岩溶地区工程勘察技术及地基加固措施

史华良

摘 要：以西南某省会A102勘探区为工程背景，提出采用钻探方式进行工程勘察，分析钻探施工过程中的常见问题，并提出应对措施。此外，依据钻探成果构建勘察区内基岩（灰岩）层三维地质模型，提出地基加固措施。

关键词：岩溶;钻探技术;工程勘察;地基加固

中图分类号：TU47文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）11-0086-03

Research on Engineering Investigation Technology and

Foundation Reinforcement Measures in Karst Area

SHI Hualiang

（Guangdong China Coal Jiangnan Engineering Survey and Design Co.， Ltd.，Guangzhou Guangdong 510440）

Abstract： The article takes the A102 exploration area of a certain southwestern provincial capital as the engineering background， proposes the use of drilling methods for engineering surveys， analyzes common problems in the drilling construction process， and proposes countermeasures. Based on drilling results， a three-dimensional geological model of the bedrock （limestone） layer in the survey area was constructed， and foundation reinforcement measures were proposed.

Keywords： karst;drilling technology;engineering survey;foundation reinforcement

西南地區如贵州等为典型的喀斯特（岩溶）地貌，岩溶发育区容易给构筑物稳定性造成一定影响，因此对地基处理工作提出了更高要求。众多的科研学者对岩溶地区工程勘察以及地基加固技术等展开研究。莫春峰对崇靖高速岩溶发育地区地基处理、施工质量控制技术进行探讨，提出针对性的措施，有效降低了岩溶对高速路基施工的影响，取得了较好的现场应用成果[1]。宗俊秀提出岩溶地区岩石面起伏较大是导致勘察难度较高的主要原因，并提出依据现场实际情况使用对应的勘察方法、地基处理方法[2]。卢功臣等将地理信息系统（Geographic Information System，GIS）应用于岩溶发育区工程勘察，并通过构建勘察区数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），结合工程地质、灾害评价方法等，分析水库库坝区地质调查测绘，有效提高了工程勘察效率和工作质量[3]。周延国等将工程地质分析方法与“3S”技术相结合，对云南新庄水库库坝区岩溶现象进行地质遥感解译分析，构建了三维动态数据库，为后续的工程地质勘察等工作开展提供了基础数据支持[4]。本文对岩溶发育地区常用勘察技术展开分析，并针对地基处理问题提出加固措施，以期为岩溶发育区勘察和地基处理工作的高效开展提供参考。

1 岩溶发育区地质概况

A102勘探区位于西南某省份省会，探测面积为3.6×104 m2，包括12栋高层住宅和连片地下车库等。构筑物结构为框支剪力墙，单柱最大载荷为1 320 kN。勘探区整体位于一单斜构造发育区，附近无断层发育，出露地层为中厚岩层，倾角10°。探测区域从上到下的地层依次为素填土层、红黏土层和基岩层等。

1.1 素填土层

该层厚度为0.5～8.6 m，主要成分为黏土，夹杂有少量碎石块、建筑垃圾等，力学强度低、结构松散且厚度变化较大。

1.2 红黏土层

该层分布在整个勘探区。红黏土颜色呈褐黄色，土质细腻均匀，局部夹杂有风化石块。根据该黏土层形态，可将其细分为软塑、可塑以及硬塑等单元层，厚度分别为0.3～11.2 m、0.4～11.7 m以及0.5～10.3 m。

1.3 基岩层

该层岩性以灰岩为主，节理、裂隙发育，基岩面有较大起伏。根据岩层风化程度，可将其分为强风化和中风化两个单元层。强风化层分布不连续，厚度变化较大，钻孔在此岩层中钻进时进尺较快，岩芯呈砂砾状、碎块状。中风化层分布在整个勘探区，较为坚硬，钻孔岩芯以柱状为主，仅个别岩芯呈碎块状或者块状。

勘探区域内地下水以地四系松散层孔隙水和岩溶裂隙水为主。地四系松散层孔隙水分布不均匀，补给水源为地表水，受季节降水等影响较大。岩溶裂隙水主要在灰岩裂隙中，富水性中等-丰富。富水性与岩溶裂隙发育密切相关，水位、水量等与岩溶裂隙发育、季节降水等有密切关联。现场抽水试验发现，勘察区内基岩岩溶裂隙水含水层渗透系数为0.9～1.3 m/d。

