市政道路喀斯特路基病害勘察工作中地質鉆探法的應用

宋 澍

廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510500

1 工程概況

某道路工程位于廣州市白云區鐘落潭鎮，北部以流溪河為界，與花都區花東鎮相望，東北部、東部分別與從化市太平鎮及本區的九佛鎮相鄰，西部、西南部分別與竹料鎮、良田鎮毗鄰。鎮中心區距離廣州市區約25km，東北面距離從化市區約30km，西面距離花都區中心約30km，同時有新廣從一級公路與京珠高速公路穿過，交通條件優良。

2 地質條件

地質勘察報告顯示，該項目區域地貌為剝蝕殘丘，場地地貌為山間沖積平地，未出現滑坡、危巖及采空區等不良地質。綜合地質鉆探結果發現，項目沿線部分路段分布石炭系石磴子組可溶性灰巖，確定該項目區存在喀斯特發育條件。此次勘察鉆孔ALZK6、ALZK7、AQZK1、AQZK2、AQZK4、AQZK5、AQZK6、AQZK7 揭示溶洞，以《工程地質手冊》（第五版）為準，采用科學的計算方法，計算出遇洞率為50%，線巖溶率為11.95%～89.09%，進而確定該項目區域存在喀斯特發育，等級為中等～極強。

3 喀斯特成因及影響

3.1 喀斯特成因

該道路工程場地較為平坦，上覆第4系松散層，存在斷裂帶，且在部分路段基底分布石炭系石磴子組可溶性灰巖與角礫狀灰巖，地下水發育程度較高，受到地質構造與地下水發育的影響，容易出現地下水溶蝕，進而形成覆蓋型隱伏喀斯特。

3.2 喀斯特穩定性及對工程的影響

綜合地質勘察結果與工程實際經驗可知，該道路工程區域內存在石炭系石磴子組可溶性灰巖與角礫狀灰巖，土洞與巖洞受到上覆第4系松散層的影響，洞內填充了一些較為松散的物質，加上局部溶洞頂板厚度較大，可達到0.3～1.7m，雖然短時間的穩定性變化不大，但是受到發育良好的地下水溶蝕作用以及樁基施工和行車荷載等外部因素的影響時，溶洞頂板易出現坍塌病害，進而導致地面坍塌事故。若該場區的土洞、巖洞頂板膠結性能良好，未出現節理裂隙切割或切割程度較淺時，采用厚跨比法來計算溶（土）洞頂板的安全厚度，如果溶（土）洞頂板厚度與路基跨越溶度長度比例＞0.8，可據此判斷頂板巖層穩定性較好，溶（土）洞頂板巖層不做處理。

該道路項目區域基巖類型為灰巖，局部溶（土）洞頂板厚度小，洞內填充物松散，存在喀斯特塌陷風險。若采用樁基礎，技術人員要根據地質勘察報告與喀斯特發育情況，選擇連續完整的基巖段作為樁端持力層，保證樁端持力層的厚度≥3倍樁徑。同時，要加強對樁基施工的管理與控制，當樁基施工貫穿溶洞頂板及進入溶洞時，施工人員要嚴格控制樁孔偏斜，嚴格按照技術規程控制沖程，做好完善的補漿準備工作，防止樁基施工過程中樁孔泥漿大量流失，規避塌孔缺陷以及坍塌病害[1]。

4 勘察方法

在該道路喀斯特路基病害勘察工作中，采用XY-1型鉆機施鉆，鉆進方法為機械回轉及擊進法；全孔取芯，并根據基巖的實際情況調整巖芯采取率，具體為黏性土及完整基巖巖芯采取率≥80%，破碎巖石或砂層巖芯采取率≥65%，同時采取泥漿護壁，防止孔壁坍塌病害的出現。設計部門綜合道路項目要求、地質性質等因素，確定科學的鉆孔深度，一般路基鉆孔深度為35m，橋梁路基段鉆孔深度為60m，同時確保鉆孔鉆入微風化層的厚度為8m，加強終孔控制。喀斯特發育段路基應根據喀斯特發育的實際情況調整鉆孔深度，同時要保證鉆孔鉆入中～微風化巖厚度達到7～10m的標準。

開展土樣取樣試驗，提供喀斯特地區不同地層的土樣，確保每一層的地層土樣數量≥6件，若同一土層厚度＞5m，技術人員要根據地層實際情況采取土樣，選擇在地層上、中、下3個部位分別采樣。完成土樣取樣作業后，先進行全場土樣野外鑒別，此后選擇典型性土樣開展常規物理、化學試驗以及相關的力學試驗。針對技術孔，開展原位測試，先進行技術取樣，接著嚴格按照試驗標準實施標貫試驗，落實每層鑒別孔的標貫試驗。具體的技術孔完成工作量如表1所示。

