高层建筑桩基岩溶处理施工技术研究

廖广超

（中煤江南建设发展集团有限公司佛山分公司 广东佛山 528226）

0 引言

岩溶是指水对可溶岩进行溶蚀并伴有沉积的综合地质作用，以及由此产生的各种地质现象的总称，又称喀斯特［1］。据统计，广东省碳酸盐岩占全省陆地面积16%，约2.9 万km2［2］。在岩溶地区施工时，易发生施工人员和设备掉入溶洞、地下暗河或岩溶水涌出致人伤亡等工程事故，尤其是进行高层建筑桩基施工时，必须先进行岩溶处理。

在多年的工程实践过程中，国内外学者在公路、铁路隧道以及城市地铁隧道岩溶处理技术方面积累了大量的经验。蒋进波［3］通过对公路隧道岩溶形态及发育条件的分析，结合实际工程介绍了隧道岩溶处治技术；李强等人［4］分析了铁路桥梁桩基不同发育形态岩溶的不同处理技术；袁福银等人［5］则就某轨道交通暗挖岩溶隧道突水、突泥事故给出了临时及长期处理措施；周全［6］针对广佛环线明挖基坑遇到的岩溶提出了“先探后灌，探灌结合”的处置措施。邱旭等人［7］通过划分高、低风险区对徐州地铁1 号线岩溶进行了处理范围与工程造价间的平衡；朱玉军［8］介绍了膜袋袖阀管处治技术在高速公路路基岩溶处理中的应用；林振华［9］以云桂铁路隧道岩溶施工为载体，通过所揭示岩溶形态及所处位置的特点，介绍了不同工况下岩溶处理的方法。

相较于公路、铁路乃至城市地铁隧道，高层建筑岩溶处理面广而集中，且周边环境错综复杂，地表沉降、水位控制等指标要求极为严苛。其他工程的岩溶处理经验虽可为高层建筑桩基岩溶处理提供一定的借鉴，但完全照搬显然不可取。本文依托具体工程实践，系统阐述高层建筑地块溶洞处理成套技术，以期为后续同类工程提供参考。

1 工程概况

荔湾区大坦沙岛规划居住项目位于广州市荔湾区大坦沙桥中路以东，东海南路以南范围内。场地东侧及东北侧为某住宅小区，距离珠江仅180 m，南侧和西侧为规划道路。基坑支护周长为450 m，长约160 m，宽约60 m，大致呈狭长不规则梯形，如图1 所示。拟建3 栋33 层住宅塔楼（高度约100 m）及配套裙楼，塔楼为剪力墙结构，拟采用灌注桩基础，有效桩长约15～35 m，桩端入稳定微风化岩层0.5 m。

图1 场地位置及周边环境Fig.1 Site Location and Surrounding Environment

根据勘察报告揭示共404个钻孔揭露泥灰岩和石灰岩，其中363 个钻孔揭露溶洞，见洞率89.6%，单孔揭露溶洞1～7个，共揭露大小溶洞909个，属于岩溶强发育场地。进一步针对揭露溶洞充填情况、溶洞洞高、溶洞层数、溶洞标高4 个方面进行分析，得出以下结论：

⑴ 揭露溶洞以全充填和半充填为主；占比约70%，空洞占比约30%。溶洞充填物多为流塑～软塑状粉质粘土，局部为可塑～硬塑粉质粘土，多夹强～中风化岩块。

⑵ 溶洞洞高较小，洞高为0～2 m 溶洞占比68.04%，洞高为2～5 m 溶洞占比24.24%，大于5 m 的溶洞占比约7%。

⑶溶洞层数多为1～2层，占比56.2%，揭露3～5层溶洞钻孔占比约0.22%，进行桩基施工时应核对柱状图，嵌岩桩确定进入中、微风化完整基岩后方可作为持力层。

⑷溶洞主要集中在标高-40～（-10）m，在此标高范围内揭露溶洞几乎占比100%，其中又以标高-30～（-20）m占比最多，约60%。

依据相关规范，当持力层以上土层或桩端以下5 m范围内遇有溶洞时，应先进行岩溶治理或采用钢套筒等有效施工措施以保障灌注桩基础安全、顺利施工。

2 溶洞处理

根据溶洞的分布特点、发育情况、溶洞洞高、漏水、溶洞串联、见洞率情况等特点，按施工时间分类，可分为施工前预处理、施工中处理和施工后处理3 种情况，本项目由于岩溶强发育特点，以施工前预处理为主。

首先依据溶洞洞高、填充状态、串珠状态及溶洞间的夹层厚度等指标，将场地划分为岩溶发育区、岩溶较发育区和岩溶弱发育区。并针对不同的分区区别处理。

2.1 岩溶分区

⑴岩溶发育区：即溶洞洞高大于2 m且洞内无充填物（水不算充填物）；溶洞内有充填物，但洞高大于3 m；为发育的串珠状溶洞，且上部第一、二层洞间的夹层厚度小于5 m的溶洞。

