巖溶地區(qū)工程勘察技術(shù)及地基加固措施

史華良

摘 要：以西南某省會A102勘探區(qū)為工程背景，提出采用鉆探方式進(jìn)行工程勘察，分析鉆探施工過程中的常見問題，并提出應(yīng)對措施。此外，依據(jù)鉆探成果構(gòu)建勘察區(qū)內(nèi)基巖（灰?guī)r）層三維地質(zhì)模型，提出地基加固措施。

關(guān)鍵詞：巖溶;鉆探技術(shù);工程勘察;地基加固

中圖分類號：TU47文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0086-03

Research on Engineering Investigation Technology and

Foundation Reinforcement Measures in Karst Area

SHI Hualiang

（Guangdong China Coal Jiangnan Engineering Survey and Design Co.， Ltd.，Guangzhou Guangdong 510440）

Abstract： The article takes the A102 exploration area of a certain southwestern provincial capital as the engineering background， proposes the use of drilling methods for engineering surveys， analyzes common problems in the drilling construction process， and proposes countermeasures. Based on drilling results， a three-dimensional geological model of the bedrock （limestone） layer in the survey area was constructed， and foundation reinforcement measures were proposed.

Keywords： karst;drilling technology;engineering survey;foundation reinforcement

西南地區(qū)如貴州等為典型的喀斯特（巖溶）地貌，巖溶發(fā)育區(qū)容易給構(gòu)筑物穩(wěn)定性造成一定影響，因此對地基處理工作提出了更高要求。眾多的科研學(xué)者對巖溶地區(qū)工程勘察以及地基加固技術(shù)等展開研究。莫春峰對崇靖高速巖溶發(fā)育地區(qū)地基處理、施工質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行探討，提出針對性的措施，有效降低了巖溶對高速路基施工的影響，取得了較好的現(xiàn)場應(yīng)用成果[1]。宗俊秀提出巖溶地區(qū)巖石面起伏較大是導(dǎo)致勘察難度較高的主要原因，并提出依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況使用對應(yīng)的勘察方法、地基處理方法[2]。盧功臣等將地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）應(yīng)用于巖溶發(fā)育區(qū)工程勘察，并通過構(gòu)建勘察區(qū)數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），結(jié)合工程地質(zhì)、災(zāi)害評價(jià)方法等，分析水庫庫壩區(qū)地質(zhì)調(diào)查測繪，有效提高了工程勘察效率和工作質(zhì)量[3]。周延國等將工程地質(zhì)分析方法與“3S”技術(shù)相結(jié)合，對云南新莊水庫庫壩區(qū)巖溶現(xiàn)象進(jìn)行地質(zhì)遙感解譯分析，構(gòu)建了三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的工程地質(zhì)勘察等工作開展提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持[4]。本文對巖溶發(fā)育地區(qū)常用勘察技術(shù)展開分析，并針對地基處理問題提出加固措施，以期為巖溶發(fā)育區(qū)勘察和地基處理工作的高效開展提供參考。

1 巖溶發(fā)育區(qū)地質(zhì)概況

A102勘探區(qū)位于西南某省份省會，探測面積為3.6×104 m2，包括12棟高層住宅和連片地下車庫等。構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)為框支剪力墻，單柱最大載荷為1 320 kN?？碧絽^(qū)整體位于一單斜構(gòu)造發(fā)育區(qū)，附近無斷層發(fā)育，出露地層為中厚巖層，傾角10°。探測區(qū)域從上到下的地層依次為素填土層、紅黏土層和基巖層等。

1.1 素填土層

該層厚度為0.5～8.6 m，主要成分為黏土，夾雜有少量碎石塊、建筑垃圾等，力學(xué)強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)松散且厚度變化較大。

1.2 紅黏土層

該層分布在整個勘探區(qū)。紅黏土顏色呈褐黃色，土質(zhì)細(xì)膩均勻，局部夾雜有風(fēng)化石塊。根據(jù)該黏土層形態(tài)，可將其細(xì)分為軟塑、可塑以及硬塑等單元層，厚度分別為0.3～11.2 m、0.4～11.7 m以及0.5～10.3 m。

