覃振洲，向 晖，胡 伟

（1.贵州宏信创达工程检测咨询有限公司，贵阳 550014；2.中建铁路投资建设集团有限公司，北京 102600；3.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201）

据统计，截至2021年底，贵州省高速公路通车总里程已突破8 000 km，高铁里程达到1 586 km，普铁里程超过2 500 km。《贵州省推进交通强国建设实施纲要》[1]中强调，到2035年，要基本实现交通现代化，基本实现城镇居民半小时上高速、1小时上高铁、1小时到机场，城际轨道交通公交化服务，相应建设指标为高速铁路通车里程达到3 000 km，普速铁路3 500 km，高速公路大于10 000 km。可见，贵州省交通基础设施还有相当大的建设空间，尤其是高铁建设。贵州省地貌属于中国西南部高原山地，境内地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔在1 100 m左右，全省地貌可概括分为：高原、山地、丘陵和盆地4种基本类型，其中92.5%的面积为山地和丘陵。境内山脉众多，重峦叠嶂，绵延纵横，山高谷深，素有“八山一水一分田”之说，是全国唯一没有平原支撑的省份。在这种地貌下开展交通基础设施建设，桥隧比会相当高。以盘兴高铁为例，其桥隧比达到了90.66%。桥隧比高不仅加大工程建设难度大，造价也将大幅上升。由于高铁、高速公路对沉降变形控制要求高，故桥梁基础一般设计采用大直径灌注桩基础，靠桩端阻力和桩侧摩阻力来提供足够的承载力，这就要求桩端有可靠的持力层，桩侧和周围土体有可靠的接触。但贵州约17.6万km2的面积碳酸盐岩占比超过70%，岩溶极为发育[2]。岩溶是指水对可溶性岩石（碳酸盐岩、硫酸盐岩和卤化物岩等）进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。在地表以下，对桥梁桩基承载力和桩基施工影响最大的主要是溶洞这种岩溶表现形式，影响因素包括溶洞的大小、埋藏深度和层数，相对桩基的位置及洞内填充物状态。本文将梳理典型溶洞桩基设计施工和相关研究成果，分析上述因素对工程桩基设计和施工处治的影响，以期为贵州类似工程提供借鉴和参考。

1 溶洞大小影响

当桥梁桩基施工遭遇较小溶洞时，可作填充技术处理，填充物可选混凝土或工程建设中产生的弃土弃渣。待填充好后，按照无溶洞地层条件施工即可，该方法一般成本较低，且施工质量较容易控制。但当遭遇大溶洞时，填充往往代价大，难以取得较好效果，此时应考虑采用钢护筒对溶洞进行穿越，在钢护筒中进行灌注桩施工。以贵州省六威高速公路箐沟大桥为例[3]，地勘结果显示，K69+690左12-2#、右12-1#桩基处存在大型溶洞。后经揭开溶洞小口进洞勘察发现，左右两侧桩基下溶洞横向发育明显，相互连通，溶洞高约14.54 m，宽约9.12 m，有向周边及下方发育现象，溶洞空腔达到约2 180 m3。对于如此大体积的溶洞，倘若采用填充技术进行处理，如回填浆砌片石，则在运输和施工周期方面均存在很大难度，且洞内施工风险较大；如采用混凝土回填，则混凝土用量大，成本高，且因洞内裂隙发育，混凝土很可能会产生流失，进一步增大用量，成本不可控。后经过综合比选，现场施工采用钢护筒施工法。钢护筒按照2.3 m直径，壁厚22 mm，每节1.5 m的规格由厂家订做，质量可靠。连接采用螺栓和焊接两重连接，确保整体刚度，在钢护筒施工过程中严格控制垂直度指标。桩基检测报告显示该溶洞桩基桩身混凝土完整，为Ⅰ类桩。由此可见，对于大溶洞，采用回填处理一般难以满足现场施工和成本控制要求，采用钢护筒施工灌注桩则具有成本可控、施工安全等优点。但该方法也存在成本高、容易堵管等问题。广州北站综合交通枢纽开发建设项目现场溶洞见洞率高达55%[4]，为确保施工质量和安全，节省工期，工程结合超前钻探法、管波探测法，以及双浆液工艺、袖阀管注浆和间歇注浆法的施工工艺，大幅提高了溶洞处理的效率，明显降低了施工成本，使得超大溶洞区域冲孔灌注桩一次性成孔的概率大大提高，最大限度避免了后期桩基成孔施工中出现的漏浆、扩孔、塌孔和埋钻等现象。该方法值得类似工程借鉴，但也存在对设备和人员技能要求高等不足之处。

