大直径易塌地层岩溶区域钻孔桩处理方案

文｜广东省第一建筑工程有限公司 吴彪

一、引言

我国近年来建筑行业发展速度比较快，随着经济条件不断改善，大量工程项目上马，为国民经济提供了良好的工程建筑物质基础。由于我国地域辽阔，不同地区地理环境不一样，岩溶区域实施建筑工程项目作业技术难度大，现场施工环境比较复杂，不同岩层之间的土层变化极大，在某机场工程噪音区治理项目现场勘察中发现，岩溶分布比较广泛，地下土质砂层过厚，大片区域砂层之间可见岩，地下溶洞深度不一，具体位置要探测清楚难度大，溶洞互连互通甚至形成较大的复杂溶洞群。因此，在实施桩基础工程作业前采用深度不小于5m超前钻对地下溶洞大小、岩层分布、地下水情况等进行探查。

二、工程概况

某机场工程噪音区治理项目置区建设融资施工总承包（标段三）位于珠三角经济中心城市人口密集区，总建筑面积为415402.2m2，北区设置两层地下室，南区一层地下室，施工高层住宅为20栋27-31层，高度分别为83.1—91.8m，施工的塔楼实施钻(冲)孔灌注桩基础，塔楼范围以外（北区和南区的地下室部分）直接采用预应力高强混凝土管桩基础，其中：钻(冲)孔灌注桩1359条（含抗拔桩190条），预应力高强混凝土管桩5154条。钻(冲)孔灌注桩桩直径分别有：Ф800、Ф1000、Ф1200、Ф1400、Ф1600、Ф2000，桩端支承岩层为微风化岩。

三、场地岩土区域特点研究

项目地点位于广州城郊结合部，属于广州市的北郊，临近白云新国际机场、境内流溪河贯通全镇，水资源十分丰富。场地的主要地层按地质成因从上至下依次分为：上覆土层主要为第四系填土层；冲积-洪积层软塑状粉质粘土、粉细砂、中粗砂、可塑状粉质粘土、；冲洪积土层、可塑状粉质粘土和流塑～软塑状粉质粘土；灰岩风化岩带。

1.简述各土层情况：

（1）填土

填土：为素填土，填粉质粘土、碎石为主，土质不均匀，松散，稍湿。

（2）冲洪积层

软塑状粉质粘土：以粉粘粒为主，含较多粉细砂，湿，软塑为主，稍湿。

淤泥（质土）：以粉粘粒为主，含较多有机质及腐木，呈流～软塑状态为主，压缩性大。

中粗砂：以中粗砂为主，含较多细砂和粉砂，含少量砾砂。

（3）冲洪积层

可塑状粉质粘土：以粉粘粒为主，含较多粉细砂薄层，呈可塑状态为主，稍湿。

（4）岩层

根据钻探揭露，下伏基岩为石炭系石磴子组(C1ds)的灰岩，本次揭露到中风化层、微风化层，现简述如下：

1）中风化灰岩

岩芯破碎，呈块状～短柱状，有溶蚀现象。

2）微风化灰岩

厚层构造，岩质较硬。

3）断层破碎带

断层角砾岩：原岩为灰岩，破碎成角砾状，大小相混，原岩挤压成可塑土状，夹有少量碎块状原岩。

2.地下水类型

主要含水层为灰岩，灰岩区岩溶发育总体上强烈但不均匀，本场地揭示的岩溶发育在下伏岩层中，地下水与灰岩溶洞水互相连通，地下水水量比较大。地下水对混凝土结构腐蚀性评价具微腐蚀。

3.土洞

场地内岩溶强发育，主要发育有土洞、溶洞，岩溶发育情况分为两大区：Ⅰ区（溶蚀沟槽区）和Ⅱ区，其中Ⅰ区岩溶强发育，溶蚀基准面多在-15～-25m之间，以土洞、溶沟、溶洞为主，发生岩溶塌陷的可能性较大；Ⅱ区岩溶中等发育-强发育，溶蚀基准面多在-7～-15m之间，以溶沟、溶洞为主，溶洞在场地区域内广泛分布，分布不均。

4.岩面起伏

本场地岩面起伏较大，埋深从十几米到四十几米不等，起伏陡峭，有呈笋状或溶槽状等发育形态。如在北区地下室分界线区域，全长约240m，，最深和最浅岩面分别为ZK103和ZK108，对应37.7m和17.9m，岩面高差达20m。

按照建设单位提供勘察报告的地质资料，本场区场地地质条件复杂，溶洞强烈发育，微风化岩面起伏比较大，给桩地基基础施工带来较大难度。按建筑物之中A1栋最发育（见洞率为100%）、A16栋最不发育（见洞率11.9%），平均见洞隙率为40.1%。本场区岩溶主要为强发育（局部为中发育），存在大范围土洞、溶洞等岩溶现象，对施工产生极大影响，若处理不当，有造成地面沉陷和桩基陷落等事故的风险。在超前钻施工过程中，就发生过多起钻孔坍塌事件，如A19栋钻孔6-19-36号在钻探完成后发生坍塌，形成一个直径近10m，深3m的大坑（图1），在塌陷坑填埋后，旁6-19-24号钻孔钻探完成后亦发生坍塌，再次形成一个直径近10m，深3m的大坑，给现场桩基础施工带来了很大的安全隐患，施工过程中已出现7次危险性极大的塌陷事故，灌注桩在成孔过程中出现地面塌陷，钢护筒严重变形、沉陷和移位；部分桩在浇捣桩芯砼时出现地面塌陷及钢护筒变形偏位，给施工造成了较大的安全隐患。

