基于BIM的岩溶复杂地质条件下桩基工程施工关键技术

彭 媛，陈国奇，韦 谋

(广西建工集团第五建筑工程有限责任公司，广西 柳州 545001)

0 引言

在岩溶发育、水文、地质条件复杂地区，桩基的施工质量和溶洞处理的效果密切相关，传统的超前钻报告仅能根据经验确定溶洞平面分布范围，无法体现溶洞三维发育情况、影响范围、与桩基础的位置关系，施工人员对溶洞影响范围和处理方案不明确，进而导致成桩质量差、溶洞隐患排查困难、 施工进度滞后等一列问题。本文以一个处于岩溶作用强烈地区的典型项目为例，介绍分析基于BIM的岩溶复杂地质条件下桩基工程施工关键技术在地基施工中的应用。

1 工程概况

某工程位于浙江省江山市，总建筑面积为18.89万m2，其中地上14.17万m2，地下4.72万m2。包含1～15号楼主楼及地下室，19～23层，为框剪结构，最大跨度6.3m；S1～S4号楼配电房、S6门卫室、26号楼幼儿园、27号楼老年活动室及开闭所，1～3层，为框架结构，最大跨度9.6m。桩形式选择为钻孔灌注桩，共有 3 780 根桩，桩身混凝土强度等级为 C30，大部分桩型为端承桩，桩端支撑岩为石灰岩、局部中风化页岩，设计桩长25～55m，桩端嵌入持力层 0.5～1m。

2 项目地质情况

1)场地地基范围内岩土层自上而下共划分为7大工程地质层，9个亚层，1个夹层。下部岩土层种类多，物理力学性质差异大。部分地层平面分布不连续。②1，②2粉质黏土、③粉细砂、④1，④2卵石，⑤1，⑤2砾砂、⑤a流沙土/软黏土、⑥风化页岩、⑦石灰岩层面坡度均>10%。拟建物地基土压缩性在平面范围内具有较大差异，本项目场地属不均匀地基。

2)不良地质情况 场地下卧基岩主要为石灰岩，不良地质作用类型为岩溶作用，主要表现为溶蚀漏斗、溶洞。场地基岩岩石面起伏大，岩体裂隙呈闭合“X”形，裂隙宽1～3mm。溶洞呈半充填或全充填状态，充填物主要以流塑～软塑状态的含砾黏性土及卵砾石为主。超前钻报告统计，共有783个溶洞，钻孔见洞隙率34.6%、线岩溶率8.1%，溶洞埋深5.50～41.70m,属于岩溶地面塌陷灾害易发区(见图1)。

图1 基础工程施工场地

3 桩基工程施工重难点

1)地质条件复杂，溶洞全场地分布，埋深变化很大，增大了施工难度和风险。

2)该项目场地内溶洞分布广，溶洞规模较大，桩基工程数量多，这给项目选择处理方案造成很大困难，给生产投入、计划进度安排带来极大不确定性，也带来质量、安全隐患。

3)场地属于地面塌陷灾害易发区，桩基大型机械的重压及振动及桩基工程施工过程中造成的水文地质条件改变都很有可能引起溶洞坍塌造成地面塌陷等安全事故。

4 针对施工重难点提出的解决方案

4.1 基于BIM的溶洞可视化分类处理技术

1)通过BIM软件将超前钻勘测得出的钻孔柱状图转化为相应的溶洞分布三维模型。溶洞分布三维模型内信息包括钻孔坐标、钻孔深度、孔口高程、层底深度、分层厚度、层底标高等(见图2)。

图2 结合超前钻和地质勘察数据生成溶洞BIM模型

2)通过BIM软件将地质勘察资料和设计二维模型整合成能同时显示持力层和工程桩位置、桩的空间位置坐标及桩长、桩径的三维模型。

3)在BIM模型中将溶洞分布的三维模型及工程桩分布的模型合并，生成可直观显示工程桩、持力层、溶洞三者相对位置的立体三维BIM模型。如图3所示，该图截取1号楼基础地块模型局部，深灰色区块为模拟成片分布的溶洞群，浅灰色区块为连成一片的桩端石灰岩持力层。

