摘要：近年以来，伴随着公路、桥梁等大型交通项目的规模性建设，大量桩基础的应用和工程机械设备性能的提升，项目过程中桩基础的机械化程度明显提高，因此，增强了对工程地质条件的适宜性。钻孔桩具有施工简单、安全、成孔速度快等优点，因此在桥梁基础设计和施工中得到了广泛的应用。但是，由于各种复杂地质条件的存在，钻孔灌注桩的施工工艺受到了限制，因此对于钻孔桩施工工艺的探讨和研究具有很大的现实意义。
关键词：溶洞；桩基；处理
1溶洞对工程的危害及其处理方法
1.1溶洞水对工程的危害
①溶洞地表水的危害
溶洞地区的地表水对路桥、铁路工程的危害主要表现为：当工程桥涵和路基存在于溶洞洼地、谷地区域时，溶洞地表水可能冲刷、淹没结构物，引起工程质量问题。将溶洞地区的地表水和非溶洞地区的地表水进行对比分析，发现以下特点：
1.二者关系密切，相互补给；
2.溶洞地区的地表水受季节性影响；
3.汇水面积要结合地形分水岭和区域地质条件确定；
4.溶洞洼地反复积水、消水，有一定的间歇性。
②溶洞地下水的危害
溶洞地下水对路桥、铁路工程的危害主要表现为：雨季时雨量偏大，可能导致公路路基、桥梁基坑坍塌、基底涌水；隧道水量富集可能导致冒顶、涌砂等现象出现；水量过大，可能造成基地浮力过大，水位下降的同时又可能引起基坑沉陷，危害到建筑物的安全。通过比较工程实际情况，勘察等资料，发现溶洞地下水具有如下特点：
1.地下水与季节性降水密切相关，即地下水水位和流量受季节性影响；
2.汇水面积要结合地形分水岭和地质构造关系来确定，难以得到地下水水量计算的精准值；
3.由于地下裂隙和管道的存在，使得溶洞地下水的分布具有很大的不均匀性；
4.在项目工程位置的选择上，受溶洞内水文地质条件的影响；
5.溶洞地下水具有集中突水和承压性，这意味着将伴随有涌泥、 涌沙现象的出现。
1.2溶洞水的处理
①截流
通过设置与水流方向呈歪直连接的的截流盲沟，截水墙，截水洞等措施，达到对施工目标范围内的溶洞水的截流和疏导，降低地下水位，保证施工的顺利进行。三种截流措施具有各自的适用范围。如：带有反滤层的截流盲沟适宜水量较小而分散的溶洞水；截水墙可以防止水流的冲击和渗入；截水洞则可以疏导某一范围内的溶洞水。
②排泄
针对常年流水，或季节性的、流量比较集中的溶洞水要考虑排泄措施，如设置泄水洞、管道、桥涵及明沟等。排水沟渠的方向，或管道方向应与水流方向一致。四种排水措施具有各自的适用特点。如：泄水洞常常用于排泄洼地和基底积水；排水管常常用于排泄水量比较集中的溶洞水；公路排水桥涵，常常用于水量富集的沟谷或路段；排水沟（泄水洞、明沟引排），用于将低洼处的积水引向其它方向。
③围堰
一般情况下，为了保证水工建筑物的正常施工，防止水或土进入施工区域，采用围堰、围栏等措施。普遍使用的围堰材料有混凝土圆柱管、混凝土心墙和斜墙、片石或钢筋网等。为了防止多方向的水流汇集流入消水洞，也可用不透水材料的围堰予以阻隔。
④堵塞
当溶洞中的地下水水量较小时，而且由于溶洞的布局导致分散，此时，可以采用砂浆、浆砌片石等材料进行堵塞。当水量特别大时，再采取堵塞措施反而十分不易。在公路和铁路隧道工程中，由于工程的特殊性，常采用压浆堵水和压浆帷幕的措施来进行溶洞水的堵塞。
1.3溶洞洞穴的处理
溶洞洞穴在处理的时候，需要考虑洞穴的实际大小，该洞穴所处的位置，以及对建筑物的影响情况，分情况合理的采取措施进行处理，常用的措施如跨越溶洞洞穴、进行堵塞处理、对溶洞洞穴进行加固处理、绕过溶洞洞穴等。
①跨越
从结构形式来看，跨越可分为梁跨、板跨、拱跨等。拉秀大桥 14 号墩基础下的洞穴，深度大于 7m，采用按周边受力的钢筋混凝土板跨越，其上修桥墩。在公路、铁路隧道的路基范围内，如果建筑物部分悬空，则可采取横梁或支墩支托纵梁，纵梁上再作边墙。在特殊情况下，可在暗测顶板上作建筑物。
