老國健，盧 云

(1 廣州市高速公路有限公司, 廣州 510055； 2 廣州市廣園工程技術咨詢有限公司, 廣州 510055)

0 引言

巖溶發(fā)育地區(qū)橋梁樁基施工受地質環(huán)境的復雜程度影響，往往會伴隨著大量的不確定因素，如果稍有不慎很有可能對周邊人員、結構物以及對工程本身的樁基質量、進度、成本等帶來巨大的負面影響。因此，在橋梁樁基施工中如何有效應對巖溶發(fā)育地區(qū)是所有建設項目管理人員、設計單位、施工單位所關注的重點。

萬志勇[1]以廣梧高速公路項目為例，從設計角度出發(fā)，提出通過優(yōu)化橋梁跨徑、基礎結構形式等避開大型溶洞的處治思路； 陳明曉[2]介紹了地質鉆探過程中判斷地質情況的心得體會； 鄒新軍等[3]通過計算分析，提出采用“短摩擦樁+樁端后壓漿”的方案應對大型串珠狀巖溶區(qū)域； 張建華等[4]通過寧道高速公路項目，介紹了單層+多層鋼護筒跟進支護、支承樁落在溶洞頂板上部時對溶洞進行注漿處理等方案，并提出合理確定樁的嵌巖深度以確保樁底至溶洞頂板厚度的思路； 羅新梅[5]通過浙贛線電氣化提速改造工程項目，介紹了“鋼護筒跟進支護+拋填”綜合處治的方案，并描述了施工期間的相關注意事項； 李軍伍等[6]以滬昆鐵路客運專線項目為例，魏曉江[7]以廣清高速為例，提出了“鋼護筒跟進+注漿+拋填+灌注低標號混凝土”的綜合處治方案； 余俊峰[8]提出了拋填的處置方案及相應細節(jié)； 石振明等[9]總結了溶洞處置的一般原則，并通過吉安某大橋新建工程鄰近居住區(qū)和村道處的溶洞處置案例，介紹了采用“鋼護筒跟進+拋填黃泥、片石”的處理方案。

綜上研究分析可知，目前應對溶洞樁基的處理方式主要有兩種：一是通過調整基礎形式、橋梁跨度或結構形式等方法優(yōu)化設計方案，盡量避開溶洞，降低施工風險； 二是在施工方面，根據(jù)地質情況的不同采用諸如鋼護筒跟進、預注漿、拋填或灌注低標號混凝土等措施。上述處理方式均是針對溶洞樁基的順利成孔而制定，然而，隨著越來越多的城鎮(zhèn)區(qū)域高速公路項目，溶洞處治更應側重于對周邊眾多重要建(構)物或地下管線的保護。目前該方面的研究較少，因此，有必要總結應用于此方面的溶洞處治方案。

1 工程背景

廣佛肇高速公路廣州段位于廣州市區(qū)，鄰近既有市政道路，周邊房屋眾多，且與多條高(快)速道路、鐵路橋梁、大型地下引水管道、高壓線塔、引水渠等重要結構物交叉。而該高速所在地區(qū)巖溶極發(fā)育，巖面起伏大，地表有軟弱覆蓋層(淤泥,可塑、軟塑狀粉質黏土等)，砂層較厚，橋梁樁基施工過程中風險極高，容易發(fā)生坍塌甚至地面塌陷。

本項目某匝道橋11#橋墩平面位置及一般構造示意如圖1、圖2所示。該橋墩鄰近市政道路、引水渠及大型地下引水管道(西江引水管)，其中11#-1樁基與引水管凈間距僅約3m，具有極高的施工安全風險。11#橋墩大、小樁號側上部結構均為25m跨的小箱梁，橋面寬度20.2m； 11#橋墩原設計為三柱式帶蓋梁橋墩，樁基直徑均為1.6m，設計單樁樁頂反力6 500kN。本文將主要介紹11#-1樁基的溶洞處治情況。

圖1 11#墩橋平面位置圖

圖2 11#墩橋一般構造示意圖

2 原設計樁位地質情況及溶洞處治方案

鑒于11#-1樁基位置鄰近既有重要結構物，且本項目位于巖溶發(fā)育地區(qū)，為盡量降低施工風險，地質勘察單位在設計樁位進行地質鉆探的基礎上輔以管波探測技術，確保地質勘探的準確性。地質勘探結果顯示，管波探測結果與鉆孔情況基本一致，該處主要地層由上往下依次為素填土、砂層、基巖(將圖3中的各砂層、基巖進行了歸并)，其中砂層深度較深，達41.3m； 溶洞為基巖深層溶洞，溶洞頂板較厚，鉆孔顯示溶洞頂板厚度為10.2m； 溶洞高度較高，約7.6m，溶洞全充填軟塑狀黏性土； 溶洞底部有較厚完整基巖，鉆孔揭示基巖厚度約為13.8m。

