巖溶地區碼頭樁基設計及施工關鍵技術

黃建玲，施挺

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著經濟社會的發展、內陸河流交通水系建設的推進，內陸河流建造碼頭的需求越來越大。為減少碼頭建設對河道行洪排澇的影響，高樁梁板式碼頭結構形式被廣泛采用，受沉樁施工條件、地質條件等因素的限制，在較多內河碼頭樁基應用鉆（沖）孔灌注樁，但我國內陸大量分布著巖溶地質，由于溶洞特殊地質構造的影響，樁基的設計和施工存在較大難度，且目前港口行業尚無巖溶地質條件碼頭樁基設計施工相關技術規范可依[1]。本文通過對江西某內河碼頭工程實例的研究，給出設計及施工階段的技術要點，解決了巖溶地區碼頭樁基設計及施工的難題，可為國內類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

根據江西某內河碼頭工程地勘資料，工程區域覆蓋層為第四系河流相沖積層，下伏有基巖（侏羅系上統砂巖、砂礫巖、二疊系灰巖），鉆孔揭示工程區域存在溶洞分布，主要由巖體溶蝕形成，內部充填主要為礫砂，半充填或全充填狀態，溶洞發育無規律性。巖溶可見率超過40%，溶洞范圍廣、深度發育不一，風化面起伏較大，多為高度小于3 m的中小溶洞，偶見高度7 m的中溶洞，表現為單一或串珠形式。

該工程巖溶地區特殊的地質狀況（溶洞內充填情況、溶洞發育情況、溶洞形狀及分布、溶洞貫通情況等不確定因素），對灌注樁設計及鉆進成孔帶來較大困難；與一般地質條件下鉆（沖）孔灌注樁基礎施工相比，巖溶地區灌注樁施工過程中容易出現塌孔、偏斜、埋錘、卡錘、漏漿、斷樁等問題，施工難度較大，如果處理不好，容易引發安全質量事故，造成較大經濟損失。為解決巖溶地區灌注樁的設計難題及成樁質量，確保工程安全，需在勘察的基礎上，從設計及施工關鍵環節入手，采取針對性對策措施確保樁基質量、結構安全可靠。

2 設計關鍵技術

2.1 前期勘察

巖溶地區溶洞位置分布、尺度及發育情況等具有不確定性，對樁基礎穩定性有直接重要影響，為確保設計可靠性，必須探明地質缺陷，提供詳實的地勘資料。目前，常規鉆探難以精確查明溶洞分布情況[2]，為此，勘察階段在加密鉆孔間距的基礎上，重點采用超聲波CT檢測、地質雷達物探方法，以提供溶洞位置、大小、充填狀況等重要關鍵信息，確保精細量化到每個樁位。

2.2 計算分析與技術措施

本工程碼頭寬24.5 m，排架間距8 m，每榀排架布置5根樁，采用φ1 200 mm鉆（沖）孔灌注型嵌巖樁，持力層選擇中風化灰巖或中風化砂巖，一般情況樁端嵌入巖層深度取3倍樁徑（圖1）。

2.2.1 洞頂巖體安全穩定驗算

根據地勘資料及樁基沖孔施工實際情況，如遇溶洞，應對樁底與溶洞頂的中風化或微風化巖層厚度進行安全復核驗算，如不能滿足強度要求及巖體存在破壞失穩風險，此時樁身必須穿過溶洞，落入其下方穩定巖層，并滿足樁基軸向承載力要求。洞頂巖層厚度是確保巖體安全穩定的關鍵，目前尚無統一計算方法[3]，本工程擬利用有限元方法對巖體進行力學分析，以驗算洞頂巖體穩定安全性。

對該工程某單個溶洞頂部巖體穩定性進行驗算（ZK16鉆孔，前排樁，具體見圖1），灌注樁樁徑1.2 m，樁基軸力設計值4 600 kN，溶洞跨度3.6 m，洞高1.5 m，樁底砂巖巖體主要計算參數見表1。

表1 巖體計算參數表Table 1 Calculation parameter of rock

計算采用平面殼單元模型，其中對溶洞周邊區域以溶洞中心為點源采用徑向加密技術進行網格優化細分，單元劃分主要采用四邊形或三角形單元，單元總數量1 212個，節點總數量1 236個（圖2）。有限元計算得到巖體最大拉應力值為0.56 MPa，最大壓應力值為2.23 MPa。另外，定義巖體穩定安全系數為ks=S1，min/σt，本工程溶洞頂部巖體安全穩定系數ks=4.01（大于4.0），可認為巖體安全性滿足要求。

圖2 有限元計算模型Fig.2 Finite element model

2.2.2 樁基穿越溶洞處理技術

對于本工程穿越溶洞區域樁基，具體設計時根據溶洞尺度、形態等采取針對性措施[4-6]，具體如下：

1）對于單個小型溶洞，采用片石和黏土充填，主要是由于鉆孔遇到溶洞時，泥漿會流失，容易引起頂部覆蓋層塌孔，遇此情況應提出錘頭，采用片石加黏土（體積比1:1）回填，必要時可摻加一定量的水泥，回填1層沖錘沖擊1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，填滿片石縫隙，然后再用沖錘沖擊，使片石、黏土和泥漿三者混合形成穩定的泥石護壁。若仍出現漏漿，應反復回填、沖擊，直至穩定為止。

