岩溶地区钻冲孔灌注桩的溶洞处理技术.doc

岩溶地区钻（冲）孔灌注桩的溶洞处理技术
作者：于明远 陈守辉 许陆生
一、 工程概述
肇庆市气象雷达信息处理中心工程总建筑面积为5324.4㎡，共四层。桩基采用钻（冲）孔灌注桩，桩径有Ф800和Ф1100两种，桩长约为20~48 m，单桩竖向承载力特征值分别为2000KN和3500KN，桩端持力层为微风化石灰岩。桩基施工时桩端必须穿越溶洞，全面嵌岩，入岩深度≧500mm，并确保桩端下有三倍直径的完整基岩。
二、 地质情况
为进一步查明桩端持力层的岩溶发育情况和埋藏深度，以指导桩基础设计和施工，甲方委托有资质的钻探公司对桩位进行超前钻探工作。桩位超前钻孔86个，揭露发育溶洞钻孔69个，见洞率达80%，其中有45个钻孔揭露两层或多层溶洞，占揭露岩溶钻孔的65%。溶洞顶板厚度为0.10~4.80米，岩石多已中风化，裂隙较发育。溶洞多呈串珠状，单个溶洞高度变化在0.20~9.80米，多在2米之内，洞内多呈全充填，部分呈半充填和空洞，充填物为软塑粘土及少量中风化白云质灰岩碎块。
三、 工程施工的特点、难点
1、本工程地下石灰岩岩面起伏大、岩溶较发育，溶洞大小、形状、埋深、充填状况都不尽相同，对桩基础施工的影响程度较大。
2、岩溶地区基础施工中，会经常出现涌水、塌孔、卡锤、倒锤、泥浆渗漏、灌注中混凝土外漏等一系列技术难题。
3、地下岩质变化大，加上超前钻钻孔只有一个，不能完全反映出桩径内岩质的情况，经常遇到冲孔快到终孔标高了，但岩样不全部是微风化岩，不能终孔，需重新做超前钻取样确定终孔标高。
4、快到终孔时遇到未探出的小溶洞，突然进尺很快(达50~60cm)，超过桩底标高，需超前钻取样重新确定桩底标高。
5、地质资料揭示无溶洞或只有很小的溶洞，但施工中挤破了旁边大溶洞的洞壁，或小溶洞与旁边的大溶洞是相连的，出现突然发生跑浆的情况。
6、施工工期短，桩总长约2400m，工期只有60天，且工程质量要求高。
四、 溶洞处理的主要措施
在岩溶较发达的地区，一般多采用钻（冲）孔灌注桩。和混凝土预制桩相比，钻（冲）孔灌注桩具有损耗少、安全系数大、灵活性强的优点，缺点是工期长，造价较高。针对本工程特点、难点和对比其他溶洞处理的技术措施，我司决定采用抛投片石及粘土反复冲砸成孔的溶洞处理方法。
（一）溶洞的形式：
根据钻探资料及现场施工清孔来看，该区域主要存在两种形式的溶洞：
一类为充填性溶洞。充填性溶洞一般由褐黄色、可塑的粘性土冲填，间或中间间断夹有小部分灰岩岩块；当钻孔时出现此类溶洞时，能感觉到钻机进尺突然加快，孔内泥浆面缓慢下降，钻机锤头有轻微晃动和摇摆。
另一类为溶蚀严重的溶洞。此类溶洞一般溶蚀裂隙发育，溶蚀面清晰。有的呈溶沟槽状；有的岩芯溶去20%～40%；有的为空溶洞，孔内有少量漏水。当钻孔时出现此类溶洞时，泥浆面会陡然下降，钻机锤头晃动厉害，并伴有倾斜现象。
（二）现场施工中出现溶洞的处理方式
1、成孔过程中溶洞的处理
（1）、技术人员及钻机机组人员充分掌握地质资料情况。每个孔位的地质柱状图都单独列出，发给有关人员，让他们知道溶洞的位置、大小和充填情况。