2 溶洞埋藏深度影响

桥梁桩基一般承受上部荷载较大，对桩基承载力要求较高，这就要求桩端进入稳定可靠的持力层。因此，溶洞的埋藏深度将直接对持力层的选择产生影响，也会改变桩身的承载性状。高祁等试验研究表明：桩身穿越多层溶洞时，溶洞段桩身轴力随溶洞埋深增大而减小，溶洞埋藏越深，对桩身承载力的不利影响越小。当溶洞埋藏较浅，例如贵州岩溶地区一般都在地表范围10～20 m内会形成一层浅溶洞[5]。黔北岩溶区某工程勘察发现贯通型溶洞和悬挂型两种溶洞发育形态[6]，前者埋藏深度在5～12 m之间，最深为11.95 m，形态为垂向椭圆竖井状，上下呈串珠状贯通；后者埋深3～6.4 m，形态似倾斜偏形透镜体状，呈悬挂型土洞。对此类浅埋溶洞，桩基施工可在较小代价下对其直接进行穿越，进入更深土层。但有些溶洞则埋藏很深，如无锡某场地下伏基岩为三叠系青龙群灰岩[7]，岩溶发育带范围在-80～-96 m间，位于第⑧层中风化灰岩中。此时如仍选择溶洞以下灰岩层作为持力层的话，即设计桩基穿越上述溶洞，则桩长将达到100 m以上。桩基设计虽然安全可靠，但施工成本高、经济性差，得不偿失。后经仔细分析场地土层分布发现，第⑦层粉质黏土层具有中等压缩性、中等强度，厚度超过20 m，完全满足桩基规范对桩端持力层的厚度要求，且在拟建场地分布均匀。最终桩基设计方案选择此土层作为持力层，减小桩长近40 m，但需在桩基施工前对溶洞进行注浆处理，以达到基岩稳定性的要求。此外，对于浅覆盖层岩溶区桥梁嵌岩桩基，若溶洞顶板完整且具有一定厚度，一般需大于3倍桩径且不小于5 m时，可利用溶洞顶板的自承能力，将嵌岩桩桩端置于溶洞顶板上，这种设计思路不仅可简化施工难度，还可以极大节约经济成本，但其前提是对溶洞顶板情况掌握较为清楚。

3 溶洞层数影响

由于地质构造和地下水流动的相互作用，地下溶洞分布的复杂性将进一步增加，形成多层溶洞。如云南省文山州广那高速公路工程冷水沟现场0～2#桩基就属于多层溶洞[8]，12 m桩长位置处出现小溶洞高0.7 m，宽2 m，长3 m，18 m位置处出现大型溶洞高4 m，长5 m，宽4 m。又如广州市金沙洲地区472个遇溶洞钻孔的统计表明，揭露2层溶洞的钻孔数占比18.6%；揭露3层溶洞的钻孔数占比为7.6%；钻孔最多揭露到7层溶洞，揭露大于等于4层溶洞的钻孔数占比5.3%。多层溶洞具有一定的隐蔽性，在地质勘察过程中如果稍不详尽就很难真实、全面地反映岩溶发育情况，小型溶洞相对更难以发现，如待桩基施工时才被发现，往往会因设计与实际不符而发生现场变更，影响工程进度、增加施工难度。传统桥梁桩基设计一般采用大直径单桩基础，对于存在多层溶洞的地质情况，这种设计往往难以在溶洞之间找到符合规范厚度要求的持力层，故桩基只能穿越多层溶洞，使得持力层位于最底层溶洞以下，造成设计桩体一般很长，施工成本大增。但如果改单桩为群桩，则可大大降低单桩所受荷载，有效减小桩径，这样也许就可以在多层溶洞之间找到满足顶板厚度要求的合适持力层。如清远市青西大桥的回澜互通主线桥24#-ZB桩基[9]，地勘揭露自上而下地层依次为素填土、粉质黏土、粉砂、细砂、粗砂、中砂、卵石、全风化粉砂岩、强风化粉砂岩、4.8 m全充填溶洞、强风化灰岩、全充填溶洞、微风化灰岩、半充填溶洞、微风化灰岩、全充填溶洞、微风化灰岩、半充填溶洞和微风化灰岩，以上全为溶洞。设计桩长内溶洞呈多层串珠状发育，最多达8层。最终为确保工程质量安全，原设计桩径1.6 m，桩长47 m单桩基础变更为4根桩径1.2 m，长24.5 m的群桩基础，并在工程实践中结合注浆和黏土片石回填等处理措施，取得了较好的效果。

