巖溶地質(zhì)沖擊鉆孔灌注樁施工技術(shù)研究

嚴(yán) 濤，陳 章，曾 婷，周 卓，付 豪

（湖南金輝建設(shè)集團(tuán)有限公司工程部，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

0 引言

巖溶不良地質(zhì)主要為溶洞、豎井、漏斗及溶溝，以垂直方向發(fā)育為主，巖溶地區(qū)通常地下水豐富，甚至有地下暗河通道，對(duì)樁基礎(chǔ)施工影響甚大，塌孔、埋鉆等造成的質(zhì)量安全事故時(shí)有發(fā)生。

本文以袁州區(qū) 2020 年棚戶區(qū)改造 PPP 項(xiàng)目學(xué)府小區(qū)一期A區(qū)工程為依托，對(duì)巖溶地質(zhì)條件下沖擊鉆孔灌注樁施工技術(shù)進(jìn)行研究，挖掘高效施工方法，解決不良地質(zhì)影響，為相關(guān)項(xiàng)目提供施工技術(shù)參考。

1 工程概況

袁州區(qū) 2020 年棚戶區(qū)改造 PPP 項(xiàng)目學(xué)府小區(qū)一期 A 區(qū)工程，共 10 棟單體，總建筑面積 114 048 m2，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

本工程地質(zhì)情況復(fù)雜，根據(jù)地勘報(bào)告，地下存在巖溶不良地質(zhì)，溶洞數(shù)量多。本工程采用沖擊鉆孔灌注樁施工技術(shù)，樁直徑為 700～900 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí) C35P8，鋼筋采用 HRB400，樁長(zhǎng)約 17～30 m，樁端持力層為中風(fēng)化石灰?guī)r（完整）層，沖孔樁的單樁豎向承載力特征值為 3 500 kN，樁身設(shè)計(jì)圖詳如圖 1 所示。

重難點(diǎn)分析：在眾多不良地質(zhì)中，以巖溶地區(qū)的地質(zhì)情況最為復(fù)雜。巖溶地區(qū)的樁基礎(chǔ)工程，若處理不當(dāng)，極易引發(fā)卡鉆、埋鉆、地面塌陷等安全、質(zhì)量問(wèn)題［1］。重難點(diǎn)如下。

圖1 樁身詳圖（單位：mm）

1）溶洞隱患排查困難。總體上來(lái)看，本工程建設(shè)區(qū)域地下溶洞數(shù)量多，大小不一，溶洞最大高度達(dá) 12.4 m。溶洞間互相貫通，且本工程地下水位高，進(jìn)一步加大了樁基礎(chǔ)成孔時(shí)發(fā)生塌孔的概率。

2）溶洞處理技術(shù)不明確。本工程溶洞類型繁多，且設(shè)計(jì)文件中未提出溶洞處樁基處理措施。施工過(guò)程中無(wú)法明確溶洞影響范圍，不能確定最佳施工措施，大多依靠施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理。

2 巖溶地質(zhì)沖擊鉆孔灌注樁施工技術(shù)

2.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)施工部署，安排性能良好的沖擊鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)，機(jī)械進(jìn)場(chǎng)后立即進(jìn)行驗(yàn)收、調(diào)試，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

施工前開(kāi)展充分的地質(zhì)勘察，分析施工過(guò)程中可能發(fā)生的事故并制定專項(xiàng)應(yīng)急方案。巖土勘察技術(shù)類型一般分為鉆探、物探、化學(xué)勘探三類，輔以鉆孔電磁波 CT、鉆孔數(shù)字?jǐn)z像等手段進(jìn)行［2］。根據(jù)工程的地質(zhì)情況，針對(duì)性地選擇勘察手段，做到一樁一孔施工勘察。

對(duì)首根樁進(jìn)行試鉆，組織業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、地勘等參與試樁驗(yàn)收工作，形成試樁報(bào)告，作為后續(xù)施工的依據(jù)，試樁驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行大面積施工。

2.2 一般溶洞處理技術(shù)

對(duì)于一般溶洞（洞高≤2m的溶洞），經(jīng)項(xiàng)目部現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)可采用片石黏土筑壁法施工技術(shù)處理。填筑材料配合比（體積比）為片石：黏土= 2∶1，每層虛鋪厚度 30 cm，并采用沖擊鉆沖擊夯實(shí) 3 遍，使片石與黏土密實(shí)，同時(shí)將片石黏土混合料擠入溶洞內(nèi)，直至回填面層高出溶洞頂部 2 m。

