溶洞处理方案

全填充式溶洞处理方案

一、工程概况：

桥址区地层从上到下依次为：填筑土、种植土、淤泥质土、粉质黏土、细砂、中砂、粗砂、角砾土、圆砾土、碎石土、卵石土、风化煤层、风化页岩、风化砂岩、风化灰岩、风化泥灰岩、风化粉砂岩。本次勘察揭露岩溶等不良地质。特殊岩土层为谷地中软土和煤层，影响拟建桥台、墩的稳定性，须采取相应的处理措施。岩溶影响拟建桥台、墩的稳定性，桥梁基础应嵌入完整连续的灰岩内，且应保证桩端持力层及其应力扩散范围内不能存在有溶洞、溶槽或其它临空面。桥址区地表水为河沟水，受季节影响明显。基岩裂隙水主要赋存于砂岩、灰岩中，水量较贫。岩溶水主要赋存于灰岩岩溶发育部位，基岩在钻探过程中，存在溶洞的钻孔及部分基岩裂隙较发育的孔，钻至溶洞及裂隙处出现微弱～严重漏水现象，说明溶洞或裂隙及溶隙间有一定的连通性，且存在较大的储水空间，其水量丰富。地下水的补给来源于大气降水及砂层和溶洞、溶隙的侧向迳流补给，向下游排泄。溶洞情况：通过对桩基地质勘察资料统计，绝大部分桩均存在溶洞，且溶洞数量都在2个以上，溶洞高度0.1～26.9m不等，其中8m以上溶洞共有76个，有全充填、半充填、无充填三种。溶洞充填物有粉质粘土、灰岩碎块、卵石土。马渡互通桥、乳源河及江湾河桥溶洞数量统计表见表2-2。

表2-2 桥梁溶洞数量统计表

三、施工方案

3.1 方案概述

根据地质勘察资料，本工程溶洞有全填充式、半填充式和无填充式三种形式，本文重点阐述全填充式溶洞桩基处理方案，根据溶洞情况，拟采用预处理（压浆、灌注砂浆、灌注低标号小粒径碎石砼压注、旋喷帷幕）和施工过程处理（钢护筒跟进、抛填片石、粘土和水泥）两种方法施工溶洞桩基，以达到安全、质量可控、实际操作可行和成本最佳的预期目的。对于大型溶洞，在桩基开工前必须进行预处理，钢护筒跟进、抛填片石、粘土、水泥等过程处理是对预处理缺陷的一个应急处理方法。

3.2 施工前的准备

3.2.1 人员组织

开工前专门组织有关技术人员研究学习有关溶洞处理的措施，并且成立了溶洞处理应急小组。施工现场派4名技术人员分两班在工地24小时轮流值班，发现问题及时上报处理。同时组织桩基队钻机机

长学习溶洞处理的知识，使他们对溶洞处理心中有数。总之，在人员组织方面，明确分工，各负其责。

3.2.2 材料准备

根据分析掌握的数据，准备足够的粘土、回填的片石及钢护筒，以便能在出现溶洞时及时处理。

3.2.3 机械配备

根据现场施工情况要提前准备好充足设备，以免施工中因设备发生故障或损坏时无替换的设备而导致停工待机状态。

3.3全填充式溶洞处理方案

对于全充填的大型溶洞一般采用压浆或旋喷帷幕法处理溶洞桩基，。

3.3.1.1 概述(压浆法)

在溶洞周围钻孔（D=108mm），钻穿顶板后用Φ89mm 钢管（与隧道大管棚施工类似）打入溶洞底部。在钢管底部起至上50cm 范围内进行梅花形钻孔，钻孔间距10cm。注注浆压力2～3Mpa 左右。注浆过程中，当注浆量明显变小时，将钢管提升50cm 后再进行注浆，直至将溶洞内填充物在桩基施工范围内全部固结。

3.3.1.4 施工工艺(压浆法)

1、布孔

根据桥墩桩基布置和溶洞分布，浆液扩散半径取经验值 0.6m，在溶洞桩基钢护筒周围向外 50cm布置注浆孔，注浆孔直线间距按1m 左右布置，注浆孔布置图如图 3-1 所示。

