中国核工业第二二建设有限公司 湖北宜昌 443101
摘要：近年来，我国高层及超高层项目逐渐增多。在高层超高层项目中，桩基工程是常见的基础形式。地下地质情况具有复杂性及不确定性，在进行桩基施工时，会遇到溶洞，从而增大了桩基的施工难度。为确保桩基的施工质量，必须对溶洞进行有效的处理。本文以我公司承建的鄂州楚江郡城项目桩基施工实例，对溶洞桩基的施工技术要点进行论述。期望通过本文的研究能够为同类工程提供借鉴参考。
关键词：溶洞；旋挖桩；冲孔桩；桩基工程
岩溶地质对其上部建筑物具有较大的影响，因为其位置，尺寸、连通性等方面均存在不可预知的情况，给设计和施工造成了较大的难度，如不采取合理的处理办法，则会产生费工、费料、断桩、卡钻等问题，甚至造成施工场地坍塌，人员设备被掩埋等安全问题，因此，在施工前应对场内地质情况进行充分的了解，对可能会遇到的问题制定合理的应对措施。
1.工程案例
鄂州楚江郡城工程为群体住宅楼，层数为23~27层不等，建筑面积约为74800m2。根据初勘报告，所在的住宅楼地基均存在一定数量的溶洞。
该工程基础采用冲击成孔灌注桩，按端承桩设计，桩端后注浆，桩径600mm。
依据钻探、标准贯入试验、静力触探及室内土工试验成果，工程场地勘察深度范围内地层共分为6层，①层为第四系全新统人工堆积（Q4ml）素填土，②～⑤层为第四系上更新统冲积（Q3al）粘土，⑥层为三叠系中统（T2）微风化灰岩。
根据钻探揭露，岩溶的地下形态主要为溶洞，溶洞中局部包含少量可塑状粘性土及原岩碎块。钻孔中溶洞为半充填，充填物多为黏性土，溶洞的连通性一般。
该场地岩溶强发育，有231个钻孔遇溶洞。
2.技术方案确定
由于地形较为复杂，工程桩径仅为600mm，大型旋挖钻机难以作业，且易发生钻头卡入溶洞、斜岩面而造成掉钻、卡钻甚至钻杆断裂的情况；而采用冲击成孔灌注桩，则功效低下、工期过长、造价较高，现场场地泥浆四溅等情况。
通过对现场实际情况的分析，确定了采用旋挖与冲击成孔接力的方式进行施工（即上层土方部分采用旋挖成孔，下部岩石部分采用冲击钻成孔）。
3.施工准备
3.1超前钻勘察
对于存在溶洞的地基，需由专业的勘察单位进行一桩一孔的超前钻勘察（桩径较大的需按设计要求一桩多孔勘探）。钻孔深度应进入微风化灰岩8.0m，其间若遇溶洞，需保证溶洞下有8m稳定的灰岩。
3.2施工准备
3.2.1对光缆及其他管线进行探测，对重要管线应提前作好保护措施，在管线禁止施工范围内的基桩提前与设计人员沟通进行移位。
3.2.2根据地质柱状图资料确定桩在溶洞位置的预处理方案。施工前对施工作业班组进行溶洞处理相关技术、安全交底。将地质柱状图和溶洞处理方案分发给有关人员，让具体操作者、技术人员、作业队长熟悉溶洞的位置、大小、充填情况以及应采取的溶洞处理方案。
3.2.3溶洞桩基应配置备用泥浆，严格控制粘土的选择，选择并备足良好的造浆粘土，入孔泥浆比重为1.1～1.3，入孔泥浆黏度，一般地层为16～22s，接近溶洞地层调制为19～28s，同时应加大泥浆制备量，以应对随时出现的失浆现象。
3.2.4在现场储备30m钢护筒，以应对突发情况，钢护筒采用不小于10mm的钢板卷制，内径610mm。同时现场储备片石80m3、粘土100m3以应对处理塌孔。
3.2.5钻机安装时，应尽量加大与地面的接触面积，安放足够的枕木。在钻机后应用缆绳拉住。同时在施工中保持便道畅通。保证设备移走的道路平整畅通，紧急情况可保证人、机迅速撤离现场。
3.2.6挖机和吊车等处理溶洞所需的各类机械应提前准备好，处于待命状态。
3.3选用主要施工机械设备：徐工360旋挖钻机；ZZ-6A冲孔钻机；BW150泥浆泵；十字形冲锤重锤直径600mm，重3T。
4.溶洞的处理工艺及过程中的应急措施
4.1溶洞处的施工工艺
桩的施工顺序按外后内、先深后浅，且采用间隔跳打的方式，地质条件复杂或遇较大溶洞，跳打间距适当加大。
