舒尤波
中铁二十局集团有限公司 西安 710016
摘要:通过工程实例，介绍了铁路桩基础在喀斯特地貌条件下桩基施工的成桩工艺及遇到溶洞的处理方法，重点阐述了快凝水泥浆体技术处理溶洞的方法及优缺点分析。
关键词:机械钻孔 灌注桩 溶洞漏浆 溶洞处理 速凝水泥浆
1、工程概况
新建瓮安至马场坪铁路是贵州省首条PPP模式建设的地方货运为主的铁路，设计行车速度120km/h，为国铁Ⅱ级单线电气化铁路，其中台子上特大桥位于黔南州福泉市境内，全桥共17跨，群桩基础，桩径1.2~2m，桩基顶为承台、实心砼墩身，上部结构采用24/32米简支梁结构。
2、工程地质及水文地质
桥址位于两座山丘之间的带状峡谷地带，从当地种植水稻的水田中央穿过，地址柱状从上到下为30~50cm软土淤泥σ0=0.08MPa，2~3m的次生红黏土σ0=0.15MPa，5~15m的白云岩、灰岩σ0=0.35MPa，嵌岩岩层为白云岩、灰岩σ0=0.60MPa，嵌岩3m以上。
3、溶洞形式
根据本工点揭露溶洞存在主要有以下几种：①无填充、连珠式；②半填充、连珠式；③无填充、非连珠式；④半填充、非连珠式。
4、成桩过程
成桩工艺有两种，一种是机械钻孔灌注桩，一种是人工成孔灌注桩方案。本工程地处带状峡谷区，穿过水田，因地表黏土层覆盖太厚，且地下水丰富，因此本工程选用机械钻孔灌注桩。
喀斯特地貌条件下使用机械成孔也存在很多问题，如机械成孔需要泥浆护壁，施工过程中要大量外运水，增大了施工成本。特别是遇到孔内有溶洞时，钻进过程中多次漏浆，不仅加大了泥浆用量，有时外运水源来不及时，常常造成严重塌孔不得不中断钻进，二次填埋桩孔重新在原位上开钻，给桩的质量留下许多隐患。最重要的是钻孔时间成倍增加，如果出现溶洞漏浆冲击钻孔底的石碴无法随泥浆排出孔，则冲击钻钻头无法锤击到岩层，加之遇到地层石碴与泥浆沉淀后，则冲击钻头容易沉陷，损坏打桩机。这种情况下成孔工期无法保证，项目风险就会成倍增加。因此在喀斯特地貌条件下处理好机械成孔溶洞显得尤为重要。
5、常规处理方法
（1）黏土、片石回填
当溶洞埋深浅范围不大洞高较小，钻孔直径略小于溶洞有填充物或部分填充物溶洞不连通时在机械冲穿溶洞不会造成大规模塌孔、漏浆的。可采用在冲穿溶洞时及时补浆保持孔内的水位高度同时向孔内投入的小直径片石和袋装土，采用慢速钻进将抛填物挤入溶洞壁或溶洞裂隙，堵塞溶洞。
（2）钢护筒跟进
钢护筒跟进适用于桩基覆盖层较厚，当桩基钻孔过程中因泥浆流失造成塌孔对周边环境造成的影响非常大时可采用此方法，护筒跟进可避免因钻孔桩泥浆流失后形成孔壁负压造成局部坍塌，钢护筒应穿透覆盖层后跟进至稳定岩面以下1~2m 的稳定层，若此位置有溶洞，可以继续加深护筒跟进位置。护筒跟进完成后在护筒底口用片石、黄土（1:2）回填1m，将钻头改成小钻头把护筒底口冲砸密实，同时将护筒间隙用黄土填塞密实后正常钻进至设计标高。护筒跟进的优点是可避免因钻孔桩泥浆流失后形成孔壁负压造成局部坍塌，减少对周围环境的影响。
6、常规处理方法存在缺陷
（1）黄土片石回填处理技术，黄土片石回填用冲击钻锤击后形成泥浆流入溶洞内，在遇到无填充联通溶洞时黄土和片石用量大，且处理时间长，在遇到部分岩溶发育地区黄土片石回填量达到超过200m³。黄土片石回填后混凝土水下灌注桩在浇筑砼时由于砼密度较大，对前期溶洞内充填物形成较大的挤压力容易发生二次泄露，混凝土用量增大。充填进溶洞的混凝土与桩身混凝土连为一体，这种桩在后期桩基检测的时候容易出现二类桩或者不合格桩，工程质量不能保证。
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（2）钢护筒处理造价成本高，如果桩较长的话钢护筒钢材用量大，处理工序较多，费用成本高，且钢护筒跟进处理时也采用了黄土、片石回填封堵工序，容易在钢护筒外壁形成暂时性的假封闭，待开钻后在冲击振动和泥浆压力下发生二次漏浆的概率很高。
7、快凝水泥浆固结技术
