高见洞率强岩溶发育区桩基施工前预处理工艺的现场实施刘光贤

高见洞率强岩溶发育区桩基施工前预处理工艺的现场实施刘光贤
发布时间：2023-07-01T07:37:33.201Z 来源：《中国建设信息化》2023年8期作者：刘光贤
[导读] 目前我国桩基施工技术成熟、工艺易掌握：在建遵投·国著公园里·云萃项目AB地块场地岩溶为粘土夹碎石充填（溶洞、裂隙），及粘土与白云岩互层（串珠状溶洞）。

岩溶单体高度0.2～14.5m，平均洞高3.19m，其中小于2m的溶洞略占总数的45%，大于等于2m的溶洞占55%，说明场地的岩溶个体高度较大，且呈串珠状发育。

从地表调查及钻探反应，场地岩溶明显受岩层层面控制，沿裂隙发育，岩溶且有明显的方向性，垂向上岩溶发育深度大，横向上连通性较差的特点。

溶洞裂隙内均有可塑状粘土或碎石充填，相邻钻孔基岩面相对高差大于5m，综合判定本场地为高见洞率强岩溶发育区。

故建筑基础形式为钻孔灌注桩且多穿越高见洞率强岩溶发育区，对高见洞率强岩溶发育区桩基施工的探索为保证工程质量、工程工期和成本投入提供保障。

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摘要：目前我国桩基施工技术成熟、工艺易掌握：在建遵投·国著公园里·云萃项目AB地块场地岩溶为粘土夹碎石充填（溶洞、裂隙），及粘土与白云岩互层（串珠状溶洞）。

岩溶单体高度0.2～14.5m，平均洞高3.19m，其中小于2m的溶洞略占总数的45%，大于等于2m 的溶洞占55%，说明场地的岩溶个体高度较大，且呈串珠状发育。

从地表调查及钻探反应，场地岩溶明显受岩层层面控制，沿裂隙发育，岩溶且有明显的方向性，垂向上岩溶发育深度大，横向上连通性较差的特点。

溶洞裂隙内均有可塑状粘土或碎石充填，相邻钻孔基岩面相对高差大于5m，综合判定本场地为高见洞率强岩溶发育区。

故建筑基础形式为钻孔灌注桩且多穿越高见洞率强岩溶发育区，对高见洞率强岩溶发育区桩基施工的探索为保证工程质量、工程工期和成本投入提供保障。

关键词：高见洞率强岩溶发育区桩基础施工前预处理工艺
1、工程概述
1.1概况
遵投·国著公园里·云萃项目AB地块设计孔桩共计429根，工程场地设计抗震设防烈度为6度，场地类别为II类。

桩基础由遵义市建筑设计院负责设计，桩基础设计等级为乙级，桩身混凝土强度等级为C30。

桩长根据地勘单位最小建议埋置深度加上设计单位嵌岩深度。

1.2地质情况
根据本项目AB地块地质勘察报告显示，AB地块属于岩溶发育强、见洞率高、回填土厚、强风化层遇水孔壁易垮塌、地下水位高（850.00m）的地质条件。

因此，易导致钻孔过程中出现严重塌孔，一旦塌孔，就需回填后重新进行二次钻孔，引发浇筑混凝土时超方严重。

（一）岩溶发育强度
根据AB地块1036个钻孔勘察结果分析，其中330个钻孔揭露溶洞（隙），见洞率31.85%。

其中，1#楼高层部分共158个钻孔，其中54个钻孔揭露溶洞（隙），见洞率34.18%；2#楼高层部分共336个钻孔，其中115个钻孔揭露溶洞（隙），见洞率34.22%；3#楼高层部分共334个钻孔，其中127个钻孔揭露溶洞（隙），见洞率38.02%。

