旋挖钻孔桩施工过程中的溶洞处理

包长泰

中基发展建设工程有限责任公司 北京 101300

1 工程概况

1.1 基本情况

广西申龙新能源汽车生产项目（一期）位于南宁市邕宁区梁村大道南侧旁，腾鲤路东侧，仁信路西侧，良信路北侧，占地面积约0.7km2。项目包括总装车间、焊装车间等7个单位工程，设计基础形式为桩基础。单桩承载力特征值3000KN，桩端进入第4层微风化灰岩1.0m。实际桩长应结合现场情况应调整：桩端进入持力层深度1.0m,桩长不小于4.0m，桩底6.0m范围内不得存在溶洞。设计基础桩直径800mm，桩身混凝土强度等级C30。

1.2 现场情况

经过现场实地踏勘、打听：场地中部西北至东西向原为一贯穿场地狭长山包，山包两侧为宽约四五十米宽的沟渠，沟渠外围又满布山包，沟渠底为耕地水田或荒地，后经场平回填；场地西北角办公区域向东约50m，经场平开挖，中风化灰岩出露，部分区域为微风化灰岩；场地东侧泥质粉砂岩及角砾岩出露，孔隙水渗流外淌，形成小溪；场地南侧的二期区域可见剩余未场平山包及沟渠。

1.3 工程地质情况

根据勘察报告，场地内基岩上覆两层土层：第①层杂填土（Qml），由粘性土及块石、碎石组成，为新近堆填，分布较连续，部分地段缺失，厚度变化较大；第②层第四系残积层硬塑状粘土（Qel），干强度及韧性高，基岩面附近多为可塑状，局部软塑状。

下伏基岩由泥盆系榴江组（D3l）灰岩组成：第③层中风化灰岩（D3l），灰白色，中厚层状构造，闭合节理裂隙发育，岩较破碎；第④层微风化灰岩（D3l），灰白色，部分地段夹有泥质粉砂岩、角砾岩夹层，中厚层状构造，闭合节理裂隙发育，岩较完整，该层在整个场地内均有分布，分布较连续，厚度及起伏较大。

溶槽(洞)充填物：

黄褐色，主要为可塑～软塑状粘土组成，饱和，土芯易变形，土质均匀，干强度及韧性低。

1.4 水文地质情况

根据勘察报告显示：勘探期间已完成钻探孔在钻探深度范围内均遇见地下水，揭露的地下水赋存于各岩层风化残积土和不同风化程度的岩石里，属孔隙-裂隙型潜水，补给来源主要是地表渗流、大气降水和侧向迳流，排泄途径是地表蒸发与侧向迳流；勘察期间测得的地下水位埋深为0.50～9.60m，区域内水位变化较大。

2 问题的提出

经过现场旋挖钻机试钻孔及试灌桩，桩孔存在如下多种情况：(1)相邻桩孔同一岩层标高相差较大，有数米之多；

(2)偏钻、卡钻、掉杆时有发生；

(3)桩孔岩层夹有数米厚的软塑状粘土，钻斗扰动下极易液化，坍塌严重；

(4)钻斗捞出钻渣呈流塑状，其后的混凝土灌注体积远超桩孔的设计方量；

(5)钻进穿过中风化岩层后桩孔内坍塌严重，根本无法成孔，或已成孔，但在钢筋笼吊运期间孔内淤积达数米。

分析以上情况可知，场地内岩溶发育，溶隙、溶沟及溶洞较多，填充不密实，半填充现象较多，填充物易坍塌。岩溶发育可使周围作为基础持力层的岩土体强度及稳定性大为降低，引起基础失效乃至上部结构破坏，土颗粒亦随地下水搬运而流失，形成土洞，当土洞发育至一定规模时，在机械振动和真空吸蚀作用下，容易引发地面塌陷。由于这种地质构造的特殊性，在钻孔过程中很容易出现塌孔、串孔、斜孔、卡钻、地面沉陷等意外情况，在灌注过程中混凝土流失大、混凝土面突然下降导致导管悬空出现断桩等。因此在施工前，必须根据地质钻探揭示的地质情况，制定安全可靠的施工方案，方可进行溶洞处理。

3 技术准备

3.1 了解地层情况及溶洞情况

要了解地层及溶洞情况，超前钻需在原桩位中心实施地质钻探，通过钻探，解决以下两个方面：一方面要明确每个桩孔的地层结构，查明是否存在溶洞，竖直方向上溶洞存在几个，以及溶洞顶板及底板的埋深和厚度，以便于确定桩的钻孔深度；另一方面通过对同一区域（比如同一承台）各个桩孔溶洞情况进行对比，查明溶洞的分布情况。具体情况包括溶洞的深度、高度、联通程度以及填充情况和填充物的类型，以便于制定合理的处理方案。施工过程中应根据所掌握的准确的地质情况随时修订处理方案，防止各类质量安全事故的发生。

