溶洞

中铁十八局集团有限公司 南京长江第四大桥南接线S3标项目部

2010年8月17日

一、 工程概况

南京长江第四大桥南接线工程第S3标段（K27+015.621～K29+744.749），线路全长2.765KM，主线桥梁1座大桥，2座分离立交，全线均为桥梁。其中K27+015.621～K27+975.621为规划1号路分离立交，全长960米。规划1号路为城市主干道，规划跨越40米，行车净空预留位4.5米。规划一号路在1～29号墩位处存在规模大小不同的溶洞。

二、岩溶常见的类型

类别 溶洞特征 充填物情况 单层洞高小于2m，全填充，漏水或半漏水小粉质粘土夹灰岩、碎石，小型溶洞 型溶槽、溶沟、小裂隙等 洞高小于2m的半填充溶洞或2～5m的全填一般溶洞 充溶洞，二层以下串珠状溶洞 二层以上串珠状有充填溶洞；5m以上全充填大型溶洞 溶洞。 大型溶洞，多层串珠状已充填或充填物差的粉质粘土及灰岩碎块充特大型溶洞 溶洞。溶洞的规模覆盖到相邻桩位或更大。 填，局部有灰岩薄夹层 粉质粘土，软塑状粘土 粉质粘土，塑状粘土 成软塑状 三、施工工艺

（一）、岩溶地区钻孔灌注桩施工的关键技术是如何保证成孔过程中不漏浆、或虽漏浆但不塌孔，保证桩孔顺利成孔、成桩并满足承载力要求。 （二）、施工方法

根据溶洞的洞高和洞内的填充物情况，对溶洞采用不同的处理方法，主要的处理方法有：抛填法、静压化学灌浆法、灌注混凝土填充法、套放大小钢护筒法

等。 1、抛填法

溶洞范围小，溶洞高度小于1m，对照地质图，当钻至溶洞顶板 l m 左右时，减小冲击钻冲程，控制在1 ～ 1 ．5 m， 通过短冲程快频率冲击的方法逐渐击穿溶洞，溶洞一被击穿，孔内水头迅速下降，这时立即向孔内补充泥浆，同时提钻至孔口，并向孔内投入片石、 粘土块和水泥，填充溶洞，当孔内水头稳定时，用测线测出回填厚度，当回填厚度大于 l m 时，使溶洞范围形成护壁后，再继续施工。穿越溶洞范围的桩钢筋笼在成孔钻进过程中发现异常情况及时采用以上方法,反复冲砸，填塞溶洞，挤密护壁，直至顺利穿过溶洞。洞上下各1m范围在钢筋笼的定位筋焊接厚4mm的钢板圆筒，在圆筒外增加四根定位钢筋（见图1）

2、（静压化学灌浆法）施工方法

桩基精确放样后，在桩基施工平台上用地质钻于桩中心进行超前钻，必要时

增加钻位。根据超前钻的结果，确定护筒的打入深度。有溶洞的桩位，护筒沉至

风化岩层，臵于强风化岩面上，这样可穿过土洞。护筒的底部即为岩层或溶洞的顶部。根据溶洞的不同类型，最后决定兼用两种不同的施工方案。当溶洞内有填充物填满或有流砂的，或当溶洞为空洞或填充物不满（水洞）且深度在1～3m的，在钻孔桩施工前先进行预处理，采用静压化学灌浆法固结填充物和流砂，或用此法填满溶洞，在固结体达到一定强度以后再钻孔施工。 （1）技术要求

溶洞预处理的目的是为了加固溶洞填充物和填满溶洞空间并达到一定的强度（20mpa以上），防止钻孔桩施工时泥浆流失、流砂及坍孔等情况的发生，保障成孔及水下混凝土浇注等一系列施工工序的顺利完成。溶洞预处理施工，在钻孔桩施工之前进行，相当于在桩基础施工过程中，于钻孔桩施工工序之前加入一道预处理工序，与桩基施工的各工序一起形成流水作业。 （2）施工方案

1）处理方法选择由于溶洞埋藏较深，不能用爆破或填充混凝土等一般方法处理，有效的处理方法是灌浆法。而在众多的灌浆法中，因溶洞的不规则性，决定了其处理的最有效和比较经济的方法是静压化学灌浆法。因此，采用静压化学灌浆法，同时也可兼用喷射灌浆法，促进填充物强度的加强。 2）静压化学灌浆的加固特点浆材可在几秒或在几十秒内瞬间凝固，可控制浆液灌注在一定范围内且不流失，材料的利用率高，比较经济。浆材的结石率为100％，即1m3体积浆材可得1m3结石体。对溶洞中的砂、砾等土体，浆液是通过渗透作用板结砂和砾的；对于溶洞中的稀土、亚粘土等土体，浆液是通过劈裂、挤密作用加固土体的；对于无填充物和半填充溶洞的空间，浆液是通过充填作用填满溶洞的。浆液在土体中的渗透扩散方向是往小主应