场地单个溶洞（隙）高度0.2~18.7m，溶洞裂隙内均有可塑状粘土或碎石充填，相邻钻孔基岩面相对高差大于5m，综合判定本场地为岩溶强发育。

（二）岩溶发育标高
AB地块勘察共施工钻孔1036个（含岩溶补孔及高层部分的一柱三孔），共有330个钻孔揭露溶洞裂隙，溶洞单体个数达361个，其中28个钻孔揭露溶洞为两层以上，岩溶发育具有明显的多层性，最多的发育3层，岩溶发育标高816.66～856.34m，埋深3.8～43.00m，大部分岩溶发育830～850m标高段，场地地下水埋深标高在850.00m，大部分岩溶裂隙位于地下水位以下。

（三）岩溶发育规模
AB地块钻探揭露的岩溶单体高度 0.2～14.5m，平均洞高 3.19m，其中小于 2m 的溶洞略占总数的 45%，大于等于2m的溶洞占55%，说明场地的岩溶个体高度较大，且呈串珠状发育。

场地揭露的岩溶为粘土夹碎石充填（溶洞、裂隙），及粘土与白云岩互层（串珠状溶洞）。

从地表调查及钻探反应，场地岩溶明显受岩层层面控制，沿裂隙发育，岩溶且有明显的方向性，垂向上岩溶发育深度大，横向上连通性较差的特点。

场地单个溶洞（隙）高度0.2~18.7m，溶洞裂隙内均有可塑状粘土或碎石充填，相邻钻孔基岩面相对高差大于5m，根据《贵州省建筑岩土工程技术规范》（DB52/T046-2018）7.2.3条，综合判定本场地为岩溶强发育，此外，结合场地前期钻探情况，本场地岩溶发育情况无法
预测。

综上分析场地桩基处于地下水位高（850.00m）、回填土厚、岩溶强发育区、见洞率高、强风化层遇水孔壁易垮塌的情况，因此，桩基施工中易出现严重塌孔。

2、桩基成孔施工方案
根据桩基础设计技术参数和现场地质情况，在旋挖钻、冲击钻和回旋钻等机械设备中，采用旋挖钻（全护筒干作业成孔）、冲击钻施工：冲击钻机俗称为钻机之王，主要是它能多样地层情况下的钻孔施工，尤其是岩溶发育地区。

冲击钻泥浆护壁成孔，通过用冲击钻冲击方法破碎岩土，尤其是破碎有裂隙的坚硬土和白云岩所消耗的功率小，破碎效果好；同时，冲击钻在冲击土层时会对周边土层产生一定冲挤作用形成的孔壁较为坚固稳定，钻进时孔内泥浆循环的作用，使得悬浮钻渣循环至地面排除，漏浆、塌孔现象将会有所改善。

对于岩溶个体高度较大，且呈串珠状发育等情况时，冲孔可采取投放片石、碎石夹粘土，甚至投入整袋水泥堵塞起到护壁作用，保证泥浆不流失，使钻孔顺利通过岩溶区。

由于岩溶发育的不规则，在桩基成孔过程中，很容易造成卡孔和偏孔塌孔，所以在粘土夹碎石充填（溶洞、裂隙），及粘土与白云岩互层（串珠状溶洞）段的成孔过程中，应以小冲程冲进，勤用探孔器探测钻孔的垂直度，发现偏孔，及时处理。

桩基础施工顺序：同一基础区域先施工桩底标高较低的桩基础、再施工桩底标高较高的桩基础；先施工无岩溶的桩基础、再施工有岩溶的桩基础。

桩基总体布置为“跳打”和“梅花形布置”施工。

施工工艺：测量放样、埋设护筒、制备泥浆、钻机就位、钻进施工、地质取样与核对、桩底标高核对、成孔和验收。

泥浆制备：采用膨润土、水，添加纯碱或羧甲基纤维等制造，机械采用砂浆拌合机，泥浆比重要求为（《贵州省建筑桩基设计与施工技术规程》DBJ52/T088-2018中“表7.3.4”）：
施工期间护筒内的泥浆面应高出地下水位1.0m以上，在受水位涨落影响时，泥浆面应高出最高水位1.5m以上。

