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0 引言
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中国岩溶发育区面积约 346×104 km2，约占全国国土面积的1/3（吕玉香等，2016），且以贵州、云南分布最广（徐光富，2017）。喀斯特地貌一般是由可溶性岩石（如石灰岩）在流动地下水的长期溶解作用下形成的空洞。中国云南省部分地区分布着大量石灰石地层，加之气候湿润，雨季、旱季季节规律性交替变化，雨季降雨量大，地表径流较稳定且有大量不断的地表水下渗，使得岩溶作用可持续，岩溶发育较完整，复杂高原喀斯特地貌岩溶强发育区分布较广，给相应的的工程建设带来一系列岩溶处置难题：（1）复杂高原喀斯特地貌岩溶强发育区地质条件复杂多变，以及岩溶发育、分布情况存在隐蔽和不均匀等特点（王剑等，2019）；（2）在岩溶强发育区开展岩土工程勘察现场钻孔作业常出现钻孔漏浆（钻井液流失快导致孔口无法返浆）、垮孔、卡钻埋钻、钻孔需穿越多层溶洞、钻井过程中存在地面坍塌、岩心采收率低等问题（王剑等，2019）；（3）在岩溶发育强烈的地区，用传统的钻探方法很难准确判断岩溶发育及溶洞情况；（4）岩溶强发育区成桩过程中容易出现塌孔、斜孔、偏心孔、卡锤、漏浆、埋钻事故（姚宏生等，2017）。因此，研究高原喀斯特地貌岩溶强发育区溶洞勘察以及桩基穿越溶洞的施工技术具有较重要的理论和工程实际应用价值。
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目前，前人对岩溶地貌勘察及穿越溶洞的桩基施工开展了大量的研究工作。在岩溶特性方面，总结了岩溶地貌的形成及演化规律（徐光富，2017）； 详细调查了滇东南岩溶地区的水文地质和环境地质（苏春田等，2015）；采用半定量评价法与数值模拟评价法相结合的方法对溶洞顶板的稳定性进行了综合定量评价（李志宇等，2014）。在岩溶勘察方面，对强岩溶地区的岩土工程勘察钻探技术进行了研究（王剑等，2019）；成功运用综合物探技术进行了岩溶勘察（郭海峰等，2019）；总结了区域岩溶勘察的最优高密度电法施工参数（余长恒等，2020）； 在滇中某场地采用高密度电法和土壤氡测量对浅部持力层结构进行不良工程地质探测（武中华等， 2019）。在岩溶区域桩基设计施工方面，结合不同桩基的适用性对复杂岩溶地区的桩基选型提供了指导（王存娟，2014）；研究了溶洞发育地区的桩基础施工技术（高军，2007；刘勇等，2017；王国庆等， 2018；祁新堂等，2022）；研究了串珠状溶岩区桩基础施工方法（沈梦奇，2019）；采用有限元法研究了岩溶地区桩基的极限承载力（肖尧等，2019）。但目前关于高原喀斯特地区溶洞综合勘察以及相应基桩穿越溶洞关键施工技术的系统研究相对较少。
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本文通过工程地质调查、钻探和物探的综合应用，查明了工程场地稳定性、地基土的特点、场地岩溶发育和溶洞分布情况。采取调整基桩入岩深度、提高单桩承载力、基桩旋挖成孔时应用新型聚合物泥浆护壁、提高桩身泥浆质量、降低桩底沉渣厚度、合理处置桩身钢筋笼、降低充盈系数、减少桩身混凝土用量等关键施工技术，保证了工程基桩高效安全穿越溶洞。旨在为复杂高原喀斯特地貌岩溶强发育区岩土工程勘察及工程基桩穿越溶洞提供部分施工经验和技术。
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1 工程概况
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丘北县普者黑某酒店工程项目场地位于云南省丘北县八道哨乡猫猫冲村与七〇新村之间，属于中山山前缓坡与峰丛洼地交汇地带地貌，地面标高介于 1446.11～1451. 06 m，最大相对高差 4.95 m，整体地形坡度约 3°～5°，场地东侧为村庄外接中山山体，南侧为猫猫冲村居住地，西侧临近普碳公路外接普者黑天鹅湖，北侧为耕地及七〇新村。项目总建筑面积约261331 m2，其中一期酒店A项目建筑面积 25877.91 m2，地下建筑面积 8913.64 m2，建筑物基础为桩基，基础设计等级为甲级。
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该项目场地属典型的复杂高原喀斯特地貌区，地层属多层型结构，地表为人类近期活动形成的地层（Qml、Qpd）；其下为第四系坡洪积相（Qdl+pl）；坡残积相（Qdl+el）、残积相（Qel）；下伏岩石为中三叠统托味组 （T2t）石灰岩。场地距西侧天鹅湖约50. 0 m，常年湖水位约 1445.80 m，上游水坝水位约 1446.50 m；场地东北侧有废弃砖瓦厂采土后形成的水塘以及低洼地段小水塘等地表水体，其中局部低洼地段的水位低于天鹅湖水位且常年有水，推测此处地层渗透性较差。此外，勘察期间，场地地下稳定水位在地表下 0.30～6.70 m，水位介于 1443.38～1448. 02 m。勘察表明，场地地下水分为孔隙型潜水和岩溶水两种类型，孔隙型潜水赋水量不大，但岩溶水对基础施工影响较大。项目场地现状及场地周边地表水体分布情况图分别如图1、图2所示。
