巖溶地區樁基施工地面塌陷分析及處理

賴光東

（中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

巖溶是我國較為常見的一種不良地質，受地層巖性、區域構造和水文地質等影響，通常會伴隨有溶槽、溶溝、土洞以及溶洞等現象。而這些現象往往也是房屋建筑樁基礎施工過程中重要的不確定性因素，需要足夠的工程經驗及合理的方式方法去應對和處理，也是建筑工程五方責任主體相關人員所關注的重點內容。在城市化進程中，國內不少專家學者對巖溶產生地面塌陷的處理積累了不少的經驗。本文結合工程經驗，對巖溶地區樁基礎施工遇到的地面塌陷等問題的影響因素、形成機制和防治措施進行綜合闡述和分析，為以后遇到類似問題的工程技術人員提供參考。

1 地面塌陷的影響因素

1.1 地下水位下降

在人工成孔施工過程中，遇到地下水位較高時，一般采用抽排的方式處理地下水。但地下水的抽排改變了地下水的賦存條件，隨著樁基礎孔內的地下水位下降，其周圍水力條件變化，地下水流速增加，從而水流對周圍土體的沖刷和搬運能力也隨之提高[1]。在水的潛蝕作用下，樁基礎周圍可能形成新的空腔，新的空腔與溶槽或者溶洞相連后，則會引發地面的塌陷。

1.2 爆破施工

在完整或較完整的巖溶地區，人工成孔灌注樁施工會采用爆破方式進行成孔施工。在爆破振動力作用下，巖溶裂隙會更加開放，地下水滲透性增強，潛蝕作用加強，同時振動也增加了土體的附加應力，打破土洞的應力平衡，從而引起塌孔或地面塌陷。

1.3 泥漿護壁施工

機械成孔通常會采用旋挖成孔或者沖孔的方式進行，為保證成孔質量，一般采用泥漿護壁或者鋼護筒護壁。采用泥漿護壁的時候，如施工過程中控制不當，則會產生漏漿現象，類似抽排地下水的影響，泥漿漏漿同樣會引起地下水的水力條件發生改變，泥漿下滲產生的較大水流沖擊壓力或者真空吸蝕會導致土洞坍塌，從而引起地面沉降或者塌陷[2]。

另外，在旋挖和沖擊成孔的機械振動力的影響下，也加劇了地面的沉降或者塌陷速率。

2 地面塌陷的形成機制

2.1 自重作用

巖溶地區上覆土層在地下水的影響下，因水的上浮力影響，在沒有樁基成孔施工的擾動作用時，巖土層中的土洞達到平衡狀態。而樁基施工需要對地下水抽排，致使地下水位下降，浮力降低，土體自重荷載加大，打破了原有的土洞平衡，導致土洞頂板巖土體的自然下落，引起地面塌陷。

2.2 真空吸力作用

原位狀態下的土洞一般有較好的密閉性。地下水位上升時，其內空腔氣體受壓，對空腔周圍巖土體產生向外的壓力，對于土洞的穩定性起到有利作用。地下水位下降時，土洞內空腔氣體向外巖土體壓力逐步降低，土洞形成了半真空或者真空狀態。在外界氣壓作用下，土洞則會失去平衡和穩定狀態，引發地面的塌陷。

另外，當樁基礎穿越巖溶孔洞時，巖溶孔洞內的水頭壓力下降，而孔外地下水水頭壓力不變，此時便會在孔洞處形成較高的壓力差，致使地下水穿過孔壁往孔洞流入，且形成較大的沖擊水壓力。泥漿因為自身密度大，流動速度大，即出現一定范圍的真空負壓力，導致地面形成塌陷。

2.3 潛蝕作用

樁基礎人工成孔施工地下水位較高時，一般要考慮地下水的降排水，地下水降排水形成較為強烈的徑流通道，且此類排水沒有反濾層的控制，大量的原狀土洞或溶洞中充填的流塑狀土顆粒等在水被排出時被集中帶走，擴大并通暢了巖溶區域的現狀裂隙，并與巖溶原狀土洞或空腔聯通，引發地面塌陷。同時，巖溶孔洞與周圍裂隙通道的打開形成了地下較大范圍地下水的流通，地下水的往復循環流動范圍越來越大，巖溶孔洞上層覆蓋層即被侵蝕的程度越大，形成潛蝕效應，繼而逐步發展成為新的土洞，從而引起地面沉降與地面塌陷。另外，在土層與基巖、溶洞、溶隙接觸部位往往存在蠕曲狀潛蝕通道，當地下水位在基巖界面處產生較大幅度波動或在上覆松散層中有垂向水流運動時，將加大潛蝕搬運能力，使溶洞充填物大量流失，在蠕曲狀潛蝕通道的基礎上逐漸形成雛形拱狀隱伏土洞并不斷向上擴展，當土洞上部士層自重壓力接近土洞的極限抗壓、抗剪強度時，在張應力作用下產生地面沉降或開裂[3]。當土層自重壓力超過土洞體的極限抗剪強度時，應力環擴展到地面，拱形土洞崩落、凹陷，形成地面塌陷。

