旋挖鉆孔灌注樁施工遇串珠狀溶洞處理技術(shù)

程華仁

（武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北武漢 430050）

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，建設(shè)項目選址有時無法規(guī)避溶洞發(fā)育地區(qū)；在巖溶地區(qū)進(jìn)行的工程施工，特別是樁基施工，遭遇溶洞地層會造成護(hù)壁泥漿漏失，正常施工難以繼續(xù)，無法按常規(guī)工藝完成。必須先對溶洞進(jìn)行有效處理，常規(guī)做法是先進(jìn)行超前鉆施工勘察，查明溶洞的具體情況，按溶洞的不同類型，針對性地采取不同溶洞處理措施。結(jié)合我司承擔(dān)的湖北武昌溶巖地區(qū)某項目地基處理工程，施工區(qū)域地層存在著大量串珠狀溶洞。經(jīng)對比分析，選用注漿施工技術(shù)對溶洞進(jìn)行處理，取得了良好的效果，成本工期可控，順利完成了注漿處理和樁基施工任務(wù)。

1 溶洞的形成與分類

1.1 溶洞的形成機(jī)理

溶洞是可溶性巖石中因喀斯特作用所形成的地下腔隙[1]，是石灰?guī)r地區(qū)地下水長期溶蝕的結(jié)果，溶蝕作用是一個漫長的地質(zhì)過程，發(fā)育形成大小不同的腔洞體，溶洞發(fā)育常見在巖溶地區(qū)。

1.2 溶洞的幾種常見類型

溶洞按發(fā)育成的腔洞形態(tài)情況等進(jìn)行分類。按溶洞的大小分類，可分為三種，a：小溶洞，洞高小于3m；b：大溶洞，洞高大于3m；c：裂隙、溶蝕。按洞內(nèi)有無添充物進(jìn)行分類，可分為三種，a：有充填，已填滿，包括亞砂土和亞粘土充填，有可塑、軟塑和流塑之分；b：半充填，有一半左右充填；c：無充填物，為空洞。按溶洞是否漏水進(jìn)行分類，可分為三種，a：全漏水，與其它溶洞相連；b：半漏水；c：不漏水。按溶洞垂向數(shù)量進(jìn)行分類，可分為二種，a：單個溶洞；b：多個溶洞或串珠狀溶洞。

1.3 溶洞地層對建設(shè)施工的不利影響

巖溶地區(qū)很容易發(fā)生因溶洞引起的地面沉降和裂縫。樁基礎(chǔ)施工遭遇溶洞，會造成護(hù)壁泥漿漏失、成孔困難和孔斜、卡鉆，混凝土嚴(yán)重超灌，進(jìn)而造成項目進(jìn)度、成本和質(zhì)量目標(biāo)失控，甚至發(fā)生地面塌陷等嚴(yán)重的安全事故。在以往工程實踐中，因溶洞引發(fā)的各類施工事故屢見不鮮。對溶洞如果處理不及時或采取措施不合適，也有可能引起地質(zhì)災(zāi)害，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此對溶洞進(jìn)行加固處理至關(guān)重要。應(yīng)按勘察鉆孔探明的溶洞具體情況，選用合理的技術(shù)手段進(jìn)行處理。

2 溶洞地區(qū)樁基施工的常見處理辦法

2.1 常規(guī)成孔法（按照無溶洞地質(zhì)狀況考慮）

施工地層發(fā)現(xiàn)溶洞存在，且溶洞內(nèi)有充填物為可塑或軟塑的亞粘土，且溶洞不存在漏水情況；這時可忽略溶洞對旋挖施工的影響，而按照正常的施工工藝進(jìn)行。旋挖鉆進(jìn)成孔時，洞內(nèi)的土質(zhì)和溶洞外的土質(zhì)沒有什么差別，可以按無溶洞的情況正常施工作業(yè)。

2.2 片石粘土填筑法[2]

溶洞內(nèi)無充填或半充填，一般溶洞高度在3m 以內(nèi)，但存在嚴(yán)重漏水，護(hù)筒內(nèi)水頭高度難以保持時，可采用片石、粘土和整包水泥進(jìn)行回填后鉆進(jìn)，旋挖鉆機(jī)用小進(jìn)尺干鉆，使回填物充分密實后再加泥漿，提高水頭至正常高度，等水泥初凝具有一定強(qiáng)度將漏漿處堵住后，繼續(xù)使用小進(jìn)尺鉆進(jìn)，形成人工泥石護(hù)壁。