1.3 基巖層

該層巖性以灰?guī)r為主，節(jié)理、裂隙發(fā)育，基巖面有較大起伏。根據(jù)巖層風(fēng)化程度，可將其分為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化兩個單元層。強(qiáng)風(fēng)化層分布不連續(xù)，厚度變化較大，鉆孔在此巖層中鉆進(jìn)時進(jìn)尺較快，巖芯呈砂礫狀、碎塊狀。中風(fēng)化層分布在整個勘探區(qū)，較為堅(jiān)硬，鉆孔巖芯以柱狀為主，僅個別巖芯呈碎塊狀或者塊狀。

勘探區(qū)域內(nèi)地下水以地四系松散層孔隙水和巖溶裂隙水為主。地四系松散層孔隙水分布不均勻，補(bǔ)給水源為地表水，受季節(jié)降水等影響較大。巖溶裂隙水主要在灰?guī)r裂隙中，富水性中等-豐富。富水性與巖溶裂隙發(fā)育密切相關(guān)，水位、水量等與巖溶裂隙發(fā)育、季節(jié)降水等有密切關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)場抽水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，勘察區(qū)內(nèi)基巖巖溶裂隙水含水層滲透系數(shù)為0.9～1.3 m/d。

2 巖溶發(fā)育區(qū)工程勘察技術(shù)

巖溶發(fā)育區(qū)工程勘察的主要目的是探明巖溶溶洞、洞穴、裂隙等對施工的構(gòu)筑物地基的穩(wěn)定性影響，巖溶規(guī)模、發(fā)育特征以及展布情況，地下水與巖溶間的水力聯(lián)系以及地下水補(bǔ)給情況?，F(xiàn)階段常用的探測技術(shù)包括現(xiàn)場調(diào)查、物探以及鉆探等[5]。由于勘察區(qū)分布范圍相對較小，提出使用鉆探方式進(jìn)行勘察?，F(xiàn)場布置的勘察線間距為20～50 m，并將根據(jù)勘察結(jié)果進(jìn)一步增加探測密度。

2.1 勘察施工技術(shù)以及施工問題處理方法

現(xiàn)場施工采用GXY-1型工程勘察鉆機(jī)。該鉆機(jī)具有性能可靠、鉆進(jìn)效率高以及操作方便等優(yōu)點(diǎn)。施工的鉆孔在勘察期間出現(xiàn)了漏漿、垮孔、卡鉆和埋鉆、穿越多層溶洞、地表塌陷以及巖芯采取率低等問題。下面將針對勘察鉆孔施工期間存在的問題進(jìn)行分析，并提出對應(yīng)的解決辦法。

2.1.1 鉆孔漏漿。漏漿是巖溶發(fā)育區(qū)內(nèi)勘察鉆孔施工常見的問題。巖溶發(fā)育區(qū)內(nèi)巖層裂隙發(fā)育較為完整，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至巖溶通道或者較大溶洞時，鉆探泥漿快速流出，導(dǎo)致孔口常出現(xiàn)無法正常返漿的問題，或者孔底巖塊或者巖粉等無法正常隨漿液返至地面，嚴(yán)重時會發(fā)生燒鉆、埋鉆等事故。

在勘察鉆孔施工過程中，漏漿產(chǎn)生的原因有巖溶裂隙漏漿和溶洞漏漿兩種。針對巖溶漏漿問題，可通過在鉆孔內(nèi)投入黏土球，后用鉆具掃孔、擠壓等方式處理鉆孔孔壁，實(shí)現(xiàn)封堵漏漿縫隙和護(hù)壁的功能。在勘察區(qū)，地表有較厚的覆土層，且?guī)r性以紅黏土為主，因此黏土球原材料獲取方便。對于溶洞漏漿問題，依據(jù)溶洞大小采取不同的處理措施。體積較小時，可使用黏土球進(jìn)行封堵;體積較大時，通過下放套管進(jìn)行堵漏。

