赣龙铁路桥梁工程溶洞发育地段桩基施工控制和技术处理

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摘要 :本文通过赣龙铁路桥梁工程溶洞发育地段桩基溶洞的处理，总结在灰岩地带，溶洞发育的桩基如何处理及注意的问题。

关键词 :铁路桥梁工程;桩基;溶洞;处理

中图分类号：TU473.1文献标识码： A 文章编号：

引言

桩基溶洞由于地质的隐蔽性，虽然勘测技术在不断的快速发展，但因受目前勘探手段的限制，对桩基溶洞的走向、分布状况等要想全面的了解仍需待于时日，而桩基溶洞处理是否成功，将关系到桥梁的安全使用、营运。目前，和顺南互通立交桥桩基溶洞处理已全部施工完毕，对于桩基溶洞处理进行总结，必将对今后桥梁桩基溶洞处理有着借签的作用。

工程桩基概述及地质条件

赣龙铁路是福建省重要的进出省铁路通道，也是铁路干线网中京九通道和沿海通道的重要连接线路，它通过京九线向北沟通鄂、豫及西北地区；向西通往赣南、湘南及粤北地区并向中南、西南地区辐射；通过规划建设的鹰梅铁路连接赣东北。实施赣龙铁路扩能改造工程，可大幅度提高赣龙线运输能力和运输质量，缓解福建省对外运能不足与运量日益增长的矛盾，增强铁路自身的竞争力；可构筑川、渝、昆～闽西南快速通道，完善和优化路网布局，对加强中西部与沿海交通联系、促进区域经济合作具有十分重要的意义。

桥梁工程溶岩桩基位于江西赣州地区会昌县和瑞金市的灰岩地区，岩石裂隙发育，溶洞发达，本合同段共有桩基1128根，桩基直径为φ120CM，其中有溶洞的桩基396根，约占桩基总数的1/3。

桥址区岩、土层按成因可划分为：1、填筑土层；2、种植土层；3、第四系冲洪积层；4、第四系残积土层；5、下石灰系基岩等5个成因层。基中基岩主要以灰岩为主，次为炭质灰岩、粉砂岩，灰岩地区溶洞发育，分布广泛。溶洞按岩土结构分为土洞和岩洞两种；按填充状态分为空的、半填充的和完全填充的三类。按层数分有一层、两层、三层、四层、五层等；按其漏水情况可分为漏水和不漏水两类。溶洞深度最小0.1m,最深累计27m，再加上溶洞岩层上层地质分别为素填土、粘土层、细砂层，其中细砂层厚度较厚，普遍为八米至二十米深，给桩基溶洞处理带来了极大的难度。

桩基溶洞处理的前期工作

2．1地质普查及补勘

由于溶洞隐蔽性高，地质条件复杂，再加上设计勘察的时间过于苍促，因此对桩基的地质、水文进行调察并全面掌握桩基溶洞的走向、分布特点及水位高度是确定桩基溶洞施工方案的关銉。进场后经理部组织专门技术攻关小组对沿线的桩基溶洞进行全面普查，先后多次邀请地质界的专家及有岩溶施工经验的的人士到现场调察，听取他们的意见及合理化建议。对于没有钻探的308根桩基全部进行了补勘，做到一孔一探或一孔三探。因考虑到常规的钻探方法对于桩基溶洞形体、分布无规律可寻，难以达到预期质量控制效果。在业主的支持下，决定采用地质超声波探测技术（管波：该方法能探测的半径为0.75m，方法跟桩基检测超声波技术类近），全线396根均做了“管波”。“管波”技术对于全面掌握桩基范围内溶洞的走向，分布特点及土层的分布特征有了准确的理论依据，对于确定施工方案有了可靠的保证。

2．2方案的比选

因桩基地质条件复杂，施工方案选择是否合理是保证施工质量、施工进度、安全、提高经济效益、降低施工成本的关键所在。在全面对桩基溶洞地质条件的了解和分析后初步制定三种处理方案，见下表1。

