对岩溶地区铁路大桥溶洞桩基施工技术探讨

　一　工程概况
在我国西南地区修建铁路、公路,不可避免地会遇到岩溶地基。对于岩溶发育地区的桩基,如何准确确定桩基持力层高程,如何在桩基设计、施工过程中确保桩基工程质量,如何采用安全、经济、合理的桩基设计及溶洞处理方案,是桩基设计人员普遍关注的问题。
本文以某穿越岩溶地区的铁路大桥桩基础的设计及施工为例,探讨岩溶地区桥梁桩基础设计及施工的技术措施。该桥桥区地质条件复杂,基岩起伏较大,岩溶极为发育,存在暗河和多层溶洞。根据地质钻孔揭露,桥区上覆地层为第四系冲积层,下伏基岩为石炭系灰岩,地层自上而下可分为:①第四系冲积层,亚粘土、粉细砂、圆砾卵石层交错分布,层厚1.6～10.9m;②强风化页岩,半岩半土破碎块状,层厚3.20～32.2m;③弱风化灰岩,岩芯呈碎块状,裂隙发育,层厚1.10～5.00m;④微风化灰岩,块状构造。节理裂隙发育,溶隙及溶洞极发育。本区溶洞层数最多达11层,一般在7～8层,溶洞最高约10m。全桥30根桩基处于溶洞区,在桩基施工过程中增加了10根溶洞桩基。
二　溶洞本身存在的问题解决
溶洞问题的存在本身就有三大难点期待解决:
2.1溶洞的孔壁情况以及大小、位置不清等会对冲击钻头运行情况造成隐患,如卡钻、掉钻等;
2．2溶洞的连通情况无法准确了解,这会造成孔内泥浆急剧下沉,钻孔过程中的内外水头失去平衡,有可能造成孔壁坍塌事故的发生;
2.3溶洞的走向不明,加上施工超前钻只能在桩位以外进行地质层的揭示,从某种意义上来说,勘探资料无法提供准确的地质分布状况,正是这种模糊的参考资料,造成施工中极大的盲目性。
传统的地质钻探方法在非灰岩地区、岩溶不发育地区,因地质匀质性较好,作为判明地基承载力,地质分层情况的方法是十分有效的、可行的;但是,在岩溶发育地区,该方法却存在一定的局限性,地质钻孔取样所提示的地质条件并不能完全反映桩位处岩溶、裂隙的发育状况。因此,在初勘阶段,地质部门就应采用钻探与物探相结合,物探的优点是效率高、成本低、仪器和工具比较轻便、探测的范围比较广而全。虽然物探较难得出肯定的结论,但通过物探,对整个场地的地质有了较全面的了解,初步探明地质异常区,再与钻探相结合,对指导地质判断,合理布置钻孔、减少钻探工作量等方面能起到良好的作用。由于岩溶发育规律性不强,加上钻探本身也存在较大的局限性,初勘阶段的工作重点应放在探明岩溶发育强度及分布规律上,而不要过多地考虑桥梁桩基的具体位置。建议在岩溶发育地区,应根据桥梁跨径、岩层分布等情况选择合适的物探方法进行补充勘探,以做到经济、合理、安全、可靠地探明桩位处的地质,确保工程安全。
桩基施工前,对桩基穿过石灰岩地层的溶洞分布情况,特别是每根桩基深度范围内溶洞分层高程、填充体、暗河水流情况的地质资料勘探清楚,尽可能做到每根桩基1孔或多孔钻探;若对大直径桩岩溶情况难以判断,每桩须钻2个或3个地质孔,探明设计桩位与溶洞的关系,如溶洞分布面积大、层数多竖向溶沟,为减少施工难度和投资,可加大桥梁跨度,减少桩基工程。
由该桥的勘探实践证明,由于桩基直径远大于地质勘探孔直径,个别未进行物探,仅按逐桩钻孔勘探桥梁的溶洞桩基,并不能完全揭示岩溶发育与分布规律,对于直径1.5m以上的桩基,必要时可用一桩三孔查明溶洞分布情况,并在桩基孔施工中,基岩面露出后,在其四周布孔,准确查明桩基直径范围内一定深度的岩溶发育情况。
三　设计体会
3.1针对桩位下较深范围内,有密集型溶洞和完整岩性埋置较深的情况,或者溶洞分布较浅、顶板较薄无法满足嵌岩桩要求时,可考虑采用摩擦桩,并应考虑基础的不均匀沉降。此时,顶面岩溶层与桩之间亦应采取隔离措施,不得考虑桩身与该顶面岩溶层之间的摩阻作用。置于岩溶地区溶槽或溶沟处的桩基础,当桩穿过溶槽、溶沟内的填充土支立于溶槽底面或溶沟底面的岩层上时,不应考虑多层岩溶层对桩侧起摩阻作用,仅将这种摩阻作用视作安全储备。通常不仅不应考虑多层岩溶层对桩侧的摩阻作用,而且在钻孔灌注桩施工过程中应采取措施(例如采用麻布或油毛毡作隔层),将多层岩溶层与桩壁之间分隔开,使基桩承受的轴向荷载全部作用于桩底的坚固岩层上,可按支立于一般岩层上的柱桩分析方法进行桩的内力分析。桩的轴向容许承载力应根据溶槽或溶沟底面岩层的稳定性(包括强度和缝隙等情况)确定。#p#分页标题#e#
