岩溶地质钻孔桩施工(讲课版本)

岩溶地质钻孔桩施工

中铁四局集团有限公司技术中心

彭宏伟

二〇一〇年五月二十九日

岩溶地质钻孔桩施工

一、岩溶工程地质概况

喀斯特（karst）是指可溶性岩石受地表水和地下水以化学溶蚀为主，机械侵蚀和崩坍为辅的地质应力综合作用，以及由此产生的现象的统称。化学溶蚀作用是个漫长的地质历史过程，溶蚀等作用的现象是结果。

（一）形成条件

1、可溶性岩石

可溶性岩石是产生岩溶现象的根本条件。大量的碳酸盐岩（石灰岩、白云岩、泥灰岩）、硫酸盐岩（石膏岩）和岩盐类岩石（岩盐）在流水的不断溶蚀作用下，不断被溶解。从溶解度上看，岩盐类岩石>硫酸盐岩> 碳酸盐岩；从工程角度出发，主要研究碳酸盐岩。碳酸盐岩种类较多，其各类岩石溶解度随着难溶性杂质的多少而定，一般石灰岩> 白云岩> 泥灰岩。

2、岩石透水性

岩石具有一定的孔隙和裂隙，它们是流动水下渗的主要渠道。分化裂隙可使岩溶发育于地面一下一定深度的岩石内，构造节理和断层则使岩溶向更深处发育成规模更大的地下暗河或溶洞。岩石裂隙越大，岩石的透水性越强，岩溶作用越显著。

3、流水作用

1.流水的溶蚀作用

水的溶蚀能力来源于二氧化碳（CO2）与水结合形成的碳酸（H2CO3）,二氧化碳是岩溶地质形成的功臣，水中的二氧化碳主要来自大气流动、有机物在水中的腐蚀和矿物风化。下面几个化学方程式反映了岩

溶作用的进行：

H2O + CO2==H2CO3 ；（第一步：形成碳酸）

H2CO3==H＋ + HCO3－；（第二步：碳酸离解生成H＋）

H＋+ CaCO3==HCO3－+ Ca2＋ （第三步：H＋与CaCO3反应生成HCO3－，从而使CaCO3溶解）

2.流水的流动作用

地下水的循环交替运动是造成岩溶的必要条件。因为停滞不动的地下水，对岩石的溶解很快达到饱和，失去继续溶蚀能力。流动的水使溶于水中的二氧化碳得到及时补充，使水的溶蚀作用顺利进行。同时，流动的水带动河底砂砾对岩石进行机械侵蚀，这样更有利于岩溶作用的深入。

岩溶水随深度不同，有不同的运动特征，主要有以下三种特征：

1).垂直循环带：位于地面以下包气带内，水沿垂直裂隙及垂直洞穴下渗，此带岩溶多表现为落水洞等垂直洞穴。

2).季节循环带：此带介于地下潜水最高水位与最低水位之间。高水位时地下水以水平运动为主，低水位时以垂直运动为主，此带既有垂直溶洞也有水平溶洞发育。

3).水平循环带：此带位于最低地下水之下，常年充满地下水，地下水作水平运动，多向河谷排泄，故多形成水平溶洞或暗河。若有深层承压地下水，由四面向河谷排泄，则形成放射状溶洞。

4、气候影响

比如我国西南地区气候湿润，降水量大，地表径流相对稳定，流水下渗作用连续，并且降水使流水得以更新和有效补充。使岩溶作用得以延续进行。

（二）岩溶地层工程特点

岩溶是石灰岩、白云岩、泥灰岩等可溶性岩层因常年受水流的侵蚀作用而逐渐溶蚀形成的溶槽、溶沟或溶洞。从桥梁钻孔桩的施工角度来看，岩溶地层的主要工程特点有：

(1)岩溶洞穴或岩溶发育带多处于基岩顶部与残积层交界面附近，以基岩为持力层的桩基，其桩尖下可能存在勘探时未被发现的溶洞，若洞顶厚度不大，则对桩基的安全工作存在潜在危险。