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图1 场地现状图
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图2 场地周边地表水体分布情况图
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2 岩溶强发育区专项工程勘察
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2.1 勘察方法及手段
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本项目场地地质条件复杂，勘察共分可研、初勘、详勘和施工勘察4个阶段进行。在可研阶段，按照勘探线间距150～200 m、勘探点间距50～80 m的原则在项目整个用地范围内布置 6 条勘探线，了解场地地层分布及岩溶发育特点，对拟建场地的稳定性和适宜性做出评价，以便在规划设计阶段选定最有利的建筑场地。初勘阶段则按照勘探线75～100 m间距进一步加密勘探线，查明岩溶分布规律、地基土分布、特性及相关参数、水文地质条件等，对拟建建筑地段的稳定性做出评价，为确定建筑总平面布置、建筑地基基础方案及不良地质现象的防治提供依据。详勘阶段勘探点主要为单体建筑基础设计提供依据，勘探点一般沿建筑物轮廓及轴线布置，间距 10～15 m。施工勘察阶段勘探点主要布置在建筑物的基桩桩位处，目的是指导桩基础施工，确保各基桩的桩端持力层稳定。酒店A北部1A、1B栋建筑物采用桩基础，详细勘察阶段逐桩布置钻孔，钻孔进入中风化石灰岩 8～10 m，同时查清桩端以下≥5 m 范围的岩石完整情况。为确保岩溶勘察准确性，在揭露溶洞顶板埋深距基础底面小于 8. 0 m 的钻孔四周，沿拟建建筑物轴线，按间距小于2.5 m 的原则布置溶洞探查钻孔，场地典型钻孔柱状图如图3所示。
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可研阶段的现场勘察手段主要以工程地质调查、钻探、物探、水文地质测试为主，采用高密度电法有效解译地下岩溶发育的异常区，初步判断岩溶发育范围，再安排钻探验证。钻探、原位测试和室内土工试验是初勘和详勘阶段的主要手段；对岩溶强烈发育区域再增加适量追索性钻孔查明岩溶分布范围；钻探是施工勘察阶段的主要手段。可研、初勘、详勘和施工勘察均开展了室内土工试验。
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为更准确地查明场地内溶洞的分布情况，采用电磁波层析成像（CT）技术进行探测（图4）。CT 探测技术利用井间电磁波层析成像处理系统进行数据处理，绘制电磁波吸收系数剖面等值线图。成果解读时，首先根据测试剖面上电磁波吸收系数大小、分布范围、等值线形态等，确定正常场的吸收系数范围，其次划分吸收系数异常区域，选取有代表性的区域确定各类异常系数特征值的范围。然后再根据异常的形态、吸收系数值范围和现场钻探情况，明确是否为岩溶发育和岩溶分类。CT技术成果解读可分为 4 个层次进行，即岩溶强发育、中等发育、弱发育和不发育区。其中，岩溶强发育区的电磁波吸收系数呈高值异常，一般≥0.45 dB/m，岩溶极其发育，岩体破碎，多有洞穴的可能。场地内钻探所获岩心如图5所示。
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图3 典型钻孔柱状图
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2.2 勘察成果
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通过勘察查明了场地的稳定性、地基土的分布及特性以及场地岩溶发育情况。勘察结果表明，拟建场地范围内及周边主要为岩溶发育，未见滑坡、崩塌、泥石流、采空区、暗埋沟浜等影响工程建设的不良地质作用及地质灾害发育，且场地范围内及周边无全新世活动断裂通过，属可进行工程建设的基本稳定场地。场地基岩面埋深起伏变化很大，分布有红黏土（次生红黏土及原生红黏土）、软弱土等特殊性岩土。勘察还揭露了规模不一、数量较多的溶洞、溶隙，岩溶强烈发育。勘察表明：（1）场地地基属于土和岩石组成的不均匀地基；（2）场地位于碳酸盐岩地区，在实施的135个勘探孔中，31个钻孔揭露有溶洞，最大溶洞高达 12.1 m，整个场地溶洞见洞隙率达 22.96%，线岩溶率为 3.45%，相邻钻孔间存在临空面且基岩面高差大于 5. 0 m。由《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）（中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2011）可知，场区岩溶发育程度总体为强烈发育；（3）地下岩溶主要表现为溶蚀裂隙和溶洞，以中小型为主（小型溶洞的垂直高度0. 0～2. 0 m，中型溶洞的垂直高度 2. 0～5. 0 m，大型溶洞的垂直高度≥5. 0 m）；垂直高度 0. 0～2. 0 m 的有 14 个，垂直高度 2. 0～5. 0 m 的有 10 个，垂直高度≥ 5. 0 m的有12个。溶洞中主要为软塑状黏土夹少量碎石全充填，碎石充填物呈次棱角状，含量 5%～15%，粒径多在5～20 cm，未见地下暗河残留冲积粗颗粒卵石。表1中列出了勘察得到的场地地基各岩土层主要物理力学指标。