在清孔过程中，应不段置换泥浆，直至灌注水下混凝土。

灌注混凝土前，孔底500mm以内的泥浆相对密度应小于1.25；含砂率不得大于8%；粘度不得大于28s。

在容易产生泥浆渗漏的土层或岩溶地层中应采取维持孔壁稳定或防漏浆的措施。

3、施工特点与难点
本工程岩溶发育强、高见洞率、强风化层遇水孔壁易垮塌，在施工中常规的灌注桩施工方法满足不了施工需要。

由于岩溶发育的地形、位置、大小有很大的不确定性及隐蔽性，溶洞的勘察、处理难度非常大，耗费成本及时间较大，以上三种不良环境下进行桩基施工难度大，对桩基础施工的影响程度较大。

桩基础施工中除桩底标高满足设计要求外，还应保证桩底最小嵌入基岩中风化白云岩；绘制单根桩的地质桩状图进行确认。

每根桩进行地质取样、与设计、勘察资料核对，并现场核对地质。

岩溶区域桩基施工中，会经常出现涌水、塌孔、卡钻、泥浆渗漏、灌注中混凝土外漏等一系列技术难题。

采取冲击钻进方法，至岩溶顶板，击穿顶板瞬间，泥浆会因突然快速漏失或充灌溶洞溶腔，造成孔壁垮塌，甚至影响钻机平台的稳定。

4、桩基础施工前预处理实施措施
溶洞地质桩基施工主要困难在于桩下地质条件的不确定性，而桩基施工过程中出现事故也主要是由于没有查明岩溶的发育情况导致的。

因此，施工前准备好详细的地质勘探资料是非常重要的。

1）施工现场准备好回填材料：粘土、片石、C15等。

2）优化泥浆配合比，采用高塑性粘土，适当加大泥浆浓度，建立高效循环排渣系统，满足钻孔方法和地质情况的要求。

3）成孔过程中，根据地质情况，有效控制冲程大小。

4）做好过程跟踪。

在冲进过程中对，泥浆性能、泥浆面的下沉、冲进速度的变化、偏钻、卡钻等事项进行跟踪，从而确定溶洞区的溶洞大小、位置、及填充程度。

（6）溶洞处治工艺
1）单个溶洞高度≤4.0m
①溶洞为空洞、半充填、流塑状全充填--粘土＋片石全填塞。

②溶洞为软塑、可塑状全充填--粘土＋片石半填塞。

③溶洞为硬塑状全充填--不处理。

④对于串珠状全充填溶洞，各溶洞高度均≤4.0m，采用粘土＋片石全填塞或半填塞。

⑤对于串珠状空洞、半充填，总高度＞4.0m，各溶洞间岩层≤3.0m时，当判定无联通通道时采用钢护筒一次性穿过；有联通通道时或溶洞顶板厚度小于等于1米时采用水玻璃+水泥浆进行预处理。

2）单个溶洞高度＞4.0m，且溶洞内全充填
①溶洞为流塑状全充填--粘土＋片石全填塞。

②溶洞为软塑、可塑状全充填--粘土＋片石半填塞。

③溶洞为硬塑状全充填--不处理。

3）单个溶洞高度＞4.0m，且溶洞内为空洞、半充填判定无联通通道时，采用钢护筒一次穿过顶板、洞间岩层，直至护筒嵌入溶洞下岩层0.5m。

当判定溶洞有联通通道时须采用水玻璃+水泥浆进行预处理。

4.1岩溶预防和识别措施
根据设计图纸和地勘资料对溶洞区域的桩基进行详细确认，梳理出可能出现溶洞的埋深位置、类别、顶底板高程、本层厚度、上层厚度、是否有充填物，以及充填物的性质。

施工前进行计算和分析溶洞的大小、分析情况、位置、填充情况和材料、串联溶洞的距离和溶洞上下地层特性。

4.2岩溶处理技术措施
采用冲击钻工艺时，现场需准备大量优质粘土造浆，必要时可采用膨润土和纤维素等。

在成孔过程中冲至溶洞顶还有1m时，改用小冲程、慢进尺进行，进尺控制在50~80cm，在溶洞顶板岩层较小时，填充片石，保持抛进充填物的厚度，以减小在溶洞顶板破裂时产生卡锤、掉锤的事故可能性。

