岩溶强发育地质条件下溶洞预处理技术应用

黎光军 ，黄开明 （内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010）

1 工程概况

在溶洞不良地质条件施工时，出于安全质量方面的考虑，在地基与基础施工过程中需要进行溶洞处理措施，选择一套既有利于地基基础施工的安全质量，又可控制施工成本的处理措施是项目实施的重难点。本文以广州市白云区石井镇溶洞区域的一个典型项目为例，来介绍分析溶洞预处理施工技术在地基与基础施工中的应用。

石丰路保障性住房建筑产业化项目施工总承包（标段二）项目位于广州市白云区石井镇石丰路地段，项目由5栋高层住宅、配套裙楼、2层地下室组成。项目总建筑面积约128838.1m2，其中地下室38983.1m2。塔楼结构形式为剪力墙结构，层数为31层/32层，最高建筑高度94.9m，基础形式为桩筏基础，桩为冲孔灌注桩，共有663根桩，桩身混凝土等级为C30，桩型为端承桩，桩端支承岩为微风化石灰岩、微风化砂岩或砾岩，桩端嵌入持力层0.5m～1m。采用的桩径D为0.8m、1.0m、1.2m，部分工程桩兼作抗拔桩，共分成5种桩型。

项目效果图及桩基础平面布置图如下。

2 项目地质情况

2.1 不良地质情况

根据《石丰路保障性住房项目（1区）超前钻勘察报告》：本场地下伏基岩为灰岩，主要的主要不良地质为岩溶，640个超前钻孔中有292个钻孔发育有溶洞，部分钻孔发育有二层及其以上的溶洞，根据超前钻报告统计，共有505个溶洞，岩溶见洞隙率为45.6%，线岩溶率=28.8%（溶洞隙长度/可溶岩长度×100%），溶洞洞高0.10～21.50m，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第6.6.2条表6.6.2，场地岩溶发育程度为岩溶强发育。

根据《石丰路保障性住房项目（1区）超前钻勘察报告》，所探明的溶洞顶部的土层普遍为：杂填土、粉质粘土、中粗砂、中风化岩/微风化岩。

2.2 溶洞统计表

根据《石丰路保障性住房项目（1区）超前钻勘察报告》，所探明的溶洞总数为292个钻孔，其溶洞顶部的土层普遍为：杂填土、粉质粘土、中粗砂、中风化岩/微风化岩。根据钻孔柱状图，对每个溶洞的顶部距离底板结构的厚度进行数据分析如下表。

序号 厚度 个数占溶洞总数（292个）的百分比 备注1 5m及以下 29 10.0% 最小为0.09m 2 5～10m 207 70.9% /3 10～15m 53 18.1% /4 15m及以上 3 1% 最大为20.01m 5平均值为：8.0m。6众数为：5m～7m区间。

根据溶洞顶部的土层情况，溶洞主要依靠溶洞顶部的中风化/微风化岩层结构进行受力。我们把溶洞顶部承受上部荷载的中风化/微风化岩层结构定义成“壳体”。

根据钻孔柱状图，对每个溶洞的壳体厚度进行数据分析如下表。

序号 厚度 个数 占溶洞总数（292个）的百分比 备注1 0.5m及以下 112 38.4% 最小为0.1m 2 0.5～1m 51 17.5% /3 1～2m 60 20.5% /4 2～3m 30 10.3% /5 3m及以上 39 13.3% 最大为6.4m 6平均值为：1.36m。7众数为：0.1～0.5m区间。

2.3 溶洞分布图

根据《石丰路保障性住房项目（1区）超前钻勘察报告》，对每一个钻孔是否存在溶洞的情况进行绘制溶洞分布图，如下图示。

溶洞分布图

2.4 溶洞分类

通过对溶洞内是否存在填充物、填充物的填充量、溶洞的竖向分布状态，将溶洞分为以下4种类型：全充填溶洞、半充填溶洞、无充填溶洞、串珠状溶洞。

有充填物的溶洞，其主要充填物为流塑性/软塑性粉质粘土及砂粒。

全充填溶洞

半充填溶洞

无充填溶洞

串珠状溶洞

3 溶洞预处理设计方案

3.1 溶洞对地基与基础施工的影响

3.1.1 影响施工安全

溶洞体量大，局部为空洞，溶洞埋深浅，工程桩施工现场需用大量的大型机械，施工频繁行走、重压及震动可能会造成地下大型溶洞的坍塌。

3.1.2 影响工程桩施工安全

工程桩施工过程中，采用泥浆护壁成孔，若遇地下溶洞，当穿破洞顶时可能会因水位等水文地质条件改变而引起地面塌陷、地面整体下沉陷机等安全事故。

溶洞塌陷示意图（击穿溶洞前）

溶洞塌陷示意图（击穿溶洞后）

3.1.3 影响基坑支护结构安全性

根据超前钻报告，存在部分溶洞与支护结构串通的现象，降低基坑支护的抗水平荷载能力，影响基坑支护安全性。

3.1.4 影响工程桩施工质量

工程桩施工过程中，因为溶洞的岩溶裂隙缓慢漏浆，导致混凝土胶凝材料流失影响桩身质量。在工程桩浇筑过程中，因为混凝土自重荷载过大，挤压冲破溶洞外壁，导致混凝土流向溶洞，造成桩顶标高不足，影响桩身质量。

