旋挖鉆孔樁施工過程中的溶洞處理

包長泰

中基發(fā)展建設(shè)工程有限責(zé)任公司 北京 101300

1 工程概況

1.1 基本情況

廣西申龍新能源汽車生產(chǎn)項(xiàng)目（一期）位于南寧市邕寧區(qū)梁村大道南側(cè)旁，騰鯉路東側(cè)，仁信路西側(cè)，良信路北側(cè)，占地面積約0.7km2。項(xiàng)目包括總裝車間、焊裝車間等7個(gè)單位工程，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)。單樁承載力特征值3000KN，樁端進(jìn)入第4層微風(fēng)化灰?guī)r1.0m。實(shí)際樁長應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況應(yīng)調(diào)整：樁端進(jìn)入持力層深度1.0m,樁長不小于4.0m，樁底6.0m范圍內(nèi)不得存在溶洞。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)樁直徑800mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級C30。

1.2 現(xiàn)場情況

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地踏勘、打聽：場地中部西北至東西向原為一貫穿場地狹長山包，山包兩側(cè)為寬約四五十米寬的溝渠，溝渠外圍又滿布山包，溝渠底為耕地水田或荒地，后經(jīng)場平回填；場地西北角辦公區(qū)域向東約50m，經(jīng)場平開挖，中風(fēng)化灰?guī)r出露，部分區(qū)域?yàn)槲L(fēng)化灰?guī)r；場地東側(cè)泥質(zhì)粉砂巖及角礫巖出露，孔隙水滲流外淌，形成小溪；場地南側(cè)的二期區(qū)域可見剩余未場平山包及溝渠。

1.3 工程地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報(bào)告，場地內(nèi)基巖上覆兩層土層：第①層雜填土（Qml），由粘性土及塊石、碎石組成，為新近堆填，分布較連續(xù)，部分地段缺失，厚度變化較大；第②層第四系殘積層硬塑狀粘土（Qel），干強(qiáng)度及韌性高，基巖面附近多為可塑狀，局部軟塑狀。

下伏基巖由泥盆系榴江組（D3l）灰?guī)r組成：第③層中風(fēng)化灰?guī)r（D3l），灰白色，中厚層狀構(gòu)造，閉合節(jié)理裂隙發(fā)育，巖較破碎；第④層微風(fēng)化灰?guī)r（D3l），灰白色，部分地段夾有泥質(zhì)粉砂巖、角礫巖夾層，中厚層狀構(gòu)造，閉合節(jié)理裂隙發(fā)育，巖較完整，該層在整個(gè)場地內(nèi)均有分布，分布較連續(xù)，厚度及起伏較大。

溶槽(洞)充填物：

黃褐色，主要為可塑～軟塑狀粘土組成，飽和，土芯易變形，土質(zhì)均勻，干強(qiáng)度及韌性低。

1.4 水文地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報(bào)告顯示：勘探期間已完成鉆探孔在鉆探深度范圍內(nèi)均遇見地下水，揭露的地下水賦存于各巖層風(fēng)化殘積土和不同風(fēng)化程度的巖石里，屬孔隙-裂隙型潛水，補(bǔ)給來源主要是地表滲流、大氣降水和側(cè)向逕流，排泄途徑是地表蒸發(fā)與側(cè)向逕流；勘察期間測得的地下水位埋深為0.50～9.60m，區(qū)域內(nèi)水位變化較大。

2 問題的提出

經(jīng)過現(xiàn)場旋挖鉆機(jī)試鉆孔及試灌樁，樁孔存在如下多種情況：(1)相鄰樁孔同一巖層標(biāo)高相差較大，有數(shù)米之多；

(2)偏鉆、卡鉆、掉桿時(shí)有發(fā)生；

(3)樁孔巖層夾有數(shù)米厚的軟塑狀粘土，鉆斗擾動(dòng)下極易液化，坍塌嚴(yán)重；

(4)鉆斗撈出鉆渣呈流塑狀，其后的混凝土灌注體積遠(yuǎn)超樁孔的設(shè)計(jì)方量；

(5)鉆進(jìn)穿過中風(fēng)化巖層后樁孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重，根本無法成孔，或已成孔，但在鋼筋籠吊運(yùn)期間孔內(nèi)淤積達(dá)數(shù)米。

