在岩溶地质情况下溶洞桩施工技术探究

王 栋（上海建科工程项目管理有限公司， 上海 200032）

0 引 言

在工程建设中，桩基础采用较多，尤其是钻孔灌注桩比较常见。在地质复杂的区域进行桩基施工有时会遇到地下溶洞，而施工中一旦遇到溶洞，就会给桩基施工带来很大的不便，若处理不当，则给经济带来巨大损失，给施工安全埋下隐患。溶洞处理方法较多，常规的主要有：片石+黏土回填、低标号素混凝土回填、桩基跨越、原位注浆处理、全回转成桩等。下面，笔者针对这些处理方法进行综合分析。

1 工程概况

某技术大学建设项目，建筑面积 95.5 万 m2，总投资 80.8 亿元，是广东省和深圳市正在重点建设的一所公立应用型本科院校。地勘报告显示，本地块场地内有大量的溶洞和土洞，且有不良的发育现象，地质情况比较复杂。本文所涉及的是处于该项目区域内的健康与环境工程学院大楼，建筑面积 56 200 m2，地下 1 层，地上 7 层；基础类型是灌注桩+承台基础，桩数共 375 根，桩长最短 17 m、最长 45 m，桩径分别是 1 000 mm、 1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm 和 1 800 mm。超前钻探揭露的灰岩钻孔有 256 个，其中溶洞 94 个，包括土洞 2 个；线岩溶率 21.8%，见洞隙率 48%；有部分溶洞呈串珠状分布，并且相互贯通。根据 GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》第 6.6.2 条，该场内岩溶属强发育，地层分别是粉质黏土层、黏土层、微风化岩层，有的部位呈微风化岩层和溶洞层相间分布。

2 溶洞常规处理方法的对比

2.1 片石+黏土回填冲孔桩

（1）溶洞区域桩基施工应配备专职人员，观察机身是否倾斜，注意护筒里泥浆和岩样是否发生变化，记住资料和图纸中标注的溶洞位置。

（2）冲孔接近击穿溶洞顶部之前，尽量采用小的冲程，逐渐将洞顶部击穿，以防冲击锤被卡住。

（3）若泥浆的标高下沉，孔里的水面标高发生明显变化，泥浆的颜色和稠度发生变化，或者钻入速度明显加快且没有偏孔，则说明已经穿过溶洞的顶部进入溶洞里。

（4）现在需要迅速用功率大的泥浆泵进行补浆，且尽量提锤，以防锤头被埋和引起桩孔塌陷。

（5）若补充的泥浆稠度不够，则应及时添加适量黏土以提高泥浆密度，并控制泥浆黏度在 19 s～28 s 范围内。

（6）在装载机和大型挖掘机的共同配合下，及时将事先准备好的黏土和片石或者毛石以少量多次的方式抛入，抛入后的填充高度应超过溶洞的高度再加上 2 m。后续接着使用较小的冲程慢慢冲入，抛入的片石需要用冲锤击碎并挤入到溶洞内壁，以起到保护孔壁的作用。

（7）直到桩孔的泥浆面标高不再下降且保持正常，方可加大冲程进行冲钻；投入的片石和黏土因被冲击挤压而会堵死溶洞，使溶洞内的进尺较缓，否则还要继续少量多次地抛入片石或者毛石，且根据进尺速度确定投入量。

（8）待溶洞内漏浆现象全部消失，方可正常冲钻，反复如此操作，使冲钻顺利穿过溶洞。

（9）冲钻击穿溶洞顶和底部时，都要用钻锤将溶洞顶部和底部的桩孔周边修理圆滑，以防卡钻或者卡钢筋笼。

2.2 低标号素混凝土处理

对于无填充和半填充的溶洞上部岩层，若其具有足够厚度且能确保安全施工，则可以使用冲孔桩锤直接将其上部的岩层穿透，直接采用低标号混凝土（加上早强剂）灌入到溶洞的顶部并且高出 500 mm 以上，以确保溶洞处理密实。直到混凝土强度达到可以稳固的状态时，方可冲孔成桩。

2.3 桩基跨越

对于溶洞塌陷区范围内分布比较集中，地下岩溶处于强烈的发育区域，或者危险性和直径都是比较大的深埋洞体，若土层具有较好的稳定性，则可利用水泥浆分次分层地将洞体固化，以满足承载力要求，也可以直接对此处加大筏板（厚度设计另定），并且在需要的地方增加暗梁；对于土层稳定性较差的地方，除了使用水泥浆分次分层地将洞体固化以满足承载力要求以外，还要对此区域增加筏板的范围（厚度设计另定），并且还要在相应的地方考虑增加暗梁和工程桩以增强稳定性，从而在洞的侧面改变筏板形式和变动桩位，以跨越塌陷区或者溶洞地区。

2.4 全回转成桩法

全套管回转钻机比较适用于厚流砂地层、卵石和漂石地层、强缩劲地层、含溶洞地层的施工，以及多种桩基、钢筋混凝土等地下障碍物在没有清除情况下实现混凝土灌注桩、地下连续墙等的施工。钻机有强大的压入力和扭矩，可以有效地对岩层切削，并且套管自身就有护壁作用，无需再回填片石、石块或再下护筒进行保护，就可以成桩。目前，国内已有桩基施工深度超过 120 m。