3.1.5 溶洞危害工程案例

3.2 溶洞预处理优点

溶洞预处理意思为在地基与基础实体结构施工前，对溶洞进行预处理，处理方法为采用具有一定强度的填充物对溶洞进行填充。

溶洞危害工程案例

溶洞危害工程案例

溶洞危害工程案例

对于桩筏基础，地基承载力主要由工程桩进行荷载传递，溶洞预处理的填充材料起不到承受荷载的实际作用，填充材料主要作用为填充溶洞空腔，封堵溶洞裂隙防止漏浆。

通过溶洞预处理，填充溶洞空腔，防止溶洞上部受压过大，使溶洞顶部岩层压垮影响施工安全。通过溶洞预处理，封堵溶洞裂隙，防止漏浆引起泥浆护壁塌孔以及防止工程桩混凝土浇筑后漏浆。

3.3 溶洞预处理设计方案

通过项目部各单位探讨，最终确定了溶洞预处理设计方案，设计方案总则为：

①根据超前钻报告，经设计复核，满足桩底持力层厚度以下的溶洞不需要处理；

②根据超前钻报告，对于全填充的溶（土）洞可不需处理；

③根据超前钻报告，洞高大于或等于3m或空腹高度大于2m的溶洞需要进行灌砂、灌砂浆或素混凝土等预处理；

④根据超前钻报告，洞高大于1m且小于3m或空腹高度大于1m且小于等于2m的溶洞采用注浆处理；

⑤在施工过程中，遇到不需处理的溶洞或者未探明的溶洞，进行抛填粘土、片石的方式处理；

⑥在基坑土方开挖前进行溶洞预处理及工程桩施工。

溶洞预处理仅在工程桩位置设置灌注孔，灌注孔的设置原则如下：

①采用注浆法时，在桩身一周设置3个注浆孔，钻孔开口孔径不宜小于110，终孔口径不宜小于90mm；

②采用灌注砂/砂浆/混凝土时，在桩身一周设置3个注浆孔，桩中心设置1个排气孔，钻孔开口孔径不宜小于150，终孔口径不宜小于110mm。

其余设计参数通过现场试验进行确定。

4 BIM技术应用

4.1 建模步骤

Revit场地命令建溶洞模型是以超前钻数据中溶洞顶高程和溶洞底高程分别建立2个同一原点的地表模型，完成后两模型链接一起，形成溶洞三维模型，具体步骤如下。

①处理超前钻数据。将超前钻钻孔数据按溶洞顶高程和溶洞底高程分成2个表格，对于一个钻孔探出多个溶洞的，我们先假设其为单个溶洞，仅保留最顶溶洞顶高程和最底溶洞底高程，并计算所有溶洞的平均高程，形成包含坐标和高程的txt文件。

②以场地命令分别绘制溶洞上下表面模型。依次按照钻孔位置输入高程点，亦可以导入txt文件快速建立模型。为了使溶洞模型更贴近其真实形态，其中无溶洞钻孔一律以溶洞平均高程为高程点输入。建模前注意保证2个模型的原点一致。

建立溶洞表面模型

③以原点对原点方式链接2个模型，形成溶洞模型。

溶洞模型立面

溶洞与桩基及底板三维效果图

溶洞内部透视图

④建立桩基和防水底板的结构模型，与溶洞模型链接，注意相对标高与绝对高程的转换。

4.2 BIM模型辅助估算溶洞体积

4.2.1 模型计算溶洞体积方法

分别对溶洞上表面和下表面2个模型在相同的区域范围内做建筑地坪，建筑地坪范围要囊括所有溶洞区域，深度要在在溶洞最低点下方。辅以平整区域、明细表命令分别计算挖方量（Revit计算挖填方量的步骤可参考相关网络学习资料）。

式中：V——溶洞模型体积；

V1——上表面挖方量；

V2——下表面挖方量。

4.2.2 估算溶洞体积

如果钻孔均只探出一个溶洞，那么通过模型计算的溶洞体积是很接近实际体积的，但实际上存在很多一孔多洞的情况。因此，我们要对模型计算的溶洞体积修正，因溶洞在地下的发展情况不可预测，根据有限的勘探数据，拟定以溶洞之间土层厚度占溶洞区域总厚度的比值，进行扣减修正。

扣减系数计算示意图

扣减系数：i=∑h/∑H

式中：i——扣减系数；

∑h——所有超前钻钻孔中溶洞之间土层厚度总和，一孔一洞的可不计；

∑H——所有超前钻钻孔最顶溶洞顶到最底溶洞底距离总和。

溶洞估算体积：Ve=V×(1-i)