图3 1号楼基础地块溶洞、桩、持力层综合的BIM模型

4)根据BIM模型分析溶洞情况，选择施工方案。报告包括必须穿越溶洞桩的穿越深度、不穿越溶洞桩桩底与溶洞顶部的距离，溶洞的洞顶厚度及桩与最近溶洞的水平距离，分析报告为桩基施工危险区域的筛选提供详细参考，并为不同施工方案的选择提供依据。①结合BIM模型，分析较大及特殊溶洞，统计溶洞洞高与类型；由BIM模型可知在1～4号、12～15号楼基础地块集中分布存在较多埋深浅、体量大、洞高的大型溶洞。②利用BIM模型，针对1～4号、12～15号楼基础地块的溶洞群，查找体量较大、标高接近、洞高相当、相互临近、类型相同的溶洞，再结合勘探数据，进行溶洞是否串通判断；经推断有3处大溶洞群在地下连通。③针对埋深浅、体量大、洞高大、稳定性差、连通的溶洞，必须采取溶洞预处理技术，先处理后打桩。溶洞预处理的原理是将不同种类的浆液压入溶洞腔，将其填充完整，增大整体承载力，防止溶洞洞顶垮塌，填充物还可封堵小裂隙，防止后期灌注桩身混凝土时漏浆和桩位塌孔。④针对埋深较大的大型溶洞，采取新型桩基穿越溶洞后注浆方案处理(见图4)。

图4 溶洞串通分析

5)溶洞薄弱点安全隐患排查 通过溶洞BIM模型分析，排查体积大、埋深浅、串通的溶洞，并在施工现场平面中标记易塌孔的薄弱点范围。

4.2 新型溶洞预处理技术

本技术采用袖阀管与钢管相结合的注浆设备。根据超前钻发现有溶洞的位置埋设φ48×3袖阀管，同时在注浆管的端部连接1根4m长DN20镀锌钢管，在袖阀管与地面相交处使用水泥浆进行封堵，预防浆液渗漏。

1)根据BIM模型确定溶洞的位置、标高及发育情况。

2)超前钻机按设计要求钻孔 根据BIM综合模型所提供的桩位开孔，每根已揭露有溶洞的桩暂定3个钻孔用于探查、注浆和排气，钻孔的标高在溶洞最低标高处。

3)埋入袖阀管、钢管 根据超前钻所钻出来的孔，埋入φ48×3袖阀管，并在袖阀管与地面相交处进行500mm高的水泥浆封堵，保证溶洞注浆管道的密封性，注浆管的端部连接1根4m长DN20镀锌钢管。

4)注浆管自下而上提升，水泥浆液通过加压泵与注浆管加压注入溶洞，达到一定压力值无法压入时，再提升注浆管，注浆完成后拔注浆管，并将镀锌钢管拔出并清洗干净。

5)溶洞处理验收 采用管波探测法对注浆达到设计强度的溶洞进行检测，溶洞处理效果良好，浆液饱满，且强度满足要求的可通过验收，否则再进行复灌。

4.3 新型桩基穿越溶洞后注浆处理技术

岩溶地区的溶洞通常埋藏在地下不同深度，向下钻孔时，溶洞和岩溶裂隙会分布在钻孔设计位置的下方不同位置，有的部分重合，有的紧邻孔壁。传统做法采用在溶洞段安置钢护筒或用注浆方法将溶洞填充，再从地面插入注浆管对桩周围岩溶空洞或裂隙注入水泥浆。这种方法存在许多缺点：①基坑外侧地面插入注浆管，注浆设备和施工人员会占用车道，影响交通安全，增大施工风险；②后期再进行打孔和安装注浆管注浆，会增大工程量，延长工期；③安装钢护筒或溶洞全部注浆，费用过高且施工复杂。项目研发新技术解决以上难题。

