岩溶发育区域钻孔灌注桩施工案例分析

郭礼士

(湖北煤炭地质局，武汉 430070)

0 引言

某高层住宅项目位于湖北省武汉市洪山区板桥村南李路东侧,紧临京广铁路,为4栋27层至34F高层住宅。由于场地上部存在深厚湖积相软土，因此采用的基础型式为钻孔灌注桩，桩端持力层为白垩-古近系中风化泥质粉砂岩、砾岩及二叠系栖霞灰岩。其中，白垩-古近系砾岩及二叠系栖霞灰岩为可溶岩，岩溶发育。工程桩基施工过程中，由于岩溶影响，工程桩普遍出现超灌现象，部分工程桩开挖后，桩头下降明显，出现较多需要接桩的现象，费时费力，因此，特针对场区岩溶发育特点进行钻孔灌注桩施工工艺分析，为类似工程施工提供依据。

1 场地地质及工程地质条件

1.1 地层

场地位于武汉长江三级阶地低洼湖区，场区地层如表1所示。

1.2 地下水

该场地地下水类型有三类：其一为上层滞水，其下各黏性土层为相对隔水层；其二为孔隙承压水；其三为基岩破碎带裂隙水及岩溶裂隙水。类型二及类型三地下水均为承压水，且两层地下水存在密切的水力联系。

1)上层滞水。赋存于(1)中，下部黏性土层为隔水层。补给来源为大气降水、巡司河地表水及生活用水，水量较小，勘探结束后统一测量的钻孔稳定水位埋深为0.30～1.70m，高程在18.64～20.85 m，无统一自由水面，对基坑或基槽开挖有一定的影响。

2)孔隙承压水。赋存于(6)中，与长江有水力联系，其水位受长江水位变化情况影响，水量丰富。

表1 场地地层特征

本次勘察期间，在8#钻孔测得承压水水位埋深为8.5m，水位绝对值标高为11.98m。根据区域长观孔资料，本场区孔隙承压水水位变化幅度为3.0～4.0m。孔隙承压水与上层滞水之间由于有黏性土阻隔而无水力联系。

3)基岩裂隙水。主要存在K-E泥质粉砂岩层、K-E砾岩层及二叠系栖霞灰岩裂隙及可溶的砾岩及灰岩溶隙、溶洞之中，勘探期间未测得该层地下水水位。由于该层地下水与孔隙承压水有密切水力联系，因此，两层地下水具有相同的变化特征。

1.3 岩溶发育特征

本场地基岩中可溶岩有两个层位，分别为(9)砾岩及(10)灰岩。施工勘察发现场地岩溶发育层位为白垩至古近系砾岩(K-E)及二叠系栖霞组灰岩(P1q)，全场区共发现溶洞143个，它们分别存在于134个勘探孔之中。整个场区可溶岩分布区勘探点共510个，岩溶见洞率为26.3%，为中等发育。它们主要分布于灰岩表层，洞顶岩层有灰岩、砾岩、强风化泥质粉砂岩等，有的溶洞直接与粉质黏土及细砂含砾卵石层接触。这些溶洞大部分被黏性土及碎石充填，局部存在空洞。其他区段灰岩表面较碎碎，存在溶沟、溶槽。钻进时钻井液有大量漏失现象。

场区内溶洞洞顶高度为0.5～15.9m，其中，0.5≤洞高≤3m的小型溶洞有66个，3m<洞高≤5m的溶洞有19个，洞高>5m的大溶洞有56个，溶洞洞顶标高在-23.04～3.50m，洞底标高在-29.67～-6.62m。整个场区溶洞分布情况及溶洞大小见图1、图2。

从图1、图2可以看出，场区内岩溶主要分布于西半部，岩溶发育呈北东-南西走向展布。整个场区岩溶发育规律为北部溶洞分布的深度较浅，南部岩溶发育的深度较深，这说明，砾岩及灰岩中的岩溶水有从北部向南部运移的规律性。经分析，岩溶水主运移方向可能为DK559→DK401→DK543→2-49→2-24→2-29→2-11→DK258→DK204→DK203→DK175→DK148→DK079→3-26→3-43，其余方向的岩溶水向这个主通道上汇集，从而流出场区。岩溶则随着流水的方向发育，大的溶洞主要集中在这个通道上。