（2）、工艺流程：施工前对溶洞进行分析研究→钻（冲）孔施工→溶洞顶上低锤冲打→进入溶洞→投入片石及粘土→低锤冲打→反复投入片石及粘土低锤冲打至顺利通过溶洞为止。
（3）、钻至离溶洞顶部1 m左右时，在0.6～1.0 m范围内变换冲程，采取轻锤冲击、加大泥浆密度的方法成孔，逐渐将洞顶击穿，泥浆比重控制在1.6左右，以防卡锤和掉锤。
（4）、进入溶洞后，提起锤头，根据溶洞的大小，将片石抛填至溶洞顶面以上，并加投适量的粘土，然后低锤冲击，将片石和粘土向溶洞填充积压，防止泥浆渗漏和塌孔。如遇溶洞过大，需要往复投石、投粘土，直至孔内泥浆面不再下降、锤头停止晃动摇摆，钻机进尺速度恢复正常为止。
（5）、钻头穿越溶洞时要密切注意大绳的情况，以便判断是否歪钻。若歪钻应按1：1的比例回填粘土和片石至弯孔处0.5 m以上，重砸。
（6）、对于较大的空溶洞或半充填溶洞，在击穿洞顶之前，要有专人密切注意护筒内泥浆面的变化。溶洞洞顶击穿后，桩孔中泥浆会很快下降，应迅速补浆，同时用铲车将准备好的块石、粘土按1：1的比例抛入，直至孔中的泥浆停止下降，并慢慢上升，此时可用冲锤进行适当挤压，反复抛块石、粘土，直至把桩基两侧的溶洞都填满或堵死为止，最后补充满泥浆再重新成孔，溶洞较大的最好等1～2天后再重新冲孔成桩。
（7）、对于特大型空溶洞，采用抛投片石及粘土复冲砸的方法无法进行处理时，则采用钻孔注浆或钢套筒护壁的方法进行处理。但钻孔注浆或钢套筒护壁的工程造价很高，不宜多用。
采取抛投片石及粘土反复冲砸成孔的溶洞处理方法在实际施工中已证实为有效的处理措施。本工程ZK58桩有三层溶洞呈串珠状分布，高度分别为2.12m、6.70m和6.00m，溶洞总高度为14.82m。第一、二个溶洞内为软塑状粘土和灰岩碎石全充填，第三个溶洞无充填，为空洞。上部第四系土层厚度24.38m，采用1100mm型钻头钻孔，钻进速度较快，泥浆颜色为黄褐色。进入岩层后改用2.0吨重1100mm型冲锤冲岩成孔。上面两个溶洞中间岩层间隔只有0.50m，已基本联为一体。冲锤进入岩面后时，以0.6～1.0 m小冲程冲砸。进入第一层溶洞后，无漏浆现象，冲锤进尺稍微加大，经仔细观察冲锤的钢丝绳无摆动，孔位无偏斜。为保证固壁良好，向孔内投放片石1.0m，以1m左右的小冲程冲进。冲进1m后，再次投放片石1.5m，其中夹杂投入粘土反复冲砸。进入第二层溶洞后，均采用每冲进2m投放片石及粘土1.5m重复冲进的方法，钻进过程中无异常现象发生。溶洞内钻进时，泥浆比重宜控制在1.6左右。
到达第三层溶洞顶以上1m时，以0.6～1.0 m小冲程冲打，冲锤进入溶洞后进尺加大，泥浆急剧下降，随即提出冲锤，迅速用泥浆泵反抽泥浆进入孔内，同时向孔内投入1：1的片石及粘土，直至孔中的泥浆停止下降。此时用冲锤进行适当挤压，反复抛块石、粘土，直至把桩基两侧的溶洞都填满或堵死为止。静待2天后重新冲孔，再无漏浆现象，顺利通过溶洞。
该桩从开钻到穿过最后一层溶洞，历时8天，钻孔深度42.00m，其中溶洞处理共耗时6天。溶洞处理抛投片石共计12m3，粘土8m3。我司采用抛填片石及粘土的方法，成孔质量良好。钻进过程中无塌孔、吸钻、埋钻及卡钻现象。冲锤上下自如，无孔斜、缩孔现象。

