防止灌注混凝土时，护筒被挤破，造成混凝土流失，同时护筒高度上、下都超过溶洞口1m，从而避免混凝土流入溶洞。
（6）对于有比较大的溶洞的钻孔桩，混凝土灌注速度要尽快可能地快一些，以免孔内护壁发生变化出现漏浆或塌孔等异常情况。若判断已经发生混凝土流失断桩，则停止继续灌注，流失情况趋于稳定后，待水下凝土凝结形成一定强度，充填了桩孔周边溶洞，形成护壁后重新冲孔。
结束语
采用上述方法安全顺利地完成了该公路特大桥存在溶洞的桩基施工，各项施工质量检测均符合规定要求，表明溶洞区桥梁钻孔灌注桩施工是成功的。施工中采用预注浆、回填片石黏土、内外双钢护筒跟进冲孔及各项施工控制措施，有效解决了施工至溶洞综合影响导致的塌孔问题，有效地解决了由于溶洞处混凝土渗流产生的断桩现象。
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论文作者:熊维
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/26
标签：溶洞论文; 钻孔论文; 桩基论文; 混凝土论文; 顶板论文; 钻头论文; 冲程论文; 《基层建设》2019年第16期论文;