图3-1 注浆孔布置图

2、钻孔

用地质钻机钻注浆孔，钻穿溶洞顶板后取出套管及钻具跟进Φ89mm 钢管。采用小型机具将钢管打入溶洞填充层至溶洞底部。

3、注浆

注浆材料及配比参数

注浆材料采用 42.5R 级普通硅酸盐水泥，水灰比 W/C=0.8/1。水灰比根据现场情况可做适当调整。

注浆压力

根据相关实验和以往实践经验，在全填充卵石土层中注浆需要较大压力，约 3MPa～5MPa 之间。而实际注浆过程中注浆设备的泵压是跳动的，因此选择合适的注浆泵后，在实际的注浆过程中并不需要调整注浆压力，而是控制浆液的注入率，并且记录浆液压力的变化。当压力发生突变时，应及时检查是否发生异常情况或者停止注浆。

注浆范围

根据相关实验和以往实践经验，注浆时浆液扩散半径取 0.6m，

注浆的范围如图3-2 所示。

由图3-2 可以看出，采用压注水泥浆法对溶洞桩基进行预处理，能在该桩周围形成水泥帷幕，从而能保证冲进成孔时的施工质量和施工安全。

图3-2 理论注浆范围

注浆过程

①试泵

开泵前先将三通转芯阀调到回浆位置，待泵吸水正常时，将三通回浆口慢慢调小，泵压徐徐上升，当泵压达到预定注浆压力时，持续二、三分钟不出故障，即可结束。

②安装注浆管和止浆塞

在确定注浆管内无阻塞物后，即可进行注浆管的安装。为减少拔管时的阻力，在注浆管设置防水板。用沾有 CS 胶泥的麻丝绳饶成不小于钻芯孔直径的纺锤型柱塞，把管子插入孔内，再用台车将管顶入孔内到要求深度，使麻丝栓塞与孔壁充分挤压紧实，然后在麻丝与孔口空余部分，填充 CS 塑胶泥，使注浆管和止浆塞固定。注浆管外露

的长度小于 30～40cm，以便连接孔口阀门和管路。注浆管安装放好后，在注浆管管口加上孔口盖，以防止杂物进入。

③压水实验

压水压力由小逐渐增大到预定注浆压力，并持续 15min。

④浆液配置

按设计要求的水灰比用高速拌浆机拌和水泥浆液。

⑤注浆

注浆前用 1.5～2 倍于注浆终压对系统进行吸水试验检查，并接好水、电；检查管路系统能否耐压，有无漏水；检查管路连接是否正确；检查设备机况是否正常；使设备充分热身。试运行时间为 20min。

注浆时采用自下而上，分段进行灌注。将钻具与注浆泵连接好，先向孔内通清水15 分钟或看见孔口返出清水后则进行注浆。注浆水灰比 0.8:1；在实际操作过程中，若注浆比较困难，调整水灰比为 1:1 后进行注浆；可若地层漏水严重，则可适当减少水灰比。根据施工控制及试验情况，注浆时可适量加入粉煤灰以降低水泥用量。当注浆量明显变小、压力维持在 2MPa 时停止注浆，5min后进行补注。如补注时注浆压力大于2MPa则将钢管提升50cm后再进行上一层注浆，直至将溶洞内填充物在桩基施工范围内全部固结。

3.3.1.5 方案概述（旋喷帷幕法）

为防止溶洞漏浆造成塌孔现象，采用桩周高压旋喷帷幕注浆施工工艺，即采用护筒中心点按2.05m直径的圆周，均布15个单管高压旋喷桩，旋喷桩的直径为 50cm，旋喷桩施工完成后，桩与桩之间紧

密搭接形成帷幕，从而起到冲孔中的护壁作用防止溶洞漏浆塌孔。

单管高压旋喷帷幕注浆法，即先利用钻机成孔后，将带有特制喷嘴的喷管下入到设计标高位置，然后利用高压脉冲泵，把水泥浆液形成高压喷射流从喷嘴喷出，对土层充分切割搅动，使土体和水泥浆液混合，同时将喷杆旋转和提升，经凝固后形成圆柱状固结体。

相对其它无溶洞桩基，在施工过程中，如发现存在溶洞事实现象出现，同时采用此情况进行处理。

灌浆采用 R42.5 优质普硅酸水泥与清水配制，水灰比为 0.8∶1，孔口补浆采用浓水泥浆，水灰比为 0.5～0.6。制浆存放时超过 4h 的浆液应废弃。

高压旋喷施工主要施工机具和施工相关参数如表3-3 和表3-4 所示。

表 3-3 主要施工机具表

表 3-4 高压旋喷施工相关参数表

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3.3.1.7 施工工艺（旋喷帷幕法）

1、布孔

以Φ1.5桩基为例，护筒内径一般为1.75m，以护筒中心为圆心Φ2.05m为直径，将高压旋喷桩均布在Φ2.05m直径的圆周上。设计旋喷桩直径为 0.50m，共需布15个孔。旋喷桩平面布孔示意图如图3-3所示。

