浅谈溶洞地质地基如何施工桩基础

潘定坤

摘要：随着建筑业的发展，越来越多的建设工程采用桩基础。采用桩基础的原因有很多，但地基地质是其中原因之一。当建筑物综合考虑要采用桩基础时，应根据不同的地质状况采用不同施工工艺的桩基础。如果建筑物在探明有溶洞的地基上建造，从安全角度考虑应采用机械钻孔灌注桩。目前，能钻破中风化岩的有冲击钻孔和旋挖钻孔两种常用的机械可供选择。但从施工速度和成桩质量保证上看旋挖钻机更具有优势。因此，本文通过对贵港市西江绿城•香榭里花园(四期3#楼、10#楼、16#楼)及其对应地下室、幼儿园施工工程的地基存在溶洞地质而采用旋挖钻机施工桩基础展开论述，以及在施工过程中采取相应的拋填法、混合法、灌注法、钢护筒跟进法等四种方法有效解决遇到的问题，为溶洞地质地基上施工桩基础提供一些借鉴。

关键字:灌注桩、溶洞、旋挖钻

在存在溶洞地质的地基施工桩基础前，必须采用超前钻详细探明每根桩位的地质状况，然后进行统计和分析，在确保质量、安全和经济性的前提下，综合考虑选择适用于项目地质环境的成孔设备，并针对可能发生的问题充分准备好应对方案，确保溶洞地质地基施工桩基础的质量。

一、工程概况

（一）工程概述

贵港市西江绿城•香榭里花园(四期3#楼、10#楼、16#楼)及其对应地下室、幼儿园施工工程位于贵港市西江农场场部，江北路以南、康平路以东、狮岭路以北。建筑总面积 82545.99 ㎡，其中：3#楼地上 30 层，建筑高度 97.4m；10#楼地上 27 层，建筑高度 88.4m；16#楼地上 27 层，建筑高度 88.4m；幼儿园地上3 层，建筑高度 12.8m；地下设计两层地下室。

桩基础直径均为 1200mm，有效桩长为 5m～40m 不等，桩身混凝土等级为 C35，桩端持力层为强风化、中风化岩层，桩端全截面进入持力层内的最小深度为 3 米。

（二）工程地基地质情况

根据地基详勘报告显示，场地岩土层自上而下主要有②₁红黏土（Q₄^el）、③₁石灰岩（C_1d）、③₂石灰岩（C_1d）、③₃石灰岩（C_1d）、③₄溶洞现分述如下：

②₁红黏土（Q₄^el）：场地均有分布，褐黄色、棕红色为主，主要由黏粒组成，地质较均匀，硬塑状态，切面光滑有光泽，干强度较高，韧性中等，无摇振反应。厚度 2.00～9.10m，平均厚度 5.22m。

③₁石灰岩（C_1d）：场地内大部分有分布。灰色、灰黑色，强化状，裂隙很发育，岩石已风化成散碎片状，手捻可成粉砂状，裂隙中有泥质充填，进尺很快，取芯困难。层面埋深 2.00～21.7m，层顶标高 20.30～40.27m，厚度 0.40～12.00m，平均厚度 4.17m。

③₂石灰岩（C_1d）:场地内大部分有分布。灰色、灰黑色，中风化状，隐晶结构，中厚层状构造，岩石裂隙稍发育，钻进不平稳，岩体极易机械破碎，岩芯多呈碎块状，少量呈短柱状。层面埋深 2.00～25.20m，层顶标高 16.80～39.85m，厚度 0.20～10.55m，平均厚度 3.57m。该层岩石坚硬程度属较硬岩；岩体完整程度属较破碎，岩体基本质量等级为IV级。

③₃石灰岩（C_1d）:场地内均有分布，但未揭穿该层。灰色、灰黑色，微风化状，隐晶结构，中厚层状构造，岩石裂隙稍发育，多为白色方解石脉充填胶结，钻进平稳，进尺缓慢，岩芯多呈长柱状、短柱状，少量呈碎块状，多为机械破碎。层面埋深 2.00～22.70m，层顶标高 19.30～39.97m，厚度 0.30～13.28m，平均厚度 5.70m。该层岩石坚硬程度属较硬岩；岩体完整程度属较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级

