浅析岩溶地区旋挖灌注桩施工技术及质量控制

随着科技的发展，施工工艺也在不断更新和进步，针对岩溶地区的桩基施工问题，近年在工程实际中应用较为广泛的是旋挖钻孔灌注桩施工技术，因其工作效率高并能较好的控制污染是目前公认的绿色施工工艺。但在一些岩溶地区，地质条件极其复杂，存在许多溶洞且裂隙发育，给桩基施工带来极大困难，极易使钻孔偏斜、坍塌或漏浆，导致桩基的承载能力大幅下降，从而影响整个工程的进度以及质量。为解决这一问题，在施工过程中如何采取可靠的技术支持对施工质量监督控制就显得尤其重要。本文针对岩溶场地，结合具体工程案例，着重围绕岩溶地区旋挖钻孔灌注桩施工技术及质量控制进行简要分析研究，在同类工程项目建设中具有参考借鉴作用。

质量控制灌注桩旋挖钻孔岩溶地基

前言

贵州地处云贵高原，境内山高谷深，沟壑纵横，素有“九山半水半分田”之说。曾经受困于基础设施薄弱，经济社会发展严重受阻。“十三五”时期，贵州奋起直追，力破瓶颈，全力推进基础设施建设大踏步前进。昔日“地无三里平”，如今天堑变通途、高峡出平湖，为贵州经济社会发展奠定坚实基础。随着近年来经济的发展，在云贵高原等山区大力开展基础设施的建设工作，推动城市化的进程，但在广西、云南、贵州地区，广泛分布着岩溶地质，对基础设施、城市发展、工业建设的发展带来了巨大的挑战，为满足高层建筑地基承载能力和变形的要求，需采用特殊的基础形式才能更好的满足。与以前的施工技术不同，旋挖钻孔灌注施工技术在基岩内部打入桩基，巧妙地将上部较大荷载传递到基岩，利用了基岩岩层承载能力较强的特点。旋挖钻孔灌注桩施工技术具备较高的承载力，对于震动也能较好的抵御，并且可以在各种复杂地质条件中使用，成为了岩溶地区首选的施工技术。由于岩溶地区的岩层错综复杂，岩溶地貌独特的结构，在表层下多存在丰富的地下水，经常出现石芽、溶隙、溶洞等复杂地貌不良地质条件，给工程施工带来极大困难，极大的影响了建筑地基的稳定性，施工过程中还应注意对地下水资源的保护。现以贵州鹏昇项目为例，就岩溶地区旋挖钻孔灌注桩施工技术及质量控制要点作简要的介绍与探讨。

1.工程概况

贵州鹏昇(集团)纸业有限责任公司年产60万吨包装纸建设项目位于贵州省黔西南州义龙新区新桥镇包装纸工业园区。区域地貌属云贵高原西部地段，中山地貌，地层主要有第四系素填土(Qml)、可塑状红粘土(Qdl+el)、下伏基岩为三叠系中统关岭组(T2g)中风化灰岩。依据岩土工程详细勘察报告，本项目共钻探孔，钻孔钻探揭露有个钻孔见溶蚀裂隙(粘性土全充填溶洞、溶洞、粘性土半充填溶洞、溶蚀裂隙)，钻孔见洞隙率为14.68%，地质剖面图显示相邻柱位基岩起伏大于5m，根据《贵州建筑岩土工程技术规范》(DBJ52/T-)7.1.3条之规定，本项目场地属岩溶强发育。因场地大部分区域由挖方区的弃渣回填而成，石渣回填层厚度达9~11.5米不等，主要成份为碎石夹粘性土，回填石渣料极不均匀，缺乏有组织的分层碾压，直接导致高填土石方中的填料孤石架空。因此为了有效确保项目桩基工程的顺利施工，并使其具有较高的质量水平，减少泥浆排放污染环境，最终决定采用旋挖钻孔干法作业。