4 溶洞相对位置影响

由于溶洞形成的复杂性，实际工程中桩基中心线一般不会和溶洞顶板中心线重合，往往存在偏心，甚至不一定全部分布在溶洞顶板上，也有可能分布在溶洞的两侧，与溶洞存在一定距离。在这种情况下，桩基承载性状及其承载力将会受到溶洞相对位置的影响。孙映霞等[10]的模型试验发现当溶洞位于桩正下方时，破坏时的塌落拱也呈对称形态；而当溶洞位于桩体左下侧距桩中心线为2倍的桩径时，则在溶洞的右上方形成塌落拱，且拱顶与竖向约成45°角。尹君凡等[11]提出了一种适用于轴对称和偏心工况的溶洞顶板极限承载力计算方法，结果表明，偏心距对顶板极限承载力影响较大，对于一定顶板厚度，顶板极限承载力随着偏心距的增加呈非线性增长，在偏心距大于发生冲切破坏的范围外时趋于平缓，并逐渐达到基岩极限承载力。雷勇等[12]进一步在此基础上考虑顶板由冲切破坏到完整基岩破坏的全过程，采用极限分析上限法推导建立了考虑溶洞相对位置变化时顶板极限承载力的计算方法。结果表明：对于顶板厚度为2倍桩径的情况，当桩与溶洞从中心对称到偏心距与桩径之比为4，顶板承载力增量达到25%，且顶板厚度越薄，承载力变化越显著。由此可见，设计中按照溶洞顶板和桩基两者中心重合进行溶洞顶板承载力计算是偏于安全的。梁冠亭等[13]采用下限有限元法进一步探讨了双溶洞位置对桩基承载力的影响，结果表明，桩端极限承载力主要受距离最近溶洞的影响，其破坏模式也由该溶洞控制。若2个溶洞到桩端水平距离相同的情况，桩端极限承载力由2个溶洞共同控制，破坏模式也可分为2部分。

5 洞内填充物状态影响

经过地下水的裹挟和沉积作用，溶洞内可能会存在一定的充填物质。根据填充程度，可分为全填充型、半填充型和无填充型。受填充物的沉积时长和洞内水环境的影响，填充物也往往呈现出不同的状态。如因气象或水文地质条件改变，洞内水流失、渗漏甚至干涸，填充物发生较长时间沉积，完成固结，则可能呈现硬塑状态。如果溶洞内始终处于饱水状态，则填充物可能呈现软塑或流塑状态。如杭州至长沙铁路客运专线（江西段）HKJX-3标五分部进贤特大桥段地处岩溶发育地带[14]，结合工程地勘报告和超前地质钻孔确认，按照《铁路岩溶工程地质勘察技术》分类标准[15]，全填充型溶洞占比6%，洞内完全填充亚黏土、砂土和黏性土等，呈硬塑、流塑和软塑状；半填充型溶洞占比为11%；无填充型溶洞占比则达到83%。贵州省平寨水库左岸底层灌浆廊道经开挖及勘探钻孔揭露发现[16]，溶洞被黏质细沙土充填密实，为全填充型。洞内填充程度和状态会对桩基施工产生影响，如无填充或半填充的中小溶洞，一般对其进行回填处理，以便形成泥石护壁，进行成孔；若洞内填充物呈松散或软、流塑状，回填时可能还需添加水泥起到固化加强作用；对于全填充型且填充物呈硬塑状态的溶洞，则可以直接钻孔，并根据需要加强泥浆护壁作用；对于大型溶洞，除硬塑和密实状态的全填充型外，其他填充类型与状态下，回填已不具备经济性，且施工质量难以保证，则优先采用钢护筒施工法对溶洞进行穿越。贵阳市某城区棚户改造地块地下岩溶发育率为18.5%[17]，溶洞多数为全填充型，填充物为可塑性黏土，少数为无填充型。施工过程中发现地下室底板以下10 m深度处有一大型溶洞，长约60 m，高5～12 m，宽5～10 m，底部有一层较厚淤泥外，无明显水流渗入。针对该无填充型溶洞，对比分析了深桩基础处理法和回填注浆法2种方案。经比较，该工程回填注浆方案在成本上比桩基础方案节约成本达15%，回填注浆法工序简单，技术难度相对较小，施工速度较快。陈伏冰介绍了无填充型溶洞两种桩基成孔方法，分别是片石黏土筑壁法和钢护筒跟进法，对相应质量控制措施进行了阐述。强调无论采取哪种方法，最大限度准确掌握桩位处的地质水文勘察资料是最为必要的，尤其对于复杂岩溶地区，要充分了解溶洞情况，应采取逐桩钻探，在此基础上，再确定合理的施工方法。

6 结束语

贵州省岩溶面积分布广，地下溶洞分布较为普遍，水文地质条件复杂，给桥梁桩基工程的设计施工增加了难度。本文对典型溶洞桩基设计施工和相关研究成果进行了梳理总结，分析了溶洞大小、埋藏深度、溶洞分布层数、溶洞相对桩基位置，以及洞内填充物状态对桩基设计、施工处治的影响。结果表明，上述各因素均会对桩基的设计施工处治产生明显影响，为确保工程安全质量，其首要先决条件是要查明溶洞情况，而后在综合考虑安全性、质量可控性和经济性的基础上合理确定桩基设计思路和施工处治方法。本文结论可为贵州省类似工程提供借鉴和参考。