③₄溶洞：遇洞率为 31.74%；钻探揭露溶洞高度为 0.20～10.00m，线岩溶率为 7.81%。根据《广西壮族自治区岩土工程勘察规范》（DBJ/T45-066-2018）表11.1.3 确定场地岩溶发育等级为中等发育。溶洞一般呈单体分布，局部呈串珠分布。

根据概况所述，项目有三栋高层建筑，两层地下室，桩基础埋置深浅不一（有效桩长为 5m～40m 不等），地基存在溶洞，且地基土中夹着不同强度的岩石层。

二、成孔钻机选择

（一）沉管灌注桩和人工挖孔灌注桩不适用于存在溶洞地质的地基施工。依照成孔方式不同，灌注桩又可分为沉管灌注桩、机械钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩等三类。灌注桩是指通过机械或人工等手段在地基土中形成桩孔，而沉管灌注桩则是通过锤击或振动或静压等手段将沉管打压入地基土中，然后在桩孔内安装钢筋笼，最后灌注混凝土而形成的钢筋混凝土桩。沉管灌注桩适用的地质条件与静压桩预制桩相似，适用于粘性土、粉土和砂土类土，不适用于存在溶洞和岩石层的地基；人工挖孔灌注桩从工艺和安全角度考虑也不适用于存在溶洞的地基。只有对钻孔灌注桩的各种机械的适用性进行分析研究，选择最合适钻孔机械。

（二）旋挖钻机比冲击钻机更适合在溶洞地质环境施工基础桩。机械钻孔灌注桩按选用护壁方式不同，分为泥浆护壁和干作业两种作法。干作业常用的只有长螺旋钻孔法，泥浆护壁常用的有冲击钻孔法和旋挖钻孔法。长螺旋钻机由于不能钻破中风化岩，且难以钻进超过30米深的原土层等特点，不适用于存在溶洞的复杂地基。冲击钻机和旋挖钻机均可以钻进中风化岩层，两者适用的地质条件也基本相同。冲击钻孔法是利用重量大的钻头（或称冲锤），通过自由下落冲击土层而形成桩孔。其优势是在钻孔过程中可以直接处理桩孔小溶洞塌孔的问题，如果遇到较大的溶洞，在冲击钻孔过程中向桩孔内投放石块和粘土（石块和粘土体积比为1：1），通过冲击钻的冲击作业将石块和粘土挤压填充孔壁或填充溶洞，从而形成较为稳定的孔壁。但是冲击钻机机械化程度低，钻孔功效比旋挖钻机低，而且在溶洞地质环境钻孔容易出现斜孔和卡钻等问题。

旋挖钻机是通过转动钻头钻入土层，而且可以返转提钻，机械化程度高，采用挖掘机底盘、利用覆带行走，可灵活快速移动，全机由柴油发动机提供动力，钻孔动力强劲，钻孔深度可超100米。与冲击钻机相比有如下优势：①成桩质量高。采用清孔钻头清孔的工艺，比冲击钻利用泥浆循环清孔的工艺更有利于清除孔底沉渣，成桩质量更保证；②施工速度快。相同条件下旋挖钻机的钻孔功效是冲击钻机的10倍以上；③安全性好。湿作业环境下采用柴油发动机提供动力更安全，不会出现漏电事故；④机械化程度高。可以实现钻杆垂直度的自动调节和钻孔深度的计量；⑤脱困能力强。钻杆可以回转和移动，且整机移动灵活，卡钻时能快速脱困。

综上所述旋挖钻机更适用于存在溶洞的地基施工桩基础。

三、可能会出现的问题

桩基础开始施工前，先采用超前钻对每个桩位的地质进行再次勘察，获取更详细的地质信息，针对各桩位不同的地质状况做好相应的处理方案，以确桩的施工质量。

溶洞是由被溶蚀的石灰岩组成，部分大的石灰岩的中间先被溶蚀，形成形状各异的洞状存于土层中。勘察是无法准确探出溶洞的形状和顶口的位置。所以旋挖机钻进时将会出现斜孔、漏浆、孔壁坍塌、卡钻、埋钻等问题。为更好预防和处理可能出现的问题，需要不断地对可能出现的问题进行分析研究，寻找解决问题的办法，以达到高质量完成桩基础的施工任务。