分析以上情況可知，場地內(nèi)巖溶發(fā)育，溶隙、溶溝及溶洞較多，填充不密實(shí)，半填充現(xiàn)象較多，填充物易坍塌。巖溶發(fā)育可使周圍作為基礎(chǔ)持力層的巖土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性大為降低，引起基礎(chǔ)失效乃至上部結(jié)構(gòu)破壞，土顆粒亦隨地下水搬運(yùn)而流失，形成土洞，當(dāng)土洞發(fā)育至一定規(guī)模時(shí)，在機(jī)械振動(dòng)和真空吸蝕作用下，容易引發(fā)地面塌陷。由于這種地質(zhì)構(gòu)造的特殊性，在鉆孔過程中很容易出現(xiàn)塌孔、串孔、斜孔、卡鉆、地面沉陷等意外情況，在灌注過程中混凝土流失大、混凝土面突然下降導(dǎo)致導(dǎo)管懸空出現(xiàn)斷樁等。因此在施工前，必須根據(jù)地質(zhì)鉆探揭示的地質(zhì)情況，制定安全可靠的施工方案，方可進(jìn)行溶洞處理。

3 技術(shù)準(zhǔn)備

3.1 了解地層情況及溶洞情況

要了解地層及溶洞情況，超前鉆需在原樁位中心實(shí)施地質(zhì)鉆探，通過鉆探，解決以下兩個(gè)方面：一方面要明確每個(gè)樁孔的地層結(jié)構(gòu)，查明是否存在溶洞，豎直方向上溶洞存在幾個(gè)，以及溶洞頂板及底板的埋深和厚度，以便于確定樁的鉆孔深度；另一方面通過對同一區(qū)域（比如同一承臺(tái)）各個(gè)樁孔溶洞情況進(jìn)行對比，查明溶洞的分布情況。具體情況包括溶洞的深度、高度、聯(lián)通程度以及填充情況和填充物的類型，以便于制定合理的處理方案。施工過程中應(yīng)根據(jù)所掌握的準(zhǔn)確的地質(zhì)情況隨時(shí)修訂處理方案，防止各類質(zhì)量安全事故的發(fā)生。

3.2 溶洞分類

溶洞可歸納分為以下幾種情況：

(1)一般溶洞：泛指較小的溶洞，孤立無聯(lián)通的溶洞。(2)大溶洞：是指大于3.0m的溶洞，最常見也是比較難處理的一類溶洞，包含無填充或半填充的較大溶洞、全部填充的較大溶洞以及深度較淺的大溶洞。(3)多層溶洞：溶洞層數(shù)較多，為垂直方向上呈現(xiàn)串珠狀的溶洞。(4)聯(lián)通溶洞：聯(lián)通溶洞是指相鄰的一個(gè)或者幾個(gè)溶洞在某些部位是相互貫通的溶洞，鉆孔過程中泥漿會(huì)突然流失，流到別的樁孔。

3.3 常見溶洞處理方法

(1)片石粘土筑壁法

溶洞內(nèi)無充填或半充填，溶洞高度不太大，一般在3m以內(nèi)，但存在嚴(yán)重漏水,護(hù)筒內(nèi)水頭高度不能保持時(shí)，可采用片石、粘土和水泥按1m：3m：0.75t比例，順序?yàn)榇b水泥、袋裝粘土、片石的方式回填沖擊，用0.5～0.8m小沖程，不循環(huán)泥漿干打幾分鐘，使回填物充分密實(shí)，再加漿提高水頭到正常高度，等水泥初凝具有一定強(qiáng)度，將漏漿處堵住后再使用小沖程繼續(xù)鉆進(jìn)，形成人工泥石護(hù)壁。如此反復(fù)多次回填片石、粘土和 整包水泥，反復(fù)沖擊直至形成泥石護(hù)壁并不再漏漿為止，這也是個(gè)比較成熟的施工方法，適用于沖擊鉆孔施工工藝中。

