巖溶地區沖孔灌注樁設計探討

林奕

廈門市泛華建筑設計有限公司（361008）

巖溶地區沖孔灌注樁設計探討

林奕

廈門市泛華建筑設計有限公司（361008）

這里以巖溶地區某商住樓的樁基礎設計為例，探討巖溶地區沖孔灌注樁設計對地質勘查的要求，以及設計和施工中應注意的問題。

巖溶地區；鉆孔深度；巖溶處理；施工技術

0 前言

巖溶，也稱喀斯特，是水對可溶性巖石（碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等）進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱。由巖溶作用所形成的地貌，稱巖溶地貌。在中國，作為巖溶地貌發育的物質基礎——碳酸鹽類巖石（如石灰石、白云巖、石膏和巖鹽等）分布很廣，據不完全統計，總面積達200萬平方公里，其中裸露的碳酸鹽類巖石面積約130萬平方公里，約占全國總面積的1/7；埋藏的碳酸鹽類巖石面積約70萬平方公里，主要集中在廣西、貴州、云南和四川西南部。在這些地方建造房屋，修建道路橋梁，不可避免會遇到巖溶地基。對于巖溶發育地區的樁基，如何確定基礎持力層標高，如何將樁基設計與現場施工結合起來以保證樁基的工程質量，對于一個結構設計工程師來說，就顯得尤為重要。這里以福建省龍巖市某建于巖溶發育地區的商住樓設計為例，探討巖溶地區樁基礎設計及施工中需要注意的一些問題。

1 工程概況

福建省龍巖市某商住樓,地上為3棟主樓,地下室為2層。地質勘查報告中，各巖土層的分布及特征自上而下分述如下:

1）雜填土①:黃色，松散狀態，稍濕，以黏性土為主，含20%～30%的混凝土、磚、瓦片等建筑垃圾及碎卵石、角礫等硬雜質，部分地段分布耕土。

2）粉質黏土②:灰黃、褐紅色，可塑狀態，濕。濕土無搖震反應，韌性中等，干強度中等。

3）含卵石粉質黏土③:黃、灰黃色，可塑－硬塑狀態，濕。卵石含量25%～35%，粒徑一般為30～120mm，成分為石英砂巖、粉砂巖、細砂巖等，多呈中風化狀態，局部含少量中粗砂粒及漂石，卵石在土體中分布較不均勻。

4）粉質黏土④:灰黃、褐紅色，可塑狀態，濕。濕土無搖震反應，韌性中等，干強度中等，巖芯泡水易軟化。

5）含碎石角礫粉質黏土⑤:灰褐、灰黑色，可塑狀態，濕，碎石、角礫含量25%～35%，粒徑一般5～40mm，成分主要以硅質巖、石灰巖為主，棱角狀，多呈強風化狀態，部分地段含少量卵石。

6）含角礫粉質黏土⑥:灰黑色，多呈軟塑狀態，濕。角礫含量25%～30%，粒徑一般5～15mm，成分主要以硅質巖、石灰巖為主，棱角狀，呈強風化狀態，土質較松軟。

7）中風化石灰巖⑦:灰、深灰色，塊狀構造，裂隙較發育，巖芯多呈短柱狀或長柱狀，部分地段上部巖石較破碎，溶洞較發育，巖芯多呈碎塊狀，見有溶蝕裂隙或蜂窩狀溶蝕。巖石質量指標RQD值為10%～55%，按巖石堅硬程度的定性分類屬較硬巖,按巖石完整性的定性分類屬較破碎～較完整,巖體基本質量等級為Ⅲ～Ⅳ級。取巖石試樣6組，巖石飽和單軸抗壓試驗范圍值為38.4～49.3mPa，平均值42.7mPa。該層多數地段發育有溶洞，以充填溶洞為主，充填物為含角礫粉質黏土，黑灰色，軟塑狀態。

根據場地巖土工程地質條件、擬建建筑物荷載及上部結構等情況和設計地坪標高，本工程采用沖孔灌注樁基礎，選用中風化石灰巖⑦做樁端持力層，該層的沖孔灌注樁極限端阻力標準值為11 000 kPa,極限側阻力標準值為220 kPa。本工程選用樁徑為1m的樁,根據以下公式確定單樁豎向承載力特征值Ra=6 500 kN。

