大直徑易塌地層巖溶區(qū)域鉆孔樁處理方案

文｜廣東省第一建筑工程有限公司 吳彪

一、引言

我國近年來建筑行業(yè)發(fā)展速度比較快，隨著經(jīng)濟(jì)條件不斷改善，大量工程項目上馬，為國民經(jīng)濟(jì)提供了良好的工程建筑物質(zhì)基礎(chǔ)。由于我國地域遼闊，不同地區(qū)地理環(huán)境不一樣，巖溶區(qū)域?qū)嵤┙ㄖこ添椖孔鳂I(yè)技術(shù)難度大，現(xiàn)場施工環(huán)境比較復(fù)雜，不同巖層之間的土層變化極大，在某機(jī)場工程噪音區(qū)治理項目現(xiàn)場勘察中發(fā)現(xiàn)，巖溶分布比較廣泛，地下土質(zhì)砂層過厚，大片區(qū)域砂層之間可見巖，地下溶洞深度不一，具體位置要探測清楚難度大，溶洞互連互通甚至形成較大的復(fù)雜溶洞群。因此，在實施樁基礎(chǔ)工程作業(yè)前采用深度不小于5m超前鉆對地下溶洞大小、巖層分布、地下水情況等進(jìn)行探查。

二、工程概況

某機(jī)場工程噪音區(qū)治理項目置區(qū)建設(shè)融資施工總承包（標(biāo)段三）位于珠三角經(jīng)濟(jì)中心城市人口密集區(qū)，總建筑面積為415402.2m2，北區(qū)設(shè)置兩層地下室，南區(qū)一層地下室，施工高層住宅為20棟27-31層，高度分別為83.1—91.8m，施工的塔樓實施鉆(沖)孔灌注樁基礎(chǔ)，塔樓范圍以外（北區(qū)和南區(qū)的地下室部分）直接采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)，其中：鉆(沖)孔灌注樁1359條（含抗拔樁190條），預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁5154條。鉆(沖)孔灌注樁樁直徑分別有：Ф800、Ф1000、Ф1200、Ф1400、Ф1600、Ф2000，樁端支承巖層為微風(fēng)化巖。

三、場地巖土區(qū)域特點研究

項目地點位于廣州城郊結(jié)合部，屬于廣州市的北郊，臨近白云新國際機(jī)場、境內(nèi)流溪河貫通全鎮(zhèn)，水資源十分豐富。場地的主要地層按地質(zhì)成因從上至下依次分為：上覆土層主要為第四系填土層；沖積-洪積層軟塑狀粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂、可塑狀粉質(zhì)粘土、；沖洪積土層、可塑狀粉質(zhì)粘土和流塑～軟塑狀粉質(zhì)粘土；灰?guī)r風(fēng)化巖帶。

1.簡述各土層情況：

（1）填土

填土：為素填土，填粉質(zhì)粘土、碎石為主，土質(zhì)不均勻，松散，稍濕。

（2）沖洪積層

軟塑狀粉質(zhì)粘土：以粉粘粒為主，含較多粉細(xì)砂，濕，軟塑為主，稍濕。

淤泥（質(zhì)土）：以粉粘粒為主，含較多有機(jī)質(zhì)及腐木，呈流～軟塑狀態(tài)為主，壓縮性大。

中粗砂：以中粗砂為主，含較多細(xì)砂和粉砂，含少量礫砂。

（3）沖洪積層

可塑狀粉質(zhì)粘土：以粉粘粒為主，含較多粉細(xì)砂薄層，呈可塑狀態(tài)為主，稍濕。

（4）巖層

根據(jù)鉆探揭露，下伏基巖為石炭系石磴子組(C1ds)的灰?guī)r，本次揭露到中風(fēng)化層、微風(fēng)化層，現(xiàn)簡述如下：

1）中風(fēng)化灰?guī)r

巖芯破碎，呈塊狀～短柱狀，有溶蝕現(xiàn)象。

2）微風(fēng)化灰?guī)r

厚層構(gòu)造，巖質(zhì)較硬。

3）斷層破碎帶

斷層角礫巖：原巖為灰?guī)r，破碎成角礫狀，大小相混，原巖擠壓成可塑土狀，夾有少量碎塊狀原巖。

2.地下水類型

主要含水層為灰?guī)r，灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)育總體上強(qiáng)烈但不均勻，本場地揭示的巖溶發(fā)育在下伏巖層中，地下水與灰?guī)r溶洞水互相連通，地下水水量比較大。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性評價具微腐蝕。