1)利用BIM溶洞模型，查明桩位处较大溶洞分布情况，确定大溶洞形态、大小和位置，为钻孔贯穿大溶洞的处理做好准备。

2)钻机钻孔至溶洞顶板后，采用桩锤上下反复进行钻进，当钻孔出现水位突然变化较大、泥浆稠密度变化较大或钻进速度明显加快时，表明已穿过溶洞顶部进入大溶洞内部。

3)提起桩锤，向桩机钻孔内抛填黏土和片石，片石的长度选择(40±5)cm，黏土和片石的质量比例为0.4～0.6，根据溶洞内地下水的含量进行调整，用桩锤将片石和黏土挤压入大溶洞，填满大溶洞并锤压密实。

4)采用短冲程继续钻孔，每进尺100cm左右，向桩机钻孔内抛填1次黏土和片石，钻孔和抛填交替进行，直至穿过大溶洞底板。

5)采用孔径仪或井下电视第2次探测桩机钻孔孔壁的岩溶裂缝和小溶洞的大小与位置等数据，这些数据可决定注浆管长度及其与钢筋笼焊接位置。

6)根据所记录的岩溶裂缝或小溶洞到地面的距离和数量制作注浆管，注浆长度与最低处的岩溶裂缝或小溶洞到地面距离相等，注浆管的出口数量与需浇筑的岩溶裂缝或小溶洞数量相同，注浆管的出口位置与需浇筑的岩溶裂缝或小溶洞的位置对应；注浆管通过多段管道连接时，管道与管道之间通过丝扣连接。

7)根据岩溶裂缝或小溶洞位置，将所有注浆焊接在钢筋笼内侧，注浆管的长度和出口角度要保证出口中心与岩溶裂缝或小溶洞的中心位置误差在1cm以内。

8)清孔，下放钢筋笼到桩机钻孔中并进行混凝土浇灌。

9)混凝土浇灌完成3～5d后通过注浆管对桩孔侧壁的小溶洞和裂缝进行注浆，并在桩机钻孔周围形成注浆区域；注浆压力采用5～10MPa，当注入压力明显增大或出现冒浆时停止注浆(见图5)。

图5 新型桩基穿越溶洞后注浆处理原理

新型桩基穿越溶洞后注浆处理技术是通过在钻孔灌注桩内部预留注浆管，根据小溶洞和岩溶裂缝位置焊接在钢筋笼上，在钻孔灌注桩浇灌完成后对钻孔壁侧未填充完全的小溶洞和岩溶裂缝进行补充注浆，避免了单独在地面向小溶洞打孔注浆，减少了车道占用量。在钻孔灌注桩达到规定强度后，直接利用钻孔灌注桩桩内预埋的注浆管对小溶洞和岩溶裂缝的空隙压入水泥浆，由于是采用片石和黏土填充较大溶洞；同时根据二次探测确定小溶洞和岩溶裂缝及因钻机振动造成的孔壁塌落位置与形状，再利用预留的注浆管使用少量水泥浆进行精确填充，这样既简化施工步骤又能大大降低工程造价，经过后期测算，共产生经济效益28.6万元。

5 结语

本文通过在岩溶发育的浙西地区进行桩基施工过程中的实践，总结出一套基于BIM的岩溶复杂地质条件下桩基工程施工关键技术，其中包含BIM溶洞可视化分类处理、新型溶洞预处理、新型桩基穿越溶洞后注浆处理等施工技术，在高效划分溶洞类型、合理选择溶洞处理方式和桩基施工方案，保证桩基施工安全、质量和进度等多个方面均取得成效，创造了可观的社会与经济效益，可为溶洞发育地区的地基和基础施工提供借鉴和参考。