對于一些溶槽、溶溝、小裂隙等，鉆進(jìn)時采取投放片石、粘土和整袋水泥堵塞起到護(hù)壁作用，保證護(hù)壁泥漿不流失，使鉆孔順利通過巖溶區(qū)。如此反復(fù)多次回填，反復(fù)鉆進(jìn)直至形成泥石護(hù)壁并不再漏漿為止。片石粘土填筑法施工有很多成功的溶洞處理案例，是一種比較成熟的溶洞處理施工技術(shù)。

2.3 鋼護(hù)筒跟進(jìn)法

溶洞腔體高大于3m，單層或多層溶洞成垂直串珠狀，可采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)法施工。該方法就是一面鉆孔，一面接高護(hù)筒，并且將其壓到或震動下沉至已鉆成的孔內(nèi)。

當(dāng)樁孔穿過多個溶洞，并且均已成功造壁，在下面溶洞鉆進(jìn)時，上面已形成的泥石護(hù)壁坍塌漏水，可以鋼護(hù)筒跟進(jìn)到這個溶洞位置堵漏。

鋼護(hù)筒選擇。內(nèi)護(hù)筒長度和內(nèi)徑的確定：護(hù)筒長度由溶洞底至地面深度確定，單層護(hù)筒內(nèi)徑在樁直徑加大10cm。多層護(hù)筒自內(nèi)層護(hù)筒直徑上再加大10cm。鋼護(hù)筒要求成型直徑準(zhǔn)確，連接順直，單個大溶洞用單層護(hù)筒，兩個大溶洞用雙層護(hù)筒。

用旋挖鉆進(jìn)成孔鋼護(hù)筒跟進(jìn)法施工時，要求鉆機(jī)成孔樁孔要豎直，無歪斜、縮徑。

鋼護(hù)筒跟進(jìn)法可用于各種中大型溶洞，施工方法相對復(fù)雜，造價高。

2.4 混凝土回灌法

如樁孔出現(xiàn)反復(fù)漏漿，現(xiàn)場條件不允許采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)法和注漿法時，可采取回灌混凝土法，采取低標(biāo)號混凝土灌注，澆筑樁孔間隔一定時間后采用正常成孔方法施工，當(dāng)鉆穿溶洞漏漿時或遇到傾斜巖面時，填入低標(biāo)號混凝土，繼續(xù)成孔。

混凝土回灌法適用于中小溶洞，有無填充物均可采用此方案。施工方法簡單，材料消耗大，成本相對較高，此種方法一般用在樁孔漏漿、堵漏困難的地方。

2.5 注漿法

施工地層溶洞層數(shù)較多，為串珠狀，土層中有較厚的砂層，溶洞漏漿嚴(yán)重會引起鉆孔孔壁塌方，這時對土洞、溶洞處理，可采用注漿法進(jìn)行溶洞充填；注漿材料選用水泥漿，漿液配合比應(yīng)通過工藝試驗確定。

注漿孔徑應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件鉆孔深度及注漿工藝確定，注漿孔徑不宜小于91mm。注漿壓力應(yīng)綜合考慮上覆壓力、地層條件和漿液性能等因素。前期注漿壓力宜為0.2~0.5MPa，終止壓力宜為1~1.5MPa。注漿范圍不小于空洞和裂縫的空隙范圍。當(dāng)空洞邊界巖體破碎，裂隙發(fā)育時，注漿范圍超出空洞范圍的寬度不應(yīng)小于空洞高度的0.5 倍。注漿順序應(yīng)按跳孔間隔注漿方式進(jìn)行，宜先外圍后內(nèi)部的施工方法。施工時應(yīng)記錄注漿壓力和漿液流量。注漿過程中出現(xiàn)壓力驟然下降、上升或冒漿異常時，應(yīng)查明原因并及時采取措施。注漿結(jié)束后，注漿孔應(yīng)采用水泥漿封閉。待水泥漿液壓注作業(yè)結(jié)束，48h后開始正常鉆進(jìn)施工。

