岩溶地区桥梁桩基处置技术
2016-09-26
1、项目概况
湖南省宁道高速公路第二合同段桥位地质情况复杂，桩基溶洞数量多，溶洞最高达21.2m，最多溶洞层数达8层，尤其是无充填的溶洞、高大溶洞、多层溶洞、深埋溶洞数量较多。根据溶洞的类型可分为四类，即空溶洞、多层溶洞、大型溶洞、有填充物溶洞。
桥位处的地质情况由上至下分别为粘土、亚粘土、含砂亚粘土、卵石土、淤泥质亚粘土、圆砾、弱风化灰岩。
2、溶洞处理的主要方案
2.1 修改设计，避开溶洞
2.1.1 对于多层、高大半填充、无填充溶洞（例如泠江大桥20#墩）本项目采取改变设计，改单桩为群桩，增加桩数量减少桩长的施工方法。
图1 20#-1钻孔柱状图
2.1.2 对于覆盖层较浅，溶洞顶板较厚的情况，可将桩基础改为扩大基础；对于溶洞顶板厚度较薄，且溶洞相对小而埋置深度浅时，可采取局部加强的办法，人为地加厚顶板厚度，为做扩大基础创造条件。
2.1.3 对于覆盖层较深时，溶洞埋置深度也很深，由柱桩改为摩擦桩，扩大桩径，缩短桩长；或者做成两桩抬一柱，避开溶洞处。
2.1.4 加大跨径，增大桩径，减少桩数，减少溶洞处理。
2.1.5 桥梁在岩溶区，桥梁高度较小，而且在满足排洪和修筑路堤所有设计要求的前提下，可将桥改为路堤。
2.1.6 根据桥梁用途，在满足使用要求的情况下可以变更结构类型，（将桥改为通道等）。
2.2 设计变截面桩，采用钢护筒护壁
此类桩适用于高大溶洞、多层溶洞，例如泠江大桥19#-3。
图2 19#-3钻孔柱状图
2.3 溶洞桩基础施工处理方法
2.3.1 挖孔桩施工
对于埋置深度较浅（10m左右）洞高小于2m的单层溶洞，地层中无较厚砂砾层或砂层，且在无水或地下水小的情况下可以采用人工挖孔。有填充的用现浇砼护壁，根据具体情况适当加大护壁厚度或用钢筋砼护壁；没有填充的采用砌片石堵塞溶洞和现浇砼护壁。
施工方法如下。
①挖孔方法：挖土由人工从上到下逐层用镐、锹进行，挖土次序为先挖中间部分后挖周边，按设计桩径加2倍护壁厚度控制截面，允许尺寸误差3cm。
②测量控制：桩位轴线采取在地面设十字控制网，基准点，将桩控制轴线高程测到第一节护壁上，每节以十字线对中，大线锤作中心控制，用尺杆找圆周，以基准点测量孔深，以保证桩位、孔深和截面尺寸的正确。
③在地面按衬砌处理挖深1m，安放模板，浇筑C15（或C20）砼形成井圈，井圈上口即井台座比周围地面高出20～30cm以避免井口进水，开挖采用人工十字镐，用人力绞车提升出渣，每开挖一段衬砌一段，当开挖中遇到岩石可采用风钻或凿岩机钻炮眼小药量电引爆的浅眼爆炸法施工，要在炮眼附近加强支护，防止震坍孔壁，爆破后再采用人工清凿继续开挖，以这种方式循环进行施工，直至桩底设计标高。注意每次砼衬砌浇筑前都要将内模定位一次，以保证桩的垂直度和水平位置。
④护壁施工：挖孔桩采用钢筋混凝土护壁。
护壁厚度t=D/10+50mm（D为桩径），护壁内等距离放置8根Φ6-8mm、长度约1m的直钢筋，插入下层护壁内，使上下层护壁有钢筋拉结，以防当某段护壁因出现流砂、淤泥，使摩擦力降低时，也不会遭成护壁因自重而沉裂的现象发生。
2.3.2 钻孔桩施工（粘土片石筑壁法）
当地层中有较厚的中粗砂层、风化严重的砾石、碎石，地下涌水量较大且溶洞高度较小，溶洞有填充物或无填充物的桩基础，拟采用黄土加小片石回填，用冲击钻小冲程冲击成孔，根据实际情况可多次反复回填，加固护壁密度和厚度，穿过溶洞后采用正常的冲击工艺冲击成孔。施工方法如下。
