岩溶地区建筑桩基工程溶洞处理方案探讨

岩溶地区建筑桩基工程溶洞处理方案探讨

白铭海

广州市白云工程咨询管理有限公司       广东广州      510405

摘要：岩溶是可溶性岩层在地下水的溶蚀作用下，产生各种地质作用、形态和现象的总称。可溶性岩石主要包括碳酸盐类岩、硫酸盐类岩和卤素类岩。在我国各类可溶性岩中，碳酸盐类岩占有绝对优势，本文根据灰岩地区项目实际情况、溶洞处理方案比选、最终采取的处理方案以及实施效果进行分析，供读者参考。

关键词：岩溶；塌落高度；注浆法；充填法；全钢护筒法

作者简介：白铭海，男，广东人，桥梁与隧道工程专业，硕士，工程师，主要从事结构岩土工程设计、咨询工作。

1引言

岩溶，又称喀斯特，一般在地表水下渗，地下水流动，具有足够流量且有溶解能力（含CO2）水的可溶性岩层中发育，岩石的组成、形成条件及结构等直接影响岩溶的发育程度和速度。一般情况下，硫酸盐类、卤素类岩石岩溶发育速度较快，碳酸盐类岩石发育速度较慢。质纯、层厚的岩石，岩溶发育强烈，规模较大，含泥质或其他杂质的岩层，岩溶发育较弱[1]。

岩溶的发育具有不均匀性，为区别不同程度的岩溶发育场地地基基础设计，将岩溶场地划分为三个等级，钻孔见洞率（即见洞隙钻孔数量/钻孔总数）大于30%或线岩溶率（即见洞隙的钻探进尺之和/钻探总进尺）大于20%为岩溶强发育；钻孔见洞率小于10%或线岩溶率小于5%的为岩溶微发育；介于强发育和微发育之间的为中等发育。

本文根据灰岩地区岩溶强发育场地项目实际情况，对建筑桩基工程溶洞处理方案进行比选以及对实施效果进行分析，供读者参考。

2  工程与地层概况

2.1  工程概况

项目位于广州市白云区，建筑面积约9.0万平方米，地下一层，四栋高层建筑，约12层，建筑高度约50m，采用框架-剪力墙结构，地下室底板采用平板结构，基础采用钻（冲）孔灌注桩，塔楼范围外地下室采用抗拔桩抗拔。

本工程结构安全等级为二级，结构重要性系数取γ0=1.0，设计使用年限为50年。人防地下室按甲类核6级设计，地基基础设计等级为甲级。场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度取0.05g，丙类建筑，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。

2.2地层概况

根据场地内详勘揭露地层情况，上部第四系覆盖土层主要有人工堆积成因（Qml）的填土层，冲、洪积成因（Qal+pl）的淤泥（质土）、粉质黏土、粉细砂、中粗砂及砾砂层，残积成因（Qel）的粉质黏土等；下伏基岩为石炭系（C）下统大唐阶岩层，揭露岩性有测水段紫灰色、深灰黑色泥质粉砂岩和石磴子段深灰、灰黑色炭质灰岩，按风化程度分为全风化、强风化、中风化和微风化岩4个亚层，其中中风化炭质灰岩、微风化炭质灰岩岩石饱和单轴抗压强度约分别为12 MPa、30 MPa。

场地属珠三角河流冲积平原地貌，其主要含水地层为冲、洪积砂层（粉细砂、中粗砂及砾砂）、基岩风化层、岩溶裂隙水。地下水位受地形地貌、地层特性、地下水补给及排泄等因素影响。勘察期间揭露场地地下水初见水位埋深0.10～4.50m，稳定水位埋深0.30～4.80m，受气候降水补给影响，水位年变化幅度约1.0～4.0m。

超前钻揭示场地见洞率约65%，最大溶洞高度约23m，最小 0.2m ，平均2.7m。洞顶埋深10~50m，洞底埋深14~51m，溶洞顶板厚度较薄，大多小于1.0m，顶板岩芯呈柱状及块状为主、表面溶蚀强烈，溶洞内半充填 或全烈，溶洞内半充填 或全烈，溶洞内半充填或全充填流～软塑状黏性土，部分为无充填状，溶洞分布规律不明显，钻探过程多见漏水现象，溶洞处于不稳定或欠稳定状态，对场地整体稳定性有一定的影响。