②加固
为防止洞穴坍塌或加强洞穴项板岩层的稳定性而作加固措施。结合工程的具体情况，采用合理的加固措施，如采用桩基、对溶洞洞穴采用加固锚杆、对洞穴进行回填加固等。当溶洞发育情况比较复杂的时候，单单采用某一项加固措施可能难以取到很好的效果，此时，则需要根据具体的实际情况，可以采用多种方式交叉的方法进行处理。
③绕避
在地质勘测和选线的时候，可以对已经查明的具有危害性大，处理成本过高的溶洞洞穴采取局部绕避或完全绕避的措施。既保证了工程质量，又提高了工作效率，经济又合理。
2工程概况
某高速公路某路段位于某省某县界内本路段起讫桩号为K32+686～K42+526.072，长 9.840072km，桥梁33座，大桥13座、中桥6座、小桥8座、天桥6座。此路段主线里程 K32+686～K38+208，上覆盖层为第四系上更新统粘土层、砂岩和灰岩，岩层风化程度以中风化为主。K38+208～K42+526 是变质岩为主的丘陵区，以强风化片麻岩为主。3 号大桥上部结构采用预制 T 梁、预制箱梁、预制空心板梁及现浇梁，下部结构为柱式墩，肋板式桥台或柱式桥台，基础为桩基础。考虑现场地质情况，采用人工挖孔的方法施工灌注桩。设计桩基类型为摩擦桩。
3溶洞、地质情况
某高速公路 K38+451 3 号大桥勘察深度范围内，上部为第四系覆盖土，成桩难度不大。下部为中风化灰岩，掘进较困难，成桩难度较大。地表 3m-9m 范围内为碎石土，工程地质条件差；9m~18m 为中风化灰岩；其下为微风化灰岩，力学强度较高，工程地质条件较好。
K38+4513 号大桥 5-2#桩基原设计为摩擦型挖孔灌注桩，直径 1.8m，桩长15m，墩高12.1m。
桩基开挖到桩基前进方向右侧侧壁标高 322.059m-313.559m（高 8.5m，在设计桩长的 4.3m -12.8m 位置）时，桩基开挖岩石为包含粉质粘土且破碎较为严重的强风化灰岩，发现此处有一均宽 1.4m，最大深度 2.2m 的竖向裂隙，现场照片见图下。在溶洞的四周，有延伸溶洞分布。采用地质雷达探测，报告原桩基设计桩底 5m 以下地层破碎严重，可能存在小规模溶洞。.png)
K38+451 3号大桥 5-3#桩基原设计为摩擦型挖孔灌注桩，直径 1.8m，桩长15m，墩高 12.2m。桩基开挖过程中发现桩基侧壁标高 324.438m-320.138m（在设计桩长的 0.2m-4.5m 位置）范围有一高 4.3m、宽 1.9m，深 2.3m 且向外延伸的溶洞，现场照片如图 所示。采用地质雷达探测，报告原桩基设计桩底 13m 以下地层破碎严重，可能存在小规模溶洞。.png)
在标高 319.938m-312.638m（在设计桩长的 4.7m-12.0m 位置）范围有一高 6m~8m左右、宽 15m~20m 左右的溶洞，且在洞室四周及上下方有延伸洞分布，现场照片如下图 3-4所示。桩基开挖岩石为包含粉质粘土且破碎较为严重的强风化灰岩，桩底清出的底渣如图5所示。
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4溶洞地区桥梁桩基设计及施工技术
4.1 溶洞地层钻孔方案
溶洞地层钻孔桩施工的技术难点在于保证在溶洞层段顺利成孔而不出现卡钻与掉钻等施工故障。这就要求操作人员在预先掌握桩孔地质资料的情况下，注意钻孔过程中出现的异常现象，及时准确地判断钻孔状况。工程技术人员应根据工程实际，制定具体的解决造壁、护壁、斜面开孔、穿越顶板和空洞的施工方案，保证钻孔施工的顺利进行。桥梁钻孔桩基础溶洞地层施工处理方法主要有以下 4 种。
①泥浆造壁法