3.土洞

場地內(nèi)巖溶強(qiáng)發(fā)育，主要發(fā)育有土洞、溶洞，巖溶發(fā)育情況分為兩大區(qū)：Ⅰ區(qū)（溶蝕溝槽區(qū)）和Ⅱ區(qū)，其中Ⅰ區(qū)巖溶強(qiáng)發(fā)育，溶蝕基準(zhǔn)面多在-15～-25m之間，以土洞、溶溝、溶洞為主，發(fā)生巖溶塌陷的可能性較大；Ⅱ區(qū)巖溶中等發(fā)育-強(qiáng)發(fā)育，溶蝕基準(zhǔn)面多在-7～-15m之間，以溶溝、溶洞為主，溶洞在場地區(qū)域內(nèi)廣泛分布，分布不均。

4.巖面起伏

本場地巖面起伏較大，埋深從十幾米到四十幾米不等，起伏陡峭，有呈筍狀或溶槽狀等發(fā)育形態(tài)。如在北區(qū)地下室分界線區(qū)域，全長約240m，，最深和最淺巖面分別為ZK103和ZK108，對應(yīng)37.7m和17.9m，巖面高差達(dá)20m。

按照建設(shè)單位提供勘察報告的地質(zhì)資料，本場區(qū)場地地質(zhì)條件復(fù)雜，溶洞強(qiáng)烈發(fā)育，微風(fēng)化巖面起伏比較大，給樁地基基礎(chǔ)施工帶來較大難度。按建筑物之中A1棟最發(fā)育（見洞率為100%）、A16棟最不發(fā)育（見洞率11.9%），平均見洞隙率為40.1%。本場區(qū)巖溶主要為強(qiáng)發(fā)育（局部為中發(fā)育），存在大范圍土洞、溶洞等巖溶現(xiàn)象，對施工產(chǎn)生極大影響，若處理不當(dāng)，有造成地面沉陷和樁基陷落等事故的風(fēng)險。在超前鉆施工過程中，就發(fā)生過多起鉆孔坍塌事件，如A19棟鉆孔6-19-36號在鉆探完成后發(fā)生坍塌，形成一個直徑近10m，深3m的大坑（圖1），在塌陷坑填埋后，旁6-19-24號鉆孔鉆探完成后亦發(fā)生坍塌，再次形成一個直徑近10m，深3m的大坑，給現(xiàn)場樁基礎(chǔ)施工帶來了很大的安全隱患，施工過程中已出現(xiàn)7次危險性極大的塌陷事故，灌注樁在成孔過程中出現(xiàn)地面塌陷，鋼護(hù)筒嚴(yán)重變形、沉陷和移位；部分樁在澆搗樁芯砼時出現(xiàn)地面塌陷及鋼護(hù)筒變形偏位，給施工造成了較大的安全隱患。

四、不同溶洞處理的施工方法

按照超前鉆報告建議，考慮本項目溶洞形狀、尺寸、位置存在多樣性，巖層強(qiáng)度不均勻性，溶洞填充情況復(fù)雜，本工程處理方案可根據(jù)實際情況選用：①采用注漿進(jìn)行充填處理；②設(shè)置樁基穿越溶洞，樁端進(jìn)入下部具有較大厚度的穩(wěn)定基巖層。

1.普通型溶洞處理方法

通常普通型溶洞是指洞高度不超過3m的全填充軟塑、可塑，填充粘土溶洞或者小于2m的無填充、半填充、全填充流塑溶洞，普通型溶洞易出現(xiàn)漏水漏漿的情況，情況嚴(yán)重也可能出現(xiàn)塌孔。出現(xiàn)漏水漏漿的情況可實施兩種注漿方式，第一種是對溶洞頂端部位實施注漿，頂端加固后能防止溶洞穿孔不產(chǎn)生塌孔情形。第二種是對溶洞底部實施注漿，向孔內(nèi)拋填片石及粘土混合物，利用沖錘沖擊作用擠入樁孔周邊溶洞間隙，從而起到護(hù)壁作用。根據(jù)溶洞規(guī)格大小分析判斷本次溶洞處理的樁孔中，有117個樁孔屬于普通溶洞需要注漿處理，按照處理的部位不同分別在溶洞頂部和底部進(jìn)行注漿處理。

圖1 超前鉆在A19棟塌孔現(xiàn)場實況

（1）溶洞頂部注漿加固

頂部注漿鉆孔深度要達(dá)到25m，注漿使用鋼管直接鉆孔一步到位成孔，鉆孔時離樁邊沿約50cm打孔，一次成孔后提升鉆頭再進(jìn)行清孔作業(yè)，放入注漿導(dǎo)管距離到溶洞底部1.0m后灌入水泥砂漿等待凝固，待凝固后應(yīng)用專用注漿設(shè)備實施注漿，一直注到符合設(shè)計和施工規(guī)范再停止注漿。