2.1 樁基設計方案

為避免樁基施工在穿越溶洞過程中帶來的安全風險，結合地質鉆探和管波探測的結果(溶洞上部存在完整基巖的情況)，樁基擬終孔于溶洞上層基巖，設計為嵌巖樁，嵌巖深度宜控制在1.5d～2.0d(d為樁徑)范圍，同時遵循“樁端嵌巖深度宜淺不宜深，優(yōu)先保證頂板安全厚度”的原則，設置樁基終孔高程，定于高程-36m處終孔。

2.2 溶洞處治方案

鑒于11#-1樁基周邊有眾多重要建構物，施工期間安全風險極高，因此溶洞處治方案(圖3)如下：1)采用鋼護筒穿過上部粉砂、細砂覆蓋層，且進入中砂層不少于1.5m。2)對于深度較深的基巖巖面的細砂層，則采用預注水泥漿固化處理。3)沖孔過程中如遇漏漿，采用拋填片石黏土或袋裝水泥處理。4)要求沖樁施工接近終孔高程約1.5m時，要減小沖程，嚴禁隨意加深樁長。5)由于樁位極其鄰近大型地下引水管和市政道路，考慮工程場區(qū)地質條件復雜，決定在傳統(tǒng)的溶洞處治方式上進行優(yōu)化，預防溶洞樁基施工中有可能誘發(fā)的不可知地質災害，進一步加強對該引水管和市政道路的安全儲備。具體如下：由于西江引水管埋深約3.5m，主要埋置于素填土層和粉砂層中，經(jīng)綜合研究，計劃在引水管邊緣的3m處打設一排臨時的12m長拉森Ⅳ型鋼板樁。

圖3 11#-1地層分布柱狀圖及樁基溶洞處治方案

3 施工塌陷情況及處治措施

采用沖擊鉆進行樁基施工，考慮鋼護筒難以直接打入至設計值，使用引孔法跟進。施工過程中，在鉆孔到達設計終孔高程-36.0m位置時，發(fā)現(xiàn)巖樣與地勘資料不符，經(jīng)設計單位同意，將樁基長度調整為穿過底層溶洞嵌于溶洞底部基巖的所需要的長度。而后施工單位繼續(xù)施工，沖程2m，于鉆孔高程到達-48.4m時孔內發(fā)生嚴重漏漿，隨后孔口出現(xiàn)塌陷，在5min時間內，塌陷區(qū)域不斷擴大，最終形成一個深度約8m、直徑約12m的大坑，鉆機連同鉆錘也隨之陷入，見圖4。而南側由于提前打入鋼板樁支護，鋼板樁外側地面無明顯沉陷?，F(xiàn)場緊急處理后，對塌陷的區(qū)域拋填了片石黏土。并且為了防止引水管側砂層流失，在鋼板樁邊緣西江引水管側對細砂層進行了注漿處理。

圖4 塌陷位置平面圖

后續(xù)經(jīng)檢測，西江引水管無變形，最外側的市政道路稍有沉降，最大沉降約6cm。持續(xù)監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)塌陷無繼續(xù)發(fā)展的趨勢。

3.1 地質補勘及塌陷原因分析

塌陷的原因初步考慮是在鉆進過程中擾動到了下層溶洞而致的。為能有效制定處治方案，決定對現(xiàn)場進行補勘。補勘應能充分探明地質情況，以便找出塌陷的真正原因，同時需要兼顧處治的時間以及費用成本。因此本次補勘的大體思路如下：

(1)由于橫橋向已經(jīng)有11#-2樁基的鉆孔可供參考，本次補勘主要考慮在原孔位兩側順橋向進行布設探孔。

(2)考慮地質鉆探以及管波探測在實際運用中探查范圍的局限性，引入地層CT掃描勘察方法。相關研究[10-11]已經(jīng)證明該方法在灰?guī)r地區(qū)有較高的精度和可信度。

(3)由于原樁位塌孔后，鋼護筒因變形而難以拔出，原樁位不宜重新施工樁基，因此需另外尋找新樁位。布設的勘探孔應充分考慮新樁基位置以及地層CT掃描的可靠范圍，減少不必要的探孔。

