岩溶地区桩基施工地面塌陷分析及处理

赖光东

（中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

岩溶是我国较为常见的一种不良地质，受地层岩性、区域构造和水文地质等影响，通常会伴随有溶槽、溶沟、土洞以及溶洞等现象。而这些现象往往也是房屋建筑桩基础施工过程中重要的不确定性因素，需要足够的工程经验及合理的方式方法去应对和处理，也是建筑工程五方责任主体相关人员所关注的重点内容。在城市化进程中，国内不少专家学者对岩溶产生地面塌陷的处理积累了不少的经验。本文结合工程经验，对岩溶地区桩基础施工遇到的地面塌陷等问题的影响因素、形成机制和防治措施进行综合阐述和分析，为以后遇到类似问题的工程技术人员提供参考。

1 地面塌陷的影响因素

1.1 地下水位下降

在人工成孔施工过程中，遇到地下水位较高时，一般采用抽排的方式处理地下水。但地下水的抽排改变了地下水的赋存条件，随着桩基础孔内的地下水位下降，其周围水力条件变化，地下水流速增加，从而水流对周围土体的冲刷和搬运能力也随之提高[1]。在水的潜蚀作用下，桩基础周围可能形成新的空腔，新的空腔与溶槽或者溶洞相连后，则会引发地面的塌陷。

1.2 爆破施工

在完整或较完整的岩溶地区，人工成孔灌注桩施工会采用爆破方式进行成孔施工。在爆破振动力作用下，岩溶裂隙会更加开放，地下水渗透性增强，潜蚀作用加强，同时振动也增加了土体的附加应力，打破土洞的应力平衡，从而引起塌孔或地面塌陷。

1.3 泥浆护壁施工

机械成孔通常会采用旋挖成孔或者冲孔的方式进行，为保证成孔质量，一般采用泥浆护壁或者钢护筒护壁。采用泥浆护壁的时候，如施工过程中控制不当，则会产生漏浆现象，类似抽排地下水的影响，泥浆漏浆同样会引起地下水的水力条件发生改变，泥浆下渗产生的较大水流冲击压力或者真空吸蚀会导致土洞坍塌，从而引起地面沉降或者塌陷[2]。

另外，在旋挖和冲击成孔的机械振动力的影响下，也加剧了地面的沉降或者塌陷速率。

2 地面塌陷的形成机制

2.1 自重作用

岩溶地区上覆土层在地下水的影响下，因水的上浮力影响，在没有桩基成孔施工的扰动作用时，岩土层中的土洞达到平衡状态。而桩基施工需要对地下水抽排，致使地下水位下降，浮力降低，土体自重荷载加大，打破了原有的土洞平衡，导致土洞顶板岩土体的自然下落，引起地面塌陷。

2.2 真空吸力作用

原位状态下的土洞一般有较好的密闭性。地下水位上升时，其内空腔气体受压，对空腔周围岩土体产生向外的压力，对于土洞的稳定性起到有利作用。地下水位下降时，土洞内空腔气体向外岩土体压力逐步降低，土洞形成了半真空或者真空状态。在外界气压作用下，土洞则会失去平衡和稳定状态，引发地面的塌陷。

另外，当桩基础穿越岩溶孔洞时，岩溶孔洞内的水头压力下降，而孔外地下水水头压力不变，此时便会在孔洞处形成较高的压力差，致使地下水穿过孔壁往孔洞流入，且形成较大的冲击水压力。泥浆因为自身密度大，流动速度大，即出现一定范围的真空负压力，导致地面形成塌陷。

2.3 潜蚀作用

桩基础人工成孔施工地下水位较高时，一般要考虑地下水的降排水，地下水降排水形成较为强烈的径流通道，且此类排水没有反滤层的控制，大量的原状土洞或溶洞中充填的流塑状土颗粒等在水被排出时被集中带走，扩大并通畅了岩溶区域的现状裂隙，并与岩溶原状土洞或空腔联通，引发地面塌陷。同时，岩溶孔洞与周围裂隙通道的打开形成了地下较大范围地下水的流通，地下水的往复循环流动范围越来越大，岩溶孔洞上层覆盖层即被侵蚀的程度越大，形成潜蚀效应，继而逐步发展成为新的土洞，从而引起地面沉降与地面塌陷。另外，在土层与基岩、溶洞、溶隙接触部位往往存在蠕曲状潜蚀通道，当地下水位在基岩界面处产生较大幅度波动或在上覆松散层中有垂向水流运动时，将加大潜蚀搬运能力，使溶洞充填物大量流失，在蠕曲状潜蚀通道的基础上逐渐形成雏形拱状隐伏土洞并不断向上扩展，当土洞上部士层自重压力接近土洞的极限抗压、抗剪强度时，在张应力作用下产生地面沉降或开裂[3]。当土层自重压力超过土洞体的极限抗剪强度时，应力环扩展到地面，拱形土洞崩落、凹陷，形成地面塌陷。