2.2.2 鉆孔塌孔。在勘探區(qū)內(nèi)有較厚的紅黏土層，同時巖溶發(fā)育。紅黏土中的軟塑、可塑層抗干擾能力以及強(qiáng)度較低，在鉆進(jìn)影響下鉆孔，孔壁穩(wěn)定性差，容易塌孔。提鉆后，鉆頭難以下放至原有鉆進(jìn)深度。根據(jù)勘探區(qū)地層特征，提出使用跟管鉆進(jìn)方法進(jìn)行護(hù)壁，確?？妆诜€(wěn)定。

2.2.3 鉆孔卡鉆?？辈靺^(qū)內(nèi)基巖面有較大起伏，同時發(fā)育有大量的巖溶裂隙、溶洞以及溶溝等。在勘察區(qū)內(nèi)，發(fā)育有深度超過20 m的豎向串聯(lián)狀溶洞。在現(xiàn)場鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)卡鉆的主要原因如下：探測區(qū)內(nèi)基巖面有較大起伏且灰?guī)r本身強(qiáng)度較高，鉆孔鉆進(jìn)至灰?guī)r巖面時極易沿著巖面鉆進(jìn)，難以垂直進(jìn)入基巖層，導(dǎo)致發(fā)生卡鉆事故;巖溶裂隙發(fā)育，巖體破碎但是強(qiáng)度較高，鉆孔鉆進(jìn)時孔壁掉落的堅(jiān)硬巖塊容易導(dǎo)致卡鉆事故發(fā)生;溶洞發(fā)育，洞口一般堆積有紅黏土，洞底堆積有松散碎塊，鉆孔鉆進(jìn)至溶洞底部時，會因鉆井液漏失嚴(yán)重、無法返排地面等引起溶洞充填物或者鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖粉在孔底堆積，最終導(dǎo)致卡鉆、埋鉆等情況發(fā)生。

針對上述問題，可采取相關(guān)措施：在鉆孔鉆進(jìn)至堅(jiān)硬的灰?guī)r時，可通過控制鉆壓、降低轉(zhuǎn)速等方式鉆進(jìn)，待鉆頭進(jìn)入堅(jiān)硬灰?guī)r后，再緩慢增加鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)壓力;在鉆進(jìn)過程中，若遇到破碎帶巖層，可向鉆孔內(nèi)投入黏土球進(jìn)行護(hù)壁;當(dāng)鉆進(jìn)穿越溶洞時容易出現(xiàn)埋鉆、垮孔等現(xiàn)象，可使用跟管鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)，將套管隨鉆下放至溶洞底部穩(wěn)定巖層中，確保鉆孔穩(wěn)定。

2.2.4 穿越多個溶洞?？辈煦@孔下放的套管一般僅到基巖（灰?guī)r）面，且在勘察區(qū)內(nèi)有深度超過20 m的豎向串聯(lián)狀溶洞。鉆頭鉆進(jìn)至溶洞頂板時，由于缺乏導(dǎo)向，再次下放鉆具時不容易沿著原鉆孔鉆進(jìn)，往往需要重新開孔，不僅增加了勘察成本，延長了工期，而且容易出現(xiàn)卡鉆、埋鉆事故。

針對上述問題，可采用變徑鉆進(jìn)和下放多層套管的方式進(jìn)行施工。首先，使用108 mm鉆頭鉆進(jìn)至基巖面200～300 mm的位置，并下放套管至基巖面;其次，更換為89 mm鉆頭鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)過程中遇到溶洞時，鉆進(jìn)至溶洞底200～300 mm后方可上提鉆具，取芯樣后將芯樣管作為套管進(jìn)行導(dǎo)向、護(hù)壁;最后，使用73 mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)施工。采用上述措施，可有效降低多個豎向串聯(lián)狀溶洞對勘察鉆孔施工的影響。

2.2.5 巖芯取樣率低?？辈靺^(qū)為巖溶發(fā)育區(qū)，地層巖溶裂隙發(fā)育、溶洞多，使用常規(guī)的單動單管取芯方式存在巖芯取樣率低、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等問題。特別是取芯段有多層溶洞時，取芯困難問題尤為突出。此時，可通過改進(jìn)取芯工藝來解決上述問題。鉆孔鉆進(jìn)時減少回次進(jìn)尺，使用單動雙管鉆具鉆進(jìn)。

