杭州南湖地區樁基穿越溶洞設計與分析

張 朕 磊

(上海建筑設計研究院有限公司,上海 200041)

1 工程概況

本項目為阿里巴巴達摩小鎮的一期啟動項目，主要集“生產+實驗研發”于一體，打造成交互性、體驗性、生態性的智慧辦公研發園區。場地位于杭州市余杭區南湖科學中心片區，距離西溪園區10 km、杭州市區34 km。基地東、北兩側跨路臨南湖，南側為102省道及杭瑞高速。項目總建筑面積約48萬m2，地下1層，建筑面積約為19萬m2。地上建筑功能分為通用生產辦公用房、行政辦公用房(地上5層，建筑高度約24 m)以及附屬配套生活服務(地上1層～2層，建筑高度約為7 m～12 m)等。建筑總體效果圖詳見圖1。

結構體系均采用鋼筋混凝土框架結構，屬于丙類建筑(標準設防類)，抗震設防烈度為6度(0.05g)，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.45 s。

2 場地地基土情況分析

根據外業勘探、室內土工試驗成果，并結合場地土成因類型及附近勘察資料綜合分析。本工程場地范圍內覆蓋層厚度約為30 m～35 m，下伏基巖為構造角礫巖(場地北側)、灰巖和砂巖(場地南側)，工程地質土層主要計算參數詳見表1。

場地表層填土較厚，堆積時間較久。②1層粉質粘土以前作為農田使用，后被用作魚塘，局部的開挖或回填對②1層粉質粘土產生較大的擾動。①03層為塘泥，該區域魚塘被平整后堆填了①02層素填土，后被用作林場至今。表層填土現狀大部分為軟塑狀態或流塑狀態。其厚度較大，成分復雜，土質不均，結構松散，且局部含有塊石。

場地分布的軟土主要為①03層塘泥及③層淤泥質粉質粘土，為湖相沉積層，具高含水量、低強度、高壓縮性、高靈敏性等特點，厚度變化大。

場地范圍內存在兩種巖體，東北部為地層交界帶，巖體較破碎，多為強風化狀巖體，且厚度較大，最大深度28.80 m時仍未見較好的中等風化巖體。西南部為震旦系灰巖，為可溶性巖。現場詳勘時，305個勘探點中有148個勘探點探明有灰巖分布，其中39個勘探點揭示溶洞，揭露的溶洞最大高度為6.60，最小高度為0.30 m，鉆孔見溶率約為26.35%。南側灰巖主要為泥晶質結構，成分以方解石為主。巖石礦物晶體小，含有泥質、砂質等非可溶性巖層，裂隙連通性差，受區域地質構造影響較小，節理裂隙稍發育。但與其緊密相連的上部第四系土層為⑥1層圓礫、⑥2層圓礫、⑥3層礫砂夾粘性土等強透水層，其含水量較大、透水性較好，較易形成集中徑流，加強了巖溶水的溶蝕能力，相應溶孔、溶洞等進一步發育且連通形成地下洞穴系統的速度較快。

表1 工程地質土層主要計算參數

3 樁基設計與分析

結合上部結構自重及場地土情況，本項目地基基礎采用樁基+筏板形式。由于場地上部填土厚度較大，且存在軟塑或流塑性泥塘等軟土。若采用PHC管樁，則現場施工時容易引起偏樁、擠樁、上浮等現象，施工質量無法保證。最終樁型經多維度比對后，確定采用混凝土鉆孔灌注樁，樁徑800 mm，樁端采用后注漿工藝提高單樁承載力。

經計算，當持力層選為⑥2層圓礫時，樁長為20 m左右，單樁承載力約為2 000 kN。考慮最低水位-4.5 m后，室外區域每柱下須布置3根樁，單體區域每柱下須布置4根～5根樁。該方案無需穿越溶洞，勘探孔孔深可減小，勘探工作量較小。工程樁施工時，施工難度較低，每孔無需超前鉆探。但根據地勘剖面顯示，局部熔巖頂部離預估樁頂標高距離僅4.97 m，對樁端受力有影響。若存在溶洞及溶洞直徑過大(一般情況溶洞直徑不小于3 m時)，在樁與溶洞間土層不厚的情況下及在長期壓力下樁端會產生松動而導致土層塌陷。同時該樁型需樁端后注漿，注漿壓力會對持力土層產生附加壓力，在溶洞上土層較薄的情況下會對持力土層的穩定性產生不利影響，也會存在漿液通過土層空隙流入溶洞的風險。若下部溶洞連通，則注漿量難以估算。