从岩溶的洞顶高度来看，场区的中部及南部岩溶洞顶高度较大，而北侧岩溶洞顶高度较小。

2 桩基设计与施工2.1 桩基设计及质量要求

由于场地上部为深厚软土，并且拟建物均为高层建筑，结构荷载大，结构对基础变形敏感，因此，需将基础持力层置于稳定基岩之上。根据场区地层特点和拟建物荷载特点，拟建物采用桩基础型式，选择稳定灰岩层为嵌岩桩桩端持力层，桩型采用φ800mm钻孔灌注桩。

根据武汉市建筑经验，岩溶区域采用冲击钻机，成孔速度较快，桩身质量有保证，因此，采用钻孔灌注桩成桩不存在困难， 因此技术上是可行的。钻孔灌注桩不受地层控制，可以穿过上部地层，进入岩层。

图1 溶洞洞顶板埋深等值线Figure 1 Karst cave roof buried depth isogram

图2 溶洞洞顶高度等值线Figure 2 Karst cave height isogram

场地内可溶岩分布区域，发育有溶洞，这些溶洞有的被软塑状态黏性土及少量碎石充填，有的为空洞，这种有溶洞分布的桩位，应优先选用冲击钻机成孔。采用冲击钻机成孔时，可能出现需要采用黏土、块石、水泥多次回填复打才能成孔的现象。另外，也可能出现成孔时能顺利成孔或者是多次回填复打成孔，但灌注过程中出现砼击穿孔壁而大量漏失的现象。对于这种灌注时出现的孔壁被击穿的现象，灌注时应注意观测砼面变化情况，保证导管在砼中的埋置深度，以防出现砼面迅速下降，桩身中混入泥土出现断桩事故。对于深大的溶洞，也可采用回填复打造壁+钢护筒方式成孔。对于溶洞分布密集的区域，尤其是大溶洞区域，建议对土层先进行注浆处理，固化松散地层，防止出现地面塌陷现象。

根据场地地质条件及施工经验，采用钻孔灌注桩时，施工时应注意：

1)钻孔灌注桩宜采用桩长及进入持力层深度双控的原则。

2)场地局部软土层较厚，钻孔灌注桩施工时应采用针对措施防止缩孔缩径。

3)岩溶区，尤其是岩溶地下水径流带附近，桩基施工时应注意加大混凝土超灌高度，以防止灌注后出现混凝土流失而造成桩头质量缺陷。

2.2 施工过程

桩基施工过程中出现相邻溶洞串通、泥浆大量漏失的现象。钻孔灌注桩反复回填碎石、黏土、水泥，反复造壁，易出现孔壁塌坍现象，进而造成一定范围的地面塌陷。为防止出现岩溶塌陷事故，危及设备及人员安全，施工中采用如下的溶洞处理措施。

1)块石黏土水泥筑壁法。冲击钻机成孔时，待揭露溶洞后，向桩孔内回填块石、黏土及水泥，回填高度高出溶洞10～15m，再冲击复打，块石黏土形成较坚实的孔壁，以减少砼的超灌量。如果一次回填后溶洞还是存在漏浆现象，则多次重复上述过程，直至泥浆不再渗漏，造孔成功。此方法的优点是较便宜，缺点是灌注时容易出现因灌注砼压力大而将回填的土体挤向旁侧溶洞而造成砼超方的问题。冲击成孔时注意密切关注孔内泥浆水头高度，当水头高度不能保持时，应多次进行回填、冲击，直至不再漏浆为止。