2）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，設計采用灌低標號混凝土方法處理。在錘頭擊穿溶洞頂板后，先填片石，并反復沖擊直至基本填滿溶洞，再灌注低標號混凝土，混凝土灌至溶洞頂，待混凝土達到一定強度后再繼續沖孔。

3）對于大于7 m或貫通型漏水量較大的中大型溶洞，設計采取溶洞區套內全護筒跟進措施，解決漏漿和混凝土超灌問題。具體措施為設置外鋼護筒直徑比樁徑大15～20 cm，沖擊穿過溶洞頂部時應在溶洞頂板處反復慢放輕提沖錘，當錘頭受阻明顯減小時，說明頂板已被沖穿，此時用鋼絲繩活扣綁住內鋼護筒，用吊機把鋼護筒放入外護筒至孔底，內外鋼護筒銜接處用片石加黏土進行填塞。

4）對于鉆探發現的串珠型溶洞，設計樁基時應首先考慮盡可能避開串珠溶洞，如無法避開，設計采用回填片石和黏土、灌注低標號混凝土、鋼護筒跟進等綜合措施保證樁基質量。

2.2.3 利用BIM實現可視化溶洞模型設計

本工程溶洞位置隱伏、體量較大、發育無規律，傳統設計手段無法精確直觀地對其進行空間描述。本工程設計中，結合超聲波CT檢測、地質雷達物探數據，利用BIM技術建立含有溶洞發育情況的精確地質模型，可直觀呈現溶洞形態、樁位與溶洞的位置關系，并可利用等值線圖研究確定具體樁長，準確判斷溶洞影響范圍，實現溶洞可視可測，并方便選擇合適的工程處理措施，避免塌孔、漏漿等不利情況，提高成樁質量及工程結構可靠性，有利于質量管控。

3 溶洞處灌注樁施工關鍵技術

3.1 施工措施

1）本工程區域巖層主要為砂巖和灰巖，根據巖層特性可選擇旋挖鉆機和沖錘沖孔兩種樁基成孔施工機具。

2）在施工區域準備足量的片石（強度略高于中風化巖）以及黏土，以備在鉆孔通過小型溶洞時處理漏漿之用。

3）根據鉆探資料反映的溶洞規模，準備鋼護筒，以應對大型溶洞。

3.2 常見問題處理

3.2.1 偏斜樁

巖溶地區灌注樁成孔施工過程中，遇到充滿填充物的溶洞，而鉆頭通過溶洞壁時，由于溶洞壁兩側軟硬不均，容易導致鉆孔偏斜；另外，由于巖溶地區巖層條件復雜，若風化程度不同，巖層界面傾斜，且正好處于成樁孔位，當沖錘沖到斜面時，錘頭兩邊所受阻力差別較大也會造成鉆孔偏斜（圖3）。

圖3 易發生鉆孔偏斜地質示意圖Fig.3 Geological diagram tend to inclined borehole

對于施工過程中出現了偏孔或斜樁現象，需及時采取以下措施進行處理：施工過程中加強監測鉆孔的垂直度，發現偏斜時須立即停止沖孔并提錘，同時向孔內拋填黏土片石混合物并沖填密實，填充物高出傾斜巖面約100 cm，待密實填充物強度與較硬巖層相當時，重新進行沖孔，沖擊時采用低錘重擊。

3.2.2 卡錘、掉錘、埋錘現象

當溶洞頂板巖石尚未完全破除時容易導致卡錘現象，不均勻受力條件使得沖錘容易發生掉錘，沖擊作用容易引起孔壁坍塌發生埋錘，施工過程中主要采取以下措施[7-8]：

1）控制泥漿比例，保證孔壁的穩定性。成孔過程中，如發現孔內泥漿發生漏漿時，應立即上提錘頭，同時進行補漿，回填片石和黏土混合物，以防因孔內水頭損失過大出現塌孔現象。

2）在沖錘刃腳處加焊形如挖掘機齒狀的耐磨塊，提高沖孔效率，配置備用錘頭，施工過程中對錘頭磨損或掉肢等及時修補、檢查鋼絲繩的損傷情況，使成孔設備保持良好狀態。

3）對鉆探明確的溶洞位置采用低錘沖進或旋挖鉆機切削頂板，同時對孔內泥漿的變化情況加強觀測，確保溶洞頂板沖破時能及時提錘；加焊雙層打撈環，沖錘各肢都應加鋼繩與打撈環可靠連結，防止掉錘或發生掉錘時方便打撈。

4 結語

結合江西某工程實例，通過有限元分析方法對洞頂巖體安全穩定進行驗算，提出穿越溶洞區域樁基針對性設計，同時提出前期勘察與BIM技術應用的組合等。對本工程施工關鍵技術難題進行梳理，給出應對措施，有效解決了灌注樁在巖溶地區碼頭項目中的應用問題。