根据本工程地质条件，本工程选择片石粘土筑壁法、C15水下早强混凝土填充法、护筒跟进法等施工技术配合使用处理溶洞。对每一根桩做好台账，将存在溶洞且溶洞较为复杂的作为重点预控管理。
4.2溶洞处理方法
在成孔过程中，及时判别孔底的地层变化。当冲击至溶洞顶板时，冲锤采用低锤密实击的方法施工，以防止顶板过早破坏，造成失浆。同时，在成孔中，密切观测桩机底盘的水平、岩样的变化和孔内水位的变化。主要溶洞处理方案如下：
4.2.1处理方法一：不做特殊处理
对于溶洞尺寸较小，施工过程中未出现明显的浆液位置降低、串孔等情况的桩位，成孔后直接按工艺流程灌注混凝土填充，有少量超方是正常的。由于灌注到溶洞附近时，混凝土液面上升速度变慢，施工时注意观察排出的泥浆量和速度，不要过快拔导管，以免管口脱离混凝土面导致断桩或者夹渣。
4.2.2处理方法二：片石粘土筑壁法
对于溶洞量较大，会引起较大超方量的桩位，应按以下方法提前处理：
（1）此类溶洞的桩基施工时要配置专人密切注意桩机底盘水平、岩样和护筒内泥浆面的变化，验证资料中标注的溶洞位置。
（2）在冲孔深度达到击穿洞顶之前，采用小冲程，逐渐将洞顶击穿，防止卡冲击锤。
（3）一旦发现泥浆面下降、孔内水位变化较大、泥浆稠度、颜色发生变化或冲击成孔速度明显加快又无偏孔现象时，表明已穿越溶洞顶进入溶洞。
（4）首先应迅速用大功率泥浆泵补浆补水，同时及时提冲击锤，防止埋冲击锤。
（5）适当增加泥浆中的粘土数量，提高泥浆密度。泥浆粘稠度控制在19～28s。
（6）然后用挖掘机及时将准备好的片石、粘土按3：7的比例抛入。投入量按溶洞竖向高度加2m以上，少量多次进行投放。
（7）采用小冲程进行冲进，让冲击锤击碎黏土和片石并挤入溶洞内壁发挥护壁作用。
（8）直至孔中的泥浆面停止下降，并慢慢上升，此后可加大冲程进行冲击，对投入的填充物进行冲击式挤压，确保溶洞被堵死。若溶洞内进尺过快，则继续投入片石、粘土，投入量根据进尺速度确定，少量多次，每次投放在1m3以上。
（9）若同一溶洞封堵后再次塌孔，则证明溶洞空隙较大，原粘土片石未能有效封堵住溶洞，为增加堵洞固结强度，降低灌注桩时塌孔风险，需要在再投入粘土时分批投放袋装水泥，水泥量以回填深度每米不少于3包，以整袋投入。
（10）当泥浆漏失现象全部消失后，转入正常冲进。
（11）击穿溶洞顶、底板后，要用冲击锤将溶洞顶、底板处的桩孔修理圆滑，以防卡钻卡钢筋笼。
（12）对于填入粘土碎石较多的桩孔，且溶洞较大的，为减少混凝土超方量，可考虑在溶洞的部位上下50cm范围内的钢筋笼上外包2层钢丝网。
4.2.3处理方法三：C15水下早强混凝土填充法
单层溶洞累计失浆严重，但不超过10m3或片石粘土堵洞筑壁法处理后效果不明显，存在漏浆现象，可使用C15水下早强混凝土填充法。
（1）根据漏浆情况判定采用C15水下早强混凝土直接在孔口进行灌注，并根据溶洞深度用冲击锤下入孔内分次捣实，用测绳测量混凝土面标高超过溶洞顶标高1m左右，即停止灌注，记录灌注终止时间。
（2）灌注完成后6小时内应每小时测量一次混凝土面标高，确保终凝前混凝土保持超过溶洞顶标高。
（3）灌注完成12小时后重新进行冲进，在溶洞区域采用小冲程进行冲进。
（4）在溶洞区域泥浆水头无较大损失，即可认为该溶洞处理完成。如在处理后溶洞区域水头仍有较大损失，则重新进行混凝土灌注处理。
（5）当穿过溶洞区域后，转入正常冲进。
（6）击穿溶洞顶、底板后，要用冲击锤将溶洞顶、底板处的桩孔修理圆滑，以防卡钻及钢筋笼。
4.2.4特殊溶洞处理方法：钢护筒跟进法
当单层溶洞累计失浆量超过10m3或多层溶洞累计失浆量超过15m3，而且失浆速度较快，采用其他方法不能顺利成孔，使用钢护筒跟进法进行封堵，但钢护筒施工方法难度较大，成本较高，根据现场实际情况、桩长以及溶洞部位等特点，制定相应的施工措施。