图3-3 高压旋喷帷幕平面布孔示意图

旋喷桩主要通过套管来定位及导向，套管采用φ159mm、壁厚10mm 的无缝钢管。布孔时，要注意控制孔的垂直度，当护筒垂直度不满足要求时，重新下放套管，同时旋喷孔垂直度不能受桩基钢护筒的影响。

2、钻机就位

钻机应按设计桩位准确定位，并必须作水平校正，钻杆头对准套管桩位，其偏差不大于2cm，成孔偏斜不应大于 0.50%，钻孔的有效深度应超过灌浆设计深度 0.2～0.5m。

3、引孔钻进

为保证旋喷时浆液扩散均匀和旋喷质量，钻孔顺序采用跳打方式如：1、3、5、7．．．．．．，并认真做好详细的钻孔记录。同时钻孔过程中，详细记录孔内岩性分层变化情况，以便掌握准确的地质资料。此外，在钻遇下列情况时，如坍孔、钻速变化、卡、掉钻、失水、回水改变等均应详细记录。

4、拔出岩芯管、插入注浆管

引孔至设计深度后，拔出岩芯管，并换上喷射注浆管插入预定深度。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，要边射水边插管，水压不得超过 1Mpa，以免压力过高，将孔壁射穿，高压水喷嘴要用塑料布包裹，以防泥土进入管内。

5、旋喷提升

钻孔深度和垂直度等参数达到要求后，进行高压旋喷桩（注浆）施工，高压喷射器下入孔内最低深度后，先按照规定参数进行送浆3-5min，待泵压正常后按设计的提升速度提升旋喷管自下而上进行旋喷施工。为了保证旋喷桩直径及桩身强度，在漏浆段及有串孔的薄弱地层范围应进行复喷，高压旋喷注浆时应全孔连续作业，拆卸喷射管时，旋喷桩搭接段长度不小于 30cm。

水泥浆液应严格过滤，并按喷嘴直径设置两道过滤装置：在制备水泥浆液搅拌罐和泥浆吸浆搅拌罐之间设一道过滤网，在泥浆泵吸浆管尾部设一过滤器。

在旋喷作业过程中，设专业人员负责经常测试水泥浆液比重。根据地层情况，可以适当调整水泥添加剂用量来调整浆液性能，以适应注浆需要。当浆液比重与设计规定值超过 0.10时，应重新调整浆液水灰比。

旋喷注浆过程中，须专人负责经常调整、检查高压泥浆泵压力、浆液流量、喷机旋转和提升速度及实际的浆液耗用量。在旋喷作业过程中，应及时准确填写施工记录。

每根桩施工完毕，应用清水把泥浆泵和管路内的残留浆液全部喷

射排出，钻具和其他设备，应用低压水冲洗干净，并应架起旋喷器设备，离地存放。

6、孔口补浆

当高压旋喷桩（注浆）结束后起出旋喷管，及时观察旋喷孔内水泥浆液面高度，如水泥浆液面下降，应及时进行孔口补浆以保孔内液面压力。

7、钻机移位

旋喷提升到设计桩顶标高时停止旋喷，提升钻头出孔口，清洗注浆泵及输送管道，然后将钻机移位。

四、施工应急处理措施

4.2 各种突发事件的处理措施

4.2.1 施工中遇到溶土洞应急措施

在施工中可能遇到未知的溶土洞，当冲锤穿破溶、土洞顶板，孔内的泥浆速度流失，造成砂层段孔壁内外压力失稳而溜坍，严重时可引起地面塌陷。

技术人员及钻机充分掌握地质情况，每个孔的地质资料都发给相关人员，让其充分了解溶洞的位置，大小等，做到冲孔时心中有数。

在现场应准备足够的小片石或狗头石（直径10-20cm）和粘土，粘土要做成泥球（φ15-20cm），同时组织足够的水源。在施工过程中配备一台ZL50C型装载机，司机随时候命。根据冲孔进尺和冲绳拌动的情况，结合孔桩所处的地质描述图、判断出孔底位置是否是进入灰岩，在1-1.5m范围内变换为小冲程，逐渐将以防止卡锤。