2.岩溶地层的工程特点

岩溶又称喀斯特，是水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。喀斯特地貌的形成主要是石灰岩、白云岩。从桩基的施工角度看，岩溶地层的主要工程特点有：

2.1岩溶溶洞或岩溶发育带多处于基岩顶部与第四系残积层交界面附近，以基岩为持力层的桩基，其桩端下可能存在勘探时未被发现的溶洞，若洞顶完整岩层厚度小于3倍桩径且少于5米时，则对桩基的稳定安全存在潜在的危险。

2.2我国的可溶性岩石主要是石灰岩和白云岩，一般具有较高的强度，导致成孔难度大，如果缺乏对施工技术的合理使用或施工质量控制不当，则极有可能出现卡钻甚至塌孔等严重的质量安全事故，对工程自身质量水平以及施工人员的人身安全产生重大影响。

2.3岩溶地区的基岩起伏大，往往洼地、溶槽及溶沟分布广，因不良地质条件，使桩基存在临空面对桩基受力不利，必将加大入岩深度，旋挖钻孔进尺相对缓慢，钻头磨损大，施工效率显著降低。

2.4在岩溶地下水丰富地区，钻孔时涌水量大，给桩基施工和混凝土浇筑都带来一定难度。

图2：炉后场地平整揭露土层图3：造纸车间纸机压榨部区域存在地下溶洞内石芽密布

3.施工技术措施

3.1施工前的准备

(1)合理选择成孔方案，如桩长范围内覆盖层为素填土(石渣回填层)，为避免孔口出现塌陷、保证孔壁稳定，钢护筒埋置深度应根据设计要求或桩位的水文地质情况确定，一般情况埋置深度宜为2~4m，特殊情况应加深以保证钻孔和灌注混凝土的顺利进行。如覆盖层为可塑状红粘土，土层软硬均匀时，选用旋转钻孔，可以缩短成孔周期，降低成本。钻岩时考虑用合金高强度钻头，其穿透力强。

(2)收集地质资料。在岩溶地区，每根桩都要做地质钻探(超前钻)，查明桩中心处的基岩深度，以确定终孔的深度。摸清桩底有无溶洞，有的放矢地制订相应的施工方案和技术措施。

(3)采取安全防患措施。施工前要做好充足的物资准备，如填堵材料(粘土、片石或低标号混凝土)以备能在出现溶洞时能够及时回填处理。

3.2施工中出现的技术问题及处理措施

(1)溶洞处理的一般方法

在旋挖钻进过程中如速度明显加快，又无偏孔现象，表明已钻入溶洞，如此时处理不及时或不当，往往会造成塌孔、塌方而引起损失及工期延误，需根据溶洞的具体特点，采取相应的处理措施。

①封闭体积较小的溶洞。若为空洞，可采用抛填片石、粘土、袋装水泥混合料、低标号混凝土等形成结块填堵溶洞，重新钻孔。

②埋藏较浅、洞体较深的空洞或半填充溶洞。当孔口地面崩塌时，应清理崩塌范围内杂物，然后用土回填，埋置钢护筒，重新开钻;若地面无崩塌时，应立即起钻，撤离钻机，施打钢护筒穿过溶洞至溶洞底板，接着在护筒内钻孔。

③埋藏较深、完全填充且漏水的溶洞。钻孔时遇到这种溶洞可打入钢护筒穿越溶洞底层以隔绝溶洞。

(2)终孔深度的确定

由于地层变化的无规律性，岩溶地区桩基持力层的选定难度大，需根据设计值以及地质勘察资料结合施工情况进行判别，决定终孔;如果施工情况与勘察资料基本一致，一般采用设计值终孔;如果施工情况与勘察资料不同，应根据桩孔漏浆与否、冲锤进尺的快慢及岩样是否新鲜、坚硬等情况进行分析判断，必要时加补勘探钻孔，确定终孔深度。当加补的勘探钻孔反映桩端持力层以下3倍桩径且不少于5米范围内如有软弱夹层、溶洞裂隙、空洞等不良地质作用时，桩基必须穿越溶洞，否则需对桩端持力层溶隙、溶洞进行压浆处理。