3.2岩溶地区的岩石裂隙发育,赋存丰富的裂隙水和岩溶水,桩基施工可能会出现渗水、漏浆,桩底沉淀土难以清除,在设计中应不计桩尖抗力的作用,以策安全。
3.3设计时应重视桩基负摩擦力的影响。一般地基土石在扰动之后都会在自重的作用下固结下沉,特别是由于大量开采地下水而导致地基软弱层相对桩基固结下沉,因而产生一个向下的摩擦力,即负摩擦力,从而增加了桩基所承受的轴向荷载,甚至可能导致桩基破坏。因此施工时,考虑在中性点(负摩擦力和正摩擦力分界点)以上用油毛毡或钢套管(管内抹油)作隔离层,消除负摩擦力的影响。克服负摩擦力的方法与解决岩溶层桩基破坏方法相似,但本质不同。
3.4对于采用的嵌石桩,无论公路桥规或铁路桥规,对桩底以下完整基岩的厚度,均未作规定。而采用物探方法仅能探明4～5m深的范围,给岩溶地区桩基的设计带来一定的困难。因此,要结合实际情况,采用适当的桩基形式和计算方法。当桥梁墩台下地基有呈上下成串分布的溶洞时,在充分探明溶洞最下层分布的前提下,宜采用直径≮1.5m的钻孔桩。若上面成串分布的溶洞均较小,且有填充物时,可在钻孔至空洞时,先行压浆加固填充,待其凝固到一定强度后再依次往下钻孔压浆,直至按摩擦桩计算所需的桩长。
3.5由于岩溶发育造成的复杂工程地质条件,因此桥梁设计时的有关地基设计参数如何取值一直为设计者所关注。合理的参数值,既可保证桥梁工程的质量,又可降低工程造价。以桩基容许承载力的取值为例。
当岩溶层上覆土层较厚,利用上覆土层作桩基持力层时,容许承载力按摩擦桩轴向受压的容许承载力计算方法计算。当桩基支承于厚度不小于6.0m的溶洞顶板上时,容许承载力按柱桩轴向受压的容许承载力计算方法计算,同时注意桩的邻近岩溶情况,分析判断顶板的稳定性。
3.6对于下伏过深的多层溶洞区,桩基无法全部穿过溶洞层,桩端持力层为溶洞顶板岩层时,正确估算持力层厚度是岩溶地区多层溶洞桩基设计的关键问题。通常可采用如下两种计算方法。
3.6.1当溶洞顶板岩层比较完整,层理较厚,强度较高,洞跨较大时(大于3倍桩径),弯矩是主要控制条件,可根据梁板受力情况按溶洞顶板受弯矩控制估算顶板安全厚度。最小设计持力层板厚为
H = [6M/ ( q[δ]) ]0.5
式中　q———溶洞顶板自重加上覆盖土层均布荷载,kN/m;
　　[δ]———取灰岩l/10容许抗压强度,MPa;
　　　M———弯矩,根据顶板岩石的完整性,可分别按简支梁、悬臂梁和固端梁3种情况计算。
3.6.2当溶洞顶板岩层完整,岩体强度高,但洞跨较小时(小于3倍桩径),可按剪切应力控制估算顶板安全厚度
H=(q+P)/(τl)
式中　q———溶洞顶板自重加上覆盖土层均布荷载,kN/m;
　　P———桩尖对溶洞顶板的集中力,kN;
　　τ———对于灰岩取l/12容许抗压强度,MPa;
　　l———溶洞平面周长,m。
四　岩溶地区桩基施工的难点更具体地表现在以下4个方面
(1) 容易坍塌的深厚覆盖层在快速漏浆的情况下得不到有效的保护,因而,一旦孔内泥浆迅速泄露,容易造成孔壁坍塌事故。
(2) 施工的周期较长,原因有孔深度较大、该区域进入溶洞后岩石的强度较高及穿过溶洞时需反复进行堵漏等3个方面,尤其是后2个方面是重要的影响因素;
(3)无法保证孔壁的强度和稳定性;
(4)无法保证孔内水头的稳定;
五  岩溶地区桩基施工的技术措施
5.1地质钻孔资料务必详尽,力求准确。进行必要的水文、工程地质调查;尽量避开雨季施工,做好防洪及暗河流速大的防洪措施;及时总结成桩经验,吸取教训。但在施工中也不可盲目完全依赖地质资料。一般来说,在岩溶极发育、地下水极丰富的地区,第一层护筒都应穿过砂层卵石层,以防突遇溶洞漏浆,造成孔口坍塌。
