溶洞发育地区临近既有桥梁深水裸岩桩基施工技术

张武荣

中铁第四工程局集团有限公司 合肥 230000

摘要：随着我国经济快速发展和基础建设规模扩大，桥梁建设不断发展，在既有桥梁不能满足新时代交通功能时，在既有旧桥附近新建桥梁缓解旧桥交通压力已成为了新的趋势，同时更能减少对居民环境的大量影响。而面对错综复杂的地质条件，桥梁施工前，往往会存在因为地质不良而增加桥梁施工的难度，例如多发溶洞和裂隙破碎带等较差的地质，该种情况在卡斯特地貌地区发生率较为频繁，本文主要讲述了广西壮族自治区柳州市三门江跨江桥在溶洞发育地区、临近既有三门江公路桥深水裸岩桩基保护性施工的相关关键技术。

关键词：临近；既有桥；溶洞地区；桩基；保护性施工。

1、工程概况

新建柳州市三门江跨江桥位于三门江国家森林公园东南侧，全桥长360.3m，平行于既有三门江公路桥北侧（上游方向）10.88m，呈东向西横跨柳江。新建三门江跨江桥工程为(100+160+100）m双塔双索面钢箱梁矮塔斜拉桥，塔、梁固结体系。本工程桥梁共设桥墩4个，1#、4#墩为边墩，2#、3#墩为主墩，主墩承台与公路桥主墩承台相距5.78m；边墩承台与三门江公路桥边10.586m，桥型布置图见图1-1～图1-4。主墩下部结构采用钢筋混凝土双肢薄壁墩，墩高26.1m，承台为矩形承台，主墩承台尺寸顺桥向×横桥向×厚度为11.6×15.8×4.0m，基础为12根φ1.8m钻孔灌注桩。边墩采用实体墩，墩高24.5m,顺桥向横桥向尺寸为2.5m×8.5m。承台尺寸为6.0m×8.9m×3m，每个承台基础设置6根φ1.5m钻孔灌注桩。

图1-1 主桥桥型立面布置图（单位：mm）

图1-2 主桥桥型平面布置图（单位：mm）

图1-3 主墩横向布置图 图1-4 边墩横向布置图

2、新旧桥桩基地质情况

拟建项目位于三门江断裂带向斜的轴部，发育有三门江断层、古亭山断层及其派生次级断层，地质条件较为复杂，岩性以泥、碳质灰岩为主，钻探揭露溶洞、溶槽、岩体破碎带等不利地质现象均有发育，岩溶发育较为强烈，具有不均匀性、无规律性、不可预见因素多等特点，具体情况如下：

根据新桥与老桥桥墩之间岩溶专项勘察资料反映，共布设岩溶钻孔18个，揭露溶洞20个，有14个钻孔遇到溶洞，遇洞率为78%，其中最大溶洞高约15m。1#墩新旧桥之间岩溶发育强烈，溶洞洞深在4.0~15.0m之间；2#墩新旧桥之间岩溶不发育，仅发现1.2m深溶洞一处；3#墩新旧桥之间岩溶较发育，最大溶洞深约2.2m，溶洞发育呈串珠状，岩溶发育不均匀；4#墩新旧桥之间岩溶较发育，以串珠状溶洞、溶沟、溶槽为主，岩溶发育不均匀，溶洞洞深在0.5~2.7m之间，距离溶洞顶垂直距离约3.0m。

3、重难点分析

结合地质及现有桩基施工技术情况，本桥梁桩基施工重难点有以下几点：

（1）新旧桥之间溶洞、溶槽、岩体破碎带等岩溶地质发育强烈，具有不均匀性、无规律性、溶洞串通性等特点，遇洞率高达78%，最大洞高达15m，新桥的桩基施工很可能因地质溶洞填充物流失或振动等影响，引发地层断裂、崩塌，对旧桥基础产生不可预见的不利影响。

（2）此处为裸岩、斜岩地质，无软弱覆盖层，对桩基定位、开孔、冲进都带来极大难度，若不能合理处理，则会出现桩基偏位、卡锤、断桩等质量问题。

（3）新旧桥间距仅5.78m，且河水深达35m，周边无适用的旋挖钻钻杆长度，桩基施工仅能通过冲击钻成孔，强大的冲击力会造成旧桥引发振动，导致旧桥有沉降位移、徐变、倒塌等多个不利因素。

4、关键技术

为确保本桩基工程顺利实施，采用以下关键技术解决了溶洞发育地区临近既有桥梁深水裸岩桩基施工：

（1）做好旧桥监测措施。群桩基础施工前，在三门江大桥布置健康监测系统，包括环境监测、结构安全性能监测、交通状况监测三大类型，涵盖了温湿度、风速风向、洪水、主梁挠度、动力特性及响应、船撞、应变、应力、索力、车辆信息、视频监测共10个监测项目。在施工全过程中对旧桥变形、应力变化情况进行实时严密监控，监测数据服务于桩基施工，有效防止新建桥梁在桩基础施工过程中对旧桥基础造成破坏的情况发生，避免旧桥因基础震动或裂隙变化发生桥梁的沉降位移、徐变、倒塌等多个不利因素，保障旧桥的安全性，健康监测系统监测点布置如图4-1所示。