(3)质量控制

①施工前应仔细复核图纸精确放样，埋设好护桩，施工过程中应随时检查桩基垂直度、复核平面位置，确保成桩质量满足设计及规范要求。

②施工过程中应仔细做好钻孔地质记录，当发现实际地质情况与设计地勘资料不符时，应及时向有关单位报告，提出处理意见后，方能继续钻进。

③桩基施工过程中，遇岩面不平时极易偏孔，需回填一定量的低标号混凝土整平施工面凝固后方可继续钻进。

④钻孔后采用专用清孔钻头(平底钻头)清理孔洞沉渣。清孔钻头直径应与桩孔的直径相同，清底后孔底沉渣厚度必须符合设计和施工规范的要求。

⑤在验孔后，应及时安装钢筋笼，在下放钢筋笼的过程中，应控制钢筋笼的垂直度和速度，严禁撞击孔壁。如碰撞孔壁造成岩体或土体掉入孔底，或长时间停放，孔底沉渣超标，应立即进行二次清孔，采用吊车直接将钢筋笼吊出孔外，利用旋挖钻机专用清孔钻头将沉渣清理合格。

⑥清孔合格后，应及时进行混凝土的浇灌工作，避免长时间暴露导致孔壁塌落，浇筑前检查混凝土坍落度，应随时检查导管埋设深度和混凝土液面上升情况，避免出现夹层、离析和断桩。浇灌过程中要时刻注意导管埋入混凝土液面以下至少3.0米，混凝土浇筑速度要慢，同时对混凝土液面进行测量，实时掌握混凝土上升情况。可适当插拔导管，以保证混凝土浇筑的密实效果，但须保证导管始终埋入混凝土液面下一定深度。施工过程中应根据设计要求严格控制超灌高度，宜高出设计桩顶标高0.5~1.0米。

4.岩溶地区桩基施工异常情况处理措施

桩基成孔是岩溶地区桩基施工的重点和难点，是整个项目工程质量、进度保证的关键。旋挖钻孔一般在钻进一定深度后，再加快速度、加大冲程。岩溶地区桩基钻孔过程经常出现漏浆、塌孔、偏斜、卡钻、埋钻和掉钻等问题。根据以往施工经验，岩溶地区影响旋挖钻孔灌浆桩成孔的因素有：

4.1串孔、漏浆处理

桩基施工过程中，漏浆现象时有发生，尤其在岩溶地区，地质情况较为复杂，漏浆现象也较复杂，处理起来有较大的难度。桩位处隐伏有溶洞，孔桩施工过程中极易出现漏浆，影响灌注工作顺利进行，成桩困难。多孔桩承台同时成孔，间距应大于2.5倍桩孔直径，以避免相互串孔影响和防止土体滑移。处理漏浆问题时，应结合实际地质情况、现场施工情况及漏浆特点进行综合分析，找出漏浆产生的根本原因，从而确定有效的处理措施。可采用低标号混凝土回填封堵漏洞，待混凝土凝固后再重新钻孔。

4.2缩孔、塌孔处理

本项目地表覆盖层为透水性强的石渣回填，地表部分基岩存在破碎带。当溶洞顶板岩被击穿时，由于孔内岩面迅速下降，造成孔壁受力失去平衡，上部破碎岩层、石渣回填层垮塌，导致塌孔，甚至造成地面塌陷，可能发生旋挖钻机失稳倾覆事故。

如钻孔过程中发生缩孔、塌孔，可采用加深埋钢护筒措施后继续钻进。a.轻微塌孔：使用挖机向孔内回填可塑性好的粘性土，钻机反转向下加压，正转取土，充分压实孔壁，重新成孔。b.严重塌孔：塌孔严重时，向孔内回填低标号混凝土，以填充塌孔形成的空洞，并固化孔桩壁松动石块，待混凝土凝固后重新成孔。