通过以上条件筛选出296 个孔，其揭露的岩溶地层反映其岩溶的发育程度剧烈，属于本文关于“岩溶发育区”的定义，其平面范围详见图2。其中：

图2 场地不同岩溶发育分区Fig.2 Different Karst Development Zones of the Site

①3个塔楼基本位于岩溶发育区，应优先对溶洞进行预处理；

②岩溶发育区的首个溶洞顶板厚度大于5 m 的钻孔为35 个，占该区域钻孔数约11.8%，而该区域首个溶洞顶板厚度小于5 m 的钻孔占该区域钻孔数约88.2%；

③岩溶发育区255 个超前钻孔揭露的溶洞数量超过2 个，存在串珠状溶洞，占该区域钻孔数约86.1%，可见该区域岩溶发育错综复杂，纵向溶洞发育且各种填充状态均有分布。

⑵溶洞较发育区：即溶洞洞高小于2 m且无充填物（水不算充填物）；洞高在2～3 m 之间，半充填或全充填；有串珠状溶洞，但第一、二层溶洞之间夹层厚度大于5 m的溶洞。

同样，通过以上条件筛选出40 个钻孔，其揭露的岩溶地层反映其岩溶的发育程度较为剧烈，属于本文关于“岩溶较发育区”的定义，其平面范围详见图2。其中：

①该区域的分布较为零散，主要集中在项目场地东南角位置，属于岩溶发育区和弱发育区的交界处；

②岩溶较发育区的首个溶洞顶板厚度大于5 m的钻孔为10 个，占该区域钻孔数约25.0%，而该区域首个溶洞顶板厚度小于5 m的钻孔占该区域钻孔数约75.0%；

③岩溶较发育区有15个超前钻孔揭露的溶洞数量超过2 个，存在串珠状溶洞，占该区域钻孔数约37.5%，揭露的溶洞全填充及半填充状态的孔约22个，填充率达到55%。

⑶岩溶弱发育区：即溶洞洞高小于2 m，并有充填物（水不算充填物），无串珠状溶洞。由于超前钻也不能百分百揭露桩孔内所有溶洞，所以未发现溶洞的超前钻也暂归到弱发育类。

通过以上条件筛选出27个钻孔（不含非溶洞孔数量），其揭露的岩溶地层反映其岩溶的发育程度较弱，属于本文关于“岩溶弱发育区”的定义和条件，其平面范围详见图2。其中：

①该区域的岩溶分布主要集中在项目东南位置及西侧基坑边。

②岩溶发育区的首个溶洞顶板厚度大于5 m 的钻孔有5 个，占该区域钻孔数约18.5%，而该区域首个溶洞顶板厚度小于5 m 的钻孔占该区域钻孔数约81.5%。由于顶板厚度相对较薄，需要注意桩基础施工时顶板塌陷的风险。

进一步整体分析图2可知：

①大溶洞、串珠状溶洞且洞与洞之间的稳定层薄的溶洞，基本贯彻场地南北方向，且主要位于塔楼区域，因此，塔楼桩基础施工前应先对岩溶进行预处理；

②场地东南侧溶洞发育相对较弱；

③场地北侧、西北侧、东北侧的基坑边岩溶发育，施工支护桩时需做好应急预案；

④场地塔楼区域溶洞发育剧烈，不仅需要在工程桩基础施工前对溶洞进行预处理，同时在预处理过程中还要注意地面塌陷发生的可能性，做好应急预案和保护措施。

2.2 预处理技术

溶洞发育区还可进一步分为高密度发育区和零星状发育区的处理。高密度发育区处理方式可采用点处理和面处理相结合的处理方法，零星状发育区的处理可采用点处理。

所谓点处理即是针对已揭露的溶洞进行针对性处理；所谓面处理即除需对已探明的溶洞进行预处理外，对尚未探明的潜在溶洞及岩土界面也需一并进行处理，以消除因钻孔数量不足而未揭露的溶洞对施工桩基础时造成安全隐患。对于面处理，主要是针对高风险区且风险损失非常严重的情况下采用，当溶洞见洞率大于50%或分类定义为溶洞发育区时，可考虑采用面处理方式。

面处理的方法包括水泥土墩法和岩面注浆法两种，其中水泥土墩可以由搅拌桩或旋喷桩形成，但由于本项目岩面埋深较广较深，大直径搅拌桩钻杆长度受限，因此不适用于本场地。岩面注浆法则是对岩面与上覆粘土层之间的那一层长期受水软化的软弱夹层进行注浆加固，它的目的不是充填溶洞本身，而是通过注浆，对岩面及上覆土层进行加固，对岩面附近的土洞和裂缝进行填充，截断封堵第四系砂、土漏入溶洞的通路，同样截断和封堵岩溶水不断对上覆土层的侵蚀，确保上覆土层的稳定。

本项目采用岩面注浆法加固岩面以上地层，以形成封闭。加固厚度为5.0 m，按2.5 m 间距梅花形布置注浆管，套壳料全孔填充固管24 h 以上进行袖阀管注浆。每孔注浆按不少于3 次进行分批注浆，注浆量不少于200 kg/m 的水泥，或终灌压力值为0.8～1.0 MPa。注浆范围如图3所示。