四、问题分析

经过对溶洞形成的深入了解和旋挖钻机成孔工艺的研究，对旋挖机在溶洞地质的地基钻孔过程中可能出现的问题进行以下分析:

（一）斜孔。造成旋挖钻机成孔出现斜孔的原因是：①是由于超前钻无法提供溶洞真实形状和位置的信息，未能较好的反映桩位内溶洞存在倾斜度大的岩石面或探头石等状况。当钻头钻至溶洞内倾斜度大的岩石面或探头石时，且在旋挖机司机经验不足且操作不当情况下，致使钻头沿空间阻力相对较小的部位下钻，最终形成孔斜。②当岩石层斜穿桩孔，且岩层倾斜度大，钻头就慢慢地沿阻力相对较小的普通土往下钻，也形成了斜孔。

（二）漏浆、塌孔。漏浆和塌孔的主要原因是由于超前钻提供溶洞顶口的位置信息不准确，当钻头钻穿溶洞的瞬间，桩孔内的泥浆泄漏到溶洞空间内，且泥浆补给不及时，泥浆液面下降，使得桩孔内壁失去泥浆保护出现了塌孔。

（三）卡钻。卡钻产生的主要原因是由于钻头直接钻进了溶洞内，且溶洞内自由空间较大，在上提钻头过程中，钻头在溶洞内出现一定量的晃动，使钻头卡在溶洞顶壁上，即出现了卡钻。

（四）埋钻。埋钻产生的主要原因是当钻头钻穿溶洞的瞬间，桩孔内的全部泥浆泄漏到溶洞空间内，且泥浆补给不足，使得桩孔内壁失去泥浆保护出现大部积塌孔，且不及时将钻头提出孔外，造成埋钻。

五、解决方案

通过对旋挖钻机钻进溶洞可能出现的问题进行了分析，结合超前钻提供溶洞地质的相关信息和旋挖钻机成孔的特点，并查阅相关资料，最终选择有针对性的四种处理方案，具体如下：

（一）抛填法。抛填法是最经济的处理方法，较适用于直径1~5米空间的溶洞。具体方法为：当钻头钻穿溶洞顶壁时，立即将钻头提出孔外，然后向孔内投入片石和粘土块（片石尺寸控制在250 mm、厚度120mm以内，与粘土块的体积比例为1：1），在抛填片石和粘土块时要及时补给泥浆和保持泥浆泥农度，防止孔壁塌孔。每填1000mm厚片石和粘土时用钻头反复挤压密实，根据钻杆测得片石和粘土块已填满溶洞并往上填有一定余量后，方可启动旋挖钻机继续钻进。如果在钻进过程中发现还没有填满溶洞或出现其他溶洞时，将继续按比例投入片石和粘土块，按以上程序压实、钻进，直到形成稳定的孔壁为止。该方法可以避免斜孔、卡钻和塌孔的发生。

（二）混合法。该方法较适用于直径5米以上大空间的溶洞。具体实施方法为：在钻穿溶洞前先准备好泥浆、大量片石块和C15水下混凝土或适合水下使用的混合砂浆（以下简称胶凝混合料）。当溶洞被钻穿应及时利用导管从溶洞底部注入胶凝混合料，同时快速抛填片石。当发现泥浆液位下降要及时补充泥浆，保持孔壁的稳定。溶洞填满24小时后方可以继续钻孔。该方法可以避免斜孔和塌孔的发生。

（三）灌注法。该方法可适用于各形状的溶洞，一般用于处理细长形状的溶洞，由于溶洞空间细长，不足以抛填片石块填充，故需采用灌注胶凝混合料填充。具体实施方法为：当溶洞被钻穿后，应先补充泥浆，保持泥浆液位，然后采用C15水下混凝土或适合水下使用的混合砂浆利用导管从溶洞底部注入，灌注满停钻24小时后方可以继续钻孔。该方法可以避免斜孔、卡钻、埋钻和塌孔的发生。