地下水位較低時，樁基礎穿越砂土層、砂礫層等易透水性土層，護壁泥漿容易滲透進入此類地層，對其造成潛蝕效應，形成新的土洞，導致鉆孔周圍土體的抗剪強度降低，并在護壁泥漿的影響下，發生沉降或者剪切破壞，鉆孔孔壁和土洞失穩破壞，形成地面塌陷。

2.4 振動作用

振動作用主要根據施工方式不同，主要有人工成孔施工時爆破作用產生的振動作用，以及機械成孔施工時的大型機械對巖土體的振動作用。

爆破振動作用使巖體產生松動破壞，節理裂隙寬度加大，地下水的流向路徑被打通，地下水對巖土體的侵蝕作用加強。另外，爆破產生的沖擊波使水流流速加大，地下水沿著增寬的巖體裂隙通道迅速流動，導致了土洞周圍的巖土體產生剪切破壞，從而導致土洞失穩。隨著溶洞中水氣壓力的快速消散，地下水快速回流，產生負壓引起真空吸蝕作用，使土洞進一步破壞產生塌陷。在旋挖和沖擊成孔機械振動的影響下，也加劇了地面的沉降或塌陷速率[4]。

2.5 滲流作用

處于高位狀態時的地下水或者承壓水從孔壁往鉆孔內滲透，降低泥漿濃度，引發由孔壁滲透處自下而上的泥漿護壁效果的破壞，致使沿樁孔的地面塌陷。此外，巖溶承壓含水層對鉆孔內的補水也改變了巖溶孔洞內自身的承壓水的狀態，也是誘發地面塌陷的因素之一。

2.6 遷移作用

在軟塑狀或流塑狀的土體中，樁基礎成孔過程中，土體會由土洞區域向鉆孔區域轉移流動，原狀土洞慢慢塌陷消失引發樁基礎護壁破壞，進而導致地面沉降與塌陷。

3 勘察對防治地面塌陷的作用

勘察對巖溶區域的調查分析至關重要。在場地勘察施工時，應對場地地層巖性、地質構造的分布情況和特征、巖土物理力學性質、地下水的賦存條件、地下水的徑流方向和大小、各巖土層之間的水力聯系進行調查分析，具體調查土洞、溶洞、溶槽等不良地質條件的空間分布、填充情況、周圍環境及埋藏條件以及下伏基巖的節理裂隙發育情況，持力層的承載力條件和特征，給設計單位和施工單位提供準確的地質資料，以便對土洞、溶洞、溶槽等不良地質條件的施工工藝和方法提前作出預判和提出預案。

4 地面塌陷的防治措施

4.1 合理調整施工工序

樁基礎一般為跳孔施工，地下水位較高時，施工排水能夠臨時解決孔內水的問題，但在巖溶地區有誘發地面塌陷的風險，同時，對周邊建筑物（構筑物）的地基也會產生不均勻沉降等不良影響，威脅到周邊建筑物（構筑物）的地基整體穩定性和安全。樁基礎施工之前應認真查閱場地勘察資料提供的地層數據、巖溶區域空間位置。對常規的樁基礎施工工序結合勘察報告提供的巖溶區域和地下水賦存條件進行調整，對場區內受地下水影響較小和巖溶不發育情況的區域先施工，而后進行巖溶發育和地下水富藏區域的樁基礎施工。

4.2 局部注漿處理

對于地下水埋深較淺的樁基礎施工，結合勘察報告提供的地下水位高程，在出水口涌水量大或者含泥量高的情況下，說明巖溶裂隙水與該地層有較好的水力聯系，可在已開挖的樁孔底部進行注漿施工（見圖1），注漿深度控制在勘察報告提供的巖溶或土洞區域底部約2~3m處[5]。注漿材料可選用標號為M30的水泥凈漿或水泥砂漿，注漿過程中出現漏漿嚴重時，可考慮摻入3‰左右的膨脹劑或者采用間歇性注漿，以保證注漿效果。必要時還可以考慮采用備用的大量水泥直接填充巖溶空隙和土洞空腔，使之完全充填，然后使用重錘擊打，使得填充的水泥、原狀的土體和水充分融合形成水泥土漿液，待水泥土漿液凝結達到一定強度后，樁孔周圍形成穩定的水泥土護壁層，再進行該層深度以下的樁基礎成孔施工。