地下水位较低时，桩基础穿越砂土层、砂砾层等易透水性土层，护壁泥浆容易渗透进入此类地层，对其造成潜蚀效应，形成新的土洞，导致钻孔周围土体的抗剪强度降低，并在护壁泥浆的影响下，发生沉降或者剪切破坏，钻孔孔壁和土洞失稳破坏，形成地面塌陷。

2.4 振动作用

振动作用主要根据施工方式不同，主要有人工成孔施工时爆破作用产生的振动作用，以及机械成孔施工时的大型机械对岩土体的振动作用。

爆破振动作用使岩体产生松动破坏，节理裂隙宽度加大，地下水的流向路径被打通，地下水对岩土体的侵蚀作用加强。另外，爆破产生的冲击波使水流流速加大，地下水沿着增宽的岩体裂隙通道迅速流动，导致了土洞周围的岩土体产生剪切破坏，从而导致土洞失稳。随着溶洞中水气压力的快速消散，地下水快速回流，产生负压引起真空吸蚀作用，使土洞进一步破坏产生塌陷。在旋挖和冲击成孔机械振动的影响下，也加剧了地面的沉降或塌陷速率[4]。

2.5 渗流作用

处于高位状态时的地下水或者承压水从孔壁往钻孔内渗透，降低泥浆浓度，引发由孔壁渗透处自下而上的泥浆护壁效果的破坏，致使沿桩孔的地面塌陷。此外，岩溶承压含水层对钻孔内的补水也改变了岩溶孔洞内自身的承压水的状态，也是诱发地面塌陷的因素之一。

2.6 迁移作用

在软塑状或流塑状的土体中，桩基础成孔过程中，土体会由土洞区域向钻孔区域转移流动，原状土洞慢慢塌陷消失引发桩基础护壁破坏，进而导致地面沉降与塌陷。

3 勘察对防治地面塌陷的作用

勘察对岩溶区域的调查分析至关重要。在场地勘察施工时，应对场地地层岩性、地质构造的分布情况和特征、岩土物理力学性质、地下水的赋存条件、地下水的径流方向和大小、各岩土层之间的水力联系进行调查分析，具体调查土洞、溶洞、溶槽等不良地质条件的空间分布、填充情况、周围环境及埋藏条件以及下伏基岩的节理裂隙发育情况，持力层的承载力条件和特征，给设计单位和施工单位提供准确的地质资料，以便对土洞、溶洞、溶槽等不良地质条件的施工工艺和方法提前作出预判和提出预案。

4 地面塌陷的防治措施

4.1 合理调整施工工序

桩基础一般为跳孔施工，地下水位较高时，施工排水能够临时解决孔内水的问题，但在岩溶地区有诱发地面塌陷的风险，同时，对周边建筑物（构筑物）的地基也会产生不均匀沉降等不良影响，威胁到周边建筑物（构筑物）的地基整体稳定性和安全。桩基础施工之前应认真查阅场地勘察资料提供的地层数据、岩溶区域空间位置。对常规的桩基础施工工序结合勘察报告提供的岩溶区域和地下水赋存条件进行调整，对场区内受地下水影响较小和岩溶不发育情况的区域先施工，而后进行岩溶发育和地下水富藏区域的桩基础施工。

4.2 局部注浆处理

对于地下水埋深较浅的桩基础施工，结合勘察报告提供的地下水位高程，在出水口涌水量大或者含泥量高的情况下，说明岩溶裂隙水与该地层有较好的水力联系，可在已开挖的桩孔底部进行注浆施工（见图1），注浆深度控制在勘察报告提供的岩溶或土洞区域底部约2~3m处[5]。注浆材料可选用标号为M30的水泥净浆或水泥砂浆，注浆过程中出现漏浆严重时，可考虑掺入3‰左右的膨胀剂或者采用间歇性注浆，以保证注浆效果。必要时还可以考虑采用备用的大量水泥直接填充岩溶空隙和土洞空腔，使之完全充填，然后使用重锤击打，使得填充的水泥、原状的土体和水充分融合形成水泥土浆液，待水泥土浆液凝结达到一定强度后，桩孔周围形成稳定的水泥土护壁层，再进行该层深度以下的桩基础成孔施工。