泥浆造壁法就是根据溶洞内充填物的不同种类和流塑性，在使用优质泥浆护壁施工的同时，按一定比例分别加入烧碱、水泥、锯木屑、草袋、片（碎）石等混合材料，借助于钻头的冲击捣固作用，将填充材料同稠密的泥浆一起挤入溶洞和溶洞裂隙中，形成强度连续的钻孔路径，在接续的钻孔工序中形成孔壁封闭环，达到泥浆护壁的效果。泥浆造壁法主要适用于洞体尺度相对于桩径不大的小溶洞，具体情况按溶洞的相对位置、围岩种类和充填物的性质等因素确定。
造壁法处理溶洞的效果取决于加强型泥浆的配制质量，因此在泥浆配制时应注意各种配料的选择和使用要求。粘土是泥浆配制的主要原料，应具有水化快，造浆能力强，粘度大，含砂率低等特点，一般要求其胶体率不小于 95 %，含砂率小于 3 %，造浆能力大于 215LPkg，塑性指数不小于 20。当溶洞内充填物为细砂或流塑性物质时，在泥浆中掺加适量水泥，可以起到提高泥浆抗渗透能力，增强护壁功能，防止塌孔漏浆的功效，水泥的用量一般为粘土用量的 15 %～20 %。烧碱具有保持和提高泥浆粘稠度的作用，对处理孔壁漏浆有较好的效果，一般按粘土用量的 2 %～3 %使用。
泥浆中适量掺加的木屑可提高其悬浮能力，提高钻进速度，满足溶洞地层的清孔要求。片（碎）石的使用能起到溶洞孔壁骨架加固作用，一般选用 15～25cm 的片石和 7cm以下的碎石。配料的选择也可以因地制宜地选用其他材料，以达到处理溶洞的效果最佳为宜。
②钢护筒跟进法
钢护筒是常规法深水钻孔桩基础施工中的辅助措施，护筒的作用在于桩基定位、施钻导向、保护孔口和维持孔内水头压力等。溶洞地区钻孔桩基础的施工，由于溶洞地层复杂的地质状况，溶沟、溶槽、溶洞等相互连通，溶洞或富含软塑、流塑充填物，或为无充填的空洞，处理措施不当会出现泥浆急剧流失，造成塌孔、卡钻等事故。如果这种事故发生在灌注水下混凝土过程中，就会出现混凝土流失，不能有效地埋植导管，发生断桩事故。因此，钢护筒跟进施工作业溶洞地层钻孔桩基础施工中具有护孔成桩的特殊作用。通常情况下，钢护筒跟进作业就是在准确的桩孔位置处将钢护筒就位后，首先用振动打桩锤将其逐步下沉到需要保护孔壁的地层和岩石上，再用回旋钻机钻孔，缓慢下沉钢护筒，接近溶洞时，向孔内抛填片石与絮状物，并用钻机将抛填物向四周挤压，将溶洞填满，为钢护筒跟进提供依托，保证钢护筒不出现倾斜现象，最终将钢护筒下沉到设计位置或稳定坚固的基岩上，达到护孔成桩的目的。
③密闭压浆法
密闭压浆法就是利用土体化学加固原理，使用高压输浆泵将化学浆液通过灌浆导管均匀压入地层，使原来松散砂石散粒体或岩石裂隙充满浆液，固结成一种强度较高、抗渗水性且与周围岩体胶结稳定的新结构“人造石”，达到防止地下水流动，将泥砂固结成“人工石”，极大地改善了桩基钻孔条件，使钻孔能得到顺利施工的方法。根据密闭压浆实施时间的不同，这种方法分为施钻前密闭和施钻中密闭两种情况，工艺上也不相同。施钻前密闭压浆就是用小型钻孔机械钻孔至溶洞所在位置，然后用高压注浆泵将化学浆液注入溶洞的砂石层中，并迅速填满溶洞凝结砂石散粒体和围岩裂隙，形成“人造石”，阻断地下水，从而改善地质类型。
④传递能量法
对溶洞地层进行处理时会遇到岩面倾斜、岩质软硬不均的情况，在施工过程中可能会遇到桩孔偏斜、断桩、损坏钻头刃脚等现象，这时适宜采用的处理方法为传递能量法。传递能量法，即在钻机即将进入地下溶洞的斜面时，通过向溶洞内投掷坚硬片石和粘土块，对钻孔进行修正的方法。钻机施工过程中，钻机的适宜冲程为 0.6m 左右，既保证了足够的冲击能，又起到了形成混合柱体，破碎斜面的施工目的。为了保证传递能量法可以得到更好的施工效果，需要通过两种判断方法对溶洞地层岩面的实际倾斜状况作出判断：
（1）依据地质钻探柱状剖面图；
（2）依据施工过程中钻绳的摆动和钻机冲击的声音。传递能量法对钻孔作业具有很好的导向作用。