图1 溶洞分布平面图

2.3工程重难点

1）若地基主要受力层范围存在溶洞，溶洞顶板可能在上部附加荷载或施工振动荷载的作用下破裂坍塌，使得地下水、土流失造成地基突然下沉。

2）岩溶形态多样，溶洞上方基岩面起伏大，地基易发生不均匀沉降。

3）建筑物基础支承于基岩上，基岩附近有溶洞时基础下方基岩可能沿倾向于临空面的软弱结构面滑动。

4）岩溶地区一般水文地质条件较复杂，岩溶发育在岩层和上覆土层中易产生新的岩土工程问题，对后续地基基础产生不良影响，存在安全隐患。

本工程灰岩面起伏较大，凹凸不平，相邻钻孔之间岩面埋深相差悬殊，岩面坡度变化很大。桩基施工过程中容易出现滑桩、悬桩、半悬桩等工程质量问题，对施工安全也影响很大。

3溶洞处理方案比选

3.1溶洞顶板稳定性分析

目前岩溶区常用的地基稳定性评价方法是一种经验比拟方法，该方法的特点是根据已探明的水文地质条件，结合基础底部荷载分部情况，对影响溶洞稳定性的相关因素进行比较分析做出评价。

另外，也可以按照经验公式对溶洞顶板的稳定性进行验算从而得出定量评价。对裂隙发育，易风化的岩层，溶洞顶板为中厚、薄层，顶板有坍塌的可能或仅仅知道洞体高度的溶洞，溶洞顶板坍塌后，塌落体体积增大，当塌落高度达到临界值H时，溶洞空间自行填满，此时可不考虑溶洞对地基的影响，临界塌落高度H可按下式计算：

式中，H0为塌落前溶洞洞体的最大高度（m）；K为岩石松散（胀余）系数，对石灰岩K取1.2，黏土K取1.05。

按上式计算，本项目场地所需塌落高度最大达118m，溶洞顶板稳定性不满足要求。且本项目溶洞顶板岩石厚度小于溶洞跨度，据此判断也需考虑溶洞对地基稳定性的影响[2]。

另外，当溶洞顶板岩层比较完整且层厚、强度较高，并已知溶洞顶板厚度和岩层裂隙切割情况时，可根据岩体抗弯、抗剪强度验算满足岩体抗弯强度、抗剪强度大于其所受弯矩、剪力时溶洞顶板稳定的最小岩层厚度H。也可根据极限平衡条件抗剪验算确定溶洞顶板能抵抗受荷载剪切的厚度H。

3.2溶洞处理方案介绍

1）注浆法

注浆亦称灌浆，是将一定材料配制成浆液，利用压送设备将浆液注入地层岩土孔隙、裂隙、洞穴内使其扩散、胶凝或固化，从而改善地层岩土物理力学性能，以达到加固地层或防渗堵漏的目的，可用于采空区及岩溶地基加固处理。

注浆中所用的材料由主剂（原材料)、溶剂（水或其他溶剂）及外加剂混合而成。根据材料成分和配比，可分为单液浆和双液浆两类。因水泥浆材结石强度高、材料来源丰富、浆液配制方便、操作简单，故采空区及岩溶地基加固处理时注浆材料一般为纯水泥浆。工程实践中，根据注浆处理对象和遇到的特殊情况，可在水泥浆液中掺入砂、黏性土、粉煤灰、水玻璃或其他掺和料。在浆液漏失严重且无其他有效堵截措施的情况下，宜选用水泥–水玻璃类双液注浆材料进行堵截处理[3]。

2）充填法

充填法通过钻孔向洞隙中灌注水泥砂浆、混凝土、沥青及硅液等，以堵填洞隙，避免发生溶洞漏浆对孔壁的稳定性造成不良影响。跟注浆法的预处理方案相比，该方法更多是一种施工过程处理方案。

处理前，应先探查溶洞范围，冲锤接近溶洞及溶蚀段时，改用小锤，采用高频率低冲锤方式缓慢冲破溶洞顶，密切观察沉降，大部分情况下泥浆将会流失，此时立即向孔内抛填块石、黄泥或素混凝土等，同时控制好泥浆的密度，然后低锤密击使块石等向四周挤压，增强孔壁稳定性。该法要求在桩基施工过程中，施工现场必须备有足够的应急物资，一旦发现孔内泥浆下降，立即向桩孔内集中回填块石、黄泥等材料。