图一：超前钻岩芯

图二：ZK58柱状图
2、浇筑水下砼过程中溶洞的处理
成孔中遇到的溶洞经过了投入片石和粘土反复冲砸的处理，在浇筑水下砼的时候砼的流失量就会比较少。但有时候会出现混凝土面上升极缓，有时孔内泥浆面还伴有轻微的下降的现象，此时可判断为出现溶洞。该溶洞可能靠近孔壁，钻孔时由于孔内泥浆护壁等原因，对溶洞没有产生扰动和挤压，到浇筑混凝土时，混凝土对孔壁的冲击和挤压使该溶洞显现出来。
针对水下混凝土灌注过程中流失的现象，我们采取了以下施工措施：
（1）、和商品砼公司沟通，加大混凝土生产和运输能力，两台罐车同时运输。
（2）、加大混凝土初存量，如按正常施工混凝土初存量应为1.8~2.2m3，考虑到溶洞的影响，我们加大初存量为3.0m3，避免因首盘混凝土数量不够造成导管埋深不够而断桩。
　　（3）、灌注过程中加大导管埋深，我们一般控制导管埋入深度不小于3m，到达溶洞位置时埋管深度不小于5m，防止混凝土由于挤破护壁后突然下沉，造成断桩。混凝土应连续浇筑，对混凝土面勤测，拆除导管时要确保混凝土的埋深，必要时须对导管加长；同时仔细观察孔内泥浆面，如泥浆面下降过快，则需进行补浆。

图三：冲孔施工

图四：混凝土浇筑
五、 应用效果
在超前钻预探地质的情况下，采取抛投片石及粘土反复冲砸成孔的溶洞处理方法效果明显，具有成本低、施工方便及成桩质量好等特点。
（1）、抛投片石及粘土与钻孔注浆、钢套筒护壁处理溶洞的方法相比较如下表：
抛投片石及粘土处理溶洞的方法与其它方法比较表
序号
项目
抛投片石及粘土
钻孔注浆
钢套筒护壁
1
工艺
工艺简单，可操作性强
工艺复杂
工艺复杂
2
灵活性
发现溶洞能及时处理，边成孔边处理
桩施工前钻孔注浆处理溶洞，施工中发现溶洞不能及时处理
可及时处理溶洞
3
成本
成本最低，约为钻孔注浆的75%，钢套筒护壁的50%
成本较高
三者中成本最高
4
成桩质量
好
较好
好
（2）、抛投片石及粘土处理溶洞的方法能降低卡锤的可能性，并大大减少水下砼的流失量，以ZK58桩为例，成本分析如下表：
ZK58桩成本分析表
序号
成本项目
抛投片石及粘土
无采取措施处理溶洞
1
水下砼数量及成本
47 m3，约45000元
约75 m3，72000元
2
片石及粘土数量及成本
片石12 m3、粘土8 m3，合计约5000元
/
3
总成本
50000元
72000元
如上表所示，采取抛投片石及粘土处理溶洞的方法可节约成本30%左右，取得了良好的经济效益。
（3）、成桩质量好。回填片石及粘土反复冲砸能有效保证桩身完整，无缩颈、桩径扩大的不良现象。本工程桩基础全部经过超声波检测，结果一类桩占98%，无缺陷桩或不合格桩。

图五：桩基础检测报告

图六：桩基础分部工程质量验收
六、 总结
岩溶区基础施工中，不确定的因素较多，新的问题会经常出现，作为工程技术人员应高度重视、认真研究岩溶区基础施工中出现的涌水、塌孔、卡锤、倒锤、泥浆渗漏、灌注中混凝土外漏等一系列技术难题。通过本工程的应用，证明抛投片石和粘土冲击成孔是一种经济、简单的处理溶洞难题的措施。通过摸索和总结出来的这一套经验，希望能对同类的技术难题的处理提供一定的参考。