3.2 溶洞分类

溶洞可归纳分为以下几种情况：

(1)一般溶洞：泛指较小的溶洞，孤立无联通的溶洞。(2)大溶洞：是指大于3.0m的溶洞，最常见也是比较难处理的一类溶洞，包含无填充或半填充的较大溶洞、全部填充的较大溶洞以及深度较浅的大溶洞。(3)多层溶洞：溶洞层数较多，为垂直方向上呈现串珠状的溶洞。(4)联通溶洞：联通溶洞是指相邻的一个或者几个溶洞在某些部位是相互贯通的溶洞，钻孔过程中泥浆会突然流失，流到别的桩孔。

3.3 常见溶洞处理方法

(1)片石粘土筑壁法

溶洞内无充填或半充填，溶洞高度不太大，一般在3m以内，但存在严重漏水,护筒内水头高度不能保持时，可采用片石、粘土和水泥按1m：3m：0.75t比例，顺序为袋装水泥、袋装粘土、片石的方式回填冲击，用0.5～0.8m小冲程，不循环泥浆干打几分钟，使回填物充分密实，再加浆提高水头到正常高度，等水泥初凝具有一定强度，将漏浆处堵住后再使用小冲程继续钻进，形成人工泥石护壁。如此反复多次回填片石、粘土和 整包水泥，反复冲击直至形成泥石护壁并不再漏浆为止，这也是个比较成熟的施工方法，适用于冲击钻孔施工工艺中。

(2)常规处理法

对于一般的溶洞，不论溶洞充满或半充满，正常钻进，若发生泥浆流失情况，可在孔内投放碎石土和粘土块，然后利用钻斗适当搅动，即可阻止泥浆流失；若泥浆仍继续流失或流失过快，可在桩孔内投入足量的粘土块，直至粘土面高于溶洞顶板，保持孔内水头，将桩孔搁置数天，在泥浆触变及水压作用下粘土块定会将溶洞内的裂隙封堵，此后即可钻进成孔。这种溶洞处理方法操作较为便捷，并且经济成本较低，仅仅适用于一般小溶洞的处理。

(3)钢护筒跟进法

溶洞较大，单层或者多层溶洞成垂直穿珠状，洞内没有填充物或者是半填充的填充物，泥浆流失严重，会造成钻孔坍塌，可采用钢护筒跟进法，边钻孔边接高钢护筒，利用旋挖钻机动力头压盘压到下方溶洞底板，直至全面封堵整个溶洞。

若溶洞较浅，须将可将溶洞的顶板打穿，向钢护筒外围溶洞填充块石以及粘土，直至充满为确保施工设备安全及地面沉降发生坍塌。

(4)注浆固结法

溶洞层数较多，为串珠状，溶洞位置勘测准确，溶洞大于0.5m小于3m，溶洞填充物中有较厚的砂层或碎石，钻孔漏浆会引起塌方的情况下，可采用注浆固结法，预先压注水泥浆，待水泥浆压注工作完成24小时后开始钻进。压注时压力不宜大于0.4Mpa，直到稳定，或相邻桩孔冒浆为止。

(5)帷幕灌浆法

如果溶洞高度在8.0m或更大，一般要采用帷幕注浆法。通常要采用水泥砂浆进行单管注浆，注浆压力一般应控制在0.5—1.0Mpa范围内，帷幕的范围以桩中心以外5m，每隔一米提管一次，注浆孔间距为3—5m。

帷幕灌浆法在水坝等大型构筑物地下溶洞处理过程中经常使用，而钻孔桩等施工时很少利用此法进行溶洞处理，因其工艺复杂、成本过高。

4 实际处理方法

经对超前钻钻孔岩性及柱状图的对比、研究、统计发现：场地内溶洞数量较多，但溶洞较小，属于一般溶洞或较大溶洞的，实际填充物为饱和粘土或砂性粘土，土芯易碎，取土器难以正常取出孔外。溶洞填充状态为填充或半填充，串珠状溶洞及联通溶洞较多。

原因之二，旋挖钻机试钻孔和试桩情况，山包地带地下水基本上赋存于溶洞内，渗流缓慢，桩孔不易漏浆，溶洞填充物在旋挖钻机钻斗的扰动易向孔内坍塌。

施工方案的选择要保证安全和质量，同时要兼顾施工成本。鉴于以上两点，溶洞处理思路为：一般溶洞能成孔直接成孔，大溶洞及联通溶洞处理采用混凝土填充处理方法。

具体处理方法如下：

(1)对于小型及一般溶洞，不管垂直方向上溶洞数量，旋挖钻机在原桩位按正常钻孔工艺施工：岩层无法安设护筒直接钻进，土层埋设护筒，遇水后在孔内注入泥浆护壁钻进。在优质泥浆的护壁作用下钻孔一般不会产生坍塌，即使发生坍塌，坍塌幅度也较小，面对旋挖钻机高效率、大容量取土施工，完全可将桩孔内的坍塌土方清理干净。发生泥浆流失，投入粘土堵漏，流失严重时可完全回填桩孔，沉淀数日后继续成孔。成孔后不坍塌无沉淀物增加，视为正常桩孔，正常灌注水下混凝土成桩。