对于砼灌注过程中出现灌注液态砼压穿孔壁，砼面陡然下降时，不停止灌注，一直补灌混凝土，直至砼面不再下降，完成灌注后，随时关注砼面情况。

所有溶洞桩出现漏浆现象时,均先采用此方法成孔,浆液不渗漏、孔壁不垮塌时，才可吊放钢筋笼及导管进行灌注。

2)砼直接灌注。对于溶洞洞体高度较小(小于1m)，且超前钻过程中未出现循环液大量漏失现象的，冲击成孔过程中也未出现循环液大量漏失的，直接采用砼灌注方式。

3)钢护筒跟进法。当溶洞洞体高度较大，且填充情况不好时，无充填物或流塑充填物，漏水很严重，采取片石加黏土反复冲打，仍然无法形成泥石护壁的，则采取钢护筒跟进法施工。该方法就是一面冲孔，一面接高护筒，并且将其震动下沉至已钻成的孔内，以隔断溶洞内流塑充填物或水的活动。此方法需与块石、黏土、水泥回填复打造壁结合使用。洞高大于5m，且无填充溶洞、半填冲溶洞或溶洞上方有较厚的沙砾层时，回填块石黏土反复冲击造壁不成功的情况下，才考虑采用该种处理方法。本工程仅1根桩采用钢护筒护壁成孔。

①钢护筒的选择。钢护筒长度和内径的确定：护筒长度L=(h+H)。(h为超前钻确定的溶洞高度，H为溶洞顶到地面加30 cm的高度)。单层护筒内径大于桩直径10cm，多层护筒最内层护筒内径大于桩直径10cm，其外面一层护筒内径大于内层护筒外径10cm，并以此类推。钢护筒要有一定的刚度，单个大溶洞用单层护筒，两个大溶洞的用双层护筒，并以此类推。

②内护筒的沉放。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，说明顶部已成孔并且圆滑垂直的，此时用钢丝绳活扣绑住内护筒，用吊机(或桩机自生质量)把内护筒放入外护筒内沉至孔底，必要时用振动锤下沉。

用冲击钻成孔钢护筒跟进法施工时，施工中应充分利用冲击钻的扩孔性能，使钢护筒能顺利下沉。钻头直径大于钢护筒外径3～5cm，护筒到位后钻头改为满足成孔要求的钻头直径。

如果冲击钻在坚硬岩石中的扩孔系数较小，不能满足钢护筒下沉要求的，回填并加大钻头直径二次冲孔，以保证钢护筒顺利下沉。

4)注浆法。对于施工勘查超前钻发现的溶洞密集发育区，尤其是大溶洞密集发育区，工勘钻机采用1m×1m，孔径110mm的钻孔，下放注浆管，并将孔口密封，对灰岩、砾岩表面及上部松散溶沟溶槽及溶洞内进行注浆加固，以解决桩基施工过程中可能出现的孔壁大范围垮塌，进而引起地面塌陷的可能。

溶洞注浆压力不宜太大，控制在0.5～1.0MPa，具体压力值现场试验。注浆速度为15～20L/min，其目的是使浆液渗透到填充物内，然后固结。注浆时注浆管必须插入填充物底部，然后边注浆边缓慢上提，提管速度不宜太快，根据注浆速度确定，应是渗透半径控制在允许范围内。

对于桩基施工过程中已经出现地面塌陷的桩孔，由于其周边区域土体已经松散，土体抗剪强度下降，再次进行冲击钻施工之前，应先对松散土体进行加固处理，处理措施可以选用粉喷桩、高压注浆、换填等处理方式。优先选择注浆法进行处理，一是可以处理下部溶洞注浆问题，二是可以把上部松散土体进行加固。待土体强度上来后，再进行冲击钻施工。注浆孔成孔后，把注浆管下至孔内，孔口用水泥密封，向孔内以0.5～1.0MPa压力注浆，直至地面冒浆停注。如果要注桩孔，则需将橡皮球下至基岩面附近，只注基岩层面以下，而上部土层部分不注浆，以防后期桩施工难度增大。

对于存在洞高较大的溶洞强烈发育的区域，进行冲击钻施工前，先对存在大溶洞的桩孔周边用XY-100型工勘钻机施工钻孔，向钻孔内注入水灰比0.6的纯水泥浆，一是填注溶洞，二是加固松散土体，待水泥浆固化后再进行冲击钻施工。

本次注浆加固主要层位为(6)细砂夹卵砾石、(7)粉质黏土、(9)砾岩及(10)灰岩表面溶沟溶槽。

5)合理安排施工顺序。先施工溶洞小的区域，再施工有支撑的串珠状溶洞区域，最后施工大溶洞区域。每个区域内溶洞桩，按洞小于1、1～3、3～5m、大于5m这样的顺序安排每个区域内桩基施工顺序。