密切关注护筒内水头高度，泥浆流失严重时，要迅速用大功率泥浆泵快速补浆补水。

遇岩层不均匀时，要及时回填复打，直至打平至斜岩坡底，偏孔现象消失才行，从而减少超方。

桩基础岩溶发育段处理的原则“安全高、效果好、速度快”，一般采取抛填片石冲击、粘土加片石或水泥冲击、混凝土冲击成壁和跟进护筒的方式及超前预注浆。

本工程根据实际情况制定了一下具体措施，对普通施工工艺进行研究，确保桩基础质量完整、缩短施工周期和减少成本的投入。

1）小溶洞，在桩基施工至标高上时，进行抛填20～50cm粒径的片石、冲击钻小冲程（50～100cm）施工，缓慢冲击溶洞顶板，达到标高位置处时检查浆液面的变化，并做好补充浆液的准备。

2）大溶洞有填充物，采取粘土、水泥和片石进行回填、冲击：片石和粘土按照1：1进行混合后；先投放水泥、后投放混合物（袋装），总比例为（重量比）0.5：1：1；反复冲击过程中注意浆液的高度的变化。

3）大溶洞漏浆，首先确定是否为串联即浆液下落一定位置稳定、为无填充物；浆液流失大且不稳定，确定地质裂隙较大；采用片石混凝土进行回填、封堵、密实，先后投放混凝土（袋装）和片石。

并确保浆液高度、防止塌孔。

4.3填充粘土和片石法
粘土和片石填充适用于高度6m以下全填充、半填充和无填充的溶洞处理，其方便、快捷，节省费用。

当钻孔至溶洞层时，一般护筒泥浆会全部或部分流失，严重时会造成塌孔，这时可采用片石加粘土（按1：1体积比）回填，溶洞较大时可加入部分水泥，回填一层、采用钻头冲击一遍，尽量使片石和粘土保持密实，直至回填至溶洞顶部1～2m。

溶洞回填完成后，向钻孔内注入稠度较大的泥浆，使其自然浸入片石缝隙内，然后采用钻头冲击，使片石和粘土挤入溶洞内，形成泥石护壁。

若溶洞内泥石护壁出现漏浆时，应再次回填；反复回填、反复冲击，直至不再漏浆为止。

采用回填片石、粘土处理溶洞进，钢护筒须穿透砂砾等透水层、坐在不透水层上；尤其是多层溶洞，以防止出现溶洞后孔内水头急剧下降而造成塌孔。

4.4灌注低标号混凝土法
对于较大的溶洞，尤其是半填充或无填充溶洞，有时采用填粘土和片石的方法难以成孔，或者成孔后灌注水下混凝土进孔壁被挤垮，这时用灌注低标号混凝土的方法处理。

施工准备和开孔方法同填充粘土和片石法，当击溶洞顶板时，为节约混凝土注量，可先填粘土块和片石，反复冲挤，待溶洞填注基本饱满进，再灌注低标号混凝土至溶洞顶1m以上，待混凝土达到一定强度后再继续钻孔。

5、主要施工关键技术
前期的地质调查、分析、判定和绘图。

施工过程中及时进行地质分析、检查泥浆比重和冲程的变化情况。

提前准备溶洞处理材料和拌制。

单次回填的高度和冲击过程中的速率，并及时补充浆液、保持内外浆液平衡。

处理过程中问题的避免：1）卡钻，被溶腔卡住，不宜强行拔钻头，应反复旋转钢丝绳，并上下提取；必要时采取水下爆破、小药量多次处理。

2）塌孔、漏浆，及时回填黏土和补浆处理。

3）脱锤，在岩层变化和岩溶区采取慢冲击，并判断冲程大小。

反复对岩溶区桩基施工，基本确定了回填物的配比，避免使用跟进护筒或预注浆的复杂施工工艺，减少了投入；总结的普通溶洞采用混合物回填的配合比，为后续岩溶区桩基施工提供持术支持。