溶洞回填完成后，注入泥漿，泥漿稠度相對(duì)常規(guī)樁基施工增加 20 %，使泥漿自然浸入片石黏土孔隙內(nèi)，再次采用沖擊鉆沖擊夯實(shí) 3 遍，形成泥石護(hù)壁。此過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)泥石護(hù)壁出現(xiàn)漏漿時(shí)，應(yīng)再次進(jìn)行片石黏土混合料回填、擊實(shí)，直至不再漏漿液為止。

為確保灌注水下混凝土順利施工，在樁鋼筋籠穿越溶洞范圍處上下各 1 m 范圍內(nèi)的位置，采用鋼絲網(wǎng)片包裹鋼筋籠，如圖 2 所示。

圖2 一般溶洞處理技術(shù)示意圖（單位：mm）

2.3 特殊溶洞處理技術(shù)

對(duì)于特殊溶洞（溶洞高＞2 m 的溶洞），經(jīng)項(xiàng)目部多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可采用片石黏土筑壁法與鋼護(hù)筒沉放相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行處理。

片石黏土筑壁完成后沉放鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒采用 12 mm 厚鋼板制作，內(nèi)徑不大于樁直徑 20 cm，長(zhǎng)度根據(jù)溶洞位置確定，確保護(hù)筒底超出溶洞底部 1 m 以上，如圖 3 所示。

圖3 特殊溶洞處理技術(shù)示意圖（單位：mm）

鋼護(hù)筒需采用振動(dòng)錘埋設(shè)。埋設(shè)時(shí)鋼護(hù)筒中心應(yīng)與樁中心點(diǎn)重合，護(hù)筒外側(cè)用黏土回填夯實(shí)，鋼護(hù)筒頂面高出地面至少 50 cm，嚴(yán)防地表水或其他雜物進(jìn)入。

2.4 細(xì)砂層處理技術(shù)

巖溶地質(zhì)區(qū)大多存在細(xì)砂層，由于細(xì)砂層顆粒小、厚度大、較密實(shí)，樁基施工時(shí)若直接采用沖擊錘作業(yè)，將導(dǎo)致細(xì)砂層不斷密實(shí)，難以進(jìn)尺，砂礫無(wú)法排出，易造成塌孔。

針對(duì)此情況，項(xiàng)目部經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用片石黏土筑壁法可完美解決此問(wèn)題。填筑材料配合比（體積比）為片石：黏土=3∶1，每層虛鋪厚度 30 cm，采用沖擊鉆沖擊 3 遍，使片石與黏土保持密實(shí)，直至回填至細(xì)砂層頂部 2 m 位置。通過(guò)沖擊，將片石擠入細(xì)砂層內(nèi)，砂礫隨之進(jìn)入四周土體孔隙，形成護(hù)壁后，可以正常進(jìn)行樁基施工。

2.5 特殊情況處理

樁基施工前必須進(jìn)行超前鉆探，超前鉆探孔布置在樁位中心點(diǎn)。查明樁端平面以下 3 倍樁徑且不小于 5 m 范圍內(nèi)不良地質(zhì)情況。

依據(jù)超前鉆探報(bào)告所得出的數(shù)據(jù)，控制鉆機(jī)鉆孔深至其下溶洞頂面上 1 m 時(shí)，先分鉆小孔，探明溶洞內(nèi)是否有承壓水，若有承壓水，應(yīng)待水位穩(wěn)定進(jìn)行抽水降壓后，才能繼續(xù)施工。溶洞內(nèi)有較軟塑狀黏土?xí)r，注意及時(shí)護(hù)壁，必要時(shí)可采用固結(jié)灌漿措施，待填充料固結(jié)后再進(jìn)行沖孔。

如樁孔溶洞出現(xiàn)探頭石，可加大沖擊鉆錘擊頻率，直至將探頭石擊碎。若基巖不平整，則須先使用長(zhǎng)導(dǎo)管澆筑混凝土，后用沖擊鉆緩慢壓實(shí)，在基巖上層形成平整的基層。