表1 完成工作量一覽表

5 喀斯特地區不同地層的鉆探施工技術

5.1 紅黏土覆蓋層鉆進技術

針對紅黏土覆蓋層的鉆進探測作業，分試驗內容及階段采取不同的鉆進技術，在鉆孔開孔作業時采取錘擊鉆進的方式；而開展土樣取樣與原位測試的過程中采取回轉鉆進、泥漿護壁回轉鉆進技術；如有需要，配套使用套管護壁施工技術，且在鉆進過程中控制回次進尺深度，不得超出2m[2]。

5.2 碎石土層鉆進技術

（1）若碎石土層的厚度較小，采用回轉鉆進或泥漿護壁回轉鉆進技術，鉆穿土層后，配套使用套管，避免孔壁坍塌。反之，如果碎石土層的厚度較大且密度較高，采用回轉鉆進法優勢更加突出。但在開展厚度較大、密度較高的碎石土層鉆進施工時，應考量地下水對作業的影響，加入一定量的黏土，實現臨時護壁。如果在鉆進過程中遭遇塌孔現象，施工人員要及時調整泥漿濃度，或者更換鉆進技術，采用套管跟管鉆進技術。

（2）若需實施鉆進的碎石土層存在粒徑較大的碎石顆粒或漂石，操作人員要充分分析碎石土層的特性，考量土層的膠結性能，調整增大泥漿濃度，控制鉆機壓力，并根據實際情況減緩鉆機鉆進速度，如需要改換鉆頭，選擇金剛石鉆頭，以確保鉆進效果。

（3）碎石土層存在粒徑較大的碎石，在鉆進過程中，這些粒徑大于鉆具口徑的碎石不僅會影響鉆具選擇，還會卡入套管與巖芯管，導致正絲套管絲扣滑脫，進而造成套管脫落的問題。基于此，施工人員選擇在正絲套管接頭位置進行電焊，加固套管，防止絲扣滑脫現象的出現。

（4）厚壁巖心管擊入法。該鉆探方法的突出特點為鉆孔效率高、無須考慮碎石厚度、卷口以及其他問題出現的概率較小。具體施工原理為采用壁厚約為1cm、長度≥2m的巖芯管，配合重量超過100kg的吊錘使用，錘擊碎石，實現鉆進。

（5）先鉆進、后擊入套管法。該鉆探方法需要滿足鉆孔孔徑較大這一條件，當鉆進到碎石土層時，配合重型吊錘先將厚壁巖芯管打入鉆孔，然后擊入套管，同時嚴格控制套管擊入深度，不得超出巖芯管深度范圍，將停留在鉆孔內部的巖芯管拔出，取出巖芯，重復此操作，直至完成鉆進[3]。

5.3 軟土（淤泥質土、土洞及土洞充填物）鉆進技術

遭遇淤泥質土、土洞及土洞填充物時，若不對鉆具進行加壓，采取任何鉆進技術都會出現掉鉆的問題。淤泥質土塑性差，在鉆進提鉆時，鉆孔孔內會出現縮徑現象，因而在下次鉆入過程中鉆孔的深度已經發生了改變；在開展土洞及土洞填充物鉆進時，受到松軟填充物的影響，提鉆實施第二次鉆進時鉆頭會出現偏移，影響鉆孔精度。針對這一現狀，根據軟土特性采用肋骨鉆頭，增大鉆孔孔徑，遭遇軟土時，及時打入套管，改良孔壁穩定性，從而提高鉆進作業的精度。

5.4 喀斯特石灰巖鉆進技術

（1）泥球護壁結合套管法：在鉆探喀斯特石灰巖的過程中，向鉆孔內部添加濕黏土球，鉆具轉動擠壓濕黏土球，進而使土球填充到喀斯特裂隙或小溶洞中，達到護壁的效果，同時配合擊入套管，實現鉆探作業。此外，選擇塑性良好、膠結穩定的黏土作為制作濕黏土球的制作原料，為鉆探作業創造了一個優良的環境。

（2）多層套管護壁法：當遭遇較大規模的連續或多個溶洞時，加入濕黏土球的護壁效果較為有限，在這種流塑～軟塑的巖洞環境中，可采取多層套管護壁法實施跟管鉆進，并根據復雜的地層環境靈活采取多種處治措施，多次變化鉆進孔徑，擊入多層套管，達到較為理想的護壁效果。

6 結束語

在開展市政道路喀斯特路基病害勘察工作時，應立足喀斯特區的實際情況，根據不同地層選擇最佳的地質鉆探技術，掌握真實有效的喀斯特發育及分布情況，同時要引進先進的鉆探技術，做好總結，切實提升地質勘察工作的精度與科學性，為道路建設與相關決策提供精準科學的喀斯特情況數據。