2 岩溶发育区工程勘察技术

岩溶发育区工程勘察的主要目的是探明岩溶溶洞、洞穴、裂隙等对施工的构筑物地基的稳定性影响，岩溶规模、发育特征以及展布情况，地下水与岩溶间的水力联系以及地下水补给情况。现阶段常用的探测技术包括现场调查、物探以及钻探等[5]。由于勘察区分布范围相对较小，提出使用钻探方式进行勘察。现场布置的勘察线间距为20～50 m，并将根据勘察结果进一步增加探测密度。

2.1 勘察施工技术以及施工问题处理方法

现场施工采用GXY-1型工程勘察钻机。该钻机具有性能可靠、钻进效率高以及操作方便等优点。施工的钻孔在勘察期间出现了漏浆、垮孔、卡钻和埋钻、穿越多层溶洞、地表塌陷以及岩芯采取率低等问题。下面将针对勘察钻孔施工期间存在的问题进行分析，并提出对应的解决办法。

2.1.1 钻孔漏浆。漏浆是岩溶发育区内勘察钻孔施工常见的问题。岩溶发育区内岩层裂隙发育较为完整，当钻孔钻进至岩溶通道或者较大溶洞时，钻探泥浆快速流出，导致孔口常出现无法正常返浆的问题，或者孔底岩块或者岩粉等无法正常随浆液返至地面，严重时会发生烧钻、埋钻等事故。

在勘察钻孔施工过程中，漏浆产生的原因有岩溶裂隙漏浆和溶洞漏浆两种。针对岩溶漏浆问题，可通过在钻孔内投入黏土球，后用钻具扫孔、挤压等方式处理钻孔孔壁，实现封堵漏浆缝隙和护壁的功能。在勘察区，地表有较厚的覆土层，且岩性以红黏土为主，因此黏土球原材料获取方便。对于溶洞漏浆问题，依据溶洞大小采取不同的处理措施。体积较小时，可使用黏土球进行封堵;体积较大时，通过下放套管进行堵漏。

2.2.2 钻孔塌孔。在勘探区内有较厚的红黏土层，同时岩溶发育。红黏土中的软塑、可塑层抗干扰能力以及强度较低，在钻进影响下钻孔，孔壁稳定性差，容易塌孔。提钻后，钻头难以下放至原有钻进深度。根据勘探区地层特征，提出使用跟管钻进方法进行护壁，确保孔壁稳定。

2.2.3 钻孔卡钻。勘察区内基岩面有较大起伏，同时发育有大量的岩溶裂隙、溶洞以及溶沟等。在勘察区内，发育有深度超过20 m的竖向串联状溶洞。在现场钻进过程中出现卡钻的主要原因如下：探测区内基岩面有较大起伏且灰岩本身强度较高，钻孔钻进至灰岩岩面时极易沿着岩面钻进，难以垂直进入基岩层，导致发生卡钻事故;岩溶裂隙发育，岩体破碎但是强度较高，钻孔钻进时孔壁掉落的坚硬岩块容易导致卡钻事故发生;溶洞发育，洞口一般堆积有红黏土，洞底堆积有松散碎块，钻孔钻进至溶洞底部时，会因钻井液漏失严重、无法返排地面等引起溶洞充填物或者钻进产生的岩粉在孔底堆积，最终导致卡钻、埋钻等情况发生。

针对上述问题，可采取相关措施：在钻孔钻进至坚硬的灰岩时，可通过控制钻压、降低转速等方式钻进，待钻头进入坚硬灰岩后，再缓慢增加钻进速度和钻进压力;在钻进过程中，若遇到破碎带岩层，可向钻孔内投入黏土球进行护壁;当钻进穿越溶洞时容易出现埋钻、垮孔等现象，可使用跟管钻进方式钻进，将套管随钻下放至溶洞底部稳定岩层中，确保钻孔稳定。

2.2.4 穿越多个溶洞。勘察钻孔下放的套管一般仅到基岩（灰岩）面，且在勘察区内有深度超过20 m的竖向串联状溶洞。钻头钻进至溶洞顶板时，由于缺乏导向，再次下放钻具时不容易沿着原钻孔钻进，往往需要重新开孔，不仅增加了勘察成本，延长了工期，而且容易出现卡钻、埋钻事故。