在入岩后要有专人观测护筒内泥浆面的变化，根据冲孔的进尺情况，如果进尺由慢突然变快，或泥浆面突然下降，这时说明击穿了未知溶洞，当遇到溶洞漏浆时，迅速铲起片石和粘土填孔，同时集中水泵往孔内大量补水。应迅速补水和改变冲程以防止斜孔和卡锤。如果此时出现斜孔，则采用块石和粘土对斜孔部位全部回填，重新冲击成孔。

在溶洞内钻进时，根据填充物的不同，要采取不同的钻进方法。当充填物为软弱粘性土或淤泥时，应向孔内投入粘土、片石混合物（比例1：1），冲砸固壁；当为砂层、卵石层时还应提高泥浆的粘度和相对密度。只有当泥浆漏失现象全部消失后才转入正常钻进。如此反复使冲孔顺利穿过溶洞。

如果遇到多层溶洞，先对溶洞大小和是否为串珠状溶洞进行判定，如为串珠状溶洞，且漏水，则直接采用钢护筒通过，其施工方法见“过串珠状溶洞施工”，如不存在这种情况，则采取向溶洞内直接充填片石和粘土，泥浆护壁通过。

对于遇到特大型溶洞或半充填的溶洞，且溶洞上方有较厚的沙层时，先向孔内回灌浓泥浆，同时抛填块石和粘土球，采用小冲程冲砸固壁，直至漏浆现象消失。

如果出现一下冲破溶土洞顶板，泥浆突然间流失，引起整个孔坍塌严重，则迅速提起冲锤，要求人员马上离开钻机，待不再坍塌后，对整个孔进行回填处理，先进行预处理后，重新成孔。

4.2.2 过串珠状溶洞应急处理措施

根据现场成孔深度和超前地质冲孔的资料相对比，以及结合钻杆钻进速度判断出孔桩接近溶洞顶部岩层时，提起冲锤、钻杆，移开回转钻机，采用冲击钻机冲孔。用冲击钻冲孔时，要求轻锤慢打，使孔壁圆滑坚固，提升高度一般不超过50cm。所有卡扣及钢丝绳必须先经测试检查，其它施工工艺及注意事项与常规相同。当冲击穿过溶洞顶部时要反复提升冲锤，在顶部厚度范围上下慢放轻提，冲锤不明显受阻碍，说明顶部已成孔并且是圆滑垂直的。

在施工现场准备足够的粘土和块石，同时制备大量的泥浆。根据超前钻探得的串珠状溶洞顶标高反算出地面至第一个溶洞顶的深度，根据此溶洞与钻进深度相比较可知是否到达溶洞顶部，装载机和小推车就位，密切注意泥浆面变化，一旦穿通溶洞后，提起冲锤，向孔内回灌泥浆，向孔内回填片石和粘土，如果不发生塌陷，则用冲锤冲击孔洞内孤石和突石，对洞底部斜岩面进行冲平，以保证钢护筒顺利下放。

过第二个溶洞按过第一个溶洞的方法过进行。

注意事项：

(1)、过每层溶洞顶薄岩层时要采用小冲程锤击，防止一下把岩层击穿后引起钢护筒脱落下沉，严重时引起地面塌陷。

(2)、冲破岩层后，要及时提起冲锤，防止塌孔引起卡锤。

(3)、在溶洞内采用小冲程冲击，以防止卡锤，同时清理洞内的突石，锤平洞底部斜岩面，以保证钢护筒在下放时不会较大的产生偏斜。

六、安全、质量保证措施

6.1 安全保证措施

(1)冲孔桩施工时，应查明土洞、溶洞分布范围和类型，确定处理方案；技术人员及冲孔作业人员应充分掌握地质情况，每个施工段的地质资料都发给相关人员，让其充分了解施工作业点地质情况，做到施工时心中有数；施工中如遇到溶洞，发生坍孔，则操作司先提起冲锤，人离开钻机，挖掘机迅速铲起片石和粘土填孔，同时集中水泵往孔内大量补水，以防止斜孔和卡锤。待处理完成后，再进行重新冲孔作业。