(2)常規(guī)處理法

對于一般的溶洞，不論溶洞充滿或半充滿，正常鉆進(jìn)，若發(fā)生泥漿流失情況，可在孔內(nèi)投放碎石土和粘土塊，然后利用鉆斗適當(dāng)攪動(dòng)，即可阻止泥漿流失；若泥漿仍繼續(xù)流失或流失過快，可在樁孔內(nèi)投入足量的粘土塊，直至粘土面高于溶洞頂板，保持孔內(nèi)水頭，將樁孔擱置數(shù)天，在泥漿觸變及水壓作用下粘土塊定會(huì)將溶洞內(nèi)的裂隙封堵，此后即可鉆進(jìn)成孔。這種溶洞處理方法操作較為便捷，并且經(jīng)濟(jì)成本較低，僅僅適用于一般小溶洞的處理。

(3)鋼護(hù)筒跟進(jìn)法

溶洞較大，單層或者多層溶洞成垂直穿珠狀，洞內(nèi)沒有填充物或者是半填充的填充物，泥漿流失嚴(yán)重，會(huì)造成鉆孔坍塌，可采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)法，邊鉆孔邊接高鋼護(hù)筒，利用旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭壓盤壓到下方溶洞底板，直至全面封堵整個(gè)溶洞。

若溶洞較淺，須將可將溶洞的頂板打穿，向鋼護(hù)筒外圍溶洞填充塊石以及粘土，直至充滿為確保施工設(shè)備安全及地面沉降發(fā)生坍塌。

(4)注漿固結(jié)法

溶洞層數(shù)較多，為串珠狀，溶洞位置勘測準(zhǔn)確，溶洞大于0.5m小于3m，溶洞填充物中有較厚的砂層或碎石，鉆孔漏漿會(huì)引起塌方的情況下，可采用注漿固結(jié)法，預(yù)先壓注水泥漿，待水泥漿壓注工作完成24小時(shí)后開始鉆進(jìn)。壓注時(shí)壓力不宜大于0.4Mpa，直到穩(wěn)定，或相鄰樁孔冒漿為止。

(5)帷幕灌漿法

如果溶洞高度在8.0m或更大，一般要采用帷幕注漿法。通常要采用水泥砂漿進(jìn)行單管注漿，注漿壓力一般應(yīng)控制在0.5—1.0Mpa范圍內(nèi)，帷幕的范圍以樁中心以外5m，每隔一米提管一次，注漿孔間距為3—5m。

帷幕灌漿法在水壩等大型構(gòu)筑物地下溶洞處理過程中經(jīng)常使用，而鉆孔樁等施工時(shí)很少利用此法進(jìn)行溶洞處理，因其工藝復(fù)雜、成本過高。

4 實(shí)際處理方法

經(jīng)對超前鉆鉆孔巖性及柱狀圖的對比、研究、統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：場地內(nèi)溶洞數(shù)量較多，但溶洞較小，屬于一般溶洞或較大溶洞的，實(shí)際填充物為飽和粘土或砂性粘土，土芯易碎，取土器難以正常取出孔外。溶洞填充狀態(tài)為填充或半填充，串珠狀溶洞及聯(lián)通溶洞較多。

原因之二，旋挖鉆機(jī)試鉆孔和試樁情況，山包地帶地下水基本上賦存于溶洞內(nèi)，滲流緩慢，樁孔不易漏漿，溶洞填充物在旋挖鉆機(jī)鉆斗的擾動(dòng)易向孔內(nèi)坍塌。