钢护筒采用不小于10mm厚钢板，在加工厂用机械集中卷制加工制作。运至现场存放备用。
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（1）护筒长度的确定
护筒长度L≥h＋2（m）（h为地质超前钻确定的溶洞高度）
（2）护筒内径的确定
护筒内径为Φ610mm。同时为保证桩基直径满足设计要求，将该桩上部成孔直径扩大至700mm。
（3）护筒的沉放方法：
1）当冲击穿过溶洞顶部时要反复提升冲锤，在顶部厚度范围上下慢放轻提，冲锤不明显受阻碍，说明顶部已成孔并且是圆滑垂直的，此时用钢丝绳活扣绑住护筒，用吊机（或冲机自吊）把护筒放入至孔底。下放过程中用仪器进行垂直度检查。到孔底后，护筒不会靠自重沉到溶洞底部（因溶洞底有沉渣、沉淀物等）。
2）护筒沉设利用冲击钻机进行，在冲击钻机的钻头上附加压架，利用钻机钻头的重量，使护筒随钻头的冲击而下沉，直到溶洞的底部。
3）用600mm冲锤继续成孔至设计标高。
本工程对上述几种方法都进行了结合使用，实施过程中其效果明显。
4.3应急处置
4.3.1孔内出现失浆的应急措施
冲击成孔中应严密注意孔内泥浆水头的变化，当出现失浆、失浆速度较快时，应及时补浆，保持泥浆水头。孔壁在无泥浆的情况下，不应暴露超过1小时。
4.3.2冲击过程中出现卡钻的应急措施
卡钻的主要原因是对溶洞分布情况不明确，在钻到离溶洞顶板很近时采用了高落程冲击，使钻头冲破溶洞顶板岩石，钻头倾斜，卡在溶洞顶板岩石部位。当出现卡钻的情况时，可以采用以下措施进行处理：
（1）避免沉渣埋钻，钻头不能长时间停留在孔底不动，要经常上下活动，使得泥浆不停地循环，防止沉渣埋钻的现象发生。
（2）如发生塌孔埋钻，切勿强拉硬提，以免主绳断裂造成埋钻。
（3）利用钻机，缓慢回旋主绳，使钻头旋转，松散卡钻处土石，尝试性提升钻头，若钻头可以提升，则继续使用此方法慢慢将钻头提出。
（4）若塌孔塌落物较多，采用回旋钻头法无效时，采用“反冲法”，利用泥浆把塌落土石冲出孔外，将钻头提出。
4.3.3灌注混凝土流失处理
地下溶洞地段钻孔灌注桩，浇灌混凝土时会出现混凝土随溶洞缝隙流失，灌注混凝土量将会超出正常方量，针对水下混凝土灌注过程中混凝土流失的现象及防止断桩发生，一般有以下施工措施：
（1）对混凝土生产和运输能力有策划预案。
（2）配足混凝土初灌量，避免因首盘混凝土数量不足造成导管埋深不够而断桩。
（3）混凝土灌至溶洞或裂隙处时，适当增加导管埋深，确认安全后，再提升导管。
（4）灌注混凝土过程中，在混凝土能下去的情况下，导管下口埋入深度宜控制在4～6m。灌注时要测量混凝土面高程，对灌注过程中出现的缓慢下降要有准确的判断，防止混凝土面突然下降导管悬空造成断桩事故。
（5）增加混凝土灌注高度，一般考虑超过设计高程1.5～2.0m，尽量避免，在灌注完成拔出导管后混凝土面下降造成桩长不足。
（6）混凝土浇筑完成达到超灌面以上之后，上下抽动导管，但不拔出，观察30分钟，如混凝土面无明显下降，方可缓慢拔出并拆除导管。
4.4冲孔过程中出现的问题及应对措施
溶洞地质的特点表现在非均质性和非密实性，反映在钻孔过程中的形式为：A．空隙漏浆造成塌孔；B．难以形成符合设计桩径的标准圆孔；C．水下砼灌注流失无法估量，容易造成断桩。
4.4.1漏浆、塌孔的技术对策
要求司钻人员随时对照地质钻探资料检查孔内水头高度、泥浆稠度和钻头负荷是否正常。如发现水头损失突然变大，钻头负荷急剧缩小，则应立即加大泥浆稠度并按施工方案进行溶洞处理。
4.4.2偏孔的技术对策
（1）溶沟、溶槽、岩面起伏不平。在钻孔穿过覆盖层或溶洞填充物接触溶洞底板时，钻孔速度会明显降低，主绳摆动大，遇此情况应马上提出钻头，重新进行混凝土回填。
（2）溶洞侧壁侵入孔径。以加入混凝土为主，并适当降低泥浆比重，回填后以小冲程钻进，钻头平稳后再加大冲程造孔。
