浅析桥梁钻孔灌注桩施工中的溶洞处理方法
摘要：以南宁外环公路工程那容互通区桥梁桩基为例，介绍溶洞发育地区桥梁钻孔灌注桩，施工方法的比选、现场异常情况的分析判定、预防和处治措施。
关键词：桥梁；溶洞；钻孔；灌注桩
Abstract: in nanning outer ring road engineering that let exchanging the bridge pile foundation area as an example, this paper introduces development of karst cave bored piles in bridge, the construction method than the election, the abnormal situation analysis determination, prevention and treatment measures.
Keywords: bridge; Cave; Drilling; piles
中图分类号：U443.15+4 文献标识码：A文章编号： 可溶性岩石受到水的化学溶解、侵蚀作用会形成大小不一的溶洞，在岩溶区进行桩基施工时，需要对地质勘探资料进行认真的分析，施工前确认恰当的施工方法，施工过程中将地勘与现场地质情况进行对比，及时采取应急措施，可以减少或规避各种因溶洞引起的窝工、返工及影响工程实体质量的各种风险。
1 工程概况
南宁外环公路工程那容互通式立交位于现有柳南高速公路六律大桥南岸那容附近，与柳南高速公路间的转向互通，为半定向苜蓿叶式全互通。立交范围主线桩号K38+800～K41+300，桥梁1104.68m/6座，设计桥墩为排桩基础，桥台为群桩基础。
桥位区地处剥蚀残丘地貌，地势平坦开阔，地面高程为71.1～79.2m，地表多被第四系残坡积层覆盖，地表植被较发育。桥位区未见基岩出露，未发现坍塌、滑坡等其他不良地质现象。地层岩性为第四系人工堆积层（素填土）、第四系残坡积层（粘土）、泥盆系上统（中风化灰岩）。不良地质为溶洞，根据钻探资料反映，桥位一带浅层岩溶发育强烈，其形态主要以溶洞（溶槽）、溶蚀裂隙为主，钻孔52个，其中29个钻孔遇溶洞，遇洞率为55.8%，洞内一般无填充物，少数充填软～流塑状粘土或细砂。在勘探深度范围内溶洞最小垂直高度0.3m，洞体最大垂直高度可达12.8m。 本段的影响桩基施工的因素有以下几点，一是上部粘土层地下水位高，遇水形成土洞，极易造成淤积、塌孔，甚至引发地表下沉，损坏钻机，危及人身安全；二是岩层中的溶洞、溶沟、溶槽在部分桩基处形成的流塑状粘性土（稀泥）极易造成漏浆、塌孔、斜孔、卡（掉）钻、缩孔；三是成孔后灌注桩身时，因泥浆性能指标变化可能引起孔壁失稳，造
成砼流失，甚至发生缩径、夹泥等影响桩身砼的实体质量的问题。
2施工方案的选择
溶洞桩基挖孔施工面临的风险，一是挖孔时需采取照明、通风和防毒措施；二是溶洞内地下水突然翻涌时人员要有躲闪空间；三是应加大护壁厚度，提高安全系数储备；四是岩体爆破可能引起已施工的护壁失稳，危及孔内人员的安全。
溶洞区钻孔施工过程中对侵入桩孔的探头石或石芽，溶沟等倾斜岩面，因钻头底部处于软硬不均的质体，容易造成偏孔、卡孔、弯孔等问题；在钻孔过程中，当钻至溶沟或溶洞顶板时，孔内泥浆迅速流失，水头突然下降影响泥浆护壁的稳定性，易引起坍孔、埋钻等事故。
根据地质勘察报告，可将那容互通桥位的溶洞按以下标准分类：
⑴按溶洞的大小分：小溶洞，洞高3m。
⑵按洞内有无填充物分：有充填，已填满，包括亚砂土和亚粘土充填，有可塑、软塑和流塑之分；无充填物，为空洞。
⑶按是否漏水分：全漏水，与其它溶洞相连；不漏水。 ⑷按溶洞垂向数量分：单个溶洞；多个溶洞。 根据地质情况，组织专业技术人员讨论、研究方案并
学习有关溶洞处理方面的知识，确定15m以上、地下水位较高、溶洞较大且呈串珠型分布、充填物少的桩采用冲击钻成孔。遇异常情况采取投放抛填物的方法处理溶洞，特殊情况考虑采用下放钢护筒的方案。 3异常情况的判定 3.1 漏浆坍孔