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图4 岩溶极强发育区电磁波CT反映成果图像（a图红色框内部分）
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a—电磁波CT色谱图；b—电磁波CT解释图
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图5 场地工程勘察所获岩心
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3 基桩穿越溶洞关键施工技术
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3.1 基桩入岩深度及单桩承载力控制
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由于本研究主要采用旋挖成孔灌注桩基础，为进一步确定桩基设计参数以保证桩基的可靠性，本研究两次试桩的桩端持力层均进入⑤2中等风化石灰岩，局部为⑤3破碎中等风化石灰岩。
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由于第一次试桩的单桩竖向抗压极限承载力测试值无法达到设计要求（表2），测试结果与设计值相差较大，第一次试桩失败，因此本研究共进行了两次试桩工作。其中，第一次试桩布置 3 颗旋挖成孔灌注桩，第二次试桩布置6颗旋挖钻孔灌注桩。在第二次试桩时，加大了基桩入岩深度，Φ800桩入岩深度为 1 m+0.8 m，Φ1000桩入岩深度为 1 m+2. 0 m，以确保桩端全断面进入完整中风化石灰岩。第二次试桩单桩竖向抗压极限承载力满足设计要求 （表3），试桩过程所获得的桩底岩心见图6。
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由图6、表2、表3 及表4 可知：第一次试桩设计要求桩身进入岩石 1 倍桩径，即入岩深度为 800 mm，但场地岩石顶面1 m左右较破碎，裂隙发育，充填软黏土，桩端旋挖取出的心样呈土夹石状，抽心检测结果也是岩石破碎，夹土块。现场根据设计图纸要求，误判了基桩持力层，造成入岩深度不足导致第一次试桩失败。第二次试桩调整了入岩深度后，单桩竖向抗压极限承载力提高了约3倍。
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注：*表示经验值。
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图6 试桩1#岩心（a）和试桩2#岩心（b）
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根据试桩成果，对比不同入岩深度下单桩承载力值（表4），工程桩施工时不同承载力桩基入岩深度的控制原则为：（1）单桩竖向极限承载力为 7000 kN 的桩基，桩端入岩深度按照进入⑤2 层不少于 （1 m+1d）控制，单桩竖向极限承载力为11000 kN的桩基，桩端入岩深度按照进入⑤2层不少于（1 m+2d） 控制标准。（2）进入持力层后旋挖机钻进困难，取心率＞90%，取出的心样夹泥少，岩石呈块状后才能开始计算入岩深度。（3）每根桩均要进行验槽，以确保桩端全断面进入稳定石灰岩。
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试桩结果表明，本研究基岩顶面岩石较破碎，裂隙发育且充填软黏土，不能简单按规范要求认为进入岩石 1 倍桩径就能满足设计单桩承载力的要求。事实上，桩身需全断面进入完整、稳定的持力层。而桩端持力层要结合超前钻孔柱状图、周边钻孔基岩面标高及溶洞发育情况，旋挖机成孔钻机的速率、取心率、取出心样岩石含量等综合确定。两次试桩结果表明：适当增加基桩入岩深度后，单桩承载力有了大幅提高。其中，竖向承载力特征值可按公式（1）估算，即：
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式（1）中，Ra为基桩单桩竖向承载力特征值，单位为 kN；qpa和 qsia分别为桩端的端阻力和桩侧阻力的特征值，单位为 kPa；Ap为基桩桩底端的横截面积，单位为 m2；μp为基桩的桩身周长，单位为 m；di为第i层岩土的厚度，单位为m。