图4-1 健康监测系统监测点布置图

（2）新旧桥之间设置灌浆隔离墙措施。利用新桥施工平台，沿着新桥承台边靠近桩基，梅花形布设3排U形注浆孔，形成U形隔离，切断溶洞通道。根据处理位置的地质条件、桥墩设计参数(形状尺寸、基础埋深等)、新桥桥基设计情况及其施工情况分别对各处灌浆参数进行设计，具体的灌浆孔布置、灌浆范围等参数如图4-2所示。

图4-2 岩溶整治孔位布置图

注浆孔布置采用三序布置，先导孔T兼起先导勘探及注浆加固的作用，勘探取芯并编制柱状图后根据揭露的岩溶形态确定是否注浆及调整注浆工艺，I序孔注浆根据先导孔勘察情况，进行注浆施工。II序孔在I序孔正方形中心及溶洞位置插点加密，先导孔、I、II序孔形成梅花形布置，根据溶洞(槽)具体发育情况和发育范围进行由中间向两侧扩散的顺序进行注浆，实时监测注浆效果，决定注浆范围，从而达到填充和隔离新桥周边及桩基一定范围内溶洞及增强岩土层的整体性，最终起到减小新桥桥基施工对既有公路桥产生的不利影响，灌浆施工设计引入“动态配合比设计”的原则，即该设计方案根据现场施工反馈信息，结合现场实际及时完善、补充设计方案，以保证该灌浆方案达到“减小新桥基础施工对旧桥基础的不利影响的目的”。施工工艺如下：

（1）地质钻机开孔

1）钻孔定位

根据设计图纸，结合桥墩现场情况进行钻孔定位，并在实地设立孔位标志和编号，钻孔位置偏差不大于10cm。当受场地条件限制，无法按设计孔位进行施工时，在征得委托方和设计单位工程师同意后进行适当移位。

2）钻探技术要求

安排具有丰富的钻探经验人员，按设计院的布孔图布点，使用XY-150型油压地质钻机，采用全段位套管钻进，土层采用合金钻头钻进，岩层采用金刚石钻头钻进。每个回次进尺不超过3m，重点部位回次进尺不超过1.5m。当钻进过程中，发现孔内漏水严重或特殊层位如碎石等，应及时记录深度。岩芯采取率：粘性土及完整岩石≥80%，砂土、破碎带、块状强风化岩≥60%。岩芯取出后按顺序摆放整齐，并及时填写好回次牌。每个钻孔土岩芯均须拍照留存。孔深在40m内的深度误差不超过10cm。

3）土岩芯地质编录

土岩芯必须及时进行编录，编录前技术人员应检查班报表每回次和土岩芯回次牌摆放的位置是否准确，采取率是否满足要求，并区分真假岩芯。分层深度误差不超过±5cm，做报表时尤其将溶洞、溶蚀沟槽的段位记清楚，以指导洗孔及灌浆工作。

4）为确保总体工期，灌浆孔分批进行，即同时开一批钻孔之后灌一批孔。因此，要求各孔需要预埋钢管花管。各钻孔最小口径必须大于Ф91mm，因钻孔深度深，有穿越多层溶洞的可能，故要求灌浆钻孔开孔口径必须大于Ф146mm。

（2）高压水汽洗孔

1)洗孔设备：15m³空气压缩、150型高压注浆泵。

2)工艺原理：高压水汽清洗是把高压水气送到需处理溶洞区位下沉和上升反复的采用高压水气冲洗，将溶沟槽、溶洞中的泥、沙、土等软弱层冲冼干净，并结合气压将混浊的泥水从孔口或桥基底缝隙排出。

3)具体安排：洗孔质量的好坏直接影响到置换灌浆的效果，因此环节较为重要。为保证有足够的水气，采用一台15m³空气压缩机供气，采用一台液压注浆泵供水，以此来保证水气的充足，形成足够的冲洗半径，充洗时候要反复，上上下下来回冲洗，尽可能的将细小颗粒冲洗出来，而大的颗粒留下与化学浆体胶结在一起。

4)观察洗孔效果：注意观察桥墩周边水面冒泡情况，桥墩基底冒泡的区域多，说明基底空洞、裂隙连通较明显，洗孔的效果可通过冲洗过程返水或江面冒出水汽的的浑浊程度来判断，当返出的水气较清洁时说明已冲洗干净。