(2)对于大于3.0m，小于8.0m的大溶洞，根据超前钻资料，钻孔时调整钻孔速度，在泥浆护壁作用下缓慢钻进，穿透溶洞顶板后用捞砂钻斗将溶洞填充物缓慢打捞提出孔外。溶洞填充物清理过程中若发现大量坍塌，无法再继续清理时，停止清理，用导管法将C15混凝土灌注至溶洞内，直到充满溶洞并高出溶洞顶板0.5m。待溶洞内混凝土终凝达到3MPa左右的强度，利用旋挖钻机重复钻进，钻透混凝土→打捞溶洞填充物→灌注混凝土的工序多次进行处理，用素混凝土将溶洞填满为止。待最后一次的处理混凝土达到一定强度，旋挖钻机截齿钻进，成孔灌注桩身C30混凝土。成孔期间若出现泥浆流失情况，适当在桩孔内投入粘土，搅动、静置后在再钻进即可。

(3)对于联通溶洞和大于8.0m的大溶洞，例如总装车间7#孔，溶洞高度9.1m，也可使用混凝土填充法处理，特别注意之处在于钻孔时注意泥浆流失速度及流失范围，流失快说明联通性好，需在相邻桩孔钻孔同时处理，灌入C15混凝土同时进行封堵填充。

混凝土填充示意图如下：

联通溶洞及大溶洞的处理成本可能会稍稍过高，但考虑到混凝土填充法的优势，其成本在可接受范围内。

5 优势

(1)成本优势：从超前钻钻孔柱状图来看，场地内溶洞埋深较深，大部分位于10m至15m深度，少部分位于25m至30m深度，位于地表的极少数溶洞则在地表约5m厚的微风化岩层底部，例如总装车间62#桩。若采用钢护筒跟进法，需要的钢护筒会很长，更需要专业的特殊设备安放及拆除钢护筒，其成本会更高。若采用注浆法，溶洞填充物为饱和粘土，渗透固结效果不佳，浆液只会充满溶洞的中空部分，无法起到对饱和粘土的加固作用。存在联通溶洞的情况下浆液可能四处流淌，增加注浆量，导致成本升高。

(2)钻孔优势：无论岩层、土层，旋挖钻机钻孔一步到位，重复钻孔部分只有溶洞部分的C15混凝土，其余部分为正常钻孔。钻进过程中视溶洞填充物坍塌情况决定是否进行溶洞处理，不存在坍塌可直接向下钻进，成孔后灌注桩身混凝土。

6 溶洞钻孔桩施工事故预防

岩溶地区溶洞发育，地下情况复杂多变，超前钻钻探能揭露的只是地下的一部分，施工难免会发生事故，为了防患于未然，现对旋挖钻机常发生的卡钻、斜孔及埋钻事故提出预防措施。

(1)卡钻：旋挖钻机在钻透溶洞，钻至溶洞底部最容易发生卡钻的事故，此位置岩层倾斜度不定，岩层凹凸不平，岩层复杂，钻斗晃动，不进尺，想提出钻斗时又受顶板岩层影响。在此过程中出现卡钻现象时不能强行加大转速，不能强压钻进，要上下、左右范围内晃动钻都解除卡钻。或低速低压力左右缓慢转动钻头，利用钻斗边齿扩大孔径，向孔底方向拓展空间，空间大，自然能顺利脱困。

(2)斜孔：是指在穿透斜面岩层时钻孔没有达到预期的要求，对于斜孔现象最有效的预防方式是钻进时密切注意钻杆在孔内的居中情况。当斜孔现象发生时，利用钻斗在开始斜孔位置低压低转速上下扫孔，直至钻斗归正后方可钻。

(3)埋钻：超钻和坍塌会造成埋钻事故发生。溶洞填充物松软宜坍塌，钻进时要缓慢进尺，不能以钻压决定进尺，以防超钻被埋钻，或钻斗被抱死。若发生埋钻事故，只要钻斗能转动，通过反复缓慢转动钻斗，并实时提拔钻斗的方式可解除埋钻。

无论是卡钻、斜孔还是埋钻都是可以进行预防的，一旦发生不得强行高压高转速处理，否则可能会导致掉钻事故发生。

7 结语

岩溶地区地质条件复杂，钻孔地质资料不一定能完全揭示溶洞分布情况，因此，桩基施工过程中应安排有经验的作业人员，密切注意地质变化，及时掌握溶洞情况，争取及时处理。本工程利用现有机械设备，根据地层情况和溶洞情况，适当变换溶洞处理方法进行处理，即加快了施工进度，又节省施工成本，安全和质量得到了保证。但由于溶洞结构复杂性，混凝土填充法不能有效处理溶洞，此时需和常规处理方法协同处理方可解决问题。