施工方案的選擇要保證安全和質(zhì)量，同時(shí)要兼顧施工成本。鑒于以上兩點(diǎn)，溶洞處理思路為：一般溶洞能成孔直接成孔，大溶洞及聯(lián)通溶洞處理采用混凝土填充處理方法。

具體處理方法如下：

(1)對于小型及一般溶洞，不管垂直方向上溶洞數(shù)量，旋挖鉆機(jī)在原樁位按正常鉆孔工藝施工：巖層無法安設(shè)護(hù)筒直接鉆進(jìn)，土層埋設(shè)護(hù)筒，遇水后在孔內(nèi)注入泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。在優(yōu)質(zhì)泥漿的護(hù)壁作用下鉆孔一般不會(huì)產(chǎn)生坍塌，即使發(fā)生坍塌，坍塌幅度也較小，面對旋挖鉆機(jī)高效率、大容量取土施工，完全可將樁孔內(nèi)的坍塌土方清理干凈。發(fā)生泥漿流失，投入粘土堵漏，流失嚴(yán)重時(shí)可完全回填樁孔，沉淀數(shù)日后繼續(xù)成孔。成孔后不坍塌無沉淀物增加，視為正常樁孔，正常灌注水下混凝土成樁。

(2)對于大于3.0m，小于8.0m的大溶洞，根據(jù)超前鉆資料，鉆孔時(shí)調(diào)整鉆孔速度，在泥漿護(hù)壁作用下緩慢鉆進(jìn)，穿透溶洞頂板后用撈砂鉆斗將溶洞填充物緩慢打撈提出孔外。溶洞填充物清理過程中若發(fā)現(xiàn)大量坍塌，無法再繼續(xù)清理時(shí)，停止清理，用導(dǎo)管法將C15混凝土灌注至溶洞內(nèi)，直到充滿溶洞并高出溶洞頂板0.5m。待溶洞內(nèi)混凝土終凝達(dá)到3MPa左右的強(qiáng)度，利用旋挖鉆機(jī)重復(fù)鉆進(jìn)，鉆透混凝土→打撈溶洞填充物→灌注混凝土的工序多次進(jìn)行處理，用素混凝土將溶洞填滿為止。待最后一次的處理混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度，旋挖鉆機(jī)截齒鉆進(jìn)，成孔灌注樁身C30混凝土。成孔期間若出現(xiàn)泥漿流失情況，適當(dāng)在樁孔內(nèi)投入粘土，攪動(dòng)、靜置后在再鉆進(jìn)即可。

(3)對于聯(lián)通溶洞和大于8.0m的大溶洞，例如總裝車間7#孔，溶洞高度9.1m，也可使用混凝土填充法處理，特別注意之處在于鉆孔時(shí)注意泥漿流失速度及流失范圍，流失快說明聯(lián)通性好，需在相鄰樁孔鉆孔同時(shí)處理，灌入C15混凝土同時(shí)進(jìn)行封堵填充。

混凝土填充示意圖如下：

聯(lián)通溶洞及大溶洞的處理成本可能會(huì)稍稍過高，但考慮到混凝土填充法的優(yōu)勢，其成本在可接受范圍內(nèi)。

5 優(yōu)勢

(1)成本優(yōu)勢：從超前鉆鉆孔柱狀圖來看，場地內(nèi)溶洞埋深較深，大部分位于10m至15m深度，少部分位于25m至30m深度，位于地表的極少數(shù)溶洞則在地表約5m厚的微風(fēng)化巖層底部，例如總裝車間62#樁。若采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)法，需要的鋼護(hù)筒會(huì)很長，更需要專業(yè)的特殊設(shè)備安放及拆除鋼護(hù)筒，其成本會(huì)更高。若采用注漿法，溶洞填充物為飽和粘土，滲透固結(jié)效果不佳，漿液只會(huì)充滿溶洞的中空部分，無法起到對飽和粘土的加固作用。存在聯(lián)通溶洞的情況下漿液可能四處流淌，增加注漿量，導(dǎo)致成本升高。