四、不同溶洞处理的施工方法

按照超前钻报告建议，考虑本项目溶洞形状、尺寸、位置存在多样性，岩层强度不均匀性，溶洞填充情况复杂，本工程处理方案可根据实际情况选用：①采用注浆进行充填处理；②设置桩基穿越溶洞，桩端进入下部具有较大厚度的稳定基岩层。

1.普通型溶洞处理方法

通常普通型溶洞是指洞高度不超过3m的全填充软塑、可塑，填充粘土溶洞或者小于2m的无填充、半填充、全填充流塑溶洞，普通型溶洞易出现漏水漏浆的情况，情况严重也可能出现塌孔。出现漏水漏浆的情况可实施两种注浆方式，第一种是对溶洞顶端部位实施注浆，顶端加固后能防止溶洞穿孔不产生塌孔情形。第二种是对溶洞底部实施注浆，向孔内抛填片石及粘土混合物，利用冲锤冲击作用挤入桩孔周边溶洞间隙，从而起到护壁作用。根据溶洞规格大小分析判断本次溶洞处理的桩孔中，有117个桩孔属于普通溶洞需要注浆处理，按照处理的部位不同分别在溶洞顶部和底部进行注浆处理。

图1 超前钻在A19栋塌孔现场实况

（1）溶洞顶部注浆加固

顶部注浆钻孔深度要达到25m，注浆使用钢管直接钻孔一步到位成孔，钻孔时离桩边沿约50cm打孔，一次成孔后提升钻头再进行清孔作业，放入注浆导管距离到溶洞底部1.0m后灌入水泥砂浆等待凝固，待凝固后应用专用注浆设备实施注浆，一直注到符合设计和施工规范再停止注浆。

（2）片石加黏土造壁法

在进行冲孔过程中，溶洞很容易导致孔内部水头快速下降，孔内外部水头压力不断增大，因此需要事前准备好充足水源，对护筒内泥浆面的变化情况认真采取监测措施，一旦发现泥浆面快速下降时，说明正在发生大量漏浆情况，此时要立即进行加水并补浆，并把粘土和片石按大约1：1的比例往下方投4～6m，然后再重新开钻。作业过程专人监测钻桩孔四周土体是否发生大面积开裂情况，如在冲孔作业中发生塌孔情况，马上撤出现场人员和相关机械，等待四周土体稳定后再回填压实之后，重新在原来的桩位上进行二次冲成孔。

在开钻过程前，项目部设立专人跟踪观察施打桩位的地面土体情况，如发现桩位周边地面出现裂纹，立即报告现场安全管理人员，停止作业，尽快疏散人员，本项目设立专职观察土面裂纹人。揭露大溶洞时，当观察人员发现地面开裂下陷情况时，应立即停止作业，并向值班人员报告，待采取必要安全措施后，才能继续开工。

2.危险性大的溶洞处理方法

本处理方法主要用于大中型溶洞处理，洞高超过3m（包括串洞洞高累计超过3m的溶洞）的全填充软塑、可塑及填充粘土的溶洞以及洞高超过2m的无填充、半填充及全填充流塑状溶洞。本工程中有144个桩孔符合这类溶洞施工条件。采用钢护筒跟进+抛填法实施。护筒的重要作用是要保证钻孔的孔壁不发生塌孔情况，并对抛填物体提供安全的护壁条件。如实施三次抛填物体仍然无法控制漏浆时，为避免反复钻孔过程中剧烈震动发生塌孔的危险性，直接浇灌C20素混凝土进入孔内，继续浇灌直至素砼液面高出溶洞顶面约1m，待浇灌的C20素砼强度达到70%后，复冲成孔。

旋挖桩机预钻孔至溶洞岩面上约1米处停钻，然后埋设钢护筒跟进至溶洞岩面隔离上部土层及砂层的方法进行处理。

3.成片密集的溶洞处理方法

通常是指存在水平串洞、四周密集溶洞以及厚砂层直接入岩等复杂地质情况的溶洞，溶洞强发育区域。针对此类溶洞，可采取钢护筒跟进+抛填法或预处理法。

方案一：采用钢护筒跟进+抛填法（三次抛填无法止漏时采取C20素混凝土浇灌进行处理），做法同危险性大的溶洞处理方式。

方案二：采取预处理方式处理，分为：①压力注浆法，使用袖阀管注入水泥：粉煤灰：中砂：水=1:0.5:3.5:1的水泥砂浆，水泥砂浆具有低流淌性和速凝性，能否快速有效的进行溶洞填充，并快速凝结，有利于节省溶洞填灌材料。②压力注C20素混凝土法，注浆孔间距3.0×3.0m，注浆孔采用跳钻法且成梅花状分布，钻机引孔。

五、施工方法总结

加强对桩基础工程项目的前期勘察工作，必要时采取多种科学探查手段和先进的探测仪器，由于本工程处于城乡结合部，居住人员密集，给现场探测工作带来较大的困难。地表水对本工程建设影响较大。在超前钻孔及雨天机械行走过程中已多次出现地面塌陷现象，说明本场地浅层土层内存在有土洞，具体数量和位置不明。加上本项目桩径为大直径钻孔桩，单桩单孔也无法全部反映桩位的勘察资料，甚至部分处理方案出现塌孔后再采取应对措施，因此，施工前对桩位所处位置及溶洞大小实施反复探测，再采取有效应对措施是十分必要的，也是保证桩基础施工质量的重要前提。