某岩溶强烈发育场地桩基础施工难题及防治措施

摘要：杭州西郊某项目位于岩溶强烈发育场地勘探见溶洞率为43.8%单个溶洞最大洞高18.90m，串状溶洞最大高度39.60m，持力层岩面坡度较大、坡面陡峭，棱尖发育，石笋密布、裂隙纵横，地质条件十分复杂；基础设计为桩基础无溶洞的选用钻孔灌注桩有溶洞的选用冲孔灌注桩。本文分析了桩基础施工过程中出现的各种如漏浆、超灌、钻(锤)头跑偏、卡锤掉锤、入岩难以判断困难等施工难题总结并实施了相应的防治与控制措施；施工实践证明：加强地质勘探制定切实可行的施工方案和应急事故防治预案，做到提前预防，及时处理，就能解决各种施工难题确保桩基质量。

关键词：岩溶场地；桩基础；施工难题；防治措施

1前言

1.1工程概况

杭州西郊某项目，位于杭州市西郊闲林镇，项目占地44047m2，拟建物由9幢多层(6F)住宅与9幢高层(11～17F)住宅组成，总建筑面积109695.69 m2以场内中间24m规划道路为界划分为一、二期；工程为框架(剪)结构,基础设计为钻孔灌注桩，桩径600 mm～800mm不等，单桩荷载1900～4200kN不等,桩端全截面进入中风化石灰岩1d(d为桩径)。

1.2工程地质条件

场地地势总体南高北低，地下水径流由南位往北，场内水塘较多，基岩被第四系土层覆盖，地貌单元属山前坡地和坡积平原结合地带。根据钻探揭露，场内地层划分为4大层10亚层，详见下表：

1.3地质勘探情况及岩溶发育特征

1.3.1地质勘探情况

场地于2009年4～5月间进行了工程地质详勘工作，共布置120个勘探点，一、二期各60个。结果一期11个勘探点见溶洞，见溶洞率为18.4%，属岩溶发育场地；二期有24个勘探点见溶洞，见溶洞率为40.0%，属岩溶强烈发育场地。

按照《岩土工程勘察规范》GB50021-2001(2009年版) 要求，又于2009年8月～2010年1月进行了‘一桩一孔’的施工勘察：一期共勘探桩孔823个，见溶洞桩孔为127个，见溶洞率为15.4%；二期共勘探桩孔767个，见溶洞桩孔为336个，见溶洞率为43.8%，其岩溶发育程度居杭州地区之最。

1.3.2岩溶发育特征及分布特点

勘探揭示：岩溶多表现为溶蚀、溶沟、溶槽、大中小型单个溶洞或串球状溶洞等形态；溶洞的顶板埋深在14.60～41.10m之间不等，单个溶洞最大洞高18.90m，串球状溶洞最大累计高度39.60m，并以大型(≥3m)溶洞居多；溶洞中主要由红粘土、次生红粘土、石灰岩碎屑（块）等充填或半充填钻进过程中局部桩孔漏浆严重。

溶洞顶板厚度普遍较薄，在1.00m之内的占见溶洞桩孔的77%；岩面起伏不平、坡度较大、局部倾角60～90度，棱尖发育，石笋密布、裂隙纵横，地质条件复杂多变。

2施工情况及施工难题

2.1施工情况

本项目一、二期的桩基础于2010年1 月同时开工，计划2010年6月完工，无溶洞区域采用钻孔机械成孔，溶洞区域采用冲锤机械施工，但由于异常复杂的地质条件，施工中常出现漏浆、超灌、钻(锤)头跑偏、钻杆倾斜、卡锤掉锤、入岩情况与勘探资料不符、全截面入岩判断困难等技术与施工难题，以致工程进展缓慢，至2月底，仅完成基桩42根，而且由于受上述因素的影响，加上下部基岩无法判定其是否存在溶洞及基岩高差，入岩判定难度极大，以致基桩施工质量很难确保。

2.2施工难题

2.2.1成孔困难

① 漏浆

由于溶洞大、无充填或少充填、或与周边溶洞贯通，施工中易发生漏浆。如D237号桩孔，冲击过程中发生了大量泥浆漏失现象，以致孔壁垮塌，无法成孔。

② 斜坡(面)

