大直徑易塌地層巖溶區域鉆孔樁處理方案

文｜廣東省第一建筑工程有限公司 吳彪

一、引言

我國近年來建筑行業發展速度比較快，隨著經濟條件不斷改善，大量工程項目上馬，為國民經濟提供了良好的工程建筑物質基礎。由于我國地域遼闊，不同地區地理環境不一樣，巖溶區域實施建筑工程項目作業技術難度大，現場施工環境比較復雜，不同巖層之間的土層變化極大，在某機場工程噪音區治理項目現場勘察中發現，巖溶分布比較廣泛，地下土質砂層過厚，大片區域砂層之間可見巖，地下溶洞深度不一，具體位置要探測清楚難度大，溶洞互連互通甚至形成較大的復雜溶洞群。因此，在實施樁基礎工程作業前采用深度不小于5m超前鉆對地下溶洞大小、巖層分布、地下水情況等進行探查。

二、工程概況

某機場工程噪音區治理項目置區建設融資施工總承包（標段三）位于珠三角經濟中心城市人口密集區，總建筑面積為415402.2m2，北區設置兩層地下室，南區一層地下室，施工高層住宅為20棟27-31層，高度分別為83.1—91.8m，施工的塔樓實施鉆(沖)孔灌注樁基礎，塔樓范圍以外（北區和南區的地下室部分）直接采用預應力高強混凝土管樁基礎，其中：鉆(沖)孔灌注樁1359條（含抗拔樁190條），預應力高強混凝土管樁5154條。鉆(沖)孔灌注樁樁直徑分別有：Ф800、Ф1000、Ф1200、Ф1400、Ф1600、Ф2000，樁端支承巖層為微風化巖。

三、場地巖土區域特點研究

項目地點位于廣州城郊結合部，屬于廣州市的北郊，臨近白云新國際機場、境內流溪河貫通全鎮，水資源十分豐富。場地的主要地層按地質成因從上至下依次分為：上覆土層主要為第四系填土層；沖積-洪積層軟塑狀粉質粘土、粉細砂、中粗砂、可塑狀粉質粘土、；沖洪積土層、可塑狀粉質粘土和流塑～軟塑狀粉質粘土；灰巖風化巖帶。

1.簡述各土層情況：

（1）填土

填土：為素填土，填粉質粘土、碎石為主，土質不均勻，松散，稍濕。

（2）沖洪積層

軟塑狀粉質粘土：以粉粘粒為主，含較多粉細砂，濕，軟塑為主，稍濕。

淤泥（質土）：以粉粘粒為主，含較多有機質及腐木，呈流～軟塑狀態為主，壓縮性大。

中粗砂：以中粗砂為主，含較多細砂和粉砂，含少量礫砂。

（3）沖洪積層

可塑狀粉質粘土：以粉粘粒為主，含較多粉細砂薄層，呈可塑狀態為主，稍濕。

（4）巖層

根據鉆探揭露，下伏基巖為石炭系石磴子組(C1ds)的灰巖，本次揭露到中風化層、微風化層，現簡述如下：

1）中風化灰巖

巖芯破碎，呈塊狀～短柱狀，有溶蝕現象。

2）微風化灰巖

厚層構造，巖質較硬。

3）斷層破碎帶

斷層角礫巖：原巖為灰巖，破碎成角礫狀，大小相混，原巖擠壓成可塑土狀，夾有少量碎塊狀原巖。

2.地下水類型

主要含水層為灰巖，灰巖區巖溶發育總體上強烈但不均勻，本場地揭示的巖溶發育在下伏巖層中，地下水與灰巖溶洞水互相連通，地下水水量比較大。地下水對混凝土結構腐蝕性評價具微腐蝕。

3.土洞

場地內巖溶強發育，主要發育有土洞、溶洞，巖溶發育情況分為兩大區：Ⅰ區（溶蝕溝槽區）和Ⅱ區，其中Ⅰ區巖溶強發育，溶蝕基準面多在-15～-25m之間，以土洞、溶溝、溶洞為主，發生巖溶塌陷的可能性較大；Ⅱ區巖溶中等發育-強發育，溶蝕基準面多在-7～-15m之間，以溶溝、溶洞為主，溶洞在場地區域內廣泛分布，分布不均。

4.巖面起伏

本場地巖面起伏較大，埋深從十幾米到四十幾米不等，起伏陡峭，有呈筍狀或溶槽狀等發育形態。如在北區地下室分界線區域，全長約240m，，最深和最淺巖面分別為ZK103和ZK108，對應37.7m和17.9m，巖面高差達20m。

按照建設單位提供勘察報告的地質資料，本場區場地地質條件復雜，溶洞強烈發育，微風化巖面起伏比較大，給樁地基基礎施工帶來較大難度。按建筑物之中A1棟最發育（見洞率為100%）、A16棟最不發育（見洞率11.9%），平均見洞隙率為40.1%。本場區巖溶主要為強發育（局部為中發育），存在大范圍土洞、溶洞等巖溶現象，對施工產生極大影響，若處理不當，有造成地面沉陷和樁基陷落等事故的風險。在超前鉆施工過程中，就發生過多起鉆孔坍塌事件，如A19棟鉆孔6-19-36號在鉆探完成后發生坍塌，形成一個直徑近10m，深3m的大坑（圖1），在塌陷坑填埋后，旁6-19-24號鉆孔鉆探完成后亦發生坍塌，再次形成一個直徑近10m，深3m的大坑，給現場樁基礎施工帶來了很大的安全隱患，施工過程中已出現7次危險性極大的塌陷事故，灌注樁在成孔過程中出現地面塌陷，鋼護筒嚴重變形、沉陷和移位；部分樁在澆搗樁芯砼時出現地面塌陷及鋼護筒變形偏位，給施工造成了較大的安全隱患。