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3.2 基桩旋挖成孔新型聚合物泥浆护壁技术
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勘察表明，该工程场地分布有3层软土，石灰岩裂隙、溶洞中充填有软塑状态黏土，旋挖钻进过程中易发生塌孔造成孔底沉渣较厚。为保证桩基施工效率及桩基质量，旋挖成孔时采用了固壁效果好、沉渣少、泥皮薄的聚合物及膨润土组合泥浆作为护壁泥浆（图7），提高了护壁泥浆的质量，维持了孔壁稳定性，同时利用新型泥浆沉渣快的特性，提高了桩孔一清合格率。施工中，泥浆比重控制在 1.15～1.20，黏稠度为 26～28 s，含砂率控制在 6% 以内，桩端沉渣厚度控制在 50 mm 以内。图8 为桩端完整的基岩钻心照片。
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图7 现场采用的新型聚合物泥浆
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3.3 基桩穿越溶洞处混凝土充盈系数控制技术
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由于场地岩体中的溶洞、溶隙、节理裂隙较发育，多充填软塑—可塑状态黏性土，在灌注桩成孔及桩身砼浇注时出现漏浆、砼流失等情况。根据试桩施工情况，当基桩穿越溶洞、溶隙时，桩孔混凝土的充盈系数高达 1.5～1.8，不仅不利于保证成桩质量，而且增大了基桩的工程造价。为保证成桩质量、降低工程造价，减小穿越溶洞、溶隙处桩孔混凝土的混凝土充盈系数非常必要。因此，在工程桩施工中，根据一桩一孔勘察钻孔资料，事先确定溶洞分布范围及高度，在穿越溶洞段的基桩钢筋笼外侧包裹1层钢丝网和1层土工布（图9），延伸出溶洞上下各1 m，减小混凝土向周边洞体的扩散，以解决充盈系数大的问题。
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图8 基桩桩端完整的基岩钻心照片
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图9 基桩钢筋笼外裹钢丝网片（a）和基桩钢筋笼外裹土工布（b）
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施工效果表明：当对穿越溶洞段的基桩钢筋笼采取外侧包裹钢丝网和土工布后，穿越溶洞、溶隙处的基桩桩孔混凝土充盈系数减小到 1.2～1.5 以内，在保证成桩质量前提下减少了混凝土用量，降低了工程造价。施工还揭示，当遇到规模大、洞径高的溶洞时，可在穿越溶洞处采用钢护筒隔离溶洞与工程桩，以减少穿越溶洞处工程桩的混凝土灌注量。
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4 结果与讨论
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喀斯特地貌在云南分布广泛，高原喀斯特地貌岩溶强发育区地层岩性复杂多变，岩溶发育对建筑物地基基础设计、施工影响较大，岩土工程勘察和地基基础施工面临较大难度。本文依托位于复杂高原喀斯特地貌岩溶强发育区的云南丘北县普者黑某酒店工程的工程勘察和穿越溶洞的桩基施工，研究并提出了高原喀斯特地貌穿越溶洞桩基施工关键技术，得出如下结论：
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（1）复杂岩溶地区的岩土工程勘察宜分阶段进行，采用工程地质调查、钻探和物探等勘察手段相结合的方法，查明复杂岩溶地区工程场地稳定性、地基土特性、场地岩溶发育以及溶洞分布情况。
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（2）国家标准《岩土工程勘察规范》、《建筑地基基础设计规范》及《工程地质手册》等均采用准确的定量计算方法来评价岩溶洞体的稳定性，但岩溶稳定性评价目前实际上还处于半定量的阶段。结合工程经验，笔者建议，对于一般建筑物采用天然地基浅基础时，可取8 m作为判别标准，溶洞顶板厚度大于 8 m 时，可不考虑其对地基稳定性的影响。次要的低层建筑物可适当降低标准，重要的建筑物应提高判别标准。
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（3）复杂岩溶地区建筑物的基础方案应首选天然地基，次选复合地基，尽量避免以深部基岩作为桩端持力层，规避深部复杂的岩溶问题；当不可避免需采用桩基础时，应选用完整、稳定的岩石作为桩端持力层。
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（4）当复杂岩溶地区建筑物选用天然地基，又判别为溶洞不稳定地段时，可先对溶洞进行填充处理后再进行浅基础的设计和施工。填充可采用：旋挖机成孔打穿溶洞以上地层进入溶洞底部位置后，填充土夹石，采用载体桩机逐层夯实直至地面；钻机钻孔至溶洞底部注入红黏土水泥浆液，浆液充填满溶洞、裂隙凝固后填充处理即完成。