由于岩溶强烈发育，导致基岩面起伏不平，局部坡度陡峭，有的近似直立，甚至在桩径内出现半边岩，以致桩孔穿越土层进入基岩时易发生钻头跑偏、钻杆倾斜、锤头歪斜等现象发生桩孔偏斜、垂直度超标的质量事故。如18－b2桩孔，处于大斜坡～半边岩上，桩径内岩面高差9.30m，因而发生了斜孔、偏孔事故。

③ 卡锤、掉锤

由于溶洞顶板灰岩较薄冲击成孔时,顶板被突然冲塌后因惯性易发生冲击锤(钻)头脱落事故；当穿越≥3m的大型溶洞时石灰岩碎块易坍入孔内进一步垮塌后易造成卡锤(埋钻)事故，如D42号孔，因石灰岩碎块坍入孔内而卡锤；也有孔壁或孔底附近有溶洞，勘探时未发现，而在冲进时锤头碰破孔壁而致偏锤、卡锤，甚至锤头脱落等情况，如Z635号孔，冲至终孔29.50m时，突然碰破侧壁大型溶洞，而使锤头脱落跌至41.00m孔底。

2.2.2入岩界面判定困难

① 入岩情况与勘探资料不符

岩溶地区地质情况千变万化，岩面起伏不平，沟槽、裂隙纵横，犬牙交错，而‘一桩一孔’勘探资料只能反映一个点的地质情况，而不能完全反映整个桩截面的实际情况。因此常见勘探资料与实际入岩情况相差较大、甚至悬殊的情况。如592号孔孔，实际入岩情况与勘探资料相差了14.99m。

② 全截面入岩判断困难

受岩面起伏大、倾角陡的影响，钻(冲)至‘勘探入岩高程’后，捞取的持力层岩屑比例较小(

③ 桩端持力层支承厚度不足

受岩面起伏大、倾角陡的影响，钻(冲)至‘勘探入岩高程’后，当捞取的持力层岩屑比例

2.2.3混凝土灌注困难

由于溶洞相互贯通施工时孔壁保护与溶洞密实工作做得不到位或造孔孔壁强度不高混凝土易因孔壁坍塌而大量流失直接导致超灌及充盈系数的偏大：已成桩的充盈系数均在1.5以上，其中2的占24%，3的占9.5%，如 Z172号孔，理论灌注方量为10.5m3，而实际灌注方量为145m3，充盈系数达18.1。

由于混凝土流失还会造成桩的灌注时间过长以致顶面混凝土初凝而丧失和易性新鲜混凝土就会从最薄弱处涌出将结壳混凝土包裹形成夹渣；另外混凝土突然下沉还会造成导管底口露出混凝土面而形成夹泥或断桩。

3 防治措施

针对桩基础施工中出现的各种难题，建设单位十分重视，专们组织召开了该项目的‘桩基础施工难题及处理方案’的专家论证会，对各种施工难题、难点进行了分析研讨,制订了相应的技术及施工防治与控制措施：

3.1技术防治措施

3.1.1加强地质勘探针对场地特殊工程地质条件，首先是加强地质勘探。当施工出现异常（实际入岩情况与勘探资料不符、入岩难以判断、持力层支承厚度不足等）时，即对该桩孔进行孔内桩底勘探，勘探原则上进行‘一桩五探’或‘一桩四探’(如图1)；先探测四周的点，探测深度为钻入稳定灰岩0.3～0.5m，再勘探桩心点，勘探深度以探得的四周点及中心点的最深岩面深度为标准，往下再钻6m；如在预定深度内遇到溶洞，则穿过溶洞后进稳定基岩6m，进一步探明桩底岩面及其以下的地质情况，以确保桩端座落于稳定基岩并有足够的支承厚度。

3.1.2调整基础方案

① 桩基础设计调整

由于高层桩基础的设计承载力已被较大的利用，因此首先将所有桩的桩径提高一个等级，由600mm增至700mm，以此类推，则相应的桩端端承力将分别递增，即以增加桩端与基岩的截面来加单桩安全系数；其次是增加桩身混凝土强度，由C25增至C30；另外为解决冲击施工对相邻桩孔的挤压及振动影响，将根据溶洞分布情况进行局部补桩。

② 承台设计调整

将处于岩溶最密集发育区的12#，13#，14#，15#，16#，18#等6幢高层的桩承台基础调整为桩筏板基础，以增加基础整体的刚度与强度，这样可同时利用地基土的承载力，以减少桩基础的直接受荷力，当基桩 (由于溶洞原因)达不到设计荷载时可分担部分荷载，提高建筑物的安全与稳定系数。

