在巖溶地質(zhì)情況下溶洞樁施工技術(shù)探究

王 棟（上海建科工程項(xiàng)目管理有限公司， 上海 200032）

0 引 言

在工程建設(shè)中，樁基礎(chǔ)采用較多，尤其是鉆孔灌注樁比較常見。在地質(zhì)復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行樁基施工有時(shí)會(huì)遇到地下溶洞，而施工中一旦遇到溶洞，就會(huì)給樁基施工帶來很大的不便，若處理不當(dāng)，則給經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失，給施工安全埋下隱患。溶洞處理方法較多，常規(guī)的主要有：片石+黏土回填、低標(biāo)號(hào)素混凝土回填、樁基跨越、原位注漿處理、全回轉(zhuǎn)成樁等。下面，筆者針對這些處理方法進(jìn)行綜合分析。

1 工程概況

某技術(shù)大學(xué)建設(shè)項(xiàng)目，建筑面積 95.5 萬 m2，總投資 80.8 億元，是廣東省和深圳市正在重點(diǎn)建設(shè)的一所公立應(yīng)用型本科院校。地勘報(bào)告顯示，本地塊場地內(nèi)有大量的溶洞和土洞，且有不良的發(fā)育現(xiàn)象，地質(zhì)情況比較復(fù)雜。本文所涉及的是處于該項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的健康與環(huán)境工程學(xué)院大樓，建筑面積 56 200 m2，地下 1 層，地上 7 層；基礎(chǔ)類型是灌注樁+承臺(tái)基礎(chǔ)，樁數(shù)共 375 根，樁長最短 17 m、最長 45 m，樁徑分別是 1 000 mm、 1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm 和 1 800 mm。超前鉆探揭露的灰?guī)r鉆孔有 256 個(gè)，其中溶洞 94 個(gè)，包括土洞 2 個(gè)；線巖溶率 21.8%，見洞隙率 48%；有部分溶洞呈串珠狀分布，并且相互貫通。根據(jù) GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第 6.6.2 條，該場內(nèi)巖溶屬強(qiáng)發(fā)育，地層分別是粉質(zhì)黏土層、黏土層、微風(fēng)化巖層，有的部位呈微風(fēng)化巖層和溶洞層相間分布。

2 溶洞常規(guī)處理方法的對比

2.1 片石+黏土回填沖孔樁

（1）溶洞區(qū)域樁基施工應(yīng)配備專職人員，觀察機(jī)身是否傾斜，注意護(hù)筒里泥漿和巖樣是否發(fā)生變化，記住資料和圖紙中標(biāo)注的溶洞位置。

（2）沖孔接近擊穿溶洞頂部之前，盡量采用小的沖程，逐漸將洞頂部擊穿，以防沖擊錘被卡住。

（3）若泥漿的標(biāo)高下沉，孔里的水面標(biāo)高發(fā)生明顯變化，泥漿的顏色和稠度發(fā)生變化，或者鉆入速度明顯加快且沒有偏孔，則說明已經(jīng)穿過溶洞的頂部進(jìn)入溶洞里。

（4）現(xiàn)在需要迅速用功率大的泥漿泵進(jìn)行補(bǔ)漿，且盡量提錘，以防錘頭被埋和引起樁孔塌陷。

（5）若補(bǔ)充的泥漿稠度不夠，則應(yīng)及時(shí)添加適量黏土以提高泥漿密度，并控制泥漿黏度在 19 s～28 s 范圍內(nèi)。

（6）在裝載機(jī)和大型挖掘機(jī)的共同配合下，及時(shí)將事先準(zhǔn)備好的黏土和片石或者毛石以少量多次的方式拋入，拋入后的填充高度應(yīng)超過溶洞的高度再加上 2 m。后續(xù)接著使用較小的沖程慢慢沖入，拋入的片石需要用沖錘擊碎并擠入到溶洞內(nèi)壁，以起到保護(hù)孔壁的作用。

（7）直到樁孔的泥漿面標(biāo)高不再下降且保持正常，方可加大沖程進(jìn)行沖鉆；投入的片石和黏土因被沖擊擠壓而會(huì)堵死溶洞，使溶洞內(nèi)的進(jìn)尺較緩，否則還要繼續(xù)少量多次地拋入片石或者毛石，且根據(jù)進(jìn)尺速度確定投入量。

（8）待溶洞內(nèi)漏漿現(xiàn)象全部消失，方可正常沖鉆，反復(fù)如此操作，使沖鉆順利穿過溶洞。

（9）沖鉆擊穿溶洞頂和底部時(shí)，都要用鉆錘將溶洞頂部和底部的樁孔周邊修理圓滑，以防卡鉆或者卡鋼筋籠。

2.2 低標(biāo)號(hào)素混凝土處理

對于無填充和半填充的溶洞上部巖層，若其具有足夠厚度且能確保安全施工，則可以使用沖孔樁錘直接將其上部的巖層穿透，直接采用低標(biāo)號(hào)混凝土（加上早強(qiáng)劑）灌入到溶洞的頂部并且高出 500 mm 以上，以確保溶洞處理密實(shí)。直到混凝土強(qiáng)度達(dá)到可以穩(wěn)固的狀態(tài)時(shí)，方可沖孔成樁。