(2)冲孔过程中，非相关人员距离钻机不得太近，防止机械伤人、挖掘机处理地面塌陷时，现场应有警戒人员，无关人员不得进入挖掘机旋转范围内。

(3) 钻孔接近溶洞时，必须严格掌握松绳量，要勤松、少松，防止击穿岩壳卡住钻头。

(4)钢筋笼吊装过程中必须注意：对接完毕，必须检查作业人员的脚是否缩回，防止钢筋笼下放时将脚刮伤甚至将人带入孔中的事故发生；吊装前应检查钢筋笼中是否有余料未清除，吊装过程中无关人员禁止进入警戒区内。

(5)吊车提升拆除导管过程中，各现场人员必须注意吊钩位置，以免将头砸伤。导管安装须注意：导管对接必须注意手的位置，防止手被导管夹伤。

(6)砼浇注过程中，砼搅拌运输车倒车时，指挥员必须站在司机

能够看到的固定位置，防止指挥员走动过程中栽倒而发生机械伤人事故。轮胎下必须垫有枕木。倒车过程中，车后不得有人。

(7)钢护筒接长安设时，操作人员不得在吊锤下作业。

(8)施工时的高压泥浆泵应做好以下安全检查工作：泵体内不得留有残渣和铁屑，各类密封套完整良好，无泄漏现象；安全阀中的安全销要进行试压检验，必须确保在规定达到最高压力时，能断销卸压，决不可安装未经试压检验的或自制的安全销；指定专人管理，压力表定期检修，保证正常使用。

6.2 质量保证措施

6.2.1 施工组织管理方面的措施

（1）邀请设计、监理、科研和大专院校等单位专家参加技术攻关研讨会，制订切实可行的施工方案。

（2）对施工人员进行技术培训，制定相应的规章制度，使施工人员有章可循，强化组织指挥，建立必要的奖惩制度。

（3）组织技术革新、质量管理和科技攻关组。

6.2.2 施工技术措施

溶洞地质同一般地质相比较，其特点表现在它的非均质性和非密实性，反映在钻孔施工中的形式为：A．空隙漏浆造成塌孔；B．难以形成符合设计桩径的标准圆孔；C．水下砼灌注流失无法估量，容易造成断桩。

（1）漏浆、坍孔的技术对策

①要求司钻人员随时对照地质钻探资料检查孔内水头高度、泥

浆稠度和钻头负荷是否正常。

②长护筒跟进。

③进行散抛填。将坚硬片石、粘土及水泥作成混合物，视漏浆程度反复抛填冲击。

（2）偏孔的技术对策

①溶沟、溶槽、岩面起伏不平。在钻孔穿过覆盖层或溶洞填充物接触溶洞顶板时，钻孔速度会明显降低，主绳摆动大，遇此情况应马上提出钻头，抛入坚硬片石、碎石和块状黄土，以小冲程冲击，待冲到原位后第二次抛入相同配备的混合物以大冲程冲击，反复进行，直到不偏孔为止。

②溶洞侧壁侵入孔径。以加入大块片石为主，并适当降低泥浆比重，回填后以小冲程钻进，钻头平稳后再加大冲程造孔。

（3）卡钻的技术对策

①司钻人员随时观察钻机负荷和主绳摆动情况，发现卡钻征兆及时提起钻头进行抛填处理。

②在距溶洞顶板以上30-50cm处改变钻孔冲程和冲击次数，采用慢打轻击，进入溶洞后反复抛填片石、黄土及水泥。

③改变钻头形式。在原十字形钻头上焊圈，把十字形连接起来，使之减慢钻进速度，一次成孔并圆顺。

（4）掉钻的技术对策

①钻头龙门与钻体区段间加工成圆弧过渡，防止断面尺寸突变，形成薄弱部位引起应力集中而断裂。

②在钻孔过程中要经常检查钻具、钢丝绳、钻头直径磨损程度，发现超限应及时更换。

（5）桩底嵌入岩层深度的保证措施

①钻头应用优质45号铸钢制造，几何形状要能避免铸造时产生热拉应力和使用时应力集中现象，现场补焊以履带板、钢轨头做补焊材料，用铸钢焊条堆焊，施焊部位先预热，由技术娴熟的电焊工施焊，确保补焊质量。

②钻孔各阶段应采用不同的泥浆比重及粘度。

③清孔前将水泥、锯末、烧碱、黄土混合物抛入孔内冲击60分钟，使泥浆比重达到1.6以上，这对减少更换钻头、补焊次数，提高成孔速度极为有利。