(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，若遇溶洞极易引起施工事故。

(3)岩溶地区的基岩起伏大，往往洼地、溶槽及溶沟分布广，使很多桩基存在临空面（岩体滑动时自由空间的边界面）。

(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。

(5)岩溶现象在土层中表现为土洞，它具有埋藏浅、分布密、发育快和顶板强度低等特点，对桩基的稳定性影响较大。

二、岩溶地质钻孔桩施工常见事故

在发育的岩溶地层中进行钻孔桩施工，由于地质结构复杂，不可预见因素多，施工过程中漏浆塌孔、斜孔、掉钻、卡钻、埋钻、串孔、缩径现象常有发生，造成成孔困难；即使在水下砼灌注过程中，由于溶洞很发育也可能会导致砼流失严重，造成成桩困难。常常成为控制工期、威胁施工安全、影响工程质量的技术难题。“文人墨客的世外桃源，铁路建设者的噩梦。”

溶洞是岩溶的一种主要表现形式，在桩基础施工中会经常遇到。溶洞一般按是否有填充物分为填充溶洞、部分填充溶洞和空溶洞；按是否漏水分为漏水溶洞和不漏水溶洞。由于受到检测技术和施工环境的影响，桩基础施工前的地质资料对溶洞的大小、分布、走向等往往不能十分准确，也由于溶岩发育的无规律性，也使地质资料难以做到准确，以致造成溶洞的处理一直是钻孔桩基础施工中的技术难题。岩溶地区施工不仅石质坚，根据以往大量的施工经验，在岩溶地区钻孔，钻速低下，而且因地质资料不全，施工时常常是摸着石头过河，盲目性很大，事故的出现往往是突发的，很容易漏浆导致孔内水头迅速下降，使上覆土层因压力差作用而塌孔、垮孔，甚至引起地面大面积塌坍、钻机倾倒等严重事故。在施工中还经常出现因处理不当或不及时而导致延误工期、增加投资的现象。

岩溶地区由于地质岩性软硬不一，溶洞的位置、大小、深浅变化

多。即使地质钻探时一孔一探，一桩一分析，仍不能完全准确地掌握地下地质变化情况。桩基的事故主要源于岩溶地质的特殊性，常见的桩基事故主要有以下几种：

(1)掉钻

造成掉钻的原因有多种，其最常见的就是在卡钻后强提强扭，使钻杆或钢丝绳在焊接处和疲劳损坏位置断开。

(2)卡钻

在溶洞岩溶面起伏不定的地段击穿溶洞顶板时，钻头突然倾斜，常常会造成卡钻。岩溶发育表面由于水的溶蚀作用，往往使得岩溶面凹凸不平，成锯齿形，当岩溶面为斜面时，钻头钻进时遇到斜面倾斜，钻头很容易勾到锯齿型岩溶而提不上来，如处理不当易导致钻绳断裂、钻头掉进孔中等事故，

(3)漏浆

漏浆是指孔内泥浆突然大量漏失的现象。主要是施工到溶洞处，由于溶洞往往具有连通性，泥浆会顺着溶洞或裂隙的空隙大量流失，表现为孔内水头突然下降，孔内泥浆迅速漏光，由于孔内水头差猛然加大，往往出现塌孔或地面大面积沉陷等施工事故。

(4)斜孔

斜孔是指在冲孔施工时，孔的倾斜度超出设计及规范要求，最主要的原因是桩孔内部底层岩石软硬不匀或半土半岩"斜坡岩"导致钻头无法水平就位，若不及时处理会使孔越打越斜。可发生卡钻、掉钻现象，也有可能把附近的溶洞击穿，使泥浆流失造成塌孔。

(5)联通孔

联通孔是指由于有溶洞的存在，使得相邻的桩孔在桩身的某个部位被溶洞贯穿，其中一个桩孔冲孔时，相邻桩孔内水面或淤泥面相应翻动。

（6）缩径

当采用钢护筒全套管下沉法施工时，在击穿未经探明的溶洞后，孔内泥浆瞬间消失，使孔内外水位差堵然增大，如果钢护筒壁厚过薄，则孔外水压力可把钢护筒挤扁，造成局部缩颈，给工程施工增加较大难度。

