巖溶發(fā)育區(qū)域鉆孔灌注樁施工案例分析

郭禮士

(湖北煤炭地質局，武漢 430070)

0 引言

某高層住宅項目位于湖北省武漢市洪山區(qū)板橋村南李路東側,緊臨京廣鐵路,為4棟27層至34F高層住宅。由于場地上部存在深厚湖積相軟土，因此采用的基礎型式為鉆孔灌注樁，樁端持力層為白堊-古近系中風化泥質粉砂巖、礫巖及二疊系棲霞灰?guī)r。其中，白堊-古近系礫巖及二疊系棲霞灰?guī)r為可溶巖，巖溶發(fā)育。工程樁基施工過程中，由于巖溶影響，工程樁普遍出現超灌現象，部分工程樁開挖后，樁頭下降明顯，出現較多需要接樁的現象，費時費力，因此，特針對場區(qū)巖溶發(fā)育特點進行鉆孔灌注樁施工工藝分析，為類似工程施工提供依據。

1 場地地質及工程地質條件

1.1 地層

場地位于武漢長江三級階地低洼湖區(qū)，場區(qū)地層如表1所示。

1.2 地下水

該場地地下水類型有三類：其一為上層滯水，其下各黏性土層為相對隔水層；其二為孔隙承壓水；其三為基巖破碎帶裂隙水及巖溶裂隙水。類型二及類型三地下水均為承壓水，且兩層地下水存在密切的水力聯系。

1)上層滯水。賦存于(1)中，下部黏性土層為隔水層。補給來源為大氣降水、巡司河地表水及生活用水，水量較小，勘探結束后統(tǒng)一測量的鉆孔穩(wěn)定水位埋深為0.30～1.70m，高程在18.64～20.85 m，無統(tǒng)一自由水面，對基坑或基槽開挖有一定的影響。

2)孔隙承壓水。賦存于(6)中，與長江有水力聯系，其水位受長江水位變化情況影響，水量豐富。

表1 場地地層特征

本次勘察期間，在8#鉆孔測得承壓水水位埋深為8.5m，水位絕對值標高為11.98m。根據區(qū)域長觀孔資料，本場區(qū)孔隙承壓水水位變化幅度為3.0～4.0m?？紫冻袎核c上層滯水之間由于有黏性土阻隔而無水力聯系。

3)基巖裂隙水。主要存在K-E泥質粉砂巖層、K-E礫巖層及二疊系棲霞灰?guī)r裂隙及可溶的礫巖及灰?guī)r溶隙、溶洞之中，勘探期間未測得該層地下水水位。由于該層地下水與孔隙承壓水有密切水力聯系，因此，兩層地下水具有相同的變化特征。

1.3 巖溶發(fā)育特征

本場地基巖中可溶巖有兩個層位，分別為(9)礫巖及(10)灰?guī)r。施工勘察發(fā)現場地巖溶發(fā)育層位為白堊至古近系礫巖(K-E)及二疊系棲霞組灰?guī)r(P1q)，全場區(qū)共發(fā)現溶洞143個，它們分別存在于134個勘探孔之中。整個場區(qū)可溶巖分布區(qū)勘探點共510個，巖溶見洞率為26.3%，為中等發(fā)育。它們主要分布于灰?guī)r表層，洞頂巖層有灰?guī)r、礫巖、強風化泥質粉砂巖等，有的溶洞直接與粉質黏土及細砂含礫卵石層接觸。這些溶洞大部分被黏性土及碎石充填，局部存在空洞。其他區(qū)段灰?guī)r表面較碎碎，存在溶溝、溶槽。鉆進時鉆井液有大量漏失現象。

場區(qū)內溶洞洞頂高度為0.5～15.9m，其中，0.5≤洞高≤3m的小型溶洞有66個，3m<洞高≤5m的溶洞有19個，洞高>5m的大溶洞有56個，溶洞洞頂標高在-23.04～3.50m，洞底標高在-29.67～-6.62m。整個場區(qū)溶洞分布情況及溶洞大小見圖1、圖2。

從圖1、圖2可以看出，場區(qū)內巖溶主要分布于西半部，巖溶發(fā)育呈北東-南西走向展布。整個場區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律為北部溶洞分布的深度較淺，南部巖溶發(fā)育的深度較深，這說明，礫巖及灰?guī)r中的巖溶水有從北部向南部運移的規(guī)律性。經分析，巖溶水主運移方向可能為DK559→DK401→DK543→2-49→2-24→2-29→2-11→DK258→DK204→DK203→DK175→DK148→DK079→3-26→3-43，其余方向的巖溶水向這個主通道上匯集，從而流出場區(qū)。巖溶則隨著流水的方向發(fā)育，大的溶洞主要集中在這個通道上。