2.2.6 地表塌陷。勘察鉆孔在覆蓋層厚度較薄、下伏基巖中含有體積較大的溶溝以及在溶洞位置施工時，受鉆進(jìn)泥漿沖刷和鉆進(jìn)引起振動等多重因素影響，鉆孔內(nèi)土層、紅黏土等被鉆井泥漿帶走，引起地面塌陷問題。因此，在勘察鉆孔鉆進(jìn)時，應(yīng)將套管下放至基巖面，避免泥漿沖刷導(dǎo)致地面塌陷問題。同時，在勘察鉆孔施工期間，應(yīng)觀察地表變形情況，當(dāng)?shù)乇碛兴菡髡讜r，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，待采取有關(guān)措施后，方可繼續(xù)施工。

2.3 勘察結(jié)果分析

在勘察區(qū)內(nèi)共計(jì)布置1 020個勘察鉆孔，有352個勘察鉆孔揭露有巖溶裂隙、溶洞，勘察鉆孔見洞隙率達(dá)到34.5%。其中，在12#地塊鉆探時勘察鉆孔見洞隙率達(dá)到56.7%，且該地塊屬于強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)。

總體來說，勘察區(qū)內(nèi)巖溶形態(tài)以裂隙、溶洞為主。溶洞大部分被風(fēng)化石充填，并膠結(jié)有黏土。鉆孔鉆進(jìn)時揭露的溶洞多為單個，少數(shù)鉆孔揭露2～4個串聯(lián)溶洞，且揭露的溶洞發(fā)育高度多為1～3 m。具體勘察區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育勘察結(jié)果，見表1。

3 勘察區(qū)地基加固措施

發(fā)育的溶洞、巖溶裂隙等對地基穩(wěn)定性有較大影響，要進(jìn)行針對性加固以滿足地面構(gòu)筑物施工需要。當(dāng)溶洞洞口較小時，可采取挖除、垮蓋以及回填等方式進(jìn)行處理。當(dāng)洞口較大時，可使用混凝土拱、板、梁等跨越過巖溶洞穴影響區(qū)。跨越過溶洞的構(gòu)筑物基礎(chǔ)，應(yīng)在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且承載能力較強(qiáng)的基巖上。對于巖溶溶洞周邊不穩(wěn)定巖體，可采取混凝土噴漿、清除填堵等方式進(jìn)行加固。對于發(fā)育規(guī)模較大的溶洞，可在溶洞下施工柱子，并將柱子基礎(chǔ)嵌入穩(wěn)定的基巖層3 m以內(nèi)，用以支撐地面構(gòu)筑物。

對于地基以上且由于地表水體引起的地基塌陷或者沉降等問題，應(yīng)通過修筑排水溝改變地表徑流方式減少地表水對地基的影響，并依據(jù)巖溶溶洞規(guī)模、位置等參數(shù)采用混凝土砂漿加固、清除等方式進(jìn)行處理。對埋深較淺的溶洞，需清除溶洞內(nèi)充填物，并使用碎石分層夯實(shí)重新充填溶洞。

4 結(jié)論

巖溶分布、發(fā)育具有不均勻性、隱蔽性特點(diǎn)，因此在巖溶發(fā)育區(qū)工程勘察工作較為復(fù)雜。鉆探是工程勘察最常用的技術(shù)手段，在巖溶區(qū)施工勘察鉆孔時易出現(xiàn)塌孔、卡鉆以及漏漿等問題。本文分析勘察鉆孔施工時出現(xiàn)問題的原因，并有針對性地提出應(yīng)對措施，實(shí)現(xiàn)了勘察鉆孔的高效鉆進(jìn)。

勘察鉆進(jìn)探測發(fā)現(xiàn)：A102勘察區(qū)內(nèi)發(fā)育有442個溶洞，且溶洞發(fā)育高度一般在3 m以內(nèi);基巖層面變化較為明顯，鄰近勘察鉆孔揭露基巖層間落差較大。

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