（3）双液化学注浆

1）灌浆材料

主要采用强度等级为32.5级的普通硅酸盐水泥以及浓度为38Be’的水玻璃实施灌浆。应严把材料质量关，所用水泥应有产品质量合格及检验证明。按施工设计要求进行灌浆材料的制备，控制好水、水泥、水玻璃的比例。灌浆技术参数为：水泥浆水灰比1:1.5；水玻璃浓度约为38Be，水泥与水玻璃重量比为1:0.25。（施工过程中可据溶洞的规模等适当调整配比），控制化学浆液的初凝速度，其初凝速度控制在30秒左右，不让化学浆远距离的跑浆，而是让其在有效半径的范围内实施注浆，从而保证注浆质量。严禁控制浆液滞留时间，避免配置浆液滞留时间过长。

2）灌浆花管

外管采用直径48的钢灌浆管，且在灌浆灌上呈梅花状， 按0.3m的间隔标准,布置5~10mm的灌浆眼孔，内管采用Ф25mm心管注水玻璃。

3）灌浆施工

A.灌浆施工中应采用上行式双液化学灌浆方式，即由孔底往上进行灌浆，分成若干个灌浆步距，每个步距设为1-2m。另一方面，施灌过程中应采取跳孔法灌浆方法施工，要求用两台压浆泵组合在一起来工作，一台压水泥浆，一台压水玻璃浆，同理导浆管要求有里外两根，外管为Φ48管，用于进水泥浆，内管为Φ25管，用于进水玻璃浆，灌浆效果如图4-3所示。

B.灌浆压力的控制，确定灌浆压力使之不能偏差太大，是加固过程中的一个重要步骤，压力太大，会过多的损耗水泥，增加投资成本，过小的话，则达不到要求，所以，本次灌浆具体灌浆压力设计要求为：灌浆中控制灌浆压力确定灌浆压力基本值为0.5MPa，可随着不同的深度在0.5～1.20MPa范围内做调整（在空洞部分可减小压力，采取“低压、中泵量”施灌）。

C.灌浆量确定，施灌中，通过灌浆压力的调整，以及控制灌浆施工全过程为准，控制灌浆量，实际灌浆量应以现场监理及业主收方签证为准。

D.因注浆工程为隐蔽工程，岩层变化快的特点，故如现场与上述技术参数有不符情况，可据现场情况作动态调整。

图4-3 灌浆效果示意图

（3）制造人工覆盖层提高钢护筒定位精度。对主墩深水裸岩桩基位置制造人工覆盖层，人工覆盖层采用编织袋装入黏土，小型挖机配合人工装袋，每袋约0.8m³，分层抛洒至河床面，覆盖层厚度为2m，以承台边线作为围堰范围。

（4）孔内溶洞综合处置方法。当在孔内发生溶洞、裂隙带、软弱层等情况时，需结合实际情况做好应对措施，本文列出以下几种较为常见的情况及处理措施，如下表所示：

序号	处理方案	适用地形	施工工艺
1	填充法	一般溶洞、小型溶洞或溶洞数量较少。	采用片石、粘土、水下混凝土反复回填、复冲；或直接灌注C25混凝土至护筒底部1.5~2m高度，待强度达到75%，再重新开孔
2	护筒跟进法	较大溶洞。	采用冲击钻扩孔钻进，振动锤辅助护筒跟进，穿过溶洞。
3	分级全护筒法	溶洞数量较多，溶洞规模较大。	根据地质报告，确定护筒级数。采用加大锤头直径钻孔，护筒分级跟进，完全穿过溶洞区。
4	清水钻孔清渣法	地质不明，忽然出现漏浆。	当钻孔过程中，突然出现漏浆，无法填充法补浆时。采用清水钻孔，底部造浆捞渣，穿过溶洞后，采用护筒跟进。
5	灌注水下混凝土	护筒脚出现漏浆	钻孔过程中，出现护筒脚漏浆，回填片石、黏土以及护筒跟进效果不大，直接灌注C25混凝土至护筒底部1.5~2m高度，待强度达到75%以上，再重新开孔。

5、结论及效果

通过以上关键技术的实践应用，柳州市三门江跨江桥全桥36根桩基全部实施完成，且经检测均为Ⅰ类桩基，桩基偏位均控制在50mm以内，顺利通过了验收；值得一提的是，通过在新旧桥之间设置灌浆隔离带形成相对稳定的隔离墙，加固了河床岩层，封闭了溶洞串通通道，防止溶洞坍塌、填充物流失，达到稳定岩层和减小新建桥梁桩基施工对既有公路桥产生的不利影响，既能确保旧桥的结构安全稳定，又能保证新桥安全、质量均处于受控制状态。根据施工过程监控，新桥桩基施工前后，旧桥监控主墩最大累计位移量为1mm，累计沉降量为0mm，基本处于无扰动状态，旧桥保护措施优良。

参考文献

1. 韦干.深水裸岩地质桥梁桩基不良地质处理措施研究.工程技术,2021(11).

2. 陈晓东.溶蚀地质条件下的桥梁桩基施工技术[J].城市建筑,2015 (5):5.