针对上述问题，可采用变径钻进和下放多层套管的方式进行施工。首先，使用108 mm钻头钻进至基岩面200～300 mm的位置，并下放套管至基岩面;其次，更换为89 mm钻头钻进，当钻进过程中遇到溶洞时，钻进至溶洞底200～300 mm后方可上提钻具，取芯样后将芯样管作为套管进行导向、护壁;最后，使用73 mm钻头继续钻进施工。采用上述措施，可有效降低多个竖向串联状溶洞对勘察钻孔施工的影响。

2.2.5 岩芯取样率低。勘察区为岩溶发育区，地层岩溶裂隙发育、溶洞多，使用常规的单动单管取芯方式存在岩芯取样率低、质量不达标等问题。特别是取芯段有多层溶洞时，取芯困难问题尤为突出。此时，可通过改进取芯工艺来解决上述问题。钻孔钻进时减少回次进尺，使用单动双管钻具钻进。

2.2.6 地表塌陷。勘察钻孔在覆盖层厚度较薄、下伏基岩中含有体积较大的溶沟以及在溶洞位置施工时，受钻进泥浆冲刷和钻进引起振动等多重因素影響，钻孔内土层、红黏土等被钻井泥浆带走，引起地面塌陷问题。因此，在勘察钻孔钻进时，应将套管下放至基岩面，避免泥浆冲刷导致地面塌陷问题。同时，在勘察钻孔施工期间，应观察地表变形情况，当地表有塌陷征兆时，应立即停止钻进，待采取有关措施后，方可继续施工。

2.3 勘察结果分析

在勘察区内共计布置1 020个勘察钻孔，有352个勘察钻孔揭露有岩溶裂隙、溶洞，勘察钻孔见洞隙率达到34.5%。其中，在12#地块钻探时勘察钻孔见洞隙率达到56.7%，且该地块属于强岩溶发育区。

总体来说，勘察区内岩溶形态以裂隙、溶洞为主。溶洞大部分被风化石充填，并胶结有黏土。钻孔钻进时揭露的溶洞多为单个，少数钻孔揭露2～4个串联溶洞，且揭露的溶洞发育高度多为1～3 m。具体勘察区内岩溶发育勘察结果，见表1。

3 勘察区地基加固措施

发育的溶洞、岩溶裂隙等对地基稳定性有较大影响，要进行针对性加固以满足地面构筑物施工需要。当溶洞洞口较小时，可采取挖除、垮盖以及回填等方式进行处理。当洞口较大时，可使用混凝土拱、板、梁等跨越过岩溶洞穴影响区。跨越过溶洞的构筑物基础，应在结构稳定且承载能力较强的基岩上。对于岩溶溶洞周边不稳定岩体，可采取混凝土喷浆、清除填堵等方式进行加固。对于发育规模较大的溶洞，可在溶洞下施工柱子，并将柱子基础嵌入稳定的基岩层3 m以内，用以支撑地面构筑物。

对于地基以上且由于地表水体引起的地基塌陷或者沉降等问题，应通过修筑排水沟改变地表径流方式减少地表水对地基的影响，并依据岩溶溶洞规模、位置等参数采用混凝土砂浆加固、清除等方式进行处理。对埋深较浅的溶洞，需清除溶洞内充填物，并使用碎石分层夯实重新充填溶洞。

4 结论

岩溶分布、发育具有不均匀性、隐蔽性特点，因此在岩溶发育区工程勘察工作较为复杂。钻探是工程勘察最常用的技术手段，在岩溶区施工勘察钻孔时易出现塌孔、卡钻以及漏浆等问题。本文分析勘察钻孔施工时出现问题的原因，并有针对性地提出应对措施，实现了勘察钻孔的高效钻进。

勘察钻进探测发现：A102勘察区内发育有442个溶洞，且溶洞发育高度一般在3 m以内;基岩层面变化较为明显，邻近勘察钻孔揭露基岩层间落差较大。

参考文献：

[1]莫春峰.浅埋岩溶地区复杂地质路基施工技术研究[J].江西建材，2021（4）：221-223.

[2]宗俊秀.岩溶地基岩土工程勘察方法及处理方式[J].住宅与房地产，2020（35）：139-140.

[3]卢功臣，张蕊.基于GIS技术的水库库坝区岩溶发育特征分析[J].水科学与工程技术，2020（6）：79-82.

[4]周延国，宋红克，吴国宏.基于3S技术的库区岩溶地质研究：以云南新庄水库为例[J].水利规划与设计，2020（12）：130-135.

[5]曾安怀，韦兴标.高压旋喷灌浆在岩溶软弱层加固处理中的应用[J].西部探矿工程，2021（5）：14-17.