從巖溶的洞頂高度來看，場區(qū)的中部及南部巖溶洞頂高度較大，而北側巖溶洞頂高度較小。

2 樁基設計與施工2.1 樁基設計及質量要求

由于場地上部為深厚軟土，并且擬建物均為高層建筑，結構荷載大，結構對基礎變形敏感，因此，需將基礎持力層置于穩(wěn)定基巖之上。根據場區(qū)地層特點和擬建物荷載特點，擬建物采用樁基礎型式，選擇穩(wěn)定灰?guī)r層為嵌巖樁樁端持力層，樁型采用φ800mm鉆孔灌注樁。

根據武漢市建筑經驗，巖溶區(qū)域采用沖擊鉆機，成孔速度較快，樁身質量有保證，因此，采用鉆孔灌注樁成樁不存在困難， 因此技術上是可行的。鉆孔灌注樁不受地層控制，可以穿過上部地層，進入巖層。

圖1 溶洞洞頂板埋深等值線Figure 1 Karst cave roof buried depth isogram

圖2 溶洞洞頂高度等值線Figure 2 Karst cave height isogram

場地內可溶巖分布區(qū)域，發(fā)育有溶洞，這些溶洞有的被軟塑狀態(tài)黏性土及少量碎石充填，有的為空洞，這種有溶洞分布的樁位，應優(yōu)先選用沖擊鉆機成孔。采用沖擊鉆機成孔時，可能出現需要采用黏土、塊石、水泥多次回填復打才能成孔的現象。另外，也可能出現成孔時能順利成孔或者是多次回填復打成孔，但灌注過程中出現砼擊穿孔壁而大量漏失的現象。對于這種灌注時出現的孔壁被擊穿的現象，灌注時應注意觀測砼面變化情況，保證導管在砼中的埋置深度，以防出現砼面迅速下降，樁身中混入泥土出現斷樁事故。對于深大的溶洞，也可采用回填復打造壁+鋼護筒方式成孔。對于溶洞分布密集的區(qū)域，尤其是大溶洞區(qū)域，建議對土層先進行注漿處理，固化松散地層，防止出現地面塌陷現象。

根據場地地質條件及施工經驗，采用鉆孔灌注樁時，施工時應注意：

1)鉆孔灌注樁宜采用樁長及進入持力層深度雙控的原則。

2)場地局部軟土層較厚，鉆孔灌注樁施工時應采用針對措施防止縮孔縮徑。

3)巖溶區(qū)，尤其是巖溶地下水徑流帶附近，樁基施工時應注意加大混凝土超灌高度，以防止灌注后出現混凝土流失而造成樁頭質量缺陷。

2.2 施工過程

樁基施工過程中出現相鄰溶洞串通、泥漿大量漏失的現象。鉆孔灌注樁反復回填碎石、黏土、水泥，反復造壁，易出現孔壁塌坍現象，進而造成一定范圍的地面塌陷。為防止出現巖溶塌陷事故，危及設備及人員安全，施工中采用如下的溶洞處理措施。

1)塊石黏土水泥筑壁法。沖擊鉆機成孔時，待揭露溶洞后，向樁孔內回填塊石、黏土及水泥，回填高度高出溶洞10～15m，再沖擊復打，塊石黏土形成較堅實的孔壁，以減少砼的超灌量。如果一次回填后溶洞還是存在漏漿現象，則多次重復上述過程，直至泥漿不再滲漏，造孔成功。此方法的優(yōu)點是較便宜，缺點是灌注時容易出現因灌注砼壓力大而將回填的土體擠向旁側溶洞而造成砼超方的問題。沖擊成孔時注意密切關注孔內泥漿水頭高度，當水頭高度不能保持時，應多次進行回填、沖擊，直至不再漏漿為止。

對于砼灌注過程中出現灌注液態(tài)砼壓穿孔壁，砼面陡然下降時，不停止灌注，一直補灌混凝土，直至砼面不再下降，完成灌注后，隨時關注砼面情況。

所有溶洞樁出現漏漿現象時,均先采用此方法成孔,漿液不滲漏、孔壁不垮塌時，才可吊放鋼筋籠及導管進行灌注。

2)砼直接灌注。對于溶洞洞體高度較小(小于1m)，且超前鉆過程中未出現循環(huán)液大量漏失現象的，沖擊成孔過程中也未出現循環(huán)液大量漏失的，直接采用砼灌注方式。