4.2 常见故障的预防和处理
常见的钻孔灌注桩施工故障，如漏浆、卡钻、埋钻和混凝土的泄漏。
①漏浆
钻孔灌注桩施工过程中，相关人员要密切注意观察泥浆面高度变化情况。如果在钻孔过程中发现泥浆面变化异常，高度下降，此时，应该停钻，将钻头提出，判断异常原因采取相应措施，如及时补充泥浆量、孔内注水等措施。如果在施工过程中，出现护筒底部漏浆情况，可以使护筒继续下沉，封死底部漏缝处，并用粘土填充护筒周围缝隙，起到很好的密封作用，这样，便起到了阻止漏浆的目的。
当钻孔灌注桩施工中钻头穿过溶洞顶板时，若不能够保持孔内水压力时，说明溶洞存在出口、溶洞裂隙较大或该溶洞与其他溶洞相连，造成泥浆流失，此时，应该停钻，查明溶洞具体情况，采取抛填堵漏、改善泥浆稠度等措施进行施钻。
②卡钻
采用冲击钻进行施工过程中导致卡钻的问题如下：施工过程中由于钻机位置不稳或其他原因而导致的钻杆抖动、钻头长时间的使用导致钻头磨损严重、钻孔孔径与设计不符、冲程过大导致卡钻。针对以上几种情况，所采取的预防措施为：事先平整场地，固定钻机；及时更换新的钻头，施钻进程应按照小冲程-加大冲程-正常冲程的顺序；事先预计溶洞顶板高程，接近顶板钻程时要降低钻孔速度，避免过钻、卡钻现象。
③埋钻
埋钻现象的发生不易事先预防，主要是在施工过程中进行控制，埋钻原因主要是由于孔壁塌陷造成的，尤其是钻头钻过溶洞顶板的情况。由于地下溶洞顶板厚度较薄，强度不足，当钻孔过程中钻头穿过顶板时，有可能会造成顶板塌陷，引起溶洞坍塌，以至于发生埋钻现象。针对以上埋钻原因，可以采用的预防措施包括：保持孔内水压稳定，防止孔壁塌陷；接近顶板钻程时要降低钻孔速度，避免过钻、埋钻现象，并事先做好钻机撤离准备。
④混凝土泄漏
钻孔灌注桩施工过程中出现混凝土泄漏现象，其主要原因是砼自身密度要大于泥浆的密度，那么在灌注过程中砼在自重和上部压力作用下下落到桩孔底部，引起侧壁压力的上升，当侧壁压力超过了钻孔桩护筒的极限承载力时便发生混凝土泄漏现象。
针对以上混凝土泄漏原因，可以采用的预防措施包括：当已经形成孔壁封闭环后，向钻孔桩孔内抛填粘土和片石的混合物，实施二次成孔，重新对孔壁进行加固处理；对于高度较大、空间较大的地下溶洞，当钻头穿过溶洞顶板之后还要继续下钻，以确保设计桩径、设计标高，确保桩基端部位于坚硬岩石之上，并且在整个施工过程中都要钢护筒持续跟进。
5 总结
当前，岩溶对建筑物危害研究较多，也逐渐在公路、铁路工程中遇见。在公路、铁路桥梁桩基工程中，遇到岩溶可以采用适当的施工措施进行处理。突出的问题是，不少工程在工程地质勘察中没有发现岩溶现象，或者仅发现很小规模的岩溶现象，在工程进展过程中遇到岩溶，却需要科学的勘测手段，对岩溶的规模、性质、对工程的影响作出准确的评价，适时作好设计变更，采取科学的措施，保证桩基工程的安全、可靠。
该大桥桩基工程岩溶处理的经验说明，除了采用常规方法有效防止岩溶的危害外，还应该特别注意：由于施工地质环境的差异性、溶洞的个体形态情况不够清晰，溶洞洞穴的危害性，覆盖层地质条件的影响，位于溶洞地层的挖孔灌注桩的施工比较复杂，施工工艺上难以很好的把握每一个环节，尤其要不惜人力物力将揭露的溶洞用混凝土灌注填实，不留任何后患。因此，要求现场施工过程中，技术人员要根据地质勘测资料，密切关注挖孔进程，做好施工交接记录，及时发现问题，果断采取行之有效的措施，保证桩基施工质量。
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论文作者:罗业传
论文发表刊物:《基层建设》2016年14期
论文发表时间:2016/10/27
标签：溶洞论文; 钻孔论文; 桩基论文; 泥浆论文; 顶板论文; 过程中论文; 地层论文; 《基层建设》2016年14期论文;