如果有透水层,当冲击到溶洞后,由于突然漏浆造成水头高度急剧下降,透水层失稳,形成漏斗状坍孔。 3.2 卡钻埋钻
冲击钻刃脚磨钝、孔径变小，孔不圆；探头石、落石，钻头在冲击填充的片石时,冲击后弹起的石块将钻头和孔壁的空隙挤住；钻头冲破溶洞顶板掉入溶洞等情况均会造成卡钻。
泥浆护壁失稳，漏浆后坍孔,钻头未及时提出孔口，便会被埋在孔中。 3.3 钢丝绳垂直度
当桩孔地质条件变化时，如由土层向岩层的变化、岩石风化破碎软硬的变化、岩石中暗置多变的大孤石、半边岩、悬壁岩、大溶沟槽，流泥等情况，钻机手能明显感觉到进尺速度、冲击声音和钢丝绳垂直度的变化。 3.4 桩基砼灌注过程中的异常
混凝土在孔内上升的高度与计算值不符，孔内砼面上
升过慢；灌注过程中孔内泥浆面下降，均为异常情况，需对照钻孔记录认真分析，及时采取应对措施。 4施工技术问题的分析和处理 4.1 漏浆
因溶洞发育与地下暗河或其他溶洞相通, 冲孔过程中，一旦冲通，泥浆迅速流走,水头高度急剧下降,造成孔壁塌陷。 区分对待各种漏浆情况：少量漏浆，说明溶洞规模不大，可采取迅速补浆小冲程重新造壁的方法处理。大量漏浆，说明溶洞规模较大，可采取提高泥浆稠度的办法进行解决。当提高泥浆稠度无法解决大量漏浆时，估计是挤破了旁边大溶洞的洞壁，或小溶洞与旁边的大溶洞是相连的，则将钻头提到孔外并向孔内抛投填充物，填充物可以是袋装黏土。泥浆全部漏完的情况，采用片石、粘土、袋装水泥和稻草等填充物分层回填，用0.5～0.8 m小冲程，不循环泥浆干打几分钟，使回填物充分密实，再加浆提高水头到正常高度，等水泥初凝具有一定强度，将漏浆处堵住后再使用小冲程继续钻进，形成人工泥石护壁,如此反复多次回填片石、粘土和袋装水泥，反复冲击直至形成泥石护壁并不再漏浆为止。对于泥浆全部漏完并且溶洞部位、形状明确时，可以直接用C15素混凝土回填，高于漏浆处50～100cm,待混凝土达到强度后重冲。
4.2坍孔
泥浆的稠度不够，泥浆产生的水平侧压力小于孔壁的水平侧压力，漏浆后，桩身通过的土层孔壁失去平衡条件失稳坍塌；溶洞较大（洞高>3m，单层或多层溶洞成垂直串珠状）桩身在岩层内也会形成坍孔。坍孔轻者适当提高泥浆浓度，能保持孔壁稳定，可以继续冲孔，重者造成孔口定位钢护筒下落移位，影响正常冲孔，再重者导致地表下沉，波及地面上的施工人员和机械，如不及时提出锤头则会造成埋钻。
区分对待各种漏浆情况：一般的坍孔，采取泥浆加稠的措施。护筒移位的坍孔，护筒可以提起的情况，护筒周围回填粘土,挤实,测量定位，再重新埋护筒钻孔；护筒无法提起时，用钻机将护筒在孔内砸碎。地表下沉的情况需立即将钻头提出孔外，回填重新冲钻，并视情况组织施工人员和钻机撤离，以免跌落孔内。埋钻头时可采取人工挖土钢护筒跟进法，也可采取真空吸渣法，即将导管置于坍孔的底部,用9m3空压机通过50～66mm 钢管压入空气吸出沉渣,这种方法适用于坍孔石头的粒径不大于25mm的情况。超过15m人工挖土有危险的情况可采取沿桩基外环向小直径冲孔至埋钻位置的办法处理。因溶洞较大引起的岩层内坍孔采取钢护筒跟进法施工，即一面冲孔，一面接高护筒，并且将其压到或震动下沉至已钻成的孔内。 4.3卡锤、掉锤
由于溶洞面倾斜或出现探头石,致使钻头沿软弱岩面或位置较低的部位下滑造成斜孔，引起卡锤；遇到较大的土洞、空溶洞时，或连体薄层深洞迅速垮塌，出现掉锤现象。 卡钻的原因：一是梅花孔造成，也叫十字孔，往往是转向装置失灵，以致冲锤不转动，总是在一个方向上下冲击或者是钢丝绳太松、冲程太小，提锤即落，钻头转动小造成的。二是打到孤石，钢丝绳太松，钻锤倾斜被石头卡住造成，因此当溶洞钻机手能明显感觉到进尺速度、冲击声音和钢丝绳垂直度变化时，应改低幅慢打，平稳冲砸。三是冲程太高，泥浆太稠，被泥浆吸住或停止钻进后忘记把钻孔提起被泥浆吸住，一般采用压缩空气管或高压水管伸入孔内冲射，如果不易塌孔，可采用真空吸渣法，使钻锤松动，再强行提出，实在不行就采用水下爆破。四是岩石软硬变化造成钻头偏位，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。