鑒于上述思路，決定在原樁位兩側增加補堪鉆孔11-1a，11-1b，鉆孔間距3.6m，詳見圖5。在鉆孔11-1b鉆探時揭露的地質情況與原11#-1樁基的地質情況較為相符，但在鉆孔11-1a鉆探期間發(fā)現(xiàn)地質變化劇烈，地質情況復雜，在高程-58.08～-29.68m間懷疑有大型溶(土)洞存在。為了進一步探明該處巖溶發(fā)育狀況，隨即在鉆孔11-1a的右側增加一個補勘鉆孔11-1c，并利用11-1b,11-1c兩個鉆孔進行地層CT掃描。

圖5 補勘鉆孔平面位置示意圖

3.1.1 補勘結果

(1)4處地質鉆孔均揭露存在溶洞(圖6)，溶洞全充填或半充填，主要填充物為黏性土夾碎石、卵石，砂礫等，溶洞頂部高程在-45.76～-29.68m間，有較大變化，溶洞底部高程基本一致，單洞洞高最大為26.6m； 深層溶洞規(guī)模較小。

圖6 地質縱斷面

(2)地層CT掃描剖面(圖7)跨距為5.14m，探測深度達75m。從圖中可以看出，剖面基巖面有劇烈變化，形成最大洞高約26m的溶(土)洞，溶洞貫穿整個剖面，且與上部覆蓋層直接連接貫通。

圖7 地層CT掃描成像剖面

(3)地質鉆探與地層CT掃描的結果相互印證，揭露樁位下的確有大型溶(土)洞存在。

3.1.2 塌陷原因分析

(1)樁位處巖面以上覆蓋層內存在特厚的砂層，基巖內的大型溶(土)洞是塌陷的誘因。

(2)沖孔至溶(土)洞后，發(fā)生漏漿，樁孔內漿液水頭急劇下降,鉆孔內失去孔內壓力,與外部地下水形成較高的水壓差,導致孔壁失穩(wěn),同時由于溶(土)洞與上層覆蓋層貫通，因此推斷孔壁失穩(wěn)使上層軟弱覆蓋層也受到擾動，綜合引起沿鉆孔樁孔壁的地面塌陷。

(3)淺層覆蓋層淤泥質粉質黏土壓縮性較高、強度低，孔內漏漿引起孔內漿液水頭急降的同時形成漏斗效應，導致樁位附近地下水位下降，使淤泥質粉質黏土層的附加應力增大，從而發(fā)生鄰近市政道路路面的不均勻沉降。

(4)鉆孔施工中沖程過大，沖擊振動加速了上述過程的發(fā)育，進一步促使塌陷的形成，振動對塌陷具有誘發(fā)作用。

3.2 樁基設計方案調整

鑒于原樁位不能使用，故需對基礎進行調整，原樁位變更為兩根1.4m的騎馬樁，即11#-1a樁基、11#-1b樁基，此兩根樁基分別利用鉆孔11-1a，11-1b作為樁中心。樁基類型仍然采用嵌巖樁，設計單樁樁頂反力3 600kN。

11#-1a樁基位置處溶洞較高，表層溶洞無頂板，溶洞頂為6.4m高的可塑粉質黏土層，黏土層較厚，主要為砂層和淤泥質粉質黏土層，鉆孔過程中容易坍塌。因此考慮采用鋼護筒穿過砂層，進入黏土層，總長度33m。其次巖面溶洞雖為全填充，但考慮到已發(fā)生過大規(guī)模塌陷，施工前預注雙液漿(水泥漿+水玻璃)處理溶洞。樁基穿過溶洞后，樁底嵌于溶洞底基巖位置，同時考慮盡量確保樁底完整基巖的厚度(鉆探按入巖5倍樁徑的深度預留)，定于高程-58.3m處終孔，嵌巖深度約1.5d，樁長64.5m。

11#-1b樁基位置處同樣砂層較厚，為防止施工過程中塌孔，同樣考慮采用鋼護筒穿過砂層進入可塑黏土層，總長度25.5m。其次為了防止相鄰溶洞串聯(lián)引起大規(guī)模漏漿，采用預注雙液漿處理溶洞。在樁基持力層上，雖然該樁位鉆孔顯示溶洞上層有較厚的完整基巖，但是一方面考慮到該基巖巖層起伏較大，巖面較為傾斜，作為持力層有一定風險； 另一方面鑒于11#-1a樁基長度達64.5m，考慮同一個承臺兩根樁基長度不宜相差太大，盡量避免“長短腿”現(xiàn)象； 經(jīng)綜合分析，決定樁基穿過深層溶洞，樁底嵌于溶洞底基巖位置，于高程-58.4m處終孔，樁長64.7m。以上溶洞處理方案詳見圖8。