图1 注浆施工示意图

4.3 合理优化泥浆配比

桩基础机械成孔时，结合场地地层条件和以往工程经验，对泥浆池的泥浆配比进行合理优化。一方面，控制泥浆所选用黏聚力程度高的黏土；另一方面，适当加入少量外加剂，比如：碱粉，氢氧化钠等，含量不超过4‰，调节泥浆的黏稠程度。降低松散地层透水性，防止孔内水向外扩散，保证护壁泥浆不产生或少产生漏浆现象，防止塌孔。如遇到成孔过程中护壁泥浆快速消失的情况时，可先在桩基础施工该处标高时，在现状桩底钻小孔延伸至溶洞或土洞的底部处，并重新调配泥浆，加大泥浆黏稠度，待泥浆浓度与土洞、溶洞平衡后再进行该处标高以下的桩基础成孔施工。

4.4 钢护筒跟进施工

针对岩溶发育地区的桩基础施工，还可以采用钢护筒成孔跟进至完整岩层的工艺[1]。首先，采用旋挖钻机引孔，孔径控制在比钢护筒直径大10cm，钻进至岩层1m处，在第一节钢护筒孔口处安装覆盖层限位设备，并固定在第一节钢护筒上。接入第二节覆盖层跟进第二节钢护筒，以此类推。覆盖层钢护筒及时跟进，可控制成孔过程中的塌孔以及诱发的孔周地面的塌陷和沉降。

4.5 黏土+碎石/片石填充处理

当遇岩溶空腔较大时，在桩基础成孔之前则须提前准备与岩溶空腔体积相当的黏土、碎石和片石等材料，用适当大小的编织袋装好。在成孔施工过程中，一旦发现孔内漏浆量突然增大时，向孔内投入事先准备好的袋装黏土、碎石和片石等材料，并采用重锤压入，使填充材料充分充填岩溶空腔。碎石和片石在填充材料中起到了骨架作用，而黏土颗粒小，可充分充填进碎石和片石的孔隙中。黏土本身有一定的粘结强度，可让孔壁有一定的自稳性。填充料不能一次充填完成时，可根据实际情况分层多次回填完成，每层高度可控制在1.5~2.0m，各层填充完成后均采用重锤挤压成型。反复进行上述填充过程，直至填充材料的高度应大于当前钻进孔底标高以上约0.5m。待填充处理完成后再进行桩基础施工该处标高以下的成孔施工。

4.6 混凝土填充处理

当遇地下水位较高，岩溶或土洞发育情况复杂不便采用黏土+碎石/片石填充处理时，在成孔施工至岩溶顶板后，不清底，直接用水下灌注商品混凝土的方式，对岩溶或土洞空腔进行填充处理，混凝土强度可为C15，灌注过程中及时关注灌注高度，使灌注混凝土向岩溶或土洞空腔周围尽量扩散充填，混凝土浇筑标高控制在当前钻进孔底标高以上约0.5m为宜。灌注混凝土达到一定强度后，灌注混凝土在桩孔四周形成周围围护，然后再进行桩基础施工该处标高以下的成孔施工。灌注混凝土能有效阻止溶洞内原状填充物或者其他不良性状土体进入孔内以及桩孔的泥浆漏浆。

5 结束语

总之，岩溶地区桩基础施工遇到的地面塌陷问题是桩基础施工时遇到的一种“特殊”现象，也是工程施工过程中的难点工程。桩基础施工引发的地面塌陷不仅与地下水赋存条件、岩溶发育条件、空间特征有关，更与现状桩基础施工工艺息息相关，桩基础人工成孔和机械成孔作业条件不同，对导致地面塌陷的成因、机制都各有不同。桩基础施工引发的地面塌陷的防治原则主要要严格控制勘察质量，多种勘察手段结合，探明地下水赋存条件以及溶洞或土洞等不良地质的发育情况和赋存特征。桩基础施工引发的地面塌陷的防治措施主要有六种：合理调整施工工序、局部注浆处理、合理优化泥浆配比、黏土+碎石/片石填充处理、钢护筒跟进施工以及混凝土填充处理等，实际施工中应结合场地实际条件合理选用治理措施，预防或者治理桩基础施工的地面塌陷问题。