桩基溶洞处理方案技术经济性比较 表1

从上表1可以看出，灌浆固结填充物法无论从工期上，经济上均不可取，因本合同段共有箱梁50联，工期紧（18个月），如果采用该方案必将对后期的施工增加压力及增加投入。下沉钢护筒法安全性好，适用各种地质状况，如果全部下沉钢护筒，则投入大，成本高。直接成孔处理的费用低、进度快，但安全性差（特别对于深溶洞）。经综合分析并征得业主同意，溶洞深度小于3米的尽量不下钢护筒，如施工过程中确实需下钢护筒另行上报，溶洞深度大于3米的全部采用下沉钢护筒的方法施工，下沉的深度于穿越流砂层进入硬层或岩面为准（该方案已得业主的批复）。

3、桩基溶洞处理前技术交底及准备

3．1为了确保桩基溶洞施工质量，经理部建立桩基溶洞质量控制QC小组，开展合理化建议活动。

图1钢护筒设计图

3．2技术负责人对现场施工技术人员及管理人员就桩基施工需要注意的事项、施工工艺控制进行详细的交底.

3．3技术方案组根据地质钻探资料和每根桩基的地质条件，对每根桩设计出相应的溶洞处理方案、成孔方法及施工措施。

3.4钢护筒的设计制作

由于考虑到钢护筒较长，准确就位难度大，同时为了避免钢护筒振打倾斜偏位，导致冲孔过 程中冲锤冲坏钢护筒，影响正常钻进和钢筋笼顺利下放，因此钢护筒设计直径比设计桩径大20cm。护筒的设计内径为140cm, 采用1cm的钢板卷制而成，钢护筒分节制作，每节长度约6米，由指定的厂家定做。竖向连接采用外贴钢板焊接。钢护筒底部刃脚0.4m高范围内设两层钢板，以加强刃脚，防止振打变形，要求钢护筒底部振打穿越细砂层进入硬层或岩面（钢护筒设计见图1）。

3.5钢护筒下沉摩擦力计算及相配备振动锺的选择

3．5．1钢护筒下沉摩擦力计算公式

n

[P]=1/2ULτP(其中τP=1/L∑τiLi)

i=1

[P]—钢护筒下沉摩擦力；

U—钢护筒极周长度,钢护筒的直径；

L—钢护筒下沉的长度（不包括外露土层外长度）；

τP—钢护筒土壁的平均极限摩阴力；

n—土层的层数

Li—钢护筒以下各土层的厚度（m）

τi—与Li对应的各土层与钢护筒的极限摩擦力

3．5．2钢护筒摩擦力计算实例

计算实例以本合同段下沉钢护筒最深的主线桥桩基右6-1#为例

6-1#桩基各土层深度及钢护筒壁极限摩阻力

τP=(70*2.5+45*4+45*5+100*18.8)/(2.5+4+5+18.8)=81.2(KPa)

(上式中极限摩阻力取中值)

[P]=1/2ULτP =1/2*1.4*(2.5+4+5+18.8)*81.2=1722.25(KN)

因此振动锤的振动力应选定大于170吨以上的。

4．桩基溶洞施工准备

4．1施工前，应对超前钻地质勘探及管波资料进行详细的分析、详细了解桩基的地质状况、溶洞深度、高度、填充物类型。

4．2桩基溶洞钻孔施工前先扩大泥浆池，准备足够泥浆、粘土和片石，在桩位附近挖好泥浆，制备补充应急泥浆。

4．3在钻孔进尺接近溶洞顶标高时，装载机应在现场待命，以便溶洞漏浆时及时投放粘土及片石。

4．4遇到大溶洞时，钻机四周严禁堆放机具设备等有关物品，防止塌孔，钻机下铺长枕木或工字钢，增加地基受压面积，以增大钻机位置地基承载力，防止溶洞坍塌造成机毁人亡。

5．桩基溶洞施工

5．1钻机就位：施工前应进行场地平整,溶洞桩基钻机就位时下垫长枕木或工字钢，以增大钻机受力面积。

5．2测量放样：用全站仪现场进行桩位精确放样，做好护桩。

5．3泥浆池及粘土、片石的制备：溶洞桩基钻孔施工前应准备足够大量泥浆及粘土、片石，在桩位附近挖好泥浆池,准备补充应急泥浆。

5．4钢护筒下沉就位：钢护筒采用16T吊车吊装定位，钢护筒就位后在四个方向布设手动葫芦，以调整振动中心偏位。采用170T的振动锤打入钢护筒，打入过程中随时进行钢护筒中心偏位测量。振动锤与钢护筒顶的连接采用嵌接或用基座与钢护筒焊接两种方式。每振动下沉完一节钢护筒，紧接着焊接第二节，直至打入穿过流砂层进入硬层为止，然后开始冲孔。