（3）发现偏孔后，向孔内倒入片石，将偏孔段填满，然后重新冲孔。
4.4.3卡钻的技术对策
（1）司钻人员随时观察钻头负荷和主绳摆动情况，发现卡钻征兆及时提起钻头进行抛填处理。
（2）在距溶洞顶板以上30-50cm处改变钻孔冲程和冲击次数，慢打轻击。
（3）改变钻头形式。在原十字形钻头上焊圈，把十字形连接起来，使之减慢钻进速度，一次成孔并圆顺。
4.4.4掉钻的技术对策
（1）钻头龙门与钻体区段间加工成圆弧过渡，防止断面尺寸突变，形成薄弱部位引起应力集中而断裂。
（2）在钻孔过程中要经常检查钻具、钢丝绳、钻头直径磨损程度，发现超限应及时更换。
5.遇土洞的处理措施
在岩溶地质条件下，场地内可能会存在土洞、土槽等情况，施工时应引起足够的重视，并提前策划好应对措施。
根据超前钻资料显示，该整个场地的超前钻中仅在134#桩处发现土洞，土洞顶部离地面距离16m，底部距地面26m，土洞高10m。土洞为全填充，填充物为软塑状黏性土，无摇震反应，有光泽，韧性中等，干强度中等。
134#桩周边的最近的桩分别为110#、111#、137#、147#、148#，桩间距最近的为2.660m，最远距离为4.050m，而根据超前钻勘察资料，周围这些桩均未发现土洞。因此，初步判断土洞的范围较为局限。
施工此桩时，应按以下几方面进行：
（1）优先施工此桩，再施工周边桩；
（2）合理布置现场的设备位置，垫好钢板、枕木，使得受力能均匀传递到地面，避免局部受力过大。
（3）冲击钻进尺到接近土洞顶部时（即孔深接近16m），应放慢速度，采用小冲程施工，以免重锤进入土洞范围内急速下落。
（4）施工到土洞范围内时（孔深16~26m），应逐步采用“片石+粘土”回填，并用小冲程锤击，以便填实在土洞底部及其侧壁。待冲进情况正常后，停止抛入充填物。
（5）施工过程中，应通过重锤吊绳检测桩孔的垂直度，如发现偏孔，应及时提钻，回填纠偏。
（6）施工过程中应实时监测地面情况，如有裂缝明显加大、沉降、凹陷、塌方等情况，应立即停止施工，并通知周边人员迅速撤离。
（7）浇筑混凝土时应提前通知搅拌站，保证供应；浇筑时及时观测液面并测量混凝土高度，放缓导管上拔速度，以免因混凝土流失造成夹渣甚至断桩的质量问题。
6.经验总结
由于溶洞的存在，每根桩实际的浇筑量难以预估，因此，需要安排专业人员全程值守，防止现场工人凭经验施工，过早的拔出导管造成混凝土夹渣甚至断桩。
桩基施工具有较强的专业性和不可预见性，可能存在与勘察资料不符的情况。本项目在施工时发现有一部分桩与超前钻勘察资料不符，在桩基施工至接近终孔时又发现底下存在溶洞，导致实际桩孔深超过超前钻勘察深度，从而无资料可参考，如在这种情况下自作主张在溶洞底部入岩2m进行终孔，则很有可能导致此桩的承载力不足。此类问题要由设计部门会同地勘单位出具处理意见。
7.结束语
因为不同的工程项目，其下部的岩溶地质状况不尽相同，因此针对溶洞的处理办法一般都是依据原理，带有推测性质和尝试性质，根据工程所在的地质特点灵活应用。由于溶洞具有较为浓厚的地域特点，每个地区会有一套适用于当地的处理办法，参考当地的类似项目案例，根据施工过程中所反馈的情况逐步调整和优化成孔工艺，形成一套适合本工程的处理方案。
参考文献：
[1]杨文奇《岩溶地区溶洞桩基施工技术》建材与装饰2016年
[2]尹国荣《岩溶区勘察方法及桥梁桩基施工技术》中南大学，2009年
[3]张钦城《论溶岩地区冲孔灌注桩溶洞施工及处理方法》住宅与房地产，2016年
[4]姜明和《桩基施工中岩溶地质危害的治理》地质与勘探，2000年
论文作者:张大禄1,许俊敏2,康国兴3
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/20
标签：溶洞论文; 混凝土论文; 钻头论文; 泥浆论文; 桩基论文; 粘土论文; 情况论文; 《防护工程》2018年第33期论文;