岩溶发育区旋挖成桩施工难点及应对措施

2022-12-22王英坡张萌萌

西部探矿工程 2022年10期

王英坡，张萌萌

（中煤地质集团有限公司，北京 100040）

在喀斯特地貌地区，岩溶发育程度差别较大，在岩溶中等发育地区，采用旋挖钻机进行桩基础施工虽然面临很多难点，但结合场地实际情况，采取相应措施后，还是能够完成灌注桩的施工，并能发挥旋挖钻机的优势，速度快、工艺成熟、设备多，质量可控的同时，节约工期和造价。

1 岩溶介绍

喀斯特（KARST）即岩溶，是水对可溶性岩石（碳酸盐岩、石膏、岩盐等）进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。由喀斯特作用所造成地貌，称喀斯特地貌（岩溶地貌）。岩溶地貌多种多样，桩基础施工中遇到的情况主要有溶洞、暗河、峰林地形、石笋残丘等。

喀斯特地貌可划分许多不同的类型。按出露条件分为：裸露型喀斯特、覆盖型喀斯特、埋藏型喀斯特[1]。

溶沟和石笋是由于地表水沿岩石表面流动，由溶蚀、侵蚀形成的许多凹槽称为溶沟。溶沟之间的突出部分叫石笋，石笋的形态表现多种多样，有山脊式、棋盘式和石林式。或裸露于地面，或隐伏于地下。石笋之间溶沟底部的红粘土，一般含水量大，土质较软[1]。

溶洞、暗河：是以岩溶水的溶蚀作用为主，兼有潜蚀和机械塌陷作用造成的近于水平方向延伸的洞穴成为溶洞。若溶洞中有经常性水流，而流量又较大是，则称为暗河[1]。

在埋藏型喀斯特施工区域，溶洞等岩溶地貌埋藏在地下，溶洞内往往伴有粘土状的填充物，同时，在岩石中多存在溶蚀裂缝，而且纵横交错，分部不均匀，部分与溶洞相贯通，这也为岩溶地区的施工造成严重的影响，容易导致桩基础施工时泥浆突然消失，进而造成孔壁坍塌。溶沟底部的红粘土，一般含水量大，土质较软，也容易造成塌孔、缩径的成桩难点[2]。

在岩溶地区进行桩基础施工，一定要充分了解地下岩溶和地下水情况，采取有针对性的措施，既能克服困难，保证工程工期和质量，又能控制成本，选择最优方案完成基础桩施工。针对埋藏型喀斯特地貌，且地下连续水位较低的情况，我方提出基础桩成孔采用干作业施工，同时针对坍塌、溶洞等情况，采取应对措施，保证成孔质量，从而最大限度的简化施工工艺，提高效率，节约资源。

2 工程实例

某桩基础工程位于昆明市、喀斯特地层区域，本工程的桩基础以风化灰岩层作为桩端持力层，桩端进入下部中风化灰岩持力层不小于2.0d，本工程共计旋挖成孔灌注桩1219根，桩径分别800～1200mm，桩长20.0～28.0m。

2.1 工程地质及水文地质条件

2.1.1 地下水

勘察期间所有勘探孔均未见明显的初见地下水位，仅个别勘探孔中量测到临时的地下水位，不能形成稳定水位。场区深部地下水类型主要为岩溶裂隙水，岩溶裂隙水为径流补给，沿灰岩裂隙向低处排泄，钻探深度范围内未揭露。

2.1.2地层土质分布

①层素填土：以可塑—硬塑状态的粘性土为主，偶夹风化碎石。

②层粘土：具有孔隙比大、液塑限高的特点，属红粘土。硬塑状态为主，局部可塑状态，中压缩性为主，局部高压缩性。

②1层粘土：具有孔隙比大、液塑限高的特点，属红粘土。可塑状态为主，局部软塑状态。高压缩性。②2层孤石：岩性为中风化灰岩。②4层土洞：为空洞，无充填物。

③层中风化灰岩：为场地物理力学性质最好的地基岩土层，但其起伏变化很大，给桩长的确定带来一定困难。

③1层全风化泥灰岩。③2层溶洞（隙）、③5层为空洞，会对基础的选择及稳定性造成影响。

地层柱状图如图1所示。

图1 地层柱状图

2.2 施工方案

根据场地水文地质与工程地质条件，基岩面以上部粘土自稳性好，仅土层与基岩面接触部位，因溶洞、局部滞水层等原因导致的地层稳定性差。经综合分析，决定采用旋挖钻机干成孔施工方案。采用挤扩护壁、填充等方法处理局部坍塌。