2.3 樁基跨越

對于溶洞塌陷區(qū)范圍內(nèi)分布比較集中，地下巖溶處于強(qiáng)烈的發(fā)育區(qū)域，或者危險(xiǎn)性和直徑都是比較大的深埋洞體，若土層具有較好的穩(wěn)定性，則可利用水泥漿分次分層地將洞體固化，以滿足承載力要求，也可以直接對此處加大筏板（厚度設(shè)計(jì)另定），并且在需要的地方增加暗梁；對于土層穩(wěn)定性較差的地方，除了使用水泥漿分次分層地將洞體固化以滿足承載力要求以外，還要對此區(qū)域增加筏板的范圍（厚度設(shè)計(jì)另定），并且還要在相應(yīng)的地方考慮增加暗梁和工程樁以增強(qiáng)穩(wěn)定性，從而在洞的側(cè)面改變筏板形式和變動(dòng)樁位，以跨越塌陷區(qū)或者溶洞地區(qū)。

2.4 全回轉(zhuǎn)成樁法

全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)比較適用于厚流砂地層、卵石和漂石地層、強(qiáng)縮勁地層、含溶洞地層的施工，以及多種樁基、鋼筋混凝土等地下障礙物在沒有清除情況下實(shí)現(xiàn)混凝土灌注樁、地下連續(xù)墻等的施工。鉆機(jī)有強(qiáng)大的壓入力和扭矩，可以有效地對巖層切削，并且套管自身就有護(hù)壁作用，無需再回填片石、石塊或再下護(hù)筒進(jìn)行保護(hù)，就可以成樁。目前，國內(nèi)已有樁基施工深度超過 120 m。

2.5 原位注漿處理

若溶洞相對較多且呈串珠狀，溶洞高度＜3 m 且＞0.5 m，勘測報(bào)告比較準(zhǔn)確，土層內(nèi)有厚砂層，漏漿后將會(huì)導(dǎo)致溶洞內(nèi)塌方。在這種情況下，應(yīng)采用原位注水泥漿。注漿時(shí)應(yīng)將壓力控制在小于或等于 0.4 MPa，并且等穩(wěn)定 3 s 之后再施工下一個(gè)注漿孔，也可以待相鄰注漿孔出現(xiàn)冒漿時(shí)停止。后續(xù)樁基鉆孔施工需等待水泥漿完成 24 h 后開始。

3 溶洞處理方法的分析

（1）片石+黏土回填沖孔適合處理入巖深度較大的樁基，能適應(yīng)所有的地質(zhì)條件，施工成本相對較低，施工進(jìn)展相對緩慢，可以采取相應(yīng)措施，既不會(huì)影響項(xiàng)目的竣工時(shí)間，又能最大程度地降低樁孔坍塌隱患。

（2）低標(biāo)號(hào)素混凝土處理方法較簡單易操作，但溶洞的大小無法估量，并且存在貫通溶洞，經(jīng)濟(jì)上很難控制。

（3）樁基跨越成孔，可以通過設(shè)計(jì)計(jì)算，解決較大、較深的復(fù)雜地質(zhì)條件，工期相對較短，安全性相對較高，費(fèi)用也可以量化、相對可控。但是，經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)核，無法滿足受力的要求，與設(shè)計(jì)院溝通，不得考慮采用樁基跨越的方法成樁。若設(shè)計(jì)院能夠通過計(jì)算滿足受力要求，則優(yōu)于片石+黏土回填和低標(biāo)號(hào)混凝土處理。

（4）全回轉(zhuǎn)成樁安全性能較高、噪聲低、振動(dòng)小，作業(yè)面較干凈，鉆探深度較大，有的土層可以達(dá) 120 m 以上；成孔質(zhì)量相對好，直徑偏差較小，充盈系數(shù)也較小，與其他成孔方法相比，可大量節(jié)約混凝土用量。但是，全回轉(zhuǎn)成樁對場地條件要求較高，若鉆機(jī)碰到微風(fēng)化巖，則施工進(jìn)度較慢，施工費(fèi)用較高，且套管存在難以拔出的風(fēng)險(xiǎn)，大大增加成本。根據(jù)超前鉆資料推算，出現(xiàn)溶洞的部位多集中分布，并且相鄰超前鉆顯示，溶洞高度接近，在超過 6 m 深的大溶洞旁邊都有大小不同的中小溶洞，底部互通，若采用全回轉(zhuǎn)方法，則工期和費(fèi)用都會(huì)增加。