力面方向，浆液固化后，小主应力面得到加固，而原次小主应力面变成小主应力面。这样，通过对小主应力面反复不断的加固，一方面渗透、挤密溶洞中的土体的空隙，充填溶洞的空间，在桩体周围形成防水帷幕，防止流砂和保证护壁泥浆不流失；另一方面，提高溶洞中土体的承载力和抗剪力形成挡土墙，防止坍孔，见图（2）。

静压化学灌浆的关键在于浆材的配方和工艺。 内护筒底部及顶部灌浆封缝示意单位：cm 3）工艺设计

布孔：在超前钻有溶洞的桩位四周均布4个灌浆孔 钻孔：孔径180mm，孔深要求达到最深溶洞的底部。 材料：普硅32．5mpa水泥与化学浆。

工艺：采用双液灌浆系统进行全孔灌浆，要求少量多次、反复灌浆，如溶洞空间容积大、倒水性强，则在混凝土干料中添加一定量水玻璃。 (3)主要施工机械设备

主要机械设备有：bw250泥浆泵，bw150泥浆泵，100型钻机，泥浆搅拌机和贮浆槽，高压灌浆管及其配件。

图2：灌浆孔平面布置及剖面图

3、灌注混凝土填充法

溶洞的高度在1．0～3．0m之间，且溶洞为填充或半填充的，则先抛填片(碎)石、砂混合物和注水泥浆，然后用小冲程冲击片石挤压到溶洞边形成泥浆碎石外护壁 (见图3)，水泥砂浆将片石空隙初步堵塞后，停止冲击，24小时后，待水泥的强度达到2．5MPa后，再继续冲击，穿过溶洞。

图3：

3、护筒跟进法

（1）、溶洞高在3.0m(见图4)。先用冲击锤进行冲孔、扩孔处理，然后采用振动锤将钢护筒振动下沉

至溶洞底部，为保证钢护筒的强度和刚度，每隔2m，设臵加强钢板箍。 （2）、溶洞高大于5．0m(多层)，且溶洞间距较大时，拟采用套内护筒法施工，即用内护筒穿过溶洞的方法进行施工。内护筒长度L=h+2m(h为地质超前钻确定的多层溶洞高) 内护筒内径应比设计桩径大20cm左右，外径应小于外护筒内径5cm左右，若遇第二层溶洞，第二层溶洞的内护筒外径比上层内护筒内径小3~5cm，具体见图5

1）、内护筒长度的确定护筒长度L＝h＋2（m）（h为多层溶洞高度） 2）、内护筒内径的确定

内护筒内径应大于φ220cm，同时外径应小于外护筒内径5cm左右，如果只下一次内护筒（一层溶洞），内护筒内径选用233cm，壁厚为1cm，则 外径为235cm（主桥外护筒内径为240cm）。当遇到第二层溶洞时，第二层溶洞的内护筒（即第三次护筒）选用220cm内径。

（3）、溶洞顶部冲孔

根据超前钻的资料，当钻孔施工接近溶洞顶部时，提起钻头、钻杆，移开钻机，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，一般进程控制在60～80cm/h。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。 （4）、外护筒的制作及沉放方法

1） 外护筒的制作

外钢护筒制作时，先勘察地质质料，根据溶洞的层数确定外钢护筒的直径。钢护筒分节制造，工地拼接。先采用桩锤进行扩孔，钢护筒采用振动下沉。振动下沉采用振动打拔锤，其振动动力为1600KN以上。钢护筒下沉时，用两台经纬仪在两个垂直的平面内监测倾斜度，以便随时调正。护筒下沉至硬土层或岩面后，其倾斜度小于1％。 2）内护筒的沉放

①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，此时用钢丝绳活扣绑住内护管，用吊机（或冲机自吊）把内护筒放入外护筒内至孔底。到孔底后，内护筒不会靠自重沉到溶洞底部（因溶洞底有沉渣、沉淀物等）。此时，GPS－30钻机重新就位。

②护筒沉设利用GPS－30钻机进行，在钻机的钻杆上附加压架，利用钻机的钻进压力和钻杆、钻头的重量，使内护筒随钻头的钻进而下沉，直到溶洞的底部。 （5）内、外护筒间空隙及内护筒与溶洞底部间空隙的处理

1）在内护筒底部及顶部100cm范围内回填砂、碎石，中部回填中砂。

2）用高压喷射灌浆法（施喷法）对回填体进行灌浆处理。灌浆后，内护筒上下两端空隙被砂、碎石及浆液冲填固结，固结强度要求达到30mpa，其抗渗系数可达10－7m／s。灌浆处理后，即可重新冲孔。

3）在内护筒顶部及底部100cm范围内回填小碎石素水泥混凝土，内护筒中部回填砂，同样能起到堵塞空隙的目的。

4）对于需要处理多层溶洞的桩基，一般仍采用上述灌浆法填充固结空隙进行施工。目的是为了增加溶洞底部（同时有可能是下层溶洞的顶部）附近填充物的密度和强度，并且增加内、外护筒间的胶合力。