（2）片石加黏土造壁法

在進(jìn)行沖孔過程中，溶洞很容易導(dǎo)致孔內(nèi)部水頭快速下降，孔內(nèi)外部水頭壓力不斷增大，因此需要事前準(zhǔn)備好充足水源，對護(hù)筒內(nèi)泥漿面的變化情況認(rèn)真采取監(jiān)測措施，一旦發(fā)現(xiàn)泥漿面快速下降時，說明正在發(fā)生大量漏漿情況，此時要立即進(jìn)行加水并補(bǔ)漿，并把粘土和片石按大約1：1的比例往下方投4～6m，然后再重新開鉆。作業(yè)過程專人監(jiān)測鉆樁孔四周土體是否發(fā)生大面積開裂情況，如在沖孔作業(yè)中發(fā)生塌孔情況，馬上撤出現(xiàn)場人員和相關(guān)機(jī)械，等待四周土體穩(wěn)定后再回填壓實之后，重新在原來的樁位上進(jìn)行二次沖成孔。

在開鉆過程前，項目部設(shè)立專人跟蹤觀察施打樁位的地面土體情況，如發(fā)現(xiàn)樁位周邊地面出現(xiàn)裂紋，立即報告現(xiàn)場安全管理人員，停止作業(yè)，盡快疏散人員，本項目設(shè)立專職觀察土面裂紋人。揭露大溶洞時，當(dāng)觀察人員發(fā)現(xiàn)地面開裂下陷情況時，應(yīng)立即停止作業(yè)，并向值班人員報告，待采取必要安全措施后，才能繼續(xù)開工。

2.危險性大的溶洞處理方法

本處理方法主要用于大中型溶洞處理，洞高超過3m（包括串洞洞高累計超過3m的溶洞）的全填充軟塑、可塑及填充粘土的溶洞以及洞高超過2m的無填充、半填充及全填充流塑狀溶洞。本工程中有144個樁孔符合這類溶洞施工條件。采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)+拋填法實施。護(hù)筒的重要作用是要保證鉆孔的孔壁不發(fā)生塌孔情況，并對拋填物體提供安全的護(hù)壁條件。如實施三次拋填物體仍然無法控制漏漿時，為避免反復(fù)鉆孔過程中劇烈震動發(fā)生塌孔的危險性，直接澆灌C20素混凝土進(jìn)入孔內(nèi)，繼續(xù)澆灌直至素砼液面高出溶洞頂面約1m，待澆灌的C20素砼強(qiáng)度達(dá)到70%后，復(fù)沖成孔。

旋挖樁機(jī)預(yù)鉆孔至溶洞巖面上約1米處停鉆，然后埋設(shè)鋼護(hù)筒跟進(jìn)至溶洞巖面隔離上部土層及砂層的方法進(jìn)行處理。

3.成片密集的溶洞處理方法

通常是指存在水平串洞、四周密集溶洞以及厚砂層直接入巖等復(fù)雜地質(zhì)情況的溶洞，溶洞強(qiáng)發(fā)育區(qū)域。針對此類溶洞，可采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)+拋填法或預(yù)處理法。

方案一：采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)+拋填法（三次拋填無法止漏時采取C20素混凝土澆灌進(jìn)行處理），做法同危險性大的溶洞處理方式。

方案二：采取預(yù)處理方式處理，分為：①壓力注漿法，使用袖閥管注入水泥：粉煤灰：中砂：水=1:0.5:3.5:1的水泥砂漿，水泥砂漿具有低流淌性和速凝性，能否快速有效的進(jìn)行溶洞填充，并快速凝結(jié)，有利于節(jié)省溶洞填灌材料。②壓力注C20素混凝土法，注漿孔間距3.0×3.0m，注漿孔采用跳鉆法且成梅花狀分布，鉆機(jī)引孔。

五、施工方法總結(jié)

加強(qiáng)對樁基礎(chǔ)工程項目的前期勘察工作，必要時采取多種科學(xué)探查手段和先進(jìn)的探測儀器，由于本工程處于城鄉(xiāng)結(jié)合部，居住人員密集，給現(xiàn)場探測工作帶來較大的困難。地表水對本工程建設(shè)影響較大。在超前鉆孔及雨天機(jī)械行走過程中已多次出現(xiàn)地面塌陷現(xiàn)象，說明本場地淺層土層內(nèi)存在有土洞，具體數(shù)量和位置不明。加上本項目樁徑為大直徑鉆孔樁，單樁單孔也無法全部反映樁位的勘察資料，甚至部分處理方案出現(xiàn)塌孔后再采取應(yīng)對措施，因此，施工前對樁位所處位置及溶洞大小實施反復(fù)探測，再采取有效應(yīng)對措施是十分必要的，也是保證樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量的重要前提。