旋挖干作业成孔法优势：

在岩溶地区桩基础施工需解决的主要问题就是泥浆护壁的漏浆问题，而干成孔作业不用考虑该问题，同时，遇到溶洞、软土缩径等情况时，更方便采取措施，如可以直接灌注砼、回填等。

场地范围施工用水不足，避免了大量用水的情况。同时不产生泥浆，环保特点突出。

成孔速度快。工序少，效率高，施工条件好，能有效地保证工程的进度。

行走移位方便。钻机移动方便，同时场地干燥，方便配套设备和工序的组织和配合。

质量有保证，旋挖钻机是比较成熟的桩基础施工设备，在桩孔对位、垂直度控制等方面技术成熟、先进，更容易保证工程质量。干成孔还有助于控制孔底沉渣、减少对土体性质的影响等效果。干成孔作业避免了泥浆渗漏，同时也避免了泥浆迅速渗漏引起的孔壁坍塌。

所以，在具备条件的情况下，干成孔优势明显。

2.3 施工重难点及控制措施

施工区属于喀斯特地貌地区，在岩溶中等发育地区，存在溶洞、土洞、石笋等不良地质。地下岩层起伏大，且容易出现断层或者出现石柱、孤石、石笋等。遇到石笋时，基础桩孔径范围内出现一侧岩层一侧土层；还会出现孤石、溶洞等土质软硬不同、钻头受力不均等现象，导致孔桩倾斜或偏位。桩的垂直度是工程质量保证的重点；当开挖到溶洞处时，极易造成塌孔，给工程施工造成较大困难；在上部强/全风化层和基岩接触面附近，风化土层含水量高，容易出现塌孔和缩径现象。但通过采取针对性措施，最终用旋挖钻机完成了施工，在节约工期和节省造价上效果突出，且施工质量明显提高。

施工前，先进行了试桩施工，试桩过程中遇到了塌孔、垂直度偏差较大、软塑性土缩径及塌孔等问题。结合水文地质和工程地质情况，可归纳为2种情况，即：

（1）因基岩面倾斜（或遇孤石）而导致桩孔倾斜现象。

（2）因地下溶洞、地下水、软塑性粘土等问题造成桩孔缩径及坍塌现象。

2.3.1 原因分析

（1）钻孔倾斜。由于孤石或岩石层陡坡造成，存在2种情况：

基岩起伏大，地层软硬不均匀，导致钻孔垂直度偏差过大，此时遇到的地层变化一般为孤石或岩层坡度不是很陡时。

地层变化剧烈，通过调整钻进压力和速度仍然难以控制垂直度。此时岩层坡度很陡，如遇到石笋，坡面坡度超过70°，且该段较厚。

（2）因地下溶洞、地下水等问题造成桩孔缩径及坍塌现象。根据现场勘查情况，场地下②层为粘土，在基岩和土层的接触面部位，该地层含水量高，表现为可塑至流塑状态。地下溶洞为粘土填充，该填充土松散，由于溶洞的透水和导水性，导致该部位容易积水和塌孔。同时，钻探大量用水在地层变化处或溶洞部位汇集，加剧了塌孔和缩径的发生。