6、岩溶区域钻孔桩施工方法
6.1岩溶区钻孔桩施工工艺流程图
6.2经过处理后的溶洞地质钻孔成孔方法与普通石质地层成孔方法基体相同，采用冲击成孔，但应注意以下几点：
（1）为防止意外，冲孔前应有应急措施，备好材料、机具等，一旦孔内泥浆再次泄漏，立即向孔内投入粘土、片石及水泥，使其冲挤在溶洞内的片石夹粘土形成围护结构，保持孔内泥浆高度，不致造成塌孔，保证钻孔顺利进行。

（2）用优质粘土增加泥浆质量与密度，当缺少优质粘土时，在泥浆中掺入适量的水泥、锯末，提高孔内泥浆胶体率和悬浮能力。

（3）当岩面的倾斜较大或钻头摆动撞击到护筒或孔壁时须回填片石冲孔，使孔底出现一个平台后再正常钻进。

（4）在接近溶洞处，需加大泥浆密度，采取轻锤冲击的方法成孔，以防卡钻。

6.3岩溶区钻孔桩施工中应注意的问题
（1）施工准备，根据地质资料预测施工中可能出现的问题，制定施工方案，并向钻机操作人员进行技术交底。

桩孔附近要备足回填材料和挖掘机、铲车、水泵等机械。

（2）钻孔时泥浆要稍稠此，现场泥浆池内尽量多备此泥浆，在溶洞穿孔后及时补浆。

施工中要加强钻孔地质检查、复核，并密切注意观察钻机工作情况、周围地表沉降和护筒内水位变化，防止不正常情况发生。

根据地质柱状图，在接近溶洞时勤观察、勤检查，钻头冲击岩层的响声、抽取的岩样判断是否接近岩溶地层。

接近岩溶时主绳放长量控制为1～2cm，防止击穿溶洞顶板时造成掉钻、卡钻现象发生。

钻穿溶洞顶板时一旦漏浆，及时投放粘土块、片石并补水补浆，保持孔内水位高度。

漏水严重时，可填充稻草和水泥等混合物，每次填满后补水补浆，再重新冲击钻进，挤压填充物填充溶洞或堵溶洞，最终至不漏浆为止。

通过溶洞层后，继续钻孔，直至设计深度。

（3）灌注混凝土中导管提升时，要根据溶洞情况确定导管埋深，避免灌注过程中挤破溶洞表面混凝土面突然下降，造成断桩事故发生。

桩顶灌注标高比设计标高超灌0.5m以上，灌注完成后观察30分钟左右，如果混凝土表面没有变化才拔出导管。

6.4嵌岩及终孔的检验
要求桩端须嵌入完整基岩不少于1～2.5m，这就增加了一道在一般地质条件下钻孔灌注桩施工所没有的全岩面检测工序，勘察资料及施工情况都表明该地区属溶洞发育区域，岩面起伏，沟槽、裂隙纵横，这使得全岩面的正确判断成了本工程的关键之一。

结合该区域地质的特殊性及该工程的特点，决定从以下3个方面综合判断全岩面：
（1）在接近设计桩底标程附近，以桩孔实际见岩高程始，至少进尺嵌岩深度，才进行全岩检验。

（2）查阅钻孔原始记录，可将进尺速度0.1～0.2m/h作为进入全岩面的控制速度。

（3）观察井口钢丝绳的摆动情况，锤头接触岩面时有轻微的反弹。

另外，在该工程中，钻孔终孔后采用抽渣换浆法清空和导管法灌注水下混凝土，这与一般地质条件下钻孔桩的施工方法一样。

7、实施效果
遵投·国著公园里·云萃项目AB地块桩基础施工中，完成430根桩基中的358根施工，施工过程中因有溶洞导致塌孔10处，但未发生卡钻现象，反复回填和冲击钻孔的过程中，及时调整泥浆比重、配合比、调整填筑高度，达到了预期的目的，保证了混凝土灌注顺利进行；最终进行经济效益对比，比跟进护筒施工、超前注浆施工施工简单、易掌握；后期桩基无损检测结果：桩身完整、质量合格。

8、结语
通过高见洞率强岩溶发育区桩基础施工的研究和分析，熟悉、掌握岩溶区钻孔桩基础中溶洞的抛填处理方法，能够保证桩基础的质量、减少了工期和施工成本的投入。

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