當持力層選為中風化灰巖或強風化角礫巖時，樁基需穿越溶洞進入穩定基巖，樁長約為30 m，單樁承載力可提高至5 000 kN。考慮最低水位的有利作用后，室外區一柱一樁，單體區域每柱下須布置2根樁。該方案綜合造價最經濟，樁數及承臺數較少。由于樁基穿越溶洞，樁端持力層較穩定，且為嵌巖樁，后期主體結構幾乎無沉降，有利于控制超長、超大地下室的裂縫開展以及精密實驗室的微振動控制。但穿越溶洞施工較難，對設備及施工隊伍的要求較高，需結合當地地勘單位經驗，施工措施費較高。且灰巖區每樁施工前必須超前鉆以探明溶洞情況，若溶洞存在葫蘆串等復雜情況，相應的設計及施工處理有不確定的因素。

相關方案經濟性對比詳見表2(灌注樁按1 700元/m3，水泥按400元/t考慮)。

表2 樁基方案經濟性對比

4 樁基處于溶洞上方的危險性分析

1)對于灰巖溶洞區域可以通過加密加深勘探孔點，以測得溶洞在鉆孔小范圍的垂直高度，還可以探測到地下水位情況、溶洞填充物情況、溶洞的泥漿流失情況等，但鉆孔僅為點勘察，以點的溶蝕情況推斷面的溶蝕發育程度有很大的難度(僅能定性分析)，對溶洞的寬度、溶度的空間及形狀很難準確判斷，大量的項目表明孔與孔水平距離很近，其溶洞發育情況差異很大。若遇到溶洞有連通情況，則場地土層情況就較復雜，存在一定風險。

2)個別勘探孔點測得20 m樁長的樁端持力層距離溶洞頂較近，深度小于地基土變形計算深度，對主體結構后期沉降有影響，存在安全隱患。通常建議樁端至溶洞頂最小距離不宜小于10 m以上。

3)由于20 m樁長采用樁端后注漿，若施工過程中對土體產生擾動，產生土層中裂隙，注漿量會隨之加大，增加注漿成本。

4)樁基施工過程中對土層產生擾動，容易引起塌孔，更有甚者容易引起場地塌陷。后續施工處理較為繁瑣，費用較多。

5)一旦揭穿覆蓋層與溶洞的連接通道時，泥漿會突然流失，導致巖溶網地下室水位急劇下降，巖溶腔內有壓水面轉為無壓，其中水面以上空間出現了低氣壓即真空(或負壓)，此瞬間誘導出的能量對覆蓋層內部結構產生強烈而迅速的液化、旋吸、淘空和搬運等破壞作用造成塌陷。

6)在施工成樁過程的嚴重擾動作用下，在地下水的滲流方向突變、垂直方向滲透動水壓力迅速增加的時候，土層會突然液化，水伴隨土體瞬間流向下部巖溶裂隙通道或空洞中而產生地面塌陷。

5 結語

綜合考慮上述利弊且經專家評審會論證，最終一致決定采用樁基穿越溶洞方案。為防止樁基施工過程中塌孔事故發生，樁基施工過程中可設置鋼護筒，貫穿上部覆蓋土層到達巖面。另可根據基巖溶洞發育規模采用鋼護筒(控制鋼護筒直徑不小于樁徑+100 mm，護筒壁厚不小于4 mm)，防止水土流入護筒內引起坍塌。

根據現場工前試樁實際情況反饋，采用反循環成孔并結合設置鋼護筒的施工工藝可有效確保樁基穿越溶洞的安全性及施工質量。相關工前試樁經現場堆載試驗及檢測后，均能滿足設計及相關規范的要求，單樁極限承載力高達14 400 kN，為本工程后續工程樁設計提供了有效的參考依據。

注：感謝浙江省建筑設計研究院劉總、杭州市建筑設計研究院倪總以及杭州紅樓集團嚴總對本工程樁基設計提出的寶貴指導意見。