三、岩溶地质钻孔桩施工地质核查

岩溶地区钻孔桩,设计时一般都已进行了逐桩钻探,并且提供了

纵断面,但由于地质钻孔直径较小,而溶洞变化多样,发展无规律,单

独桩的地质资料不一定能准确反映该桩的溶洞情况。

岩溶地层，地下岩层起伏不定，往往给施工人员造成假像。例如，多层溶洞地段，上层的岩层可能较厚，施工人员在钻孔时，误认为已到稳定基岩，而实际其下仍然有溶洞存在。因此，钻进中对每一个地层变化处详细作以记录，并及时与设计地质报告进行核对，是施工控制的核心所在。对于岩溶地段，应逐桩钻探，若设计没有进行逐桩钻探，在施工时，发现地质情况与设计不符时，应立即联系设计单位、监理单位现场调查，通过判断钻渣、研究钻孔记录等方法确定终孔条件，必要时还需补充钻探。进行补充钻探。

溶洞类型判断如下：

溶洞分类方法表

类别 溶洞特征 填充物情况

小型 溶洞 单层洞高小于2m的全填充溶洞或小型

溶槽、溶沟、小裂隙等

粉砂、硬塑或软塑状

粘土

一般 溶洞 洞高小于2m的半填充溶洞或2～5m的

全填充溶洞

粉砂、硬塑或软塑状

粘土

大型 溶洞 二层以上串珠状有填充溶洞；洞高5m

以上全填充溶洞

粉砂、硬塑或软塑状

粘土

特大型溶洞 多层串珠状无填充或填充物差的溶

洞。溶洞的规模覆盖到相邻桩位或更

大

无填充或填充物为

流朔状

所有桩基必须全部钻探，详细记录地质状况、溶洞深度，高度、填充物类型等，记录完整，尤其是桩底以上５ｍ范围内，需加强施工工地验证，10m以上范围内的钻岩情况，需提交设计地质技术人员确认，，记录方法如表所示。

岩溶发育情况一览表

墩（台）号及桩号 地质孔

编号

地质

状况

溶洞

深度

填充物

类型

溶洞

高度

顶板

厚度

顶板

岩性

记录： 复核： 日期：

四、岩溶地质钻孔桩施工方法

施工前应对穿越溶洞时的施工方法进行可行性研究，应根据溶洞的大小及溶洞填充物的不同而采用不同的施工措施，有效控制整个施

工过程，确保施工进程顺利进行并保证成桩质量达到规范要求标准。岩溶地区桩基施工较为复杂，施工前应制定各种有效的预防措施，认真对待每一个施工环节，坚持安全第一，保证质量。在溶洞发育地段钻孔，上部地层施工应缓慢钻进，反复冲砸，确保护壁质量，不可急于求进。防止下部岩溶层出现施工隐患。溶洞处理采用抛填黏土、片石、小冲程冲砸等方法，形成泥石护壁，堵塞空洞。岩溶层施工应做到“提前预防、及时处理、根治彻底”。施工中应根据地质情况及设计桩长合理选择钻孔机具，有效控制整个施工过程，使施工能够有效进行。岩溶地区一般采用冲击钻成孔。

溶洞处理方案选定原则

4．1、回填冲击处理

4.1.1 适用范围

回填处理方法主要适用于以下两种情况：

第一类:高度小于1m~2m发育面积小的溶洞。

第二类:地质软硬不均，岩石存在斜面或有探头石的溶洞。

回填方法非常适合距地面较近的小溶洞或有填充物的中小溶洞的处理，此方法施工简单、快速，效果好。

4.1.2 施工准备

根据溶洞大小备足水、粘土、片石等必备材料，确保在孔内泥浆突然流失时，及时补充孔内水头，不致发生塌孔。

4.1.3 施工过程

在开钻前准备一定数量的粘土块及小于25cm的片石。在施工中，钻孔进入岩溶地层时，投入大量潮湿的粘土块和片石并立即补水，利用钻头冲击粘土块和片石挤入溶洞及其裂缝中，堵住溶洞和岩溶裂隙，形成一个封闭的环形壁，完成钻孔桩施工成桩，处理方法为： （1）钻至离溶洞顶部1 米左右时，准备足够的小片石（粒径为10～20cm）和粘土，粘土做成泥球（15～20cm 大小），对于半充填和无充填物的溶洞要组织足够的水源。