2 巖溶地區對地質勘察的要求

由于原勘察報告中鉆孔點的距離控制在20～25m之間，若根據此結果，我們就無法確定每根沖孔灌注樁下土層的情況。所以，為了確定每根樁下有無溶洞及溶洞所處的位置，我們要求勘察單位在每根樁下必須至少一個鉆孔。鉆孔的深度，參照《建筑地基基礎設計規范》第10.2.13條樁端持力層的檢驗:檢驗孔底下3倍樁身直徑或5m深度范圍內有無土洞、溶洞、破碎帶或軟弱夾層等不良地質條件。若達不到上述條件，則加深鉆孔深度，直至滿足要求。經過一樁一孔的詳細勘察發現，本場地存在土洞和溶洞，作為端承型灌注樁來說，如果不處理土洞和溶洞，將對樁基的質量和建筑的安全帶來很大的隱患。根據分析，場地土洞的形成與地下水活動密切相關，土層中細顆粒易被潛蝕、吸蝕，其下有排泄沖蝕物的巖溶通道，對土體產生潛蝕、吸蝕、搬運作用，形成土洞。在土洞的形成過程中，洞內底面的坍落物部分被帶走，部分殘留洞內，或在巖溶地下水或地表水滲入的作用下,由其他通道流入洞內，浸泡于水中，形成呈流塑～軟塑狀態的土洞充填物。參照本地區的建筑工程經驗，本場地的土洞和溶洞在沖孔灌注樁施工時一并處理，采用樁基礎成樁時可對溶洞洞體填充密實,阻止溶洞坍落的進一步發展，防止地面巖溶塌陷的產生，可極大地消除地基不穩定的隱患，確保建筑場地和地基的穩定。

3 溶洞的處理

溶洞按充填狀態，可分為全填充溶洞，半填充溶洞和無填充溶洞。

全填充溶洞:洞內完全充填黏性土等,含水率高,充填物呈硬塑、軟塑、流塑狀。

半填充溶洞:洞內有部分填充物,洞頂部有空腔。

無填充溶洞:即洞內無填充物。

根據溶洞的大小及填充情況，一般可以按如下經濟可行的方法處理溶洞:

1）對于高度在3m以下的溶洞,無論是否填充，都可采用黏土和片石填塞的方法處理。

2）對于高度在3～8m的溶洞，當為全填充時，可采用壓雙液漿的方法處理；當為半填充或無填充時，可采用灌低標號混凝土的方法處理。

3）對于高度在8m以上的溶洞，可采用黏土和片石填塞結合鋼護筒跟進的方法處理。

由于本工程溶洞大小不一，筆者將以上幾個溶洞的處理方法在圖紙上逐一說明，并進行詳細的技術交底。現簡要介紹以上處理方法。

黏土和片石填塞，主要是由于在鉆孔遇到溶洞層時，泥漿會流失，甚至引起塌孔，這時采用片石加黏土（按體積比1:1）回填，可加入部分水泥，回填一層鉆頭沖擊一遍,目的是使片石和黏土保持密實。溶洞回填后，向鉆孔內注入稠度較大的泥漿，使片石縫隙被填滿，然后再用鉆頭沖擊，使片石、黏土和泥漿三者混合形成穩定的泥石護壁。若護壁出現漏漿，應再次反復回填沖擊，直至護壁穩定為止。

壓雙液漿,即以水泥和水玻璃為壓漿材料，兩者按一定的比例，采用雙液方式注入，必要時加入速凝劑和緩凝劑所形成的注漿材料。壓雙液漿能加固溶洞填充物和充滿溶洞空間,并達到一定強度，防止沖孔樁施工時泥漿流失及塌孔，保證順利成孔和水下混凝土的澆筑。對溶洞中的沙石，漿液通過滲透作用將它們結合在一起；對溶洞中的黏土，漿液通過劈裂，擠密作用加固土體。施工時可利用地質勘探鉆孔進行注漿，注漿時應少量多次，反復壓漿。

灌低標號混凝土法，對于較大的半填充或無填充溶洞，有時采用黏土和片石填塞難以成孔，或者成孔后灌注水下混凝土時孔壁坍塌，可采用灌低標號混凝土法處理。在鉆頭擊穿溶洞頂殼發生漏漿時，為節約混凝土量，可先填片石，并反復沖擊，直至溶洞基本填滿，再灌低標號混凝土。混凝土灌至溶洞頂上后,待混凝土達到一定強度后再繼續沖孔。

鋼護筒跟進法，在溶洞較大(一般大于8m)，用黏土和片石填塞,再灌注混凝土仍然無法成孔時，可采取鋼護筒跟進法進行施工。鋼護筒跟進法，即一邊沖孔，一邊接鋼護筒，根據地勘報告中顯示的溶洞位置，將護筒下沉至溶洞處，用以阻斷溶洞內填充物或水的流動，便于沖孔施工。現場應根據大溶洞的數量，確定護筒級數，每增加一級，鋼護筒內徑增加0.25m,最小一級鋼護筒直徑大于樁徑0.2m。鋼護筒采用8～10mm鋼板卷制，防止受壓變形。下沉鋼護筒時，由大到小，分級逐次下沉。先鉆大孔，下沉大護筒，再鉆小孔，下沉小護筒。穿過一層溶洞，就采用一級鋼護筒，每增加一層溶洞，就增加一級鋼護筒。鋼護筒的長度L=h+3m(h為溶洞高度)，若護筒太長，可分節下沉，并應在孔口處焊接連接。