注漿法施工可用于多層串珠狀溶洞，也可用于各種有填充物的溶洞，材料消耗較大，造價相對較高。

3 溶洞注漿施工技術(shù)特點

3.1 溶洞注漿技術(shù)的優(yōu)點

3.1.1 提高固結(jié)力

注漿處理后，地層中添加了適量的水泥，水泥固化后形成堅硬的水泥土，這樣可大大提高土體抗壓能力，增加土體的固結(jié)力。同時注入水泥漿液將會填補(bǔ)溶洞的空洞部分，提高地層支撐能力，防止局部地面下沉。

3.1.2 降低滲透性

水泥漿液能夠填補(bǔ)溶洞內(nèi)的空隙，將地下水流通的路徑阻塞，降低潛在的地下水位，從而有效防止地下溶洞導(dǎo)致成孔漿液流失。

3.1.3 提高地層穩(wěn)定性

通過注漿技術(shù)，可以增強(qiáng)地下巖石的整體穩(wěn)定性，從而有效解決巖溶地區(qū)容易造成的地面沉降和地裂縫等問題。

3.1.4 節(jié)約成本

利用注漿技術(shù)處理巖溶地區(qū)的溶洞，可以有效控制材料消耗，減少工期，節(jié)約造價，是一種具有高性價比的溶洞處理施工技術(shù)。

3.2 溶洞注漿技術(shù)的缺點

3.2.1 作業(yè)現(xiàn)場布置難度大

巖溶地區(qū)地貌復(fù)雜，周圍環(huán)境復(fù)雜，施工現(xiàn)場設(shè)備、管路布置難度較大；同時管路行程遠(yuǎn)、壓力損失大，需要充分考慮現(xiàn)場安全和操作問題，現(xiàn)場靈活布置。

3.2.2 注漿操作時機(jī)把控難

在施工過程中，由于地下水條件的不同，對注漿開始和結(jié)束時機(jī)需要進(jìn)行準(zhǔn)確的把控，否則可能影響作業(yè)效果，造成注漿效果不佳的結(jié)果。

3.2.3 對環(huán)境影響較大

注漿作業(yè)過程中需要使用大量的水泥等材料，對周圍環(huán)境可能造成二次污染，容易引起環(huán)保問題。

4 溶洞注漿施工工程實例

4.1 工程概況

京東光谷南大健康智能產(chǎn)業(yè)園項目樁基工程位于武漢市江夏區(qū)，用地面積95017.5m2，構(gòu)筑物總建筑面積223310m2；主要建筑物由4棟庫房、行車道及綜合樓組成，包括1#~2#雙層庫、3#~4#單層庫、5#倒班樓及6#門房。

根據(jù)《京東江夏地塊巖土工程勘察資料》顯示[3]，本工程地質(zhì)土層主要為：雜填土、素填土(Qml)、粉質(zhì)粘土(Q4al)、粉質(zhì)粘土夾碎石(Q3al+pl)、紅粘土(Qel)、灰?guī)r（較破碎）(P1q)、灰?guī)r（較完整）(P1q)。擬建工程場地屬巖溶強(qiáng)發(fā)育場地，基巖為灰?guī)r，溶洞見洞率為39.4%，洞內(nèi)充填物均為可塑狀的粘性土夾灰?guī)r碎塊，半充填—全充填，鉆進(jìn)有漏水現(xiàn)象。

4.2 基礎(chǔ)施工方案

本項目基礎(chǔ)形式為旋挖鉆孔灌注樁、強(qiáng)夯地基處理及CFG 樁，樁基施工主要施工區(qū)域為巖溶地區(qū)。根據(jù)規(guī)范要求，必須進(jìn)場施工勘察及溶洞注漿處理后進(jìn)行樁基施工；超前鉆施工時，發(fā)現(xiàn)溶洞后可立即進(jìn)行注漿處理；要求對施工區(qū)域樁孔位置進(jìn)行施工勘察，對需要注漿的溶洞采取注漿封閉基巖溶洞，停待48h后，按常規(guī)旋挖作業(yè)進(jìn)行成孔施工。

經(jīng)測算比選，注漿法施工成本最低，工期可控，確定對溶洞采取注漿加固法施工處理。

4.3 需要溶洞注漿孔的判定

根據(jù)施工勘察資料分析溶洞充填、埋深、高度及空間分布橫向分布情況，按照工程設(shè)計文件，對樁基及獨立基礎(chǔ)下的溶洞需要進(jìn)行處理，樁基礎(chǔ)溶洞注漿處理判定方式為[4]：