5）重新冲钻，直至嵌入完整基岩。当符合设计及规范要求时，经监理工程师同意即可终孔，此桩即成孔。成孔后的工序工艺与常规相同，并不赘述。

四、故障及处理

（1）、卡钻 1）原因：

①在基岩段成孔时由于桩锤磨损未及时修补； ②在冲击时发生掉物、掉石；

③钢丝绳冲放过多，致桩锤倾倒顶住孔壁； ④溶洞底板倾斜或遇到半边溶洞。 2）处理措施：

①慢试法：钻头卡在中间任何部位时，应将主绳徐放—收紧—徐放—收紧，反复进行使钻头旋转从原位槽道提出；

②冲击法：将主绳放松3-5m，用钻头副绳吊一重物向下冲击钻头，使之产生松动，主绳重复慢试法；

③辅助提升法：用吊机、千斤顶或钻机副绳穿滑车组加力提升；

④水下松动爆破法：测准钻头被卡高度后，迅速将乳化防水炸药捆成两组，加配重对称放入钻头刃脚部位，之后将钻机主绳带紧或以吊机辅助紧提，采用电雷管起爆；

⑤确实无法取锤时请设计单位提出桩基修改方案。 （2）、掉锤

1）原因：

①锤体质量有问题，造成锤体断裂； ②钢丝绳断裂；

③进尺时遇到大溶洞，且填充物为软塑性土质或空洞时，因为控制进尺，冲锤一下进尺数米，引起掉锤。

2）处理措施：

①选用打捞钩、冲抓锥等合适的打捞工具将锤体捞起； ②确实无法捞起时，请设计单位提出桩基修改方案。 （3）、塌孔埋钻

1）原因：施工时由于碰到溶洞或与桩位外溶洞相通的裂隙，引起突然间大量泥浆漏失。

2）处理措施：发生漏浆时要及时补浆补水，维持孔内水头，防止孔内外产生过大的水头差，并迅速堵漏。 （4）、斜孔、弯孔：产生斜孔、弯孔： 原因如下：

①是斜面开孔，通过溶洞时，未按正确的施工方法，如抛填粘土不及时，溶洞

的位臵测量不准确，以致钻头沿着软的部位下滑，造成斜孔； ②是出现没有预见的溶洞；

③是隔层相向的探头石，在钻进时相互扩孔，使钻纠正斜孔、弯孔的方法：回填片石、粘土重钻，反复数次；灌注水下素砼至弯曲部分以上的一定高度，待强度合格后重新施钻。

(5)清孔漏浆：由于覆盖层和溶洞之间相互串通，在地下水的作用下产生动压力，导致溶洞内钻孔所形成的人工造壁坍塌，清孔时泥浆流失。其处理方法如下： ①探明泥浆流失的孔洞高程，在初步清基的基础上，在钢筋笼上焊接钢护筒，钢护筒上下口扩成喇叭形，在其上设止水带。当钢筋笼带着堵漏护筒初步就位后，进行正循环泥浆清孔。

②如孔弯斜严重，钢筋骨架插不下去，此时可接高钢护筒，尽力振下，然后灌注水下素混凝土至洞底，待达到规定的强度后，再装上钻机重新施钻清孔。

五、桩基成孔施工的注意事项

(1) 在成孔过程中，要特别注意快到土洞、溶洞的洞顶时，应低锤冲击，防止卡锤、掉锤现象。

(2) 遇较大的土洞、溶洞时，先在孔口附近准备好足够的块石、粘土、水泥。在洞顶打穿时，一旦发现漏浆，要迅速填堵，防止塌孔。一般土洞、溶洞洞顶击穿后，桩孔中泥浆会很快下降，此时要用铲车及时将准备好的块石、粘土、水泥按适当的比例抛入，直至孔中的泥浆停止下降，并慢慢上升，此时可用冲锤进行适当挤压，反复抛块石、粘土、水泥，直至把桩基两侧的溶洞都填满或堵死为止，最后补充满泥浆再重新成孔，溶洞较大的最好等1～2天后再重新冲孔成

桩。

(3) 如果遇较大的土洞、空溶洞时，则先注浆，后成孔，这样可防止地面下陷和发生卡锤、掉锤现象，又能加固地基。

(4) 有土洞、溶洞的地段，特别是那些土、溶洞覆盖面较大的地方，包容数根桩基，施工时要先施工深的桩基，由深至浅，保证安全。

(5) 如果岩面是斜面，要多次抛块石纠斜，因为打斜岩比打全岩要多花3～5倍的时间。

(7) 终成孔后，一定要用5m以上的钢笼探孔器进行探孔，清孔换浆一定要彻底，特别是二次清孔后的沉渣一定要符合标准。

(8) 混凝土坍落度以18~22cm为宜；浇筑导管必须密闭良好，浇筑时先放臵隔水塞，浇注混凝土必须连续、快速；浇筑混凝土备料充足。

六、质量控制措施

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。 2、施工技术对策

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。

七、安全控制措施

1、岩溶地区的钻孔桩施工易发生漏浆，因此要备足粘土块和片石，出现漏浆要马上补充，保持孔内水头高于地下水位1.5m。

2、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。

3、钢丝绳及卡子要勤检查，勤保养，松动的卡子要及时补拧。