通過以上方法，就能很好地處理在樁身長度范圍內的溶洞，使沖孔樁落在穩定的持力層上，保證樁身混凝土的質量。

4 施工質量控制

巖溶地區沖孔灌注樁的施工工藝大致如下:

平整場地→泥漿制備→埋設護筒→安裝鉆機并定位→鉆進成孔→巖溶處理→繼續鉆進成孔→終孔檢查→第一次清孔→安放鋼筋籠→安裝導管→二次清孔→灌注水下混凝土→拔出護筒→檢查質量。

巖溶地區由于其地質條件的特殊性、復雜性,在進行沖孔灌注樁的施工時，必須注意以下常見的問題，并做好處理措施。

4.1 卡鉆

巖溶地區沖孔灌注樁的卡鉆主要是由于鉆頭擊穿溶洞的頂板時太猛，突然進入溶洞后，造成孔形不圓或掉入大空洞而卡鉆，因此在鉆頭即將穿越溶洞頂板時應采用小沖程鉆進?？ㄣ@發生后切不可盲目攪動，以免造成吊繩拔斷而引起掉鉆。可采用滑輪組，吊機（必要時配千斤頂）和樁機相互配合將鉆頭提起。如無法提起，可采用水下小爆破振動法將鉆頭振松后提出。

4.2 漏漿

漏漿是巖溶地區沖孔灌注樁常出現的問題。主要原因是:1）鉆頭擊穿無填充物或少量填充物溶洞頂板時，孔壁瞬間失去孔內壓力，孔內水頭急劇下降，外部地下水滲透水壓過高而產生水壓力，引起孔壁坍塌；2）由于地下溶洞中往往溝槽相互連通,又與地下水形成暗流。沖孔中泥漿密度大，在暗流水壓的作用下造成泥漿嚴重流失。遇到上述情況時，應立即提出鉆頭，向孔內補漿或補水，保持孔內漿（水）面穩定，如漿（水）面仍不斷下降，應立即向孔內填塞片石，黏土及水泥制成的混合物，直至不漏漿穩定為止。

4.3 塌孔

沖孔灌注樁施工中塌孔的主要原因是:1）泥漿比重不夠，未形成可靠護壁；2）取渣筒或鉆頭撞擊護壁，破壞了護壁泥皮；3）遇到溶洞時，孔內水頭下降太快來不及處理，水頭高度不夠或孔內出現了承壓水，降低了靜水壓力差；4）遇大溶洞時投入填塞物后鉆頭沖砸過快，靜置時間太短，護壁不能支撐洞內填充物或孔內泥漿。這時應及時補充泥漿，保持孔內水頭高度，采用小沖程沖孔固壁，防止塌孔擴大。若發生了地表塌陷，應拔出鋼護筒，回填塌孔，壓入護筒后重新沖孔。

4.4 鋼護筒傾斜

在遇到較大溶洞時,往往要采取鋼護筒跟進，所以鋼護筒傾斜是常見的。因此，需要注意的是:鋼護筒的導向架必須具備足夠的剛度，振動跟進時必須保證護筒、樁帽與振動錘之間的法蘭盤軸線垂直。當發現鋼護筒的傾斜超過1%時，必須立即停止作業，采取相應措施糾正。

4.5 斷樁

巖溶地區由于有的溶洞相互連通，灌注時無法測出混凝土量，水下澆筑時混凝土流失嚴重，造成斷樁。所以在澆筑混凝土前，必須備好足夠的砂石料和水泥，必要時還要準備好備用機械，澆筑過程中嚴密監測混凝土面上升速度，要保證2m的埋管深度，減少對下部混凝土的擾動。

沖孔灌注樁在施工完成后，還應有樁身完整性檢測和豎向承載力檢測，保證工程樁的質量。本工程采用以下幾個方法:

1）動測法:檢測數量為100%。

2）鉆孔抽芯法:檢測數量不少于總樁數的10%，且不少于10根。

3）靜載荷試驗:檢測數量不少于同條件下總樁數的1%，且不少于3根。

本工程沖孔灌注樁施工近一年，在參建各方的共同努力下，樁身完整性檢測和豎向承載力檢測均滿足要求。工程竣工至今已2年，長期的沉降觀測結果也符合規范要求。

5 結語

巖溶地區由于地質情況復雜，給沖孔灌注樁的施工帶來很大困難。所以，我們在地質勘查時就要引起重視，探明樁基下的巖溶情況；在樁基設計時，充分考慮如何處理巖溶地質情況，把施工中可能遇到的問題做好技術交底；在施工階段，監理方應保證旁站監督，施工方應做好技術準備工作和加強施工組織管理，采取切實可行的安全防范措施，做好應急處理預案。只有這樣，才能從根本上避免施工問題的發生，保證工程質量。

[1]GB 50007-2011,建筑地基基礎設計規范[S].

[2]JGJ 94-2008,建筑樁基技術規范[S].

[3]譚景和.復雜巖溶地區嵌巖鉆孔樁施工技術研究[D].南昌大學,2002.