3)鋼護筒跟進法。當溶洞洞體高度較大，且填充情況不好時，無充填物或流塑充填物，漏水很嚴重，采取片石加黏土反復沖打，仍然無法形成泥石護壁的，則采取鋼護筒跟進法施工。該方法就是一面沖孔，一面接高護筒，并且將其震動下沉至已鉆成的孔內，以隔斷溶洞內流塑充填物或水的活動。此方法需與塊石、黏土、水泥回填復打造壁結合使用。洞高大于5m，且無填充溶洞、半填沖溶洞或溶洞上方有較厚的沙礫層時，回填塊石黏土反復沖擊造壁不成功的情況下，才考慮采用該種處理方法。本工程僅1根樁采用鋼護筒護壁成孔。

①鋼護筒的選擇。鋼護筒長度和內徑的確定：護筒長度L=(h+H)。(h為超前鉆確定的溶洞高度，H為溶洞頂到地面加30 cm的高度)。單層護筒內徑大于樁直徑10cm，多層護筒最內層護筒內徑大于樁直徑10cm，其外面一層護筒內徑大于內層護筒外徑10cm，并以此類推。鋼護筒要有一定的剛度，單個大溶洞用單層護筒，兩個大溶洞的用雙層護筒，并以此類推。

②內護筒的沉放。當沖擊穿過溶洞頂部時要反復提升沖錘，在頂部厚度范圍上下慢放輕提，沖錘不明顯受阻，說明頂部已成孔并且圓滑垂直的，此時用鋼絲繩活扣綁住內護筒，用吊機(或樁機自生質量)把內護筒放入外護筒內沉至孔底，必要時用振動錘下沉。

用沖擊鉆成孔鋼護筒跟進法施工時，施工中應充分利用沖擊鉆的擴孔性能，使鋼護筒能順利下沉。鉆頭直徑大于鋼護筒外徑3～5cm，護筒到位后鉆頭改為滿足成孔要求的鉆頭直徑。

如果沖擊鉆在堅硬巖石中的擴孔系數較小，不能滿足鋼護筒下沉要求的，回填并加大鉆頭直徑二次沖孔，以保證鋼護筒順利下沉。

4)注漿法。對于施工勘查超前鉆發(fā)現的溶洞密集發(fā)育區(qū)，尤其是大溶洞密集發(fā)育區(qū)，工勘鉆機采用1m×1m，孔徑110mm的鉆孔，下放注漿管，并將孔口密封，對灰?guī)r、礫巖表面及上部松散溶溝溶槽及溶洞內進行注漿加固，以解決樁基施工過程中可能出現的孔壁大范圍垮塌，進而引起地面塌陷的可能。

溶洞注漿壓力不宜太大，控制在0.5～1.0MPa，具體壓力值現場試驗。注漿速度為15～20L/min，其目的是使?jié){液滲透到填充物內，然后固結。注漿時注漿管必須插入填充物底部，然后邊注漿邊緩慢上提，提管速度不宜太快，根據注漿速度確定，應是滲透半徑控制在允許范圍內。

對于樁基施工過程中已經出現地面塌陷的樁孔，由于其周邊區(qū)域土體已經松散，土體抗剪強度下降，再次進行沖擊鉆施工之前，應先對松散土體進行加固處理，處理措施可以選用粉噴樁、高壓注漿、換填等處理方式。優(yōu)先選擇注漿法進行處理，一是可以處理下部溶洞注漿問題，二是可以把上部松散土體進行加固。待土體強度上來后，再進行沖擊鉆施工。注漿孔成孔后，把注漿管下至孔內，孔口用水泥密封，向孔內以0.5～1.0MPa壓力注漿，直至地面冒漿停注。如果要注樁孔，則需將橡皮球下至基巖面附近，只注基巖層面以下，而上部土層部分不注漿，以防后期樁施工難度增大。

對于存在洞高較大的溶洞強烈發(fā)育的區(qū)域，進行沖擊鉆施工前，先對存在大溶洞的樁孔周邊用XY-100型工勘鉆機施工鉆孔，向鉆孔內注入水灰比0.6的純水泥漿，一是填注溶洞，二是加固松散土體，待水泥漿固化后再進行沖擊鉆施工。

本次注漿加固主要層位為(6)細砂夾卵礫石、(7)粉質黏土、(9)礫巖及(10)灰?guī)r表面溶溝溶槽。

5)合理安排施工順序。先施工溶洞小的區(qū)域，再施工有支撐的串珠狀溶洞區(qū)域，最后施工大溶洞區(qū)域。每個區(qū)域內溶洞樁，按洞小于1、1～3、3～5m、大于5m這樣的順序安排每個區(qū)域內樁基施工順序。