2.5 原位注浆处理

若溶洞相对较多且呈串珠状，溶洞高度＜3 m 且＞0.5 m，勘测报告比较准确，土层内有厚砂层，漏浆后将会导致溶洞内塌方。在这种情况下，应采用原位注水泥浆。注浆时应将压力控制在小于或等于 0.4 MPa，并且等稳定 3 s 之后再施工下一个注浆孔，也可以待相邻注浆孔出现冒浆时停止。后续桩基钻孔施工需等待水泥浆完成 24 h 后开始。

3 溶洞处理方法的分析

（1）片石+黏土回填冲孔适合处理入岩深度较大的桩基，能适应所有的地质条件，施工成本相对较低，施工进展相对缓慢，可以采取相应措施，既不会影响项目的竣工时间，又能最大程度地降低桩孔坍塌隐患。

（2）低标号素混凝土处理方法较简单易操作，但溶洞的大小无法估量，并且存在贯通溶洞，经济上很难控制。

（3）桩基跨越成孔，可以通过设计计算，解决较大、较深的复杂地质条件，工期相对较短，安全性相对较高，费用也可以量化、相对可控。但是，经设计复核，无法满足受力的要求，与设计院沟通，不得考虑采用桩基跨越的方法成桩。若设计院能够通过计算满足受力要求，则优于片石+黏土回填和低标号混凝土处理。

（4）全回转成桩安全性能较高、噪声低、振动小，作业面较干净，钻探深度较大，有的土层可以达 120 m 以上；成孔质量相对好，直径偏差较小，充盈系数也较小，与其他成孔方法相比，可大量节约混凝土用量。但是，全回转成桩对场地条件要求较高，若钻机碰到微风化岩，则施工进度较慢，施工费用较高，且套管存在难以拔出的风险，大大增加成本。根据超前钻资料推算，出现溶洞的部位多集中分布，并且相邻超前钻显示，溶洞高度接近，在超过 6 m 深的大溶洞旁边都有大小不同的中小溶洞，底部互通，若采用全回转方法，则工期和费用都会增加。

（5）原桩位预注浆往往对砾黏土的处理有较明显的效果，现场溶洞内多数是塑性黏土，黏性较大，通过原桩位的分层定量多次注浆，使桩径周边 3 m～5 m 范围内的砾黏土固结，做到浇筑时上部黏土不回陷，能够确保桩身的质量。然而，注浆量难以确定，无法估算成本，因此本方案和全回转成桩都具有一定的局限性。

4 溶洞处理方案的选择

超前钻资料显示，按照揭露溶洞情况，整理分析认为，溶洞分为以下 4 个不同类型。A 型：小型溶洞，单个溶洞高度≤3.0 m；或串珠状的溶洞各层都较小，累加溶洞高度在 3.0 m 以下。B 型：中型溶洞，单个溶洞高度 ＞3 m 且 ≤6 m；或串珠桩的溶洞累加超过 3 m ，且不超过 6 m。C 型：大型溶洞，单个溶洞高度 ＞6 m，或单个溶洞高度 ＜6 m，但多个溶洞间距很小，其溶洞累加高度 ＞6 m。D 型：横向连通的成片溶洞区域。处理办法如表 1 所示。

表 1 溶洞处理方案选择表

5 冲孔桩方案的实施

冲孔桩施工采用的是泥浆护壁，冲击钻进后成桩，然后正循环清洗。泥浆采用正循环系统，该系统由出浆管、泥浆沉淀池、泥浆泵和进浆管组成。冲钻孔时要经常检测泥浆参数，及时调整循环泥浆指标。其工艺流程如图 1 所示。

图 1 冲孔桩施工工艺流程图

6 实施效果

健康与环境工程学院大楼总桩数为 354 根。其中，260根非溶洞桩无需处理，平均充盈系数为 1.40；94 根溶洞桩采取片石+黏土回填处理，平均充盈系数为 1.76。选取现场具有代表性的 11 根溶洞桩进行充盈系数统计分析，结果显示，最小充盈系数为 1.21，最大充盈系数为2.84，平均充盈系数为 1.77。据统计，所有溶洞桩混凝土设计方量共 3 343 m3，实际浇灌方量为 5 897 m3，充盈系数为 1.76；非溶洞桩设计方量共 9 461 m3，设计浇灌方量 13 224 m3，充盈系数为 1.40。分析结果，如表 2 所示。

对 94 根溶洞桩进行质量控制检测。其中，静载检测 9 根（抗拔检测 6 根、超声波检测 3 根）、超声波检测20根、抽芯检测 94 根，除了 1 根抽芯检测发现持力层处有溶洞需要处理以外，其余都检测合格；低应变检测 203 根， II 类桩 1 根，无 III 类桩。最终桩基检测结果评判为合格。

岩溶地区桩基施工相对困难，有的桩施工进度相对缓慢，单桩施工时长 4 d～33 d，完成 1 根桩平均需要 12.55 d，但由于现场组织施工比较合理，措施准备比较到位，应急预案和应急物资考虑比较充分，整个施工过程中施工比较正常，最终整个工程时间节点未受影响。

表 2 溶洞桩实施效果统计表

7 结 语

众所周知，溶洞存在隐蔽性强且大小高低不一的客观因素，但一般溶洞区的混凝土灌注桩施工还是有一定规律可循的。例如：在制定实施见洞率少、漏浆不太严重的桩基施工方案时，首先选择黏土（或添加少量的水泥）+片石回填法，其次选择低标号素混凝土回填法、长护筒或全护筒法和溶洞跨越法，最后选择注浆法；片石+黏土挤密法既可用于控制较小的充盈系数，又能反复多次回填挤密；对于横向连通的大片溶洞区域，可采用多措施相结合施工的处理办法；等等。