圖8 溶洞處治方案

在對周邊建(構)物采取保護措施方面，考慮之前已打入的拉伸鋼板樁垂直度無明顯變化，且對該處淺層覆蓋層進行了注漿處理，再結合塌陷原因的分析，認為原保護措施未失效，決定本次處治沿用之前的保護方案。

另外，雙液漿中水玻璃摻量是按工地試驗配合得到的，務求得到漿液的最佳凝固時間，漿液如果凝固太快，達不到充分固化樁周溶洞填充物的作用； 而漿液若凝固太緩慢，會導致漿液流動性大，使處治費用難以控制。經(jīng)試驗，施工采用配合比為每方用量水泥740kg、水740kg、水玻璃22.5kg，水玻璃占水泥用量3%，雙漿液初凝時間約37min。

最后，根據(jù)廣東省《巖溶地區(qū)公路橋梁樁基設計與施工技術指南》(GDJTG/T A01—2016)[12]，對11#-1a，11#-1b樁基單樁軸向受壓承載力[Ra]進行驗算：

式中：k1，k2分別為根據(jù)溶洞頂板厚度而定的端阻力折減系數(shù)、總側摩阻力發(fā)揮系數(shù)，k1,k2均按表1取值； 其余各參數(shù)具體含義及計算見規(guī)范5.4.2條。

系數(shù)k1和k2取值 表1

樁基選擇溶洞下層基巖作為持力層，根據(jù)地質鉆探，樁底完整基巖厚度約為3.5倍樁徑，因此k1取0.29，k2取0.91。另外計算中偏安全地不考慮鋼護筒與巖土的側摩阻力。11#-1a樁基單樁承載力驗算結果為7 120kN； 11#-1b樁基由于樁入巖深度約達16m(扣除溶洞高度)，因此巖層提供的側摩阻力較大，經(jīng)驗算，單樁承載力為45 469kN。樁基設計均滿足受力要求。

變更后騎馬樁后，對橋梁承臺結構尺寸相應進行調整，見圖9。承臺長度由原2.2m變更為5.9m，寬度由原2.2m變更為2.4m，高度由原1.5m變更為2.0m，承臺設計滿足相關規(guī)范要求。其余橋梁結構無需調整，減少了結構的變更量。

圖9 橋墩一般構造圖

3.3 施工注意事項

(1)加強對泥漿質量的控制，要求采用黏性較好的膨潤土作為造漿材料，并在施工過程中注意泥漿比重的檢查，泥漿相對密度(泥漿相對于水的密度)不應低于1.3，確保能充分發(fā)揮泥漿護壁的作用。

(2)當沖孔至溶(土)洞頂部1.5m時減緩沖程，進尺控制在50～80cm； 在溶洞范圍內沖擊成孔時，沖程不宜大于1m，降低沖擊振動，盡量減小沖樁過程中對大型溶(土)洞的擾動。

(3)加強對沖孔進尺深度的量控，并密切關注孔內情況，當發(fā)生孔內漏漿時迅速拋填黏土、片石，如果漏漿嚴重，在回填片石和黏土的基礎上，補充袋裝水泥或灌注低標號混凝土，及時封堵漏漿并恢復孔內水頭高度，待泥漿面穩(wěn)定后再進行沖孔。

(4)在樁周布設沉降位移監(jiān)測點，密切關注地面是否有沉降變化。

4 結論及建議

(1)地質勘察至關重要，設計人員在進行勘察時應提高警惕尤其是巖溶發(fā)育地區(qū)，以便后續(xù)處治方案的制定能切實有效。本文案例中就是由于首次地質勘察未能充分揭示地質情況，導致11#-1樁基在加深過程中擾動了未探明的大型溶(土)洞，從而引發(fā)地面塌陷。

(2)本文介紹的溶洞樁基處治方案在傳統(tǒng)的溶洞處治方式上，進一步結合城鎮(zhèn)區(qū)域的特殊性額外增加了對周邊建(構)物的保護措施，保護措施可以根據(jù)具體情況進行設置。筆者認為介紹的處治方案和思路雖然增加了工程費用，但是有效地保障了周邊建(構)物及人員的安全，取得了顯著的社會效益。

(3)在采用沖擊鉆施工溶洞樁基的過程中，應根據(jù)地質情況的變化及時調整沖程，減少施工振動對不良地質的擾動； 同時現(xiàn)場必須儲備足夠的應急物資，以備在出現(xiàn)如漏漿甚至地面塌陷等情況時能迅速進行處理。

(4)在城鎮(zhèn)范圍溶洞樁基處治必須提高防護等級，建議相關主管部門、業(yè)主單位在同類型項目的概預算編制中增大該費用的預留，盡量避免重(較)大變更的出現(xiàn)。

目前本工程變更后的兩根樁基均已順利成孔。