圖1 注漿施工示意圖

4.3 合理優化泥漿配比

樁基礎機械成孔時，結合場地地層條件和以往工程經驗，對泥漿池的泥漿配比進行合理優化。一方面，控制泥漿所選用黏聚力程度高的黏土；另一方面，適當加入少量外加劑，比如：堿粉，氫氧化鈉等，含量不超過4‰，調節泥漿的黏稠程度。降低松散地層透水性，防止孔內水向外擴散，保證護壁泥漿不產生或少產生漏漿現象，防止塌孔。如遇到成孔過程中護壁泥漿快速消失的情況時，可先在樁基礎施工該處標高時，在現狀樁底鉆小孔延伸至溶洞或土洞的底部處，并重新調配泥漿，加大泥漿黏稠度，待泥漿濃度與土洞、溶洞平衡后再進行該處標高以下的樁基礎成孔施工。

4.4 鋼護筒跟進施工

針對巖溶發育地區的樁基礎施工，還可以采用鋼護筒成孔跟進至完整巖層的工藝[1]。首先，采用旋挖鉆機引孔，孔徑控制在比鋼護筒直徑大10cm，鉆進至巖層1m處，在第一節鋼護筒孔口處安裝覆蓋層限位設備，并固定在第一節鋼護筒上。接入第二節覆蓋層跟進第二節鋼護筒，以此類推。覆蓋層鋼護筒及時跟進，可控制成孔過程中的塌孔以及誘發的孔周地面的塌陷和沉降。

4.5 黏土+碎石/片石填充處理

當遇巖溶空腔較大時，在樁基礎成孔之前則須提前準備與巖溶空腔體積相當的黏土、碎石和片石等材料，用適當大小的編織袋裝好。在成孔施工過程中，一旦發現孔內漏漿量突然增大時，向孔內投入事先準備好的袋裝黏土、碎石和片石等材料，并采用重錘壓入，使填充材料充分充填巖溶空腔。碎石和片石在填充材料中起到了骨架作用，而黏土顆粒小，可充分充填進碎石和片石的孔隙中。黏土本身有一定的粘結強度，可讓孔壁有一定的自穩性。填充料不能一次充填完成時，可根據實際情況分層多次回填完成，每層高度可控制在1.5~2.0m，各層填充完成后均采用重錘擠壓成型。反復進行上述填充過程，直至填充材料的高度應大于當前鉆進孔底標高以上約0.5m。待填充處理完成后再進行樁基礎施工該處標高以下的成孔施工。

4.6 混凝土填充處理

當遇地下水位較高，巖溶或土洞發育情況復雜不便采用黏土+碎石/片石填充處理時，在成孔施工至巖溶頂板后，不清底，直接用水下灌注商品混凝土的方式，對巖溶或土洞空腔進行填充處理，混凝土強度可為C15，灌注過程中及時關注灌注高度，使灌注混凝土向巖溶或土洞空腔周圍盡量擴散充填，混凝土澆筑標高控制在當前鉆進孔底標高以上約0.5m為宜。灌注混凝土達到一定強度后，灌注混凝土在樁孔四周形成周圍圍護，然后再進行樁基礎施工該處標高以下的成孔施工。灌注混凝土能有效阻止溶洞內原狀填充物或者其他不良性狀土體進入孔內以及樁孔的泥漿漏漿。

5 結束語

總之，巖溶地區樁基礎施工遇到的地面塌陷問題是樁基礎施工時遇到的一種“特殊”現象，也是工程施工過程中的難點工程。樁基礎施工引發的地面塌陷不僅與地下水賦存條件、巖溶發育條件、空間特征有關，更與現狀樁基礎施工工藝息息相關，樁基礎人工成孔和機械成孔作業條件不同，對導致地面塌陷的成因、機制都各有不同。樁基礎施工引發的地面塌陷的防治原則主要要嚴格控制勘察質量，多種勘察手段結合，探明地下水賦存條件以及溶洞或土洞等不良地質的發育情況和賦存特征。樁基礎施工引發的地面塌陷的防治措施主要有六種：合理調整施工工序、局部注漿處理、合理優化泥漿配比、黏土+碎石/片石填充處理、鋼護筒跟進施工以及混凝土填充處理等，實際施工中應結合場地實際條件合理選用治理措施，預防或者治理樁基礎施工的地面塌陷問題。