图3 岩面注浆处理范围Fig.3 Rock Surface Grouting Treatment Scope

在上述岩面注浆面处理后，进一步依据溶洞填充情况采用袖阀管注浆进行溶洞点处理。对于洞体大于3 m的无填充溶洞可采用泵送水泥砂浆或袖阀管注水泥浆填充，也可采用先高压风投砂石（石粉或碎石）填充空洞，再采用注水泥浆胶结加固。对于小于3 m的无填充溶洞，可采用袖阀管注水泥浆填充。对于无法注水泥砂浆的溶洞，采用袖阀管注浆补充。

同样，对于半填充溶洞采用袖阀管注水泥浆进行处理。对于洞体小于1 m 的溶洞或全填充的溶洞，因洞体内的充填物一般较为松软，强度低，所以如果为提高其强度，可采用普通花管或袖阀管压力注浆，注浆管钻孔孔径50～100 mm，花管或袖阀管在溶洞以上部分采用“盲管”，不设出浆口，注浆管进入溶洞底部，注浆压力从低到高，反复压浆。注浆材料周边孔为纯水泥浆+速凝剂，中央孔为纯水泥浆。注浆压力和注浆量为周边孔以相对小压力（0.2～1.0 MPa），中间孔压力0.8～2.0 MPa，多次（3～4次）注浆。

溶洞点处理的目的为填充溶洞顶板、底板处的薄弱环节，使洞内充填物与洞外介质固结成为一个整体。

3 岩溶处理效果评价

3.1 地基处理效果检测

在注浆施工结束后（＞14 d），委托专业检测机构对上述溶洞处理采用钻芯法进行了试验检测，具体检测要求如下：

⑴面处理（岩面以上5 m）：砂层实测标贯击数不小于12击，粉质粘土层实测击数不小于10击。

⑵点处理：溶洞内充填物标贯击数不小于5 击，溶洞处理后为全充填状态时，标贯击数不小于3击。

⑶处理后溶洞抽芯检测的单层溶洞空洞深度不大于1.0 m，两层溶洞累计空洞深度不大于1.5 m，3 层及以上的溶洞累计空洞深度不大于2.0 m。

采用随机布置溶洞处理抽芯检测孔42 个，如图4所示，抽芯总进尺为1 465.05 m，于岩面砂层、黏土层及溶洞充填物进行标贯试验136 次。依据检测结果，所有42 个钻孔岩面以上5 m 砂（土）层标贯实测击数最小为16 击，溶洞充填物标贯击数最小为5 击，部分钻孔无空洞，空洞最大洞高为0.9 m，均满足上述指标要求，也即本项目溶洞地基处理达到了既定目标，能够满足后续桩基施工要求。

图4 溶洞处理检测钻孔平面位置Fig.4 Location Plan of Drilling Holes for Testing after Karst Cave Treatment

3.2 桩基承载性状检测

岩溶处理不仅提高了桩基地基承载力，也为后续大型机械设备进场提供了条件。本项目桩基础采用混凝土灌注桩，设计桩径为800 mm和1 000 mm 两种，共约373根。成桩完工后依据相关规范对基桩进行了低应变、超声波检测试验，其中低应变和声波透射法合计检测了272 和81根，在低应变检测结果中Ⅰ类桩共223 根，占总检测桩数81.99%，Ⅱ类桩49 根，占比18.01%，无Ⅲ、Ⅳ类桩。而声波透射法中Ⅰ类桩为70根，占比86.42%，Ⅱ类桩11 根，占比13.58%，也未见Ⅲ和Ⅳ类桩。从而可以得出现场桩基完整性较好，仅个别桩身稍有缺陷，未见Ⅲ、Ⅳ类桩。

为获取场地单桩竖向抗压承载力，还进一步进行了5根桩的静载试验，检测结果如表1所示。

表1 单桩静载试验检测结果Tab.1 Results of Single Pile Static Load Test

由表1 可知，6 根静压桩均达到了要求最大试验荷载，且总沉降量不大，桩顶沉降速率达到相对收敛标准，单桩竖向抗压承载力达到了设计要求。可见，岩溶处理达到了既定目标，满足了高层建筑基桩承载要求。

4 结论

本文以广州市某高层建筑地块岩溶处理为工程背景，依据分区分块，区别对待的原则详细阐述了其岩溶点、面处理施工技术措施，可为后续相类似工程提供参考，研究获得的主要结论包括：

⑴依据建筑地块岩溶面广且深的特点，可将场地划分为岩溶发育区、岩溶较发育区和岩溶弱发育区3种类别，分区划分有利于后续区别处理，且在岩溶强发育场地应以施工前预处理为主。

⑵依据上述岩溶分区，对高密度发育区采用点-面结合的处理方法，零星状发育区则采用点处理。其中面处理采用岩面注浆法加固岩面以上地层，以形成封闭。岩面以下则依据溶洞填充情况采用了袖阀管注浆或泵送水泥砂浆点处理，使洞内充填物与洞外介质固结成为一个整体。

⑶依据溶洞钻芯法以及后续桩基施工检测结果均显示采用上述先分区分块后点面结合方法对高层建筑地块进行岩溶处理能够满足工程要求，值得进一步推广应用。