旋挖鉆孔樁施工過程中的溶洞處理

包長泰

中基發展建設工程有限責任公司 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項目（一期）位于南寧市邕寧區梁村大道南側旁，騰鯉路東側，仁信路西側，良信路北側，占地面積約0.7km2。項目包括總裝車間、焊裝車間等7個單位工程，設計基礎形式為樁基礎。單樁承載力特征值3000KN，樁端進入第4層微風化灰巖1.0m。實際樁長應結合現場情況應調整：樁端進入持力層深度1.0m,樁長不小于4.0m，樁底6.0m范圍內不得存在溶洞。設計基礎樁直徑800mm，樁身混凝土強度等級C30。

1.2 現場情況

經過現場實地踏勘、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，后經場平回填；場地西北角辦公區域向東約50m，經場平開挖，中風化灰巖出露，部分區域為微風化灰巖；場地東側泥質粉砂巖及角礫巖出露，孔隙水滲流外淌，形成小溪；場地南側的二期區域可見剩余未場平山包及溝渠。

1.3 工程地質情況

根據勘察報告，場地內基巖上覆兩層土層：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，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）灰巖組成：第③層中風化灰巖（D3l），灰白色，中厚層狀構造，閉合節理裂隙發育，巖較破碎；第④層微風化灰巖（D3l），灰白色，部分地段夾有泥質粉砂巖、角礫巖夾層，中厚層狀構造，閉合節理裂隙發育，巖較完整，該層在整個場地內均有分布，分布較連續，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，土質均勻，干強度及韌性低。

1.4 水文地質情況

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

2 問題的提出

經過現場旋挖鉆機試鉆孔及試灌樁，樁孔存在如下多種情況：(1)相鄰樁孔同一巖層標高相差較大，有數米之多；

(2)偏鉆、卡鉆、掉桿時有發生；

(3)樁孔巖層夾有數米厚的軟塑狀粘土，鉆斗擾動下極易液化，坍塌嚴重；

(4)鉆斗撈出鉆渣呈流塑狀，其后的混凝土灌注體積遠超樁孔的設計方量；

(5)鉆進穿過中風化巖層后樁孔內坍塌嚴重，根本無法成孔，或已成孔，但在鋼筋籠吊運期間孔內淤積達數米。

分析以上情況可知，場地內巖溶發育，溶隙、溶溝及溶洞較多，填充不密實，半填充現象較多，填充物易坍塌。巖溶發育可使周圍作為基礎持力層的巖土體強度及穩定性大為降低，引起基礎失效乃至上部結構破壞，土顆粒亦隨地下水搬運而流失，形成土洞，當土洞發育至一定規模時，在機械振動和真空吸蝕作用下，容易引發地面塌陷。由于這種地質構造的特殊性，在鉆孔過程中很容易出現塌孔、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致導管懸空出現斷樁等。因此在施工前，必須根據地質鉆探揭示的地質情況，制定安全可靠的施工方案，方可進行溶洞處理。

3 技術準備

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施地質鉆探，通過鉆探，解決以下兩個方面：一方面要明確每個樁孔的地層結構，查明是否存在溶洞，豎直方向上溶洞存在幾個，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域（比如同一承臺）各個樁孔溶洞情況進行對比，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。施工過程中應根據所掌握的準確的地質情況隨時修訂處理方案，防止各類質量安全事故的發生。

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：溶洞層數較多，為垂直方向上呈現串珠狀的溶洞。(4)聯通溶洞：聯通溶洞是指相鄰的一個或者幾個溶洞在某些部位是相互貫通的溶洞，鉆孔過程中泥漿會突然流失，流到別的樁孔。

3.3 常見溶洞處理方法

(1)片石粘土筑壁法

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

(2)常規處理法

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

(3)鋼護筒跟進法

溶洞較大，單層或者多層溶洞成垂直穿珠狀，洞內沒有填充物或者是半填充的填充物，泥漿流失嚴重，會造成鉆孔坍塌，可采用鋼護筒跟進法，邊鉆孔邊接高鋼護筒，利用旋挖鉆機動力頭壓盤壓到下方溶洞底板，直至全面封堵整個溶洞。

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

(4)注漿固結法

溶洞層數較多，為串珠狀，溶洞位置勘測準確，溶洞大于0.5m小于3m，溶洞填充物中有較厚的砂層或碎石，鉆孔漏漿會引起塌方的情況下，可采用注漿固結法，預先壓注水泥漿，待水泥漿壓注工作完成24小時后開始鉆進。壓注時壓力不宜大于0.4Mpa，直到穩定，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行單管注漿，注漿壓力一般應控制在0.5—1.0Mpa范圍內，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筑物地下溶洞處理過程中經常使用，而鉆孔樁等施工時很少利用此法進行溶洞處理，因其工藝復雜、成本過高。