（2）钻至离溶洞顶部1m左右时，在1～1.5m 范围内变换冲程，逐渐将洞顶击穿，防止卡钻。

（3）对于空溶洞或半充填的溶洞，在击穿洞顶之前，应有专人密切注意护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，应迅速补水，然后根据溶洞的大小按1:1的比例回填粘土和片石，进行冲砸堵漏，只有当泥浆漏失现象全部消失后才转入正常钻进。如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。

（4）对于溶洞内填充物为软弱粘性土或淤泥的溶洞，进入溶洞后也应向孔内投入粘土、片石混合物（比例1:1），冲砸固壁。

（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溶洞顶板0.5m以上，重新

冲砸。

4.1.4施工中遇到的问题及处理方法

在溶洞中钻进，由于孔桩进入溶洞范围内，溶洞不是整齐的，顶板和底板犬牙交错，高低不平，钻进溶洞顶板及底板都存在一个斜面开孔问题，因此必须采取相应措施。根据地质柱状图掌握钻进标高或冲击声判断，钻进接近顶板0.3～0.5m 时应控制冲程在1.0m 以内，空洞内钻进须分层回填粘土和片石块（边长10～15cm），经反复冲砸以形成泥壁，堵塞原洞内填充物的活动通道，防止孔壁坍塌和泥浆流失。钻头在洞内冲击高低不平的岩面时，或一面有岩，一面悬空时，容易造成卡钻或斜孔事故。纠偏方法仍然是抛填片石和粘土，用低冲程打密，反复循环多次，保证冲孔质量。

如遇到以上问题，经过多次回填仍无明显效果时，可采取以下两种方法进行处理：

1）如果遇到探头石，可在探头石一侧打眼放炮，将探头石炸掉，然后继续冲孔。

2）灌注低标号砼至不均匀岩面以上1.0m左右，待3天后混凝土基本凝固后再继续冲孔。

4.2、岩溶注浆

4.2.1岩溶注浆的目的及范围

岩溶注浆处理是采用钻孔注浆的方式，把水泥浆液（可含粗砂、碎石）压入一定范围内的溶洞、岩溶通道、裂隙中，对岩溶地层进行加固和堵漏，将其填充密实，待其凝结硬化后,桩位处地层满足钻孔

桩施工条件，使桥梁桩基础顺利成孔的一种基础处理方法。

钻孔注浆一般用于空溶洞和糖葫芦串式溶洞。

对大的溶洞，一般采用注浆与护筒跟进联合措施进行溶洞处理，对裂隙发育但溶洞不大、溶洞位置较深，这类溶洞在成孔过程中可能能顺利成孔，但成桩过程中可能会出现混凝土挤入裂隙和溶洞导致流失的情况，一般也需要提前注浆处理。

4.2.2 施工准备

研究设计图纸的钻探地质资料，判断是否需采取注浆措施，确定注浆孔网布置，注浆孔深度。根据实际钻孔地质资料确定注浆方法和注浆参数。

4.2.2.1 材料准备

（1）注浆用水采用附近经检测合格的地下水或地表水。

（2）注浆用的水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥强度等级不低于P.O32.5级，水泥出厂日期不超过3个月。水泥的各项指标符合国家标准。

（3）水玻璃符合国家质量要求,对选购的水玻璃进行稀释直至符合要求的浓度备用。

（4）当采用中粗砂或稀的水泥砂浆对溶蚀腔体进行充填，采用粉煤灰水泥浆液注浆时，其砂、粉煤灰材料的要求为： a砂：其粒径小于2.5mm的中粗砂，含泥量及有机物含量小于3％。