（1）一般空洞及半填充溶洞：對于高度超過1m 的空洞及半填充溶洞，采用注漿法進(jìn)行溶洞填充預(yù)處理，其余的不處理，具體點位按施工勘察完成報告標(biāo)識圖進(jìn)行。

（2）對于全填充溶洞，可不進(jìn)行處理。

獨立基礎(chǔ)下的溶洞處理方案嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行。

（1）對于在規(guī)范要求的邊緣區(qū)域發(fā)現(xiàn)溶洞的采取調(diào)整基礎(chǔ)寬度的辦法避免處理。

（2）對于全填充溶洞，根據(jù)填充物的物理指標(biāo)驗算地基承載力，滿足要求的可不處理。

（3）在規(guī)范規(guī)定深度范圍內(nèi)的一般空洞及半填充溶洞，采用注漿法進(jìn)行溶洞填充預(yù)處理。

4.4 成孔作業(yè)

根據(jù)勘察報告顯示的溶洞區(qū)域，按樁位圖一樁一孔進(jìn)行布置，勘察鉆機(jī)采用XY-1/GK-200鉆機(jī)；超前鉆施工孔位居中布置。對于出現(xiàn)的滿足注漿要求的溶洞樁孔時，利用施工勘察鉆孔埋設(shè)注漿管，采用袖閥管水泥注漿處理。

4.5 注漿管安裝

根據(jù)施工勘察探查取得的洞體邊界數(shù)據(jù)，對于需要注漿處理的孔在溶、土洞頂板以上的部位用實管，在溶、土洞范圍內(nèi)使用花管，注漿管底部加注漿器，注漿器用生膠帶纏繞封閉。注漿管采用直徑25mm、壁厚3mm 的鋼管，每個孔內(nèi)放置注漿管3 根（用二備一）。對于無充填的溶洞，注漿管下至土溶洞頂板下0.5m，對于半充填/全充填的溶洞，注漿管下至溶洞底。

將實、花管根據(jù)要求連接后，在管內(nèi)注滿清水檢查密封性能。然后立即將注漿管沿鉆孔下至設(shè)計標(biāo)高，上端露出地面40cm 左右，并加蓋上悶蓋。為保證順利下管，管中要保證注滿清水，做好防注漿管上浮的措施。注漿管孔口處應(yīng)進(jìn)行封孔，保證止?jié){效果，同時為加強(qiáng)止?jié){效果，可在孔壁間隙靠近地面1~2m范圍內(nèi)充填水泥砂漿加固，封孔完成6~8h后方可進(jìn)行注漿施工。

4.6 注漿漿液配制

根據(jù)溶洞面積及高度估算預(yù)配制漿液的體積，按水灰比計算出所需的水泥和水的用量，在攪拌機(jī)內(nèi)加入計算好的用水量，邊攪拌邊加入計算好的水泥用量，攪拌均勻后倒入儲漿池內(nèi)備用。

4.7 注漿孔位順序

注漿順序采取由外到內(nèi)約束—開放型方式，即先注溶洞最外側(cè)后注內(nèi)側(cè)，隔孔交替進(jìn)行，以控制漿液擴(kuò)散范圍，保證注漿效果。

4.8 注漿施工

注漿設(shè)備機(jī)組主要設(shè)備為注漿泵，配套設(shè)備為水泥罐和漿液攪拌機(jī)。

用注漿泵注漿，注漿壓力不宜太大，前期注漿壓力宜為0.2~0.5MPa，終止壓力宜為1~1.5MPa。使?jié){液填滿溶洞或滲透到填充物內(nèi)，然后固結(jié)。水泥采用PO42.5 水泥，水泥漿液水灰比0.4~0.6[4]。當(dāng)達(dá)到以下條件即可停止注漿：

（1）當(dāng)孔口開始翻漿且注漿量小于15L/min。

（2）發(fā)現(xiàn)注漿范圍附近地面有上抬的趨勢時，立即停止注漿。

（3）發(fā)生竄漿或漿液漏失嚴(yán)重時，立即停止注漿。

注漿方式采取后退式分段注漿工藝，即在注漿帶內(nèi)由孔底自下而上進(jìn)行注漿，每次注漿段長0.5m，注完第一段漿段后，上提注漿芯管，進(jìn)行第二注漿段注漿施工。