①当钻至溶洞顶1m左右时，首先准备足够的小片石或狗头石和粘土，粘土要做成泥球，对于半填充和无填充的溶洞要组织足够的水源。其次在1～1.5m范围内改用小冲程缓慢钻进，逐渐将洞顶击穿，防止突然打穿溶洞顶板，造成卡钻，漏浆时，马上回填，以小冲程反复冲砸，形成泥壁，堵塞洞内的通道，防止孔壁坍塌和泥浆流失。必要时提前对溶洞进行注浆处理。
②根据钻孔的进尺情况，在击穿洞顶之前，要有专人观测护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，应迅速补水。击穿洞顶后，在溶洞内钻进时，根据填充物的不同，要采取不同的钻进方法。溶洞内无充填或半充填，溶洞高度不太大，一般在3m以内，但存在严重漏水，护筒内水头高度不能保持时，可采有片石加粘土（按1：1体积比）回填冲击，使其形成泥石护壁。反复多次回填片石粘土，反复冲击直至形成泥石护壁不再漏浆为止。如此反复使钻孔顺利穿过溶洞。
③对于特大型溶洞或半充填的溶洞或溶洞上方有较厚的沙砾层时，为防止泥浆突然流失，造成孔壁坍塌，采取护筒跟进法施工。
④对小型或多层溶洞，为防止其不与相邻孔窜孔或成孔后孔型有葫芦状，必要时可灌注低标号砼进行填充，等强后再钻进。
⑤钻孔达到设计标高并清孔后，对孔径、孔深、竖直度和孔底地质是否与设计相符合，孔底泥浆沉淀厚度等进行检查，经监理工程师检查合格后，进行清孔。
另外，溶洞桩基础施工处理方法还可以采取护筒跟进法、挖钻结合法等。
3、施工中出现的问题的预防和处理
3.1 坍孔 钢护筒只有1～2m高，座落在砂砾和卵石层上。当冲击到溶洞后，突然漏浆造成水头高度急剧下降，砂砾和卵石层失去稳定，形成漏斗状的坍孔。
3.1.1 预防坍孔的方法 采用冲击钻冲孔施工时，可将钢护筒座落在亚粘土层上，再继续冲击成孔，也可避免坍孔；发现漏浆及时补水。
3.1.2 坍孔的处理方法 ①当成孔深度不大时，可全孔回填粘土，并暂停一段时间后，再深埋钢护筒不透水层方可重新钻孔。②当成孔深度较大时，可将钢护筒一直座落在坍孔的嗽叭口下缘的亚粘土层上，护筒周围回填粘土，挤实，再重新钻孔。
3.2卡钻原因和处理方法：①冲击钻刃脚磨钝、孔径变小，造成卡钻。应经常对冲击钻进行补刃。②孔不圆，形成梅花孔。最好用6刃和4刃钻头打圆孔，不用一字钻。③钻头在冲击填充的片石时，进起的石块将钻头和孔壁的空隙挤住，钻头不能上下。可放小炮震活钻头，也可用小冲击钻冲动，或用冲吸的方法将卡在钻头的石碴松动再提出。④钻头冲破溶洞顶板，掉入溶洞，钻头倾斜，提不出来，应放小炮炸顶板岩。⑤卡钻时不宜强提，免得拉坏机械，拉断钢丝绳，掉钻头，应仔细分析原因，不可妄动。
3.3 斜孔
斜孔是由于岩石表面倾斜或出现探头石，致使钻头沿软的低的部位下滑造成的。解决的方法是回填片石，也可以灌注水下砼，待强度形成后用小冲程打紧绳反复冲击，直至调正过来为止。过大的冲程会成孔不圆，造成斜孔，一般应采用1～4m为宜。
3.4 漏浆
在冲击成孔中，由于有的溶洞与地下暗河或其他溶洞相通，泥浆迅速流走，水头高度急剧下降，造成漏浆。在溶洞桩基施工中，要在孔边备足一定数量的片石和粘土，一旦出现漏浆，要及时回填片石粘土冲击造壁，并且马上补水，防止水头高度继续下降。
3.5 坍孔埋钻
埋钻的原因是坍孔造成的。施工中发现漏浆应立即将钻头提到孔外，如果未及时提钻，漏浆后坍孔，钻头便被埋在孔中。
4、结语
通过对岩溶地区桩基溶洞处置方案的研究，对今后在岩溶地区桥梁桩基施工，特别是存在有无充填溶洞、半填充溶洞、高大溶洞、多层溶洞、深埋溶洞的桩基施工有着非常重要参考价值。