（四）钢护筒跟进法。该方法适用于各种溶洞，一般用于处理直径5米以上大容量的溶洞。但使用前必须与混合法进行经济对比且综合考虑是否采用。因为钢护筒跟进法的钢护筒是一次性使用，处理费用较高。如果按现场情况采用混合法的处理费用高于钢护筒跟进法或特殊情况需要采用钢护筒跟进法的，建议采用钢护筒跟进法进行处理。具体施工方法为：首先使用旋挖钻机钻至距溶洞顶壁一定距离的位置，然后采用振动法或锤击法将钢护筒插至旋挖钻机钻进溶洞顶的位置。当钻头钻穿溶洞后要立即暂停钻进并将钻头提出孔外，要时刻关注泥浆液面，并及时补充泥浆，当出现泥浆不足时可暂用自来水注入，尽可能保持泥浆液位，保持孔壁暂时稳定，同时将钢护筒保持符合要求的垂直状态慢慢插入溶洞底板内。如果插入有困难，应使用旋挖钻机缓慢钻进帮助钢护筒插入溶洞底板并达到一定深度，当确认钢护筒已插入溶洞底板内时，旋挖钻机方可以从溶洞底板处继续钻进。该方法可以避免斜孔、卡钻、埋钻和塌孔的发生。

上述四种方法可以较好地处理旋挖钻机钻入溶洞时可能出现的斜孔、漏浆、塌孔、卡钻、埋钻等问题。四种处理方法中具有普遍适用性的是填充法和钢护筒跟进法。但在处理问题的过程中，首先要考虑适合性，然后才考虑经济性。如果选用抛填法或混合法未能取得良好的效果，应再次进行分析研究，择优选用填充法或钢护筒跟进法，直至将问题处理达到效果为止。

六、解决效果

采用以上方法处理的桩经过钻芯取样对桩身完整性进行检查，结果显示桩身完整性符合要求。虽然在施工过程中部分桩采用了两种处理方法后才能达到处理效果，处理费用也有一定程度的增加，但最终控制住了在溶洞地质的地基实施钻孔灌注桩可能发生的各种事故，保证该部分桩基础的施工质量，使整个基础工程顺利完工。

七、总结

本文论述了在溶洞地质的地基实施桩基础应选用旋挖钻机施工，分析了旋挖钻机在溶洞地质的地基钻孔可能发生的问题，并对问题进行了研究，然后查阅相关资料选用了四种处理方法。经过本案例的实践证明，所选用的旋挖钻机是满足施工要求，选择抛填法、混合法、灌注法和钢护筒跟进法等四种方法处理问题达到了效果。但还有改进的地方，下面提出几点注意事项供参考:

（一）试桩。基础桩在大面积施工前应先选择溶洞状况最复杂和相关方约定的桩位进行试桩，检验桩身完整性是否满足要求。结合成桩质量和成孔过程的有关信息进行分析研究，总结出施工过程中的不足并加以改进后方可以进行大面积施工。

（二）根据超前钻资料深入了解每根桩位的溶洞发育情况、形状和位置分布等，然后选择合适的处理方法，这样才能达到溶洞处理的最好效果。如遇到不平整的溶洞底面或斜穿桩孔的岩层时不许强行加压钻进，应调整旋挖钻机合适的位置和钻杆的角度，控制合适速度钻进，即可以处理大部分斜孔的问题。

（三）钻孔过程中，应根据不同地质控制好泥浆指标，避免直接灌入清水或不达标的泥浆（除非紧急情况），要密切关注孔内泥浆液面高度，当液面突然降低时，应及时将钻头提出孔外，避免因孔壁失去泥浆保护而造成孔壁坍塌导致埋钻事故的发生。

（四）现场要保持储备一定数量的粘土、片石和袋装水泥，并且要保证在使用过程中能及时足量补供。同时现场要布置泥浆池，保证泥浆的供给。

（五）对旋挖钻机司机进行培训，使其熟练掌握溶洞的各种处理方法，特别是使其能快速感知钻进的土层或溶洞，然后迅速作出处理措施，避免事故的发生。

参考文献

[1]《建筑桩基施工技术规范》( JGI94-2008 )

[2]《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）

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