图4：孔桩内粘土层呈可塑状~流塑状，极易塌孔

图5：地下水作用粘土层孔壁极易失稳塌陷

图6：穿透溶洞顶板，岩层破碎塌孔

图7：穿透溶洞顶板地表塌陷成坑洞

4.3偏斜处理

偏斜在桩基施工中非常常见，尤其在岩溶地区更为突出。偏斜的类型主要有以下几种。

(1)斜岩。在桩基土、石交界处，由于岩石表面不平整，凹凸不平或倾斜，当旋挖钻头钻到此处时，石质高的一侧进尺速度慢，低的一侧进尺速度快，从而形成孔底不平，在继续冲孔情况下造成钻头冲锤向强度低的一侧下滑，造成偏斜，产生漂桩、偏桩现象。

(2)溶洞壁(半边岩)。当钻孔遇有充满填充物的溶洞，且桩基恰好通过溶洞壁(一边石质、一边填充物或淤泥之类)，极易造成钻头冲锤偏斜。

(3)溶槽。由于地下石质表面的风化程度不同，造成石质表面形成凹槽，当钻头冲锤钻至凹槽边时，导致冲孔偏斜。

当旋挖桩成孔遇到半边岩特殊地质情况时，入岩纠偏难度大，钻头受力不均，极易向软弱土层侧滑移，导致桩孔偏位、不垂直。如没有第一时间修正导致偏孔过多，混凝土灌注后将出现斜桩或弯桩。若出现偏斜，回填片石找平后，在偏斜部位反复扫孔，修正斜孔;或直接回填低标号混凝土，待混凝土凝固后控制进尺，低速钻进，以防止漂桩、偏桩，有时一根桩成孔需要多次回填、多次重新钻孔才能最终成孔。

4.4埋钻、卡钻处理

埋钻主要发生在一次进尺太多，孔壁塌孔埋没钻杆;或主绳断裂或绳松，使钻头突然脱落掉入孔内，如不及时处理，则会使钻头被沉渣或孤石掩埋，造成埋钻;或溶洞顶板岩被击穿，造成孔壁受力失去平衡，上部破碎岩层、石渣回填层垮塌而埋钻。

卡钻多出现在偏孔、孔壁内凹凸孤石、击穿溶洞顶部处以及抛填片石处理溶洞不当等不良情况;卡钻发生的原因大多是由于设计勘探资料显示没有溶洞，意识疏忽，钻头突然穿破溶洞顶板岩，溶洞内岩溶不规则，钻头倾斜而被卡住。另钻头进入岩层后有时转不动，由于溶洞顶破裂而形成的“天窗”使钻头掉进溶洞导致卡钻。

埋钻或卡钻发生后，在钻杆周围沉积了大量的石渣，形成很大的侧阻力，导致钻杆无法提升。因此处理方案应首先消除阻力，严禁强行处理，否则有可能造成钻杆扭断、动力头受损等更严重的事故。

在旋挖钻机成孔过程中，其钻进速度相对较快，同时主要利用切土进行钻进，导致旋挖桩的孔壁护壁比钻孔桩和冲孔桩的护壁质量都要差，在回填土密实度较差时，极易出现孔壁坍塌现象，导致埋钻和卡钻，钻杆无法拨出。只得采取机械开挖方式，将石渣层挖除，钻杆正反旋转搅动、拨出钻杆。

图8：因石渣回填层松散塌孔导致埋

图9：穿越溶洞顶板，钻头倾斜卡钻

4.5掉钻处理

由于地质钻探资料与实际地质的不可确定性，工人操作时，冲程控制不当，当突然穿破溶洞顶岩板时，工人立即制动刹把，钻头冲击惯性下沉，造成钢丝绳拉断而掉钻。

为满足桩端嵌固要求，桩身穿透溶蚀裂隙、地下溶洞、暗河，必将加大入岩深度，极易因半边岩而产生漂桩、偏桩，无法保证孔壁垂直度，钢护筒吊入孔桩时易发生卡壁，不能下压至桩底;钻头磨岩阻力大、磨损大，也易造成钻头断裂掉入桩底。此情况只能采取专业潜水员水下打捞作业或补桩处理。