3)全钢护筒法

全钢护筒法施工采用旋挖机开挖至溶洞顶，将旋挖钻头扩大至设计桩径0.2 m，正常钻进至溶洞顶，采用液压振动锤，先将内钢护筒穿越溶洞打入岩层内，再使用同设计桩径钻头成孔[4]。一般而言，此种方法主要适用于2m 以上高度的溶洞，且其中的填充物数量严重匮乏[5]。

在岩溶地区，钢护筒跟进的方式有着较为突出的优势，成桩速度快、质量好，非常适用于单层或多层溶洞的串珠状溶洞、大型溶洞之中，但永久钢护筒造价高，桩机自身重量比较重，未处理溶洞对施工存在一定的风险。

3.3溶洞处理方案选择及溶洞冲填灌浆量计算

1）溶洞处理方案选择

注浆法具有操作灵活简便的优势，基本上可对任何已探明的溶洞进行处理，且处理效果较好，地基完整性能得到较大改善。从工期上看，注浆法快捷可控，可通过增加设备、人员扩大作业面加快施工。

此外，因地下溶洞极为发育，地质勘查并不能完全揭示地下溶洞分布情况，注浆法处理后地下溶洞是否得到填充的不确定性依然较高，没有采用注浆法预处理的未探明溶洞或处理效果不佳的溶洞，桩基施工过程中容易出现漏浆、塌孔现象。

因此，综合考虑上述情况，本项目推荐采用注浆法预处理加充填法施工过程处理相结合的方案。

2）溶洞冲填灌浆量计算

注浆的有效范围和注浆量应通过现场试验确定。设计时溶洞注浆量可根据处理范围、岩溶裂隙发育情况按下式进行计算：

式中，为注浆量（m3）；为扩散半径（m），宜为3-5m；为压浆段长度（m）；为岩溶裂隙率（%）；为有效充填系数，一般=0.8-0.9；为超灌系数，一般取=1.2；为扣除稀疏填充物的孔隙率后的岩溶裂隙充填率；为土石界面下基岩的实际充填系数，宜为2~3，水平岩溶发育区取小值，垂直岩溶发育区取大值[3]。

3.4实施效果

本项目岩溶强发育场地通过注浆法加充填法相结合进行溶洞处理，顺利解决了岩溶特殊地质条件下桩基础施工成孔、成桩难的问题。溶洞处理根据拟定的设计及施工方案实施，达到了预期的效果，注浆总流量、桩基混凝土充盈系数均符合预定要求，保证了桩基础的施工质量，保障了项目顺利推进。

目前，项目溶洞处理及桩基施工已完成，正在进行地下室及主体结构施工。

4  结论与讨论

采用注浆法进行溶洞处理，注浆过程中，通过注浆的流量、压力和注浆总流量，可分析地层的空隙，确定注浆的结束条件，预测注浆的效果。利用附近的注浆钻孔进行观测验证，并跟踪进行质量综合检测，以进一步修正注浆参数和施工工艺，在施工中动态修正注浆施工参数，调整施工工艺。

为防止邻孔串浆和减少浆液的无效漏失，注浆顺序应按跳孔间隔注浆方式进行，并宜采用先外后内的注浆施工方法；为防止注浆过程中孔壁坍塌堵塞注浆通道，避免压力突升引发爆管等，注浆宜采用自下而上循环式注浆。当地层松散易垮孔时可采用自上而下分段复钻注浆。当地下水流速较大时，应考虑浆液在水流中的迁移效应，宜从水头高的一端开始注浆。

溶洞形成的机理复杂，对建筑工程设计、施工及后期使用均影响较大，目前虽有较为丰富的实践经验及理论假定，处理手段也多种多样，依旧需要根据工程特点结合实践经验、理论假定等对实际工程进行论证。通过分析比选各种溶洞处理方案的优缺点和工程适配性，采用一种或多种方案相结合，以期方案经济、安全、可行，保证工程质量。

参考文献

[1] 化建新,郑建国. 工程地质手册[M].北京. 中国建筑工业出版社,2018.

[2] 《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009年版）[S].北京. 中国建筑工业出版社,2014.

[3] 《铁路工程地基处理技术规程》（TB 10106-2010）[S].北京. 中国铁道出版社,2010.

[4] 袁全. 旋挖桩溶洞处理施工方法[J].智能城市,2020.

[5] 孙田田. 岩溶地区桩基溶洞处理技术[J].交通建设,2022.

作者简介：白铭海，男，广东人，桥梁与隧道工程专业，硕士，工程师，主要从事结构岩土工程设计、咨询工作。