（5）原樁位預(yù)注漿往往對礫黏土的處理有較明顯的效果，現(xiàn)場溶洞內(nèi)多數(shù)是塑性黏土，黏性較大，通過原樁位的分層定量多次注漿，使樁徑周邊 3 m～5 m 范圍內(nèi)的礫黏土固結(jié)，做到澆筑時(shí)上部黏土不回陷，能夠確保樁身的質(zhì)量。然而，注漿量難以確定，無法估算成本，因此本方案和全回轉(zhuǎn)成樁都具有一定的局限性。

4 溶洞處理方案的選擇

超前鉆資料顯示，按照揭露溶洞情況，整理分析認(rèn)為，溶洞分為以下 4 個(gè)不同類型。A 型：小型溶洞，單個(gè)溶洞高度≤3.0 m；或串珠狀的溶洞各層都較小，累加溶洞高度在 3.0 m 以下。B 型：中型溶洞，單個(gè)溶洞高度 ＞3 m 且 ≤6 m；或串珠樁的溶洞累加超過 3 m ，且不超過 6 m。C 型：大型溶洞，單個(gè)溶洞高度 ＞6 m，或單個(gè)溶洞高度 ＜6 m，但多個(gè)溶洞間距很小，其溶洞累加高度 ＞6 m。D 型：橫向連通的成片溶洞區(qū)域。處理辦法如表 1 所示。

表 1 溶洞處理方案選擇表

5 沖孔樁方案的實(shí)施

沖孔樁施工采用的是泥漿護(hù)壁，沖擊鉆進(jìn)后成樁，然后正循環(huán)清洗。泥漿采用正循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由出漿管、泥漿沉淀池、泥漿泵和進(jìn)漿管組成。沖鉆孔時(shí)要經(jīng)常檢測泥漿參數(shù)，及時(shí)調(diào)整循環(huán)泥漿指標(biāo)。其工藝流程如圖 1 所示。

圖 1 沖孔樁施工工藝流程圖

6 實(shí)施效果

健康與環(huán)境工程學(xué)院大樓總樁數(shù)為 354 根。其中，260根非溶洞樁無需處理，平均充盈系數(shù)為 1.40；94 根溶洞樁采取片石+黏土回填處理，平均充盈系數(shù)為 1.76。選取現(xiàn)場具有代表性的 11 根溶洞樁進(jìn)行充盈系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，最小充盈系數(shù)為 1.21，最大充盈系數(shù)為2.84，平均充盈系數(shù)為 1.77。據(jù)統(tǒng)計(jì)，所有溶洞樁混凝土設(shè)計(jì)方量共 3 343 m3，實(shí)際澆灌方量為 5 897 m3，充盈系數(shù)為 1.76；非溶洞樁設(shè)計(jì)方量共 9 461 m3，設(shè)計(jì)澆灌方量 13 224 m3，充盈系數(shù)為 1.40。分析結(jié)果，如表 2 所示。

對 94 根溶洞樁進(jìn)行質(zhì)量控制檢測。其中，靜載檢測 9 根（抗拔檢測 6 根、超聲波檢測 3 根）、超聲波檢測20根、抽芯檢測 94 根，除了 1 根抽芯檢測發(fā)現(xiàn)持力層處有溶洞需要處理以外，其余都檢測合格；低應(yīng)變檢測 203 根， II 類樁 1 根，無 III 類樁。最終樁基檢測結(jié)果評判為合格。

巖溶地區(qū)樁基施工相對困難，有的樁施工進(jìn)度相對緩慢，單樁施工時(shí)長 4 d～33 d，完成 1 根樁平均需要 12.55 d，但由于現(xiàn)場組織施工比較合理，措施準(zhǔn)備比較到位，應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急物資考慮比較充分，整個(gè)施工過程中施工比較正常，最終整個(gè)工程時(shí)間節(jié)點(diǎn)未受影響。

表 2 溶洞樁實(shí)施效果統(tǒng)計(jì)表

7 結(jié) 語

眾所周知，溶洞存在隱蔽性強(qiáng)且大小高低不一的客觀因素，但一般溶洞區(qū)的混凝土灌注樁施工還是有一定規(guī)律可循的。例如：在制定實(shí)施見洞率少、漏漿不太嚴(yán)重的樁基施工方案時(shí)，首先選擇黏土（或添加少量的水泥）+片石回填法，其次選擇低標(biāo)號(hào)素混凝土回填法、長護(hù)筒或全護(hù)筒法和溶洞跨越法，最后選擇注漿法；片石+黏土擠密法既可用于控制較小的充盈系數(shù)，又能反復(fù)多次回填擠密；對于橫向連通的大片溶洞區(qū)域，可采用多措施相結(jié)合施工的處理辦法；等等。