图10：专业潜水员水下打捞作业

图11：水下打捞上来的旋挖钻头底盖

4.6遇大型地下溶洞处理

因地下溶洞发育无规律性，溶洞发育范围和深度无法完全探明，无法预估其洞室容积，若采用溶洞填充方案，代价无法估计。

根据详细勘察资料、超前钻施工勘察和旋挖桩钻孔施工揭露的地质情况，纸机压榨部区域存在有较大地下溶洞(有水无填充)横穿整个车间。由于此地下溶洞发育空间较大、竖向发育存在串珠状溶洞、复杂多变无规律性，而纸机压榨部是荷载和振动最大部位，对地基稳定和基础变形敏感度高，压榨部附近部分厂房柱基础紧临地下溶洞，为避免基础应力扩散范围产生临空面，均须探明此地下溶洞和周围隐伏岩溶的发育范围、深度及延伸发展方向。经现场查勘，采取“由疏到密、逐步逼近”的方式对地下溶洞周边进行°全覆盖式勘察补勘，查明基底岩溶情况，为地基和基础设计和处理方案提供必要的地质勘察资料。纸机压榨部地下溶洞补勘点布置图如图12所示。

图12：纸机压榨部地下溶洞补勘点布置图

图13：纸机压榨部地下溶洞勘察补勘

经组织专家研究讨论，纸机压榨部基础处理方案拟采用钢护筒成桩，纸机压榨部和烘干部的桩基做成一个大承台跨越式处理，以增强基础整体性能。根据设计处理方案，拟优先施工需采用钢护筒的桩基，因纸机桩与厂房桩间距较密，采取间隔成孔施工，避免相互串孔和施工干扰。

图14~15：纸机压榨部区域旋挖钻孔穿透地下溶洞

图16~17：钢护筒成桩穿透地下溶洞

5.结语及建议

综上所述，岩溶地区的地质条件复杂，可预见性差，旋挖桩基施工出现塌孔、缩孔、遇半边岩、埋钻、卡钻、钻头断裂脱落、遇地下溶洞等异常情况处理均增加了施工风险和施工难度，是一个有经验的承包商不可预见、不能避免并不可控制的，导致机械工效降低，费用增加，甚至因某一根桩的异常情况处理严重影响后续土建基础施工，造成基础施工工作面无法全面展开，施工工期延长。遇到溶洞后处理难度大、费用高，而且目前尚无成熟的施工处理方案和广泛适用的施工技术规范，需不断总结经验。

(1)项目定址后，加大勘探的投入，做好“一桩一勘”施工勘察工作，掌握更多的地质资料，优化设计，尽量避让溶洞或减少溶洞对桩基施工影响，以保证工程质量。

(2)旋挖桩工艺技术有着及其广泛的应用，在岩溶地区地质条件较为复杂，为了保证施工的质量，减少潜在事故发生的可能性，需对旋挖桩施工工艺进行细致的分析，并制定相应的质量控制措施。

(3)岩溶地区桩基础施工本就是一项复杂的工程系统，本文仅就一个实际工程展开，有一定的局限性，在不同的工程中应根据不同的地质情况，选取针对性的方法，进一步优化施工工艺，进一步加以完善和发展，还需在以后的施工中总结积累。

参考文献

[1]贵州省建筑设计研究院有限公司主编.DBJ52/T-贵州建筑岩土工程技术规范[S].贵阳.-02

[2]中国建筑科学院主编.JGJ94-建筑桩基技术规范[S].中国建筑工业出版社.北京.

[3]上海建工(集团)总公司主编.DG-TJ08--钻孔灌注桩施工规程[S].上海.-11

[4]建筑施工手册(第五版)[S].中国建筑工业出版社.-12

作者简介：

毛永惠男

现就职于中国轻工业长沙工程有限公司项目管理部