5．5钻孔：

5．5．1桩基溶洞钻孔施工采用钻机冲击成孔，冲孔应连续进行，不得间断。特别对于溶洞深度小于3米且不下钢护筒的桩基溶洞，冲孔至溶洞顶位置时，装载机应在现场待命，一旦冲孔打穿溶洞出现大量漏浆时，应及时补充泥浆并投放粘土、片石，防止失浆过多造成塌孔。

5．5．2冲孔过程中，因桩基的砂层较厚，冲绳不宜过大，应控制在1米左右；

5．5．3因桩基溶洞砂层较厚，再加上有溶洞容易失浆造成塌孔，施工过程中泥浆的比重控制就显得极为重要，施工时泥浆比重一般宜控制在1.4左右，不宜过小，一般不得小于1.28，否则极容易出现塌孔。在施工时，可在泥浆中掺入适量的水泥，烧碱、锯未，以提高泥浆胶体率和悬浮能力。

5．5．4冲孔至溶洞位置时，由于溶洞不规则及半边悬空现象，容易出现卡钻及掉钻，应采取轻锤慢冲，冲程不宜过大。

5．5．5当桩基溶洞的岩面倾斜较大时，不宜用粘土进行回填，宜用片石进行回填，使孔底同一个平台后再转入正常冲孔。冲孔时冲程不宜过大，应轻锤慢冲。

5．5．6在冲孔过程中，根据钻渣情况及时做好钻孔记录，并与地质资料进行比较，如偏差较大，应分析原因，必要时向监理工程师报告并近按监理工程师批复方案进行处理。

5．6清孔：在终孔后，利用泥浆泵持续吸渣清孔，为了确保第二次清孔孔底容易干净，第一次清孔时含砂率宜降至5%以下。另因本合同段桩基砂层较厚及桩基有溶洞，泥浆比重不宜降低至1.25，否则极易出现塌孔现象。

5．7验孔、下钢笼：该工序跟常规一样，不再详述

5．8水下砼灌注：桩基溶洞水下砼灌注跟常规一样，不再详述，但施工时水下砼灌注导管的埋深必须引起重视，随着砼自重的加大，原来溶洞中（回填粘土、片石不满）泥浆比重相比砼比重小，曾经发生桩基砼下沉导致导管漏水漏气等情况。因此桩基溶洞水下砼灌注时，建议导管的埋深通过估算进行控制（具体导管埋深估算见下所述），导管建议采用大直径，本项目桩基溶洞灌注水下砼时，导管直径采用30cm或35cm，效果良好。

6、桩基溶洞下沉钢护筒工艺的改进

通过振打下沉钢护筒试桩发现：桩基溶洞钢护筒如果完全振打下沉穿越砂层进入硬层后再开始冲孔，这样花费的时间比较长，影响工期，另因砂层较厚，钢护筒的摩擦力较大，振打下沉钢护筒的难度极大，同时如果控制不好很容易出现偏位。为了解决此类问题，决定对下沉钢护筒工艺上进行适当的改进，具体为：考虑到桩基溶洞一般位于基岩之下，而下沉的钢护筒仅下穿砂层进入硬层及岩面，如果不击穿溶洞，不漏浆不漏水，只要泥浆比重适合，一般溶洞不会出现塌孔。基于此种考虑，决定先对YC-130冲击锤进行改进，冲击锤的直径改为φ135 cm，这样冲孔后孔的直径约140cm，等冲孔至硬层或岩面后再振打下沉钢护筒，则下沉钢护筒的速度大大加快，钢护筒的摩擦力也大大减少，而且不需要吨位很大的振动锤便可施工，同时偏位也得到很好的控制，实际证明此种改进工艺是有效的，而且得到很好的效果。