前述岩溶水运移的主通道上的桩最后施工，而先施工主通道旁边的桩。

洞顶高度小于1m的桩，在桩顶可以顺利成孔或者是回填复打成孔成功的前提下，可直接灌注混凝土。为防止砼缓慢漏失，在请示建设方同意后，洞高小于1m的砼超灌量至少控制在2m3以上。

洞顶高度1～3m的桩及洞顶高度大于3m的桩，可能出现多次回填复打的情况，若是能顺利成孔，在钢筋笼及导管均下放成功的情况下，可开始混凝土浇注，砼灌注过程中，若出现砼大量漏失，砼面迅速下降情况时，这时，应继续持续不断的加大砼灌注量，直至砼面稳定上升，为防止出现砼初凝前砼面缓慢漏失，砼灌注时大溶洞及砼大量漏失的桩位砼应灌至地面。

6)溶洞集中区域注浆加固。从场区内溶洞分布情况来看，至少存在两个溶洞洞顶高度大，且溶洞密集发育的区域，它们分别分布于2号楼西部及2号楼与3号楼之间地库区域。这两个区域，溶洞洞高大于7.5m，最大溶洞洞高达15.9m。超前钻显示，这两片区域，砾岩之上虽有的分布有强风化或全风化泥质砂岩，但由于其风化程度较高，岩体呈半岩半土状，其上分布有厚度不一的细砂夹卵砾石层，当钻孔灌注桩施工时，钻井液将下部的大溶洞洗空，上边这些散体状土层会向溶洞内垮塌，随着垮塌范围的逐渐增大，垮塌的范围也向地面发展，进而引起桩孔甚至是地面垮塌。现场施工中2-68、2-25等桩孔均发生此种情况。虽回填片石、黏土、水泥，但由于下部土层本身的不稳定性，桩孔均几次垮塌，无法成孔，鉴于这种情况，对这种溶洞洞高大，溶洞密集的区域，在桩施工前，先对上部松散土体及溶洞内进行注浆加固，以防止出现松散土体涌入溶洞，进而引起桩孔垮塌、地面沉陷的事故。

对于其他区域洞顶高度大于3m的桩，为防止出现多次回填块石、黏土、水泥造壁不成功而垮孔的现象，进而发生地面塌陷的可能，桩基施工前先对这些区域周边土层进行注浆加固处理。

3 施工效果

从桩基检测结果来看，本场地共施工970根工程桩，其中Ⅰ类桩929根，占96%，Ⅱ类桩41根，占4%，施工质量满足规范及设计要求。

另外，本工程有一小部分桩孔(仅10根，位于岩溶地下水径流带旁边)，成桩过程中，未出现泥浆漏失等现象，但由于灰岩、砾岩表面存在溶沟溶槽，桩基开挖后，出现了桩头不同程度的下降现象。有的桩孔下降深度大于5m，给后续的工作造成较大的麻烦。经查，这些出现桩头下降的桩孔，多是存在洞高0.10～0.20m的溶沟、溶槽的桩位，由于成桩过程未出现泥浆漏失现象，因此未采用块石黏土水泥筑壁法施工,砼灌注后，2h观察砼面未见下降，但砼未初凝前，桩孔内砼在自重作用下，向溶沟、溶槽内缓慢漏失，从而出现桩头下降的现象。因此，桩基施工时，对于存在溶沟溶槽的桩位，应尽量采用块石黏土水泥等筑壁法施工，砼适当超灌，并且砼灌注后，应加强砼面观察，必要时及时补注砼。

4 结论及建议

灰岩岩溶强烈发育区，采用冲击成孔结合块石黏土水泥筑壁法施工，是最为稳妥的施工工艺。对于密集的岩溶发育区域，若上部存在软弱土层或者是松散土层的，桩基施工前，应考虑对上部土体进行注浆加固处理，以保证场地及施工安全。岩溶区域小溶洞发育的桩，即使是成孔过程中未出现泥浆大量漏失的现象，混凝土灌注时，应加大混凝土超灌高度，必要时，超灌至地面，以防出现本工程中类侧桩头下降而造成后期接桩困难。

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