四、不同溶洞處理的施工方法

按照超前鉆報告建議，考慮本項目溶洞形狀、尺寸、位置存在多樣性，巖層強度不均勻性，溶洞填充情況復雜，本工程處理方案可根據實際情況選用：①采用注漿進行充填處理；②設置樁基穿越溶洞，樁端進入下部具有較大厚度的穩定基巖層。

1.普通型溶洞處理方法

通常普通型溶洞是指洞高度不超過3m的全填充軟塑、可塑，填充粘土溶洞或者小于2m的無填充、半填充、全填充流塑溶洞，普通型溶洞易出現漏水漏漿的情況，情況嚴重也可能出現塌孔。出現漏水漏漿的情況可實施兩種注漿方式，第一種是對溶洞頂端部位實施注漿，頂端加固后能防止溶洞穿孔不產生塌孔情形。第二種是對溶洞底部實施注漿，向孔內拋填片石及粘土混合物，利用沖錘沖擊作用擠入樁孔周邊溶洞間隙，從而起到護壁作用。根據溶洞規格大小分析判斷本次溶洞處理的樁孔中，有117個樁孔屬于普通溶洞需要注漿處理，按照處理的部位不同分別在溶洞頂部和底部進行注漿處理。

圖1 超前鉆在A19棟塌孔現場實況

（1）溶洞頂部注漿加固

頂部注漿鉆孔深度要達到25m，注漿使用鋼管直接鉆孔一步到位成孔，鉆孔時離樁邊沿約50cm打孔，一次成孔后提升鉆頭再進行清孔作業，放入注漿導管距離到溶洞底部1.0m后灌入水泥砂漿等待凝固，待凝固后應用專用注漿設備實施注漿，一直注到符合設計和施工規范再停止注漿。

（2）片石加黏土造壁法

在進行沖孔過程中，溶洞很容易導致孔內部水頭快速下降，孔內外部水頭壓力不斷增大，因此需要事前準備好充足水源，對護筒內泥漿面的變化情況認真采取監測措施，一旦發現泥漿面快速下降時，說明正在發生大量漏漿情況，此時要立即進行加水并補漿，并把粘土和片石按大約1：1的比例往下方投4～6m，然后再重新開鉆。作業過程專人監測鉆樁孔四周土體是否發生大面積開裂情況，如在沖孔作業中發生塌孔情況，馬上撤出現場人員和相關機械，等待四周土體穩定后再回填壓實之后，重新在原來的樁位上進行二次沖成孔。

在開鉆過程前，項目部設立專人跟蹤觀察施打樁位的地面土體情況，如發現樁位周邊地面出現裂紋，立即報告現場安全管理人員，停止作業，盡快疏散人員，本項目設立專職觀察土面裂紋人。揭露大溶洞時，當觀察人員發現地面開裂下陷情況時，應立即停止作業，并向值班人員報告，待采取必要安全措施后，才能繼續開工。

2.危險性大的溶洞處理方法

本處理方法主要用于大中型溶洞處理，洞高超過3m（包括串洞洞高累計超過3m的溶洞）的全填充軟塑、可塑及填充粘土的溶洞以及洞高超過2m的無填充、半填充及全填充流塑狀溶洞。本工程中有144個樁孔符合這類溶洞施工條件。采用鋼護筒跟進+拋填法實施。護筒的重要作用是要保證鉆孔的孔壁不發生塌孔情況，并對拋填物體提供安全的護壁條件。如實施三次拋填物體仍然無法控制漏漿時，為避免反復鉆孔過程中劇烈震動發生塌孔的危險性，直接澆灌C20素混凝土進入孔內，繼續澆灌直至素砼液面高出溶洞頂面約1m，待澆灌的C20素砼強度達到70%后，復沖成孔。

旋挖樁機預鉆孔至溶洞巖面上約1米處停鉆，然后埋設鋼護筒跟進至溶洞巖面隔離上部土層及砂層的方法進行處理。

3.成片密集的溶洞處理方法

通常是指存在水平串洞、四周密集溶洞以及厚砂層直接入巖等復雜地質情況的溶洞，溶洞強發育區域。針對此類溶洞，可采取鋼護筒跟進+拋填法或預處理法。

方案一：采用鋼護筒跟進+拋填法（三次拋填無法止漏時采取C20素混凝土澆灌進行處理），做法同危險性大的溶洞處理方式。

方案二：采取預處理方式處理，分為：①壓力注漿法，使用袖閥管注入水泥：粉煤灰：中砂：水=1:0.5:3.5:1的水泥砂漿，水泥砂漿具有低流淌性和速凝性，能否快速有效的進行溶洞填充，并快速凝結，有利于節省溶洞填灌材料。②壓力注C20素混凝土法，注漿孔間距3.0×3.0m，注漿孔采用跳鉆法且成梅花狀分布，鉆機引孔。

五、施工方法總結

加強對樁基礎工程項目的前期勘察工作，必要時采取多種科學探查手段和先進的探測儀器，由于本工程處于城鄉結合部，居住人員密集，給現場探測工作帶來較大的困難。地表水對本工程建設影響較大。在超前鉆孔及雨天機械行走過程中已多次出現地面塌陷現象，說明本場地淺層土層內存在有土洞，具體數量和位置不明。加上本項目樁徑為大直徑鉆孔樁，單樁單孔也無法全部反映樁位的勘察資料，甚至部分處理方案出現塌孔后再采取應對措施，因此，施工前對樁位所處位置及溶洞大小實施反復探測，再采取有效應對措施是十分必要的，也是保證樁基礎施工質量的重要前提。