2.3.2 处理方案

处理成桩过程中的孔斜、缩径以及坍塌等不良地质现象，主要采取事前预防和事后处理两种处理措施，而事前预防为是最重要、最有效的措施。事前预防是在成孔前要认真分析研究勘察报告、特别是一桩一勘所揭露的地层资料，对于在成孔过程中可能遇到的孤石、倾斜较大的基岩面、地下溶洞以及地下水对成孔的影响提前做出预判，并有针对性地提出预防措施，对施工班组做出技术交底，成孔作业人员能根据地下情况的变化，及时采取措施，避免此类现象进一步发展。下面对上述情况的处理措施进行针对性介绍。

（1）因基岩面倾斜（或遇孤石）而导致桩孔倾斜现象。出现上述现象主要是由于旋挖钻机在钻进过程中遇软硬不均的地层而导致的钻头偏移而形成的。处理该现象的方案有以下两种：

①在钻进岩面倾斜（或遇孤石）段时要减少钻进压力，采取慢钻轻压的钻进工艺，并采用嵌岩筒钻，穿过孤石后，或穿过岩层倾斜面进入均匀地层后，再恢复正常钻进。

②若发现钻孔在该层段出现倾斜时，应采用混凝土回填后再重新钻进成孔，尤其针对岩面较陡，地层不均匀段较长时，难以控制垂直度的情况。

该方法针对难以控制垂直度，或已经产生偏差，当穿过孤石或基岩斜面进入均匀地层后，将产生倾斜的部位用C25素混凝土填充，等填充料强度达到75%左右再进行钻进，此时混凝土强度接近强风化岩石强度，容易控制垂直度。

（2）因地下溶洞、地下水等问题造成桩孔缩径及坍塌现象。勘探报告显示，该场地成桩深度范围内未见地下水，但在基岩面附近或溶洞部位，由于其导水和汇水的作用，使该部位出现局部汇水，其中粘性土变软造成了桩孔的缩径及坍塌现象处理该现象的方案有以下两种。

①粘土回填并挤密。局部遇流塑性粘土或土洞中软粘土缩径或塌孔时，可用塑性粘土进行回填，并用螺旋钻头进行挤密，使得该部位土层稳定性增强，该方法适合局部出现流塑性粘土，成本低，功效高。

②用砼回填。若一桩一勘资料显示地层存在溶洞时采用混凝土回填处理，硬性材料为C15（C35）混凝土。

溶洞无水时混凝土可采用C15商品混凝土，回填至高出最顶层溶洞上口1m为止，等填充混凝土强度达到要求后（一般达到设计强度的75%），重新施工。

适用条件：主要用于穿过较大的溶洞，溶洞无填充或填充较差。回填混凝土要在打穿土洞后进行。

溶洞中有水无法成孔时、有水塌孔时，采用C30混凝土进行回填，每次处理深度不小于1m；待混凝土强度达到设计75%时进行钻孔，如此反复直至打穿溶洞成孔。

③注浆处理。对溶洞直径大坍塌的情况，将桩位回填，等周边桩位施工完成后，对溶洞部位采用高压旋喷处理，处理后重新施工。

上述方法都是针对出现问题的情况，在成桩过程中，加快桩基成孔、下笼和灌注进度是确保工程进度、成桩质量，降低桩基事故的最有效措施。施工中一定要合理安排，减少桩孔放置时间，从而降低坍塌等事故的发生。

2.4 效果分析

该工程施工过程中，约15%的钻孔出现了上述问题，主要采用第①种方法解决，约占总数的12%，另外3根桩采用第③种方法处理。上述方案和处理措施，针对场地特点，注意对应解决，效果明显，使得其它85%的桩位采用最简单高效的工艺完成了施工，其它桩位分类处理，最大限度地降低了岩溶带来的不利影响，顺利地完成了基础桩的施工，具体归纳如下：

首先根据地下水情况，采用旋挖干成孔作业，避免了溶洞裂隙漏浆情况的发生，且有助于保证桩身质量。

针对石笋等不均匀地层，采用慢速钻进，对发现孔倾斜的，采用C30砼回填后重新钻进，从而保证了桩的垂直度。

针对溶沟、石笋根部软塑性粘土和溶洞内容易坍塌的充填土，分别采用预处理，干粘土回填挤密等方法，增强了土体的稳定性，保证了成孔。