在本工程实践中，遇到桩身侧面出现溶洞，造成泥浆泄露至溶洞内的情况，这种情况下冲击钻只要钻孔深度超过溶洞深度泥浆就会泄露，或者是冲击钻已经钻至设计深度后，在高于桩底标高某一位置处发生泄漏，溶洞位置无法用肉眼确定，但是剩余泥浆面半径范围内就存在溶洞，孔底沉渣就无法排除孔外。本工点在实施过程中某一桩设计深度15m，在钻至设计标高后，在7m处出现漏浆，开始现场采用了黄土片石回填的方法，黄土片石回填至深度7米位置以上后用冲击钻锤击捣碎，黄土片石捣碎成小粒径泥浆后就从溶洞泄漏，这样子反复回填、锤击，溶洞被黄土片石填充堵塞住以后，才可继续钻孔，施钻过程中溶洞位置长期被较小比重的泥浆浸泡，发生二次三次泄漏。后使用快凝水泥浆处理溶洞，此时拔出冲击钻钻头，待桩孔内泥浆沉淀6~8个小时，地面上准备铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥，及促凝化合物包括碱金属铝酸盐、碳酸盐、硅酸盐和氢氧化物，这些水泥混入少量的促凝物质可直接用于堵漏。这类特种快凝水泥浆要优于硅酸盐水泥快凝水泥浆，它们不但速凝而且快硬，一般1d~3d能达到设计强度并投入使用，通过调整配方、精选原材料，快凝水泥浆体在数小时就能达到使用强度。根据实践，在速凝剂中掺人足量石膏，使铝酸三钙 （C3A）完全形成钙矾石（AFt）相。对快凝早强和后强都有利。将水泥与加入脱水石膏的速凝剂按照试验配合比，制成水泥浆，粘稠度以水平自流为控制目标一次制成浆液以2m高桩径圆柱体为宜，水泥浆液先稀后稠，稠度增加水泥浆液面不在自动渗入溶腔内时用冲击钻用低冲程（1~1.5m）较慢速捣动，同时水泥浆液添加不停止，以保持足够的压力，待浆液面一直升高不在下降时，提起冲击钻停止添加浆液，待添加速凝剂水泥浆液终凝后，留置同条件养护试块强度达到设计强度70%后，重新开钻。
合理选用搭配快凝矿物、促凝化合物、稠化剂、湿润分散剂和超塑化剂就能配制出有效的高性能速凝剂，从而制出快凝水泥浆或快凝水泥砂浆。水泥浆液自流进入溶洞内随着注浆量不断加大，和水泥浆稠度增加，时间推移水泥浆开始凝固，直至达到填充溶洞的效果。处理完成后等待水泥浆强度提高，然后重新开始施钻，这种处理过后溶洞填充物强度高，填充效果好，不会发生二次泄露。
8 结论
（1）快凝水泥浆在灌注无填充连通型溶洞时虽然需要专门处理，但是处理时间短，处理以后快凝水泥浆也在溶腔内形成高强度块体，后续钻孔过程中振动和冲击都不会发生二次漏浆，成孔灌注过程中也不会出现混凝土超方，且桩基检测结论表明，桩基质量符合《铁路桥梁桩基检测技术规范》要求，合格率高。
（2）使用快凝水泥浆处理无填充连通溶洞在时间上有可控性，这样对于控制性工程或节点目标工程有了工期保障的依据，按照以往采用黄土片石回填处理溶洞的经验，黄土片石回填方量大、时间跨度大，往往需要多次重复回填，对桩长超过20m的桩基工期最长能达到80天一根桩，快凝水泥浆填充溶洞一般3~5天就能一次性处理通过。工期目标可以实现。
（3）无论是钢护筒还是黄土片石回填的工程措施成本都远远地超过快凝水泥浆，且钢护筒不能处理处理桩位半径内存在溶洞的形式。黄土片石回填方量大，次数多但从工程措施成本就要比快凝水泥浆要高出很多，考虑期间的人工窝工和机械摊销，其成本达到快凝水泥浆处理的3倍以上。因此从经济角度考虑快凝水泥浆说是有极大的实用价值的。
本文主要介绍了喀斯特地貌下铁路桥梁桩基施工的溶洞处理的技术方法，为同类工程参考，不到之处，敬请同行批评指正。
参考文献:
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作者简介:
舒尤波，工学学士，主要从事铁路、公路工程建设施工管理。
论文作者:舒尤波
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/22
标签：溶洞论文; 水泥浆论文; 泥浆论文; 钻孔论文; 黄土论文; 桩基论文; 冲击钻论文; 《防护工程》2018年第4期论文;