(2)鉆孔優(yōu)勢：無論巖層、土層，旋挖鉆機(jī)鉆孔一步到位，重復(fù)鉆孔部分只有溶洞部分的C15混凝土，其余部分為正常鉆孔。鉆進(jìn)過程中視溶洞填充物坍塌情況決定是否進(jìn)行溶洞處理，不存在坍塌可直接向下鉆進(jìn)，成孔后灌注樁身混凝土。

6 溶洞鉆孔樁施工事故預(yù)防

巖溶地區(qū)溶洞發(fā)育，地下情況復(fù)雜多變，超前鉆鉆探能揭露的只是地下的一部分，施工難免會(huì)發(fā)生事故，為了防患于未然，現(xiàn)對旋挖鉆機(jī)常發(fā)生的卡鉆、斜孔及埋鉆事故提出預(yù)防措施。

(1)卡鉆：旋挖鉆機(jī)在鉆透溶洞，鉆至溶洞底部最容易發(fā)生卡鉆的事故，此位置巖層傾斜度不定，巖層凹凸不平，巖層復(fù)雜，鉆斗晃動(dòng)，不進(jìn)尺，想提出鉆斗時(shí)又受頂板巖層影響。在此過程中出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象時(shí)不能強(qiáng)行加大轉(zhuǎn)速，不能強(qiáng)壓鉆進(jìn)，要上下、左右范圍內(nèi)晃動(dòng)鉆都解除卡鉆?；虻退俚蛪毫ψ笥揖徛D(zhuǎn)動(dòng)鉆頭，利用鉆斗邊齒擴(kuò)大孔徑，向孔底方向拓展空間，空間大，自然能順利脫困。

(2)斜孔：是指在穿透斜面巖層時(shí)鉆孔沒有達(dá)到預(yù)期的要求，對于斜孔現(xiàn)象最有效的預(yù)防方式是鉆進(jìn)時(shí)密切注意鉆桿在孔內(nèi)的居中情況。當(dāng)斜孔現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，利用鉆斗在開始斜孔位置低壓低轉(zhuǎn)速上下掃孔，直至鉆斗歸正后方可鉆。

(3)埋鉆：超鉆和坍塌會(huì)造成埋鉆事故發(fā)生。溶洞填充物松軟宜坍塌，鉆進(jìn)時(shí)要緩慢進(jìn)尺，不能以鉆壓決定進(jìn)尺，以防超鉆被埋鉆，或鉆斗被抱死。若發(fā)生埋鉆事故，只要鉆斗能轉(zhuǎn)動(dòng)，通過反復(fù)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆斗，并實(shí)時(shí)提拔鉆斗的方式可解除埋鉆。

無論是卡鉆、斜孔還是埋鉆都是可以進(jìn)行預(yù)防的，一旦發(fā)生不得強(qiáng)行高壓高轉(zhuǎn)速處理，否則可能會(huì)導(dǎo)致掉鉆事故發(fā)生。

7 結(jié)語

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆孔地質(zhì)資料不一定能完全揭示溶洞分布情況，因此，樁基施工過程中應(yīng)安排有經(jīng)驗(yàn)的作業(yè)人員，密切注意地質(zhì)變化，及時(shí)掌握溶洞情況，爭取及時(shí)處理。本工程利用現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備，根據(jù)地層情況和溶洞情況，適當(dāng)變換溶洞處理方法進(jìn)行處理，即加快了施工進(jìn)度，又節(jié)省施工成本，安全和質(zhì)量得到了保證。但由于溶洞結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，混凝土填充法不能有效處理溶洞，此時(shí)需和常規(guī)處理方法協(xié)同處理方可解決問題。