b粉煤灰：采用C50砼以下的粉煤灰级别，经磨细其细度不粗于

同时使用的水泥。

4.2.2.2机具设备

（1）根据地质情况选择合适的工程地质钻机，以施工注浆孔，每根桩补充1—4 个地质钻探孔，并补充详勘地质资料。

（2）选择注浆机及相应注浆设备。注浆机的注浆压力一般在0.2～0.7MPa 之间。

表 主要机械设备配置表

序号 名称 单位 数量 用途

1 钻机 台 1 成孔

2 拌浆机 台 1 制备浆液

3 搅拌式贮浆桶 只 2 过滤杂质，储备浆液

4 液压注浆泵 台 2 压注浆液

5 流量计、压力表 台 2 显示流量压力和总注浆量 4.2.2.3作业条件

（1）施工场地预先进行平整，确保现场三通一平和临时排水畅通，并沿钻孔位置开挖沟槽和集水坑。

（2）在注浆施工前，对钻机、注浆泵、搅拌机等机械进行检查、调试，使其保持良好的状态。

4.2.3.注浆施工

岩溶注浆示意图

岩溶注浆施工顺序如下：

(1)原地面处理,注浆孔测量放样。

(2)按设计桩位放样，钻机就位。

(3)启动钻机，钻孔至溶洞底板深度处。无填充物溶洞，溶洞钻穿顶板即可。

(4)进行地质核查,确认满足注浆条件。

(5)安装设备就位，并进行注水、压水试验，确认设备情况良好。

(6)启动设备注浆，当满足注浆结束条件时，停止注浆。

(7)效果检验,确认达到设计要求,若无法满足,则继续注浆达到

要求。

(8)当浆液完全凝固达到强度要求时，封孔。

岩溶注浆流程图

（1）注浆孔的布设

注浆孔根据设计地质剖面图一般布置在钻孔桩桩侧四周一定范围内，对设计地质资料显示的孔钻全部穿过溶洞的，布置四个注浆孔，即孔桩周边四个眼对称布置，对钻探资料显示的部分溶洞深入孔桩内的，根据周边孔桩地质资料，判断溶洞发育方向，在溶洞发育侧加密钻孔。

注浆孔的深度一般空溶洞以穿过溶洞顶板即可;若有淤泥填充物,易钻至溶洞底0.5m以上为限。

（2）确定注浆控制标准

孔桩溶洞注浆为充填性注浆，一般将注浆压力控制在0.3Mpa以内。为控制注浆范围，对有地下流水、溶洞串通、溶洞规模大的采用双液注浆工艺(水泥浆+水玻璃就是双液注浆，水玻璃为速凝材料，可以起到快速凝结的作用，常用作工程抢险堵漏之类，也可用作地基加固，压密注浆(压密灌浆是指通过钻孔在土中灌入极浓的浆液，在注浆点使土体压密，在注浆管端部附近形成浆泡。当浆泡的直径较小时，灌浆压力基本沿钻孔的径向扩展。随着浆泡尺寸的逐渐

增大，便产生较大的上抬力而使土体压密。)一般用作地基加固之用，通常为单液水泥浆。)，以确保注浆效果与控制注浆范围。 （3）钻孔

采用φ100地质钻孔，根据设计地质资料确定钻孔深度，设计资料显示的为单层溶洞的，钻穿溶洞顶板即可，为多层溶洞的需钻穿底层溶洞顶板。根据注浆钻孔所揭示的地质情况再次确认注浆方案。 （4）注浆

①注浆管路系统的试运转：用1.5～2倍于注浆终压对系统进行吸水试验检查，并接好水、电；检查管路系统能否耐压，有无漏水；检查管路连接是否正确；检查设备机况是否正常；使设备进行试运转，试运转时间为20min。

②注浆顺序：有地下流水的先注双液浆，然后根据溶洞大小采取以下顺序施工。

大溶洞：溶洞内灌注中粗砂→插入注浆管→注浆。

一般溶洞：直接注浆。

孔桩岩溶注浆要采用多次间隙注浆，压力不能过大，以免对环境造成污染。

4.2.3.1间歇式注浆要求

1、间歇式注浆条件

注浆过程中出现下列情况之一，应采用间歇反复注浆：注浆孔揭露较大的空溶洞，自流注浆2m3后，孔底没有明显抬升；浆液漏失严重，一次性连续注浆2m3后，注浆速率不减或压力不升高；注浆压力