4 實際處理方法

經對超前鉆鉆孔巖性及柱狀圖的對比、研究、統計發現：場地內溶洞數量較多，但溶洞較小，屬于一般溶洞或較大溶洞的，實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。溶洞填充狀態為填充或半填充，串珠狀溶洞及聯通溶洞較多。

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

施工方案的選擇要保證安全和質量，同時要兼顧施工成本。鑒于以上兩點，溶洞處理思路為：一般溶洞能成孔直接成孔，大溶洞及聯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量，旋挖鉆機在原樁位按正常鉆孔工藝施工：巖層無法安設護筒直接鉆進，土層埋設護筒，遇水后在孔內注入泥漿護壁鉆進。在優質泥漿的護壁作用下鉆孔一般不會產生坍塌，即使發生坍塌，坍塌幅度也較小，面對旋挖鉆機高效率、大容量取土施工，完全可將樁孔內的坍塌土方清理干凈。發生泥漿流失，投入粘土堵漏，流失嚴重時可完全回填樁孔，沉淀數日后繼續成孔。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，根據超前鉆資料，鉆孔時調整鉆孔速度，在泥漿護壁作用下緩慢鉆進，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現大量坍塌，無法再繼續清理時，停止清理，用導管法將C15混凝土灌注至溶洞內，直到充滿溶洞并高出溶洞頂板0.5m。待溶洞內混凝土終凝達到3MPa左右的強度，利用旋挖鉆機重復鉆進，鉆透混凝土→打撈溶洞填充物→灌注混凝土的工序多次進行處理，用素混凝土將溶洞填滿為止。待最后一次的處理混凝土達到一定強度，旋挖鉆機截齒鉆進，成孔灌注樁身C30混凝土。成孔期間若出現泥漿流失情況，適當在樁孔內投入粘土，攪動、靜置后在再鉆進即可。

(3)對于聯通溶洞和大于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注意泥漿流失速度及流失范圍，流失快說明聯通性好，需在相鄰樁孔鉆孔同時處理，灌入C15混凝土同時進行封堵填充。

混凝土填充示意圖如下：

聯通溶洞及大溶洞的處理成本可能會稍稍過高，但考慮到混凝土填充法的優勢，其成本在可接受范圍內。

5 優勢

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

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

6 溶洞鉆孔樁施工事故預防

巖溶地區溶洞發育，地下情況復雜多變，超前鉆鉆探能揭露的只是地下的一部分，施工難免會發生事故，為了防患于未然，現對旋挖鉆機常發生的卡鉆、斜孔及埋鉆事故提出預防措施。

(1)卡鉆：旋挖鉆機在鉆透溶洞，鉆至溶洞底部最容易發生卡鉆的事故，此位置巖層傾斜度不定，巖層凹凸不平，巖層復雜，鉆斗晃動，不進尺，想提出鉆斗時又受頂板巖層影響。在此過程中出現卡鉆現象時不能強行加大轉速，不能強壓鉆進，要上下、左右范圍內晃動鉆都解除卡鉆。或低速低壓力左右緩慢轉動鉆頭，利用鉆斗邊齒擴大孔徑，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鉆孔沒有達到預期的要求，對于斜孔現象最有效的預防方式是鉆進時密切注意鉆桿在孔內的居中情況。當斜孔現象發生時，利用鉆斗在開始斜孔位置低壓低轉速上下掃孔，直至鉆斗歸正后方可鉆。

(3)埋鉆：超鉆和坍塌會造成埋鉆事故發生。溶洞填充物松軟宜坍塌，鉆進時要緩慢進尺，不能以鉆壓決定進尺，以防超鉆被埋鉆，或鉆斗被抱死。若發生埋鉆事故，只要鉆斗能轉動，通過反復緩慢轉動鉆斗，并實時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行預防的，一旦發生不得強行高壓高轉速處理，否則可能會導致掉鉆事故發生。

7 結語

巖溶地區地質條件復雜，鉆孔地質資料不一定能完全揭示溶洞分布情況，因此，樁基施工過程中應安排有經驗的作業人員，密切注意地質變化，及時掌握溶洞情況，爭取及時處理。本工程利用現有機械設備，根據地層情況和溶洞情況，適當變換溶洞處理方法進行處理，即加快了施工進度，又節省施工成本，安全和質量得到了保證。但由于溶洞結構復雜性，混凝土填充法不能有效處理溶洞，此時需和常規處理方法協同處理方可解決問題。