在芯管拔出長度大于一節(jié)管長時，停注拆取該節(jié)芯管及接頭，將接頭接在未拔出的芯管上繼續(xù)注漿，依此進(jìn)行直至完成注漿。

注漿過程中如需暫停注漿時，應(yīng)將注漿芯管提升0.4m，向孔內(nèi)注清水后再停止注漿，這樣既保持管路暢通，又保證注漿不受注水影響。

為保證注漿效果，一般采用重復(fù)注漿方法。兩次注漿時間間隔為6~10h,注漿3次，滿足終孔壓力時停止注漿，并用水泥砂漿進(jìn)行封孔處理。

注漿過程中做好注漿記錄，記錄實際孔位、孔深、孔內(nèi)地下物、涌水等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與地質(zhì)報告不符時，分析具體情況進(jìn)行改進(jìn)，修正注漿作業(yè)參數(shù)。

4.9 現(xiàn)場施工存在問題與解決措施

由于項目場區(qū)大，注漿距離遠(yuǎn)：注漿施工時，注漿距離增加，注漿壓力可能不足，影響注漿效果。針對措施是注漿施工做好注漿后臺的位置布置，注意觀察注漿泵的注漿壓力情況，可適當(dāng)增加注漿壓力，避免因為距離過遠(yuǎn)，造成注漿壓力不夠，影響注漿效果。

地面冒漿問題：現(xiàn)場注漿施工時，注漿液從其他位置冒出，分析主要原因為溶洞內(nèi)存在破碎帶，施工時，隨著漿液的注入，壓力增大，水泥漿液從其他勘察孔內(nèi)返出，造成材料浪費。針對措施是對施工勘察孔進(jìn)行孔口封堵處理，并采用間歇停注、多次復(fù)注的方法處理。

4.10 樁基施工成樁

設(shè)計要求注漿施工完成后應(yīng)停待48h，待漿液初凝固，結(jié)具備一定強(qiáng)度后方可進(jìn)行后續(xù)成樁作業(yè)。樁基施工設(shè)備選用SR285旋挖鉆機(jī)，泥漿護(hù)壁成孔，現(xiàn)場實際作業(yè)情況一般是在注漿結(jié)束后停待了7~15d進(jìn)行正常旋挖鉆進(jìn)，漿液無漏失情況發(fā)生。

鋼筋籠制安與混凝土灌注作業(yè)按正常工藝流程進(jìn)行，不再贅述。最后統(tǒng)計，混凝土灌注方量存在1.5%輕微超方。

4.11 施工總結(jié)

本項目共投入施工勘察鉆機(jī)18 臺套，注漿設(shè)備采用BW150壓漿泵2套，樁基施工采用1臺SR285旋挖鉆機(jī)。溶洞區(qū)樁基礎(chǔ)施工歷時50d，順利完成區(qū)內(nèi)的所有溶洞的勘察超前鉆孔、溶洞注漿和旋挖施工任務(wù)。其中施工勘察鉆進(jìn)完成進(jìn)尺約1734.7m，溶洞注漿水泥用量591.5t；完成直徑900mm 和700mm 的鉆孔灌注樁施工122根，灌注混凝土量934m3。樁基施工結(jié)束后進(jìn)行了十三組靜載試驗，檢測結(jié)果表明，單樁承載力和沉降值均滿足設(shè)計和規(guī)范要求。表明注漿處理完全達(dá)到了設(shè)計要求的加固效果。

5 結(jié)語

綜上所述，注漿施工作為一種工藝成熟的施工技術(shù)，溶洞注漿處理作為一種重要的解決巖溶地區(qū)溶洞處理的有效技術(shù)手段，特別在巖溶地區(qū)的多層串珠狀溶洞處理極具成效。溶洞注漿施工設(shè)備和注漿材料容易取得，在降低治理成本方面具有很大的優(yōu)勢，是巖溶地區(qū)溶洞處理的一種重要技術(shù)措施。注漿處理在地基處理中應(yīng)用廣泛，具有一定的推廣價值。但必須注意，溶洞注漿技術(shù)有其局限和適應(yīng)溶洞類型，適用于串珠狀溶洞處理，不能有效處理其他全漏水的大溶洞。