突然降低（含突然为零）或速率突然升高；当流量较大时，液面可以上升至孔口，但停止注浆液面又迅速下降且下降速率较大，反复注浆几次浆面没有抬升；注浆环境发现异常情况。

2、间隙式注浆措施

为防止浆液流失太远造成浪费，采用间歇注浆方式，间歇时间≥6h，使得先注入的浆液与砂子(或碎石)初步达到胶结后再注浆，循环注浆多次，直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值为止。

4.2.4施工控制

1.利用注浆孔进一步探明地质情况，当岩溶的范围和深度与设计不符时，应及时反馈给设计单位。

2.注浆完成后，不得立即进行钻孔作业，一般等7天后，浆体达到一定强度方可开钻。

3.注浆条件

多层溶洞应从下层向上层进行，一般采用压注纯水泥浆的方法，利用浆体的流动性，在压力作用下，充满空间及裂隙。由于注浆压力与土的重度、强度、初始应力、孔深、位置及注浆次序等因素有关，而这些因素又难以准确地确定，一般将注浆压力较注浆孔底水压大0.1MPa～0.2Mpa为宜，在注浆过程中根据具体情况再作适当的调整。注浆速度8～10Ｌ/min，渗透最小半径保证大于桩半径1m以上。

4.注浆量判定

注浆时，通过注浆泵上的PQ仪分析确定注浆的速度和结束时间，压入量Q根据渗透半径、固结体积来计算，

Ｑ=πR2Ｈβμα(1-γ)λ

式中，R为渗透半径，单位为米；

H为溶洞高度，单位为米；

μ为填充物的孔隙率;

α为超灌系数；

λ为地区性经验系数；

γ、β为填充率与填充系数。

5.注浆结束标准

在规定的注浆压力下，注浆压力持续在0.2MPa不变，孔段吸浆量小于0．6L／min，单孔注浆量达到平均注浆量1.5～2.0倍，且进浆量明显减少时，延续30min即可结束注浆。

为了保证注浆压力或注浆过程的连续性，加压注浆前进行必要的封孔措施。

4.2.5 注浆的环保水保措施

（1）水泥和粉煤灰等细颗粒散体材料，应遮盖存放，运输时防止遗撒飞扬。减少对生产人员和当地居民造成危害，必要时进行洒水。

（2）注浆施工前做好施工场地内的排水系统并确保畅通。工地废水排放前先经沉淀池沉淀，并采取必要的净化措施处理后方可排放。特别应避免浆液对地下水源及周围环境的污染。

（3）废弃的砂料及水泥袋等包装物及时清理，不得随处抛撒。施工机具应采取降低噪声措施，减少扰民。

（4）施工过程中及时清理现场垃圾，做到文明施工。

4.2.5岩溶注浆处理溶洞的效果评价

岩溶注浆处理溶洞对防止钻孔过程中孔内失水造成的的塌孔具有较好的效果，可与护筒跟进工艺配合使用，对成孔所需时间能有一定降低，但对大的串通性溶洞，注浆范围、注浆量很难有效控制，超出量较大。部分溶洞注浆处理效果也难以达到预期，成桩扩孔系数虽有降低但与其它地质条件相比依然较大，平均扩孔系数可达2。仍然无法解决偏孔问题。

4.3、护筒跟进

4.3.1 钢护筒的作用及使用范围

钢护筒有定位、保护孔口、维持超压力的重要作用，其位置应埋设准确和稳定。钢护筒跟进是采用震动锤将钢护筒下沉穿过覆盖层而落到岩面。

钢护筒跟进一般分为单护筒跟进和双护筒跟进，根据设计提供的地质钻探资料，对溶洞深度在15m以上且溶洞发育较大的空溶洞一般采用双护筒成孔工艺，对溶洞离地面较近，一般15m以内的较大空溶洞，采用单护筒延长护筒工艺。

护筒跟进视情况采用单一护筒跟进工艺或护筒跟进与钻孔注浆一起使用的工艺。

护筒跟进法适用于发育规模大、层数多、溶洞内填充物性能差、地下水丰富的特大型溶洞。

虽然护筒跟进工艺能有效防止孔壁坍塌，但在实际施工中，当护筒跟进到一定深度后，由于孔壁摩擦力作用，采用振动锤很难一次性