7．桩基溶洞水下灌注砼导管埋深的大致估算（对大及深的溶洞很有必要）

桩基溶洞灌注水下砼时，随着砼自重的加大，原来溶洞中回填粘土、片石不满尚未填满溶洞的空隙（特别泥浆下沉仅靠泥浆补充填充的溶洞），因泥浆比重相比砼比重小，如果按照规范要求的导管埋深2-6米，随着浇筑砼自重的加大，桩基砼下沉导致导管漏水漏气等情况发生从而导致断桩现象。因此对于桩基溶洞砼下沉的方量进行估算，控制导管的埋深，避勉断桩是很有必要的，下面就有溶洞的桩基的导管埋深如何估算进行详述：

V空隙=V溶洞-V填充物

V空隙——指的是填充物后溶洞的空隙

V溶洞——指的是溶洞的大致估算方量（通过地质钻探资料及管波资料，溶洞是否贯通相邻桩位来初步确定溶洞的长-a、宽-b、高-h，则V溶洞=a*b*h

V填充物——指桩基溶洞回填片石或粘土的数量之和（在施工回填过程详细记录）

H埋深=H理论+ V空隙/(3.14*d*d)/4

H理论——指施工规范的指定埋深2-6米；

d——指的是导管的直径

8．桩基溶洞地质出现异常情况的处理措施

在桩基施工过程中，经常出现一些异常的地质状况，跟管波及钻探资料不相符。如：①坝子特大桥10#-6桩基按设计终孔，但浇筑砼时砼及钢筋笼突然下沉5米；②新屋大桥左8#-2桩基原设计地质资料没有溶洞，但施工时冲锤突然下穿2.9米,并且出现严重漏浆的现象。对此类情况我们深抓不放，为弄清地质溶洞分布状况，避勉出现桩基底下出“蛋核”持力层及桩基溶洞半边悬空的持力状况，此类桩基全部按“品字形”布孔进行超前钻重新钻探（见附图3），以全面了解地质状况，并根据钻探的地质资料由设计单位确定终孔标高后方进行桩基溶洞的施工。

9、桩基溶洞施工注意事项

9．1桩基溶洞施工时一定要详细了解分析地质资料，施工过程中现场施工人员必须对地质要有

详细的记录并进行全程跟踪，对于出现异常的地质，比如原设计地质资料没有溶洞，但在施工过程中出现漏浆、漏水、塌孔的现象一定要一一详细记录，技术方案组一定要针对出现的异常现象进行原因分析，初步制定处理方案并以报告形式上报监理工程师、设计单位以确定可靠的处理方案。

9．2桩基溶洞施工时，准备工作一定要充分，特别是溶洞小于3米未下钢护筒的桩基溶洞施工，

在未冲穿溶洞前，一定要准备好足够的粘土、片石；泥浆池要加大，备足充足的泥浆，在漏浆时及时补充泥浆；在冲穿时，装载机一定要在现场待命，以便击穿溶洞时，能及时进行抛填，减少塌孔。

9.3桩基溶洞施工（流砂层较厚）的泥浆比重一定要加强控制，必要时掺入适量的水泥，以加强护壁能力，减少塌孔。

9.4桩基溶洞因溶洞不规则，冲孔容易出现卡钻及掉钻，应采取轻锤慢冲，冲绳不宜过大。

9.5桩基溶洞灌注水下砼时，应严格控制导管的埋深，避勉因砼下沉从而导致断桩。

9.6桩基溶洞施工一定要制定严密的安全措施及成立应急领导小组，对突发事件要有相应的应急处理措施，确保桩基施工安全。

结束语

桩基溶洞的地质情况千变万化，处理时也应灵活多变，根据相应的地质状况，不同的工期要求以及业主所能承担的经济条件制定相应的、合理的处理方案以获取更好的安全、质量及经济效果。桩基溶洞处理是我们在桩基溶洞施工过程中的一些总结及经验，以供同行参考，不足之处还望各位同行及专家给予指教。

参考文献：

[1]路桥集团第一公路工程局、公路施工手册-桥涵[M]

[2]JTJ041-2000，公路桥涵施工技术规范[S]

[3]论文，广和大桥的桩基溶洞处理

作者：洪志明男1974年9月大学工程师