3 質(zhì)量控制措施

3.1 成孔

泥漿制備。澆筑混凝土前，孔底 500 mm 厚度內(nèi)的泥漿比重應(yīng)＜1.25，含砂率≤8 %，黏度≤28 s。在清孔的過(guò)程中，應(yīng)不斷置換泥漿，直至水下混凝土澆筑完成。

護(hù)筒埋設(shè)。護(hù)筒鋼板壁厚適當(dāng)加厚，上部開(kāi)設(shè) 2 個(gè)溢漿孔。埋設(shè)護(hù)筒時(shí)對(duì)護(hù)筒四周的土分層夯實(shí)，鉆頭起落時(shí)應(yīng)避免鉆頭碰撞護(hù)筒［3］。根據(jù)地下水情況，必要時(shí)鋼護(hù)筒應(yīng)打入不透水層。

3.2 水下灌注混凝土

優(yōu)化配合比，水下灌注混凝土宜摻加高效減水劑，以改善和易性，提前做好配合比試驗(yàn)，控制其坍落度≥180 mm，且≤220 mm。水泥宜采用粉煤灰水泥；細(xì)骨料應(yīng)選用中粗砂，含砂率宜為 40 %～50 %；粗骨料可選用卵石或碎石，其粒徑不得大于鋼筋間最小凈距的1/3［4］。

導(dǎo)管采用壁厚≥3 mm 的無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拼接而成，底節(jié)宜采用 4 m 及以上標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，底部距孔底高度≤1 m；導(dǎo)管使用前應(yīng)開(kāi)展水密性試驗(yàn)，通過(guò)后方可使用。

每根樁首次灌注混凝土?xí)r，需在導(dǎo)管內(nèi)安裝隔水球，確保將導(dǎo)管內(nèi)的泥漿排出，避免混凝土離析，影響樁身強(qiáng)度。

鋼筋籠吊裝完畢后，應(yīng)安置導(dǎo)管或氣泵管二次清孔，并應(yīng)進(jìn)行孔位、孔徑、垂直度、孔深、沉渣厚度等檢驗(yàn)，合格后應(yīng)立即灌注混凝土［4］。

3.3 BIM 技術(shù)輔助質(zhì)量控制

提前建立樁基礎(chǔ) BIM 模型，在模型中上傳質(zhì)量控制關(guān)鍵數(shù)據(jù)共享至云平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)管理人員通過(guò)手機(jī)端 APP 可隨時(shí)查看關(guān)鍵信息，避免現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算錯(cuò)誤。BIM 施工模型結(jié)合巖溶地質(zhì)樁基施工技術(shù)，模擬施工過(guò)程，分析該工藝的可行性，同時(shí)針對(duì)可能發(fā)生的質(zhì)量、安全隱患，制定解決方案，最后開(kāi)展可視化交底。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

截止目前，現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)進(jìn)行了 101 根樁低應(yīng)變檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告各樁身均滿足完整性要求。

樁取芯檢測(cè)共計(jì) 25 根樁，各樁樁身混凝土芯樣均連續(xù)、完整，表面光滑，膠結(jié)好，骨料分布均勻，呈長(zhǎng)柱狀，斷口吻合，樁底沉渣厚度均滿足設(shè)計(jì)要求，樁端持力層均滿足設(shè)計(jì)要求。

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測(cè) 14 根，各單樁豎向抗壓承載力極限值均不小于設(shè)計(jì)值，各樁單樁豎向抗壓承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，巖溶地區(qū)工程建設(shè)難度較大，特別是復(fù)雜的地質(zhì)條件，導(dǎo)致無(wú)法全面掌握每一根樁基礎(chǔ)在成樁階段遇到的特殊情況，故樁基礎(chǔ)施工周期長(zhǎng)，難度大。

為此，針對(duì)不同的地質(zhì)情況，結(jié)合各階段出現(xiàn)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)多次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，項(xiàng)目部研究出片石黏土筑壁法施工技術(shù)，加上有現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富的施工作業(yè)人員，有效地解決了巖溶地質(zhì)對(duì)樁基施工的不良影響，保障了樁基礎(chǔ)施工的進(jìn)度與質(zhì)量，規(guī)避了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，獲得了業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位的一致好評(píng)，為類似工程施工提供了有效的參考經(jīng)驗(yàn)。Q