掉锤是因为冲穿溶洞时，落、提锤的方向不一致，实践证明冲锤在竖向运行中是旋转的，最好用五刃（米字钻）打圆孔，少用十字钻，不用一字钻。发生事故后，不宜强提钻头，免得拉坏机械拉断钢丝绳，当钻头可以上下活动时，利用钻机上下提动钻头，并用撬棍拔动大绳使钻头旋转，反复多次，提出钻头；提不出来时，应放小炮炸掉顶板岩,一般用药量为300～500g ,一次不行可反复几次。钻头提出后用小
冲程慢慢修孔，必要时回填片石、黏土重钻。
冲锤被卡死在溶洞中强行提拉，钢丝绳拉断或钢丝卡螺栓松动，会引起掉锤，因此需加强日常冲锤钢丝绳毛刺和钢丝卡紧固情况的检查。 4.4桩身砼灌注
溶洞桩基灌注过程中与常规的桩基有所区别，在浇筑混凝土过程中，实测和计算混凝土面上升高度往往差距较大，溶洞区水下混凝土的灌注无论哪一类型的溶洞,在成孔时都不可能完全堵死溶洞，在灌注至溶洞区时应以实测为准，避免拔管后，管底离开混凝土上表面，引起断桩。 当灌注到溶洞位置时保持较大的埋管深度，规范要求2～6m，施工过程埋管深度取5m以上，防止混凝土由于挤破护壁后突然下沉，造成断桩。桩基灌注过程中侧壁坍塌引起缩径，可采取在钢筋笼外螺旋状均匀缠绕@10×10mm钢丝网的办法减少水下混凝土的灌注量，减小护壁崩溃的概率。 5实例
AK0+746.2跨线桥5-1号桩基，设计桩长39m,桩径φ1.8m，地质情况为从桩顶起，0～18m为第四系人工堆积层（素填土）、第四系残坡积层（粘土）,地下水位较高，从桩顶起6m即是地下水位；18m～孔底，泥盆系上统（中风化灰岩）,20～25m、28～33m、36～38m左右均有溶洞（溶槽）、
溶蚀裂隙，洞内一般无填充物，桩身洞体累计最大垂直高度达12m。
该桩冲击钻成孔，从开孔至灌注结束施工用时44天，其间漏浆5次，地表下沉1次，埋锤1次，灌桩前钢筋笼进行了缠网处理。溶洞处理时间约为30天，增加人工120工日，冲击钻30个台班，挖掘机6个台班，25T吊车2个台班，材料费包括片石90 m3，黏土100 m3，水泥18t，钢丝网180?O。
2010年11月28日开始施工，在埋锤前已经漏浆2次，地表下沉1次，12月12日在成孔38m处因溶洞漏浆导致塌方埋锤。2010年12月14日开始打捞工作，采用0.5m小锤，由孔四周开始清理， 14～19日用Φ1.5m锤清理塌方土石到35m深处，19日开始用0.5m小锤清理四周，22日小锤已清理四周至39m处，22日下午拉起被埋锤至37m，孔内再次漏浆，回填黄泥土8m，至23日晚上，用小锤冲至38m处，24日孔内再一次漏浆，塌方。回填黄泥土20m，25日至27日因下雨停工，28日焊锤头，29日至31日用小锤清理四周到39m，用挖机和桩机配合未能将被埋锤打捞起来。2011年1月1日加焊锤头，2日，3日用其它桩机1.8m再次清理至孔深37m处，用25吨汽车吊和桩机配合，未能将被埋锤捞起，继续用小锤清理至孔深39.5m处，1月7日下午17时将被埋锤拉起，于1月9日开始下钢筋笼，在距孔深15m以上
粘土层使用@10×10钢丝网缠绕，以防止灌注砼时发生塌方事故，桩身下导管灌注，比较顺利，砼超高量约为65%。 6经验总结
⑴钻孔时泥浆指标的选定，孔口定位护筒3m范围内1.1～1.3t/m3；黏土层加清水；风化岩段1.2～1.4t/m3；砂土、砂卵土、片石黏土回空段1.3～1.5t/m3。清孔换浆和易坍防缩径的情况，泥浆指标1.15～1.25t/m3。
⑵全钢护筒施工宜选用δ＝8mm的钢板卷制，直径为D+300mm（D为设计桩径）。
⑶沉渣厚度宜用尖锤和平锤双测绳进行测量。 ⑷利用导管浇筑水下混凝土时，混凝土投料速度不均匀时可能在导管内形成高压气囊，导致管节间胶垫挤出，引起灌桩失败。
⑸全护筒跟进施工，应避免冲锤头焊齿超边或护筒移位下落，易引起卡锤落锤事故。
⑹在施工过程中及时总结AK0+746.2跨线桥5-1号桩基埋锤经验教训，对地质情况相似的5-2、6-1、6-2号桩预先采取全钢护筒跟进方案，规避了钻孔过程中漏浆、坍孔、埋锤、卡钻等风险。 参考文献：
[1]中华人民共和国交通部发布，公路桥涵施工技术规范，北京：人民交通出版社，2011
[2]史佩栋，桩基工程手册，北京：人民交通出版社，2008.7