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（5）采取根据勘察成果调整基桩入岩深度、提高单桩承载力、基桩旋挖成孔时应用新型聚合物泥浆护壁、提高桩身泥浆质量、降低桩底沉渣厚度、合理处置桩身钢筋笼、降低充盈系数、减少桩身混凝土用量等关键施工技术，可实现工程基桩高效安全穿越溶洞、保证工程基桩质量的目标。其中，桩身穿越溶洞地段时，在钢筋笼外侧包裹钢丝网片和土工布，可以减小混凝土向周边洞体的扩散，有效降低充盈系数。在分布有软土、溶洞及裂隙中充填软塑黏土的场地采用优质泥浆护壁是沉渣控制的关键措施。
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摘要
针对位于复杂高原喀斯特地貌岩溶强发育区的云南丘北县普者黑某酒店建设工程，本文通过工程地质调查、钻探和物探等方法查清了工程场地的稳定性、地基土的特点、岩溶发育和溶洞分布情况。采取多项关键技术保证该工程基桩高效安全穿越溶洞，如根据勘察成果调整基桩入岩深度提高单桩承载力；基桩旋挖成孔时应用新型聚合物泥浆护壁提高桩身泥浆质量，降低桩底沉渣厚度；合理处置桩身钢筋笼降低充盈系数，减少桩身混凝土用量等。研究结果表明：（1）采用工程地质勘察、钻探、物探相结合的勘察方法，可以快速、准确地查明岩溶发育强烈地区的溶洞分布情况；（2）采用前述关键施工技术保证了工程基桩高效安全穿越溶洞并保证了工程基桩的质量。该研究成果对复杂高原喀斯特地貌岩溶强发育区岩土工程勘察及工程基桩穿越溶洞施工有一定借鉴意义。
Abstract
Based on a hotel construction project in Puzhehei， Qiubei County， Yunnan Province， which is located in the strong karst development area of plateau， the stability of engineering site， the characteristics of foundation soil， the development of karst and the distribution of karst caves are found out by engineering geological survey， drilling and geophysical exploration. Several key technologies are adopted to ensure the efficient and safe of pile penetrating karst cave， for instance， adjusting the rock penetration depth based on the survey results to improve the bearing capacity of single pile； The new polymer mud is applied to improve the quality of pile with slurry wall protection and reduce the sediment thickness in pile bottom； reasonable disposal of pile reinforcement cage adopted to reduce the filling coefficient and the pile concrete dosage. The results show that：(Ⅰ) The distribution of karst caves in strong karst development area are found out quickly and accurately by combined method of engineering geological survey， drilling and geophysical exploration；( Ⅱ) The mentioned key technologies are adopted to ensure the efficient and safe of pile penetrating karst cave and ensure the quality of engineering foundation piles. The research results have certain reference significance for geotechnical investigation and construction of pile penetrating karst cave in karst areas of complex plateau.