前述巖溶水運移的主通道上的樁最后施工，而先施工主通道旁邊的樁。

洞頂高度小于1m的樁，在樁頂可以順利成孔或者是回填復打成孔成功的前提下，可直接灌注混凝土。為防止砼緩慢漏失，在請示建設方同意后，洞高小于1m的砼超灌量至少控制在2m3以上。

洞頂高度1～3m的樁及洞頂高度大于3m的樁，可能出現多次回填復打的情況，若是能順利成孔，在鋼筋籠及導管均下放成功的情況下，可開始混凝土澆注，砼灌注過程中，若出現砼大量漏失，砼面迅速下降情況時，這時，應繼續(xù)持續(xù)不斷的加大砼灌注量，直至砼面穩(wěn)定上升，為防止出現砼初凝前砼面緩慢漏失，砼灌注時大溶洞及砼大量漏失的樁位砼應灌至地面。

6)溶洞集中區(qū)域注漿加固。從場區(qū)內溶洞分布情況來看，至少存在兩個溶洞洞頂高度大，且溶洞密集發(fā)育的區(qū)域，它們分別分布于2號樓西部及2號樓與3號樓之間地庫區(qū)域。這兩個區(qū)域，溶洞洞高大于7.5m，最大溶洞洞高達15.9m。超前鉆顯示，這兩片區(qū)域，礫巖之上雖有的分布有強風化或全風化泥質砂巖，但由于其風化程度較高，巖體呈半巖半土狀，其上分布有厚度不一的細砂夾卵礫石層，當鉆孔灌注樁施工時，鉆井液將下部的大溶洞洗空，上邊這些散體狀土層會向溶洞內垮塌，隨著垮塌范圍的逐漸增大，垮塌的范圍也向地面發(fā)展，進而引起樁孔甚至是地面垮塌。現場施工中2-68、2-25等樁孔均發(fā)生此種情況。雖回填片石、黏土、水泥，但由于下部土層本身的不穩(wěn)定性，樁孔均幾次垮塌，無法成孔，鑒于這種情況，對這種溶洞洞高大，溶洞密集的區(qū)域，在樁施工前，先對上部松散土體及溶洞內進行注漿加固，以防止出現松散土體涌入溶洞，進而引起樁孔垮塌、地面沉陷的事故。

對于其他區(qū)域洞頂高度大于3m的樁，為防止出現多次回填塊石、黏土、水泥造壁不成功而垮孔的現象，進而發(fā)生地面塌陷的可能，樁基施工前先對這些區(qū)域周邊土層進行注漿加固處理。

3 施工效果

從樁基檢測結果來看，本場地共施工970根工程樁，其中Ⅰ類樁929根，占96%，Ⅱ類樁41根，占4%，施工質量滿足規(guī)范及設計要求。

另外，本工程有一小部分樁孔(僅10根，位于巖溶地下水徑流帶旁邊)，成樁過程中，未出現泥漿漏失等現象，但由于灰?guī)r、礫巖表面存在溶溝溶槽，樁基開挖后，出現了樁頭不同程度的下降現象。有的樁孔下降深度大于5m，給后續(xù)的工作造成較大的麻煩。經查，這些出現樁頭下降的樁孔，多是存在洞高0.10～0.20m的溶溝、溶槽的樁位，由于成樁過程未出現泥漿漏失現象，因此未采用塊石黏土水泥筑壁法施工,砼灌注后，2h觀察砼面未見下降，但砼未初凝前，樁孔內砼在自重作用下，向溶溝、溶槽內緩慢漏失，從而出現樁頭下降的現象。因此，樁基施工時，對于存在溶溝溶槽的樁位，應盡量采用塊石黏土水泥等筑壁法施工，砼適當超灌，并且砼灌注后，應加強砼面觀察，必要時及時補注砼。

4 結論及建議

灰?guī)r巖溶強烈發(fā)育區(qū)，采用沖擊成孔結合塊石黏土水泥筑壁法施工，是最為穩(wěn)妥的施工工藝。對于密集的巖溶發(fā)育區(qū)域，若上部存在軟弱土層或者是松散土層的，樁基施工前，應考慮對上部土體進行注漿加固處理，以保證場地及施工安全。巖溶區(qū)域小溶洞發(fā)育的樁，即使是成孔過程中未出現泥漿大量漏失的現象，混凝土灌注時，應加大混凝土超灌高度，必要時，超灌至地面，以防出現本工程中類側樁頭下降而造成后期接樁困難。

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