经计算，溶洞体积如下表2所示。

溶洞体积估算值能相对准确的反映溶洞的体量，不仅能再优化细化工期进度，还可以测算溶洞处理的成本费用，让溶洞处理“不可控”变成“可控”。

4.3 BIM模型综合模拟让溶洞处理方案明朗化

在溶洞模型尚未建立前，对溶洞的相对形状、分布以及与桩基底板的位置关系均无清晰明确的认识，底板与大体积溶洞的相对位置关系不明确，选择处理方案也不确定，生产投入和计划安排等均要随方案调整。

通过溶洞模型很显然可以看出，溶洞体量大、溶洞埋深浅，即便按设计最长桩长15m，尚有很多桩桩端处于溶洞层，不论是大开挖后打桩，还是直接在原土层上打桩，均无法满足施工安全和桩基施工质量，必须先对溶洞进行处理。

表2

溶洞竖向分布图

溶洞与桩基、底板竖向位置关系图

正是通过溶洞模型链接桩基及底板模型，直观展示溶洞与结构的竖向位置关系，最终确定了在大开挖前对已经探明的溶洞预先钻孔注浆的处理方案。

5 溶洞预处理效果现场试验过程

5.1 灌砂法试验

根据业主下发施工图纸，对溶洞预处理对溶洞洞高大于或者等于3m或空腹高度大于2m的溶洞需要进行灌砂、灌砂浆或素水泥浆预处理。项目部根据图纸要对，先对上述溶洞类型进行灌砂试验。

灌砂试验中，灌入量不足1m3。换试验点试验后结果依旧失败。溶洞灌砂法预处理方法不可行。

5.2 泵送砂浆试验

在进行灌砂法试验不成功以后，项目继续对洞高较大的半、无充填溶洞进行泵送水泥砂浆法预处理。为了增加试验的成功几率，试验选用了流动性较大的M10砂浆俗称“润管砂浆”。

泵送砂浆试验

此次泵送砂浆试验中：对一个洞高为3m的无充填溶洞仅泵送了1.5m3水泥砂浆后，便开始出现地面翻浆、无法继续灌浆。换试验点试验后结果仍不能达到预期效果。

5.3 泵送水泥浆

经过多次进行灌砂法、泵送水泥砂浆法试验的经验总结。我单位最终选用了灌注水泥砂浆的方法进行溶洞预处理。水泥浆水灰比为先注浆时先稀（水灰比0.8～1.0）、后浓（水灰比 0.5～0.6）。

5.4 双液浆配合比试验

由于项目地处岩溶强发育的溶洞地带，在进行水泥浆注浆的过程中，可能会出现灌注的素水泥浆方量不可控的情况。在单孔素水泥浆灌注到20m3时开始加入水玻璃进行封堵。在通过现场多种配合比试验以后，最终确定水玻璃与素水泥浆的配合比为双液浆的最佳配合比（体积比）为水玻璃（16波美度）∶水泥浆（水灰比为0.7）等于1∶14。

配合比调试过程

6 施工过程控制

6.1 布孔形式

对需要进行注水泥浆预处理溶洞采用花管注浆，花管的分布形式如下图。

6.2 机械选择

钻机采用XY-100型钻机，注浆孔用110～150mm钻头泥浆护壁钻进，一边施工一边根据芯样判定溶洞变化趋势，并且做好钻孔施工记录。

6.3 花管安装

钻孔后安装花管，导管进入溶洞底以上0.3～0.5m或进入溶洞顶板以下0.3～0.5m，并高出地表面约50cm，防止导管掉入孔内，在地面上用管卡卡住竖向注浆管，并将管口与地泵输送管连接。

6.4 注浆压力

注浆材料为素水泥浆，水泥采用R32.5普通硅酸盐水泥，注浆时先稀（水灰比0.8～1.0）、后浓（水灰比0.5～0.6），以浓浆为主，注浆压力 0.5MPa，直至灌注至注浆压力，稳压30min。

6.5 双液浆注浆要求

注浆管地面接头采用双进单出口形式接头，单液注浆时关掉其中一个接头开关，双液注浆时则2个打开。注浆压力2.0～3.0MPa，双液注浆时2个接头注浆压力一致，达到注浆压力时，关掉水玻璃接头开关，改成单液注素水泥浆，稳压30min。

7 溶洞预处理效果

通过溶洞预处理效果检测，从已经经过预处理的桩位抽取5%进行钻芯检测，通过检测芯样显示，原有溶洞空腔已被填充物填充，采芯率达到85%，预处理施工效果明显。

项目通过先进行了溶洞预处理，然后进行工程桩施工，经过预处理的工程桩施工记录，施工过程中避免了溶洞漏浆的情况，并且工程桩充盈系数明显降低。

8 总结

项目通过对溶洞进行了溶洞预处理，进行了溶洞空腔填充以及溶洞缝隙封堵，避免了溶洞漏浆塌孔的安全质量隐患。注浆孔/灌注孔设置在桩身范围内，目的为加强桩身的注浆效果，为工程桩施工过程中的泥浆护壁形成可靠的保障。对注浆/灌注方量的控制，以及注浆时间的间隔控制，有效减少注浆/灌注材料的流失，使施工成本可控。