5.2岩溶地区桩基施工,必须根据不同的地质条件遵循相应的处理原则。对于岩溶,首先应对填充物进行土工试验,分析其物理力学特性,检测容重、含水量、孔隙率等,为注浆参数计算提供依据。然后根据地质钻探资料和填充物情况,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。对每种处理方案,都要进行仔细的计算。施工前在桥位外进行溶洞注浆及钻孔试桩试验,取得经验数据,完善施工方案,指导施工。对于封闭的比较小的溶洞,采取注浆措施,提供成孔条件穿过溶洞。溶洞内无填充物或填充物较少需向洞内填充砂子的,选择一个合适的孔位,放入并固定钢套管,将注砂管与钢套管相连接,在注浆前灌砂。若设计要求灌入碎石则必须钻一个大孔(直径不小于30 cm)放入钢管并固定,钢管上置碎石料斗,碎石粒径不大于2cm,投料时振动钢管,以防止堵塞。对于一些溶槽、溶沟、小裂隙等,冲孔时可采取投放片石、碎石夹粘土,甚至投入整袋水泥堵塞起到护壁作用,保证泥浆不流失,使钻孔顺利通过岩溶区。#p#分页标题#e#
5.3对于上覆土层较厚、地下水较丰富的摩擦桩,采用钻孔法为宜。当钻进到达溶洞顶板时,冲击钻头操作要平稳,尽可能少碰撞孔壁,并减少冲程悬距(不大于0.80m),慢慢穿过并及时采取防护措施,按一定比例投入黄土和片石来封堵,防止漏浆。在漏浆情况下,为保证及时回填的效果,黄泥宜采用袋装或泥球状抛入,黄泥与片石比例控制在1∶2左右,以冲挤到溶洞回填物中作骨架,稳定充填物,使孔壁趋于稳定、密实。为保证回填及时,必须准备足够的编织袋,将黄泥袋装后与片石一起囤积在钻孔桩周围,随时准备应付突发事件。对于设置护筒的,护筒要及时跟进接长,并采用冲锤挤压,封堵溶洞附近的溶沟裂隙。对于嵌岩桩,当嵌岩不深,且需穿透溶洞时,应采用冲抓锥或冲击实心锥为宜。由于岩溶发育的不规则,在桩基成孔过程中,很容易造成卡孔和偏孔塌孔,所以在石灰岩溶蚀段的成孔过程中,应以小冲程冲进,勤用探孔器探测钻孔的垂直度,发现偏孔,及时处理。
5.4钢护筒的制作、安装力求规范,确保质量,尤其是钢护筒除拼接缝外,要另加钢板(箍)绑焊,避免桩锤在护筒内摩擦、冲击造成焊接口断裂。在冲进过程中采用间断循环浆清渣法,始终保持孔内留有一定量的沉渣,利用沉渣封堵裂隙避免漏浆塌孔。因为上覆土层较厚(其大部分为松散的砂土,含水量大,有轻度砂土液化现象),且地下水埋深较浅,施工时易塌孔,应加大泥浆比重。但终孔后应对泥浆进行稀释,以便彻底清孔。
5.5桩基成孔后的清孔过程中,既要注意清孔的质量,保证孔底沉渣厚度在规范设计图允许范围之内,又不能拖延时间,要及时灌筑混凝土,以防在换浆清孔过程中,溶洞内的填充物再次涌入孔内,特别有水流动的溶洞区。对较深桩,从冲孔到灌筑混凝土时间间隔较长的桩沉淀较厚,清孔方法一般应采用掏渣法、换浆法、喷射法3种方法配合清孔。首先,用掏渣法粗略清孔,然后,用换浆法清孔,钢筋笼下放完毕再用喷射法清孔。较浅桩,钢筋笼下放时间短,仅用换浆法清孔就可以了。检验清孔效果的简易方法是采用测绳下拴钢筋头放到孔底试探。如拉测绳比较重,表明清孔不太彻底,直到拉测绳下部与上部感觉一样为止,并且能清楚地感觉到钢筋头碰桩底岩石。
5.6桩基穿过多层溶洞或暗河,抛填粘土袋及片石用冲锤挤填桩外溶洞空间,采用2层、3层钢护筒防塌孔是成功的经验。在该桥施工时,因该地区岩溶裂隙发育,当钻孔进入岩层后发生漏浆时,及时加强护壁。漏浆现象一般发生在基岩内,根据勘探资料,在接近岩面处预先填入黄土和片石,且在每冲进50～60cm左右投入一次,直至终孔。部分桩基达到终孔高程后,桩底有直径小于20cm的小溶洞,应继续钻进至该溶洞底,彻底清除洞内填充物,再以C25混凝土填实,以保证桩底反力。
六　结论
在岩溶发育地区对桥址的选择及桥孔的布置,是设计者和施工者的难题,处理不当,会造成在施工中改移桥位或改变结构形式,增加投资。从该桥的顺利实施可以看出,详细的地质勘探,科学选择桩端持力层的位置及溶洞顶板安全厚度,合适的穿过多层溶洞的施工处理方案,对确保桥梁桩基工程质量,加快进度,缩短工期,提高经济效益十分明显。另一方面,岩溶地区建桥,要想完全避绕是不可能的,而应根据岩溶发育和分布的规律,认真勘测、综合分析、全面比较、精心组织设计与施工,并加强检测,确保桥梁安全。