3.1.3调整成孔设备

原计划未见溶洞的桩采用钻探机钻孔成孔见溶洞的桩采用冲锤机冲击成孔。但在实际施工中钻探机常因入岩面起伏不平而使钻头跑偏，导致钻杆倾斜无法钻进。因此全部改用冲锤机冲击成孔其优点有：

① 冲击成孔的过程就是锤头挤密土层、破碎岩层与密实溶洞的过程，对保护孔壁具良好效果；而钻孔成孔是取土成孔对溶洞密实与孔壁保护，效果欠佳。

② 钻孔桩桩头呈锥形，一旦桩端处坡面未打平(未全截面入岩)，在荷载作用下有顺坡面产生滑移的可能，其安全与稳定系数不高；而冲孔桩桩头为平面，桩端全截面接触基岩其安全与稳定系数较高。

3.1.4 增加抽检数量和检测手段

桩基检测原计划采用静载试验和低应变检测二种手段根据《建筑桩基检测技术规范》JGJ106-2003静载试验数量按总桩数的1%进行抽检，低应变检测为总桩数的100%。为提高桩基的安全系数，决定增加溶洞密集发育部位及相邻桩孔终孔高程悬殊桩的静载数量，并把静载数量增至总桩数的4.5%；另外考虑到穿越溶洞的桩对低应变检测效果的影响，决定对所有穿越溶洞的桩增做声波透射检测，以精确检测每条桩的桩身完整性；对达不到承载力要求的桩，加做取芯检测，并钻至桩端以下5m，以探明桩底基岩情况。

3.2施工防治与控制措施

3.2.1成孔防治措施

① 漏浆

在岩溶发育区成孔，漏水漏浆不可避免，因此需要施工人员要了解‘一桩一孔’勘探资料，做到“提前预防，及时处理，根治彻底”，防治措施如下：

a提前准备好补水补浆设备及充足的新鲜泥浆备足片石、粘土、水泥等应急堵漏材料。

b施工中严格控制孔内泥浆比重(1.25～1.30)，保证泥浆质量利用泥浆堵塞微小裂隙，尽量减少泥浆漏失量；发生漏浆时，迅速铲起片石加粘土(比例为11) 回填堵漏，同时大量补充新鲜泥浆保持孔内水头，防止桩孔内外产生过大的水头差。

c当漏浆严重，回填片石加粘土没有作用时，可直接灌注水下混凝土堵漏。操作方法如下：按照灌注水下混凝土的方法把导管下至距孔底0.3m～0.5m处灌注C20混凝土至混凝土面超过溶洞洞顶1.0m左右且不再下降时止，待混凝土强度达到50%后，才可重新施工。

② 超灌

在溶洞内成孔，为避免超灌，减少损失，防治措施如下：

a操作人员要熟悉‘一桩一孔’勘探资料，并根据地层情况随时调整泥浆比重；将至洞顶时，需改用小冲程(0 ～ 80cm)缓慢冲进，防止突然冲垮溶洞顶板，造成塌孔卡锤，并备足堵漏材料；发生漏浆时，马上回填并补浆，并以小冲程反复冲砸，以形成泥壁，堵塞洞内的通道。

B 在施工顺序上，根据‘一桩一孔’资料揭示的溶洞分布情况，按区域进行划片分割即先施工溶洞集中发育区周边的桩孔以起到封闭混凝土外流(串)作用然后往中心推进施工。本项目要求先实施地下室桩基础的施工，使地下室溶洞与主楼区溶洞分割封闭开来，然后施工主楼的桩基础，主楼也按溶洞分布情况再分割成若干小区块并分别施工。

③ 斜坡(面)

a 当至斜坡(面) 附近时，须采用小冲程、密击法进尺，防止锤头顺倾斜岩面"顺层跑"而造成斜孔、偏孔事故,待岩面被冲出台阶后再逐渐加大冲程。

b 遇到较大斜面(或溶蚀半边岩)时，须回填片石加粘土(比例为21)，并用锤头小冲程反复密击；在锤头密击过程中，一面挤土造壁，一面切削高出的岩石，使之在空洞处形成台阶直至全截面入岩。

c 发生斜孔、偏孔事故后，必须回填片石加粘土至正常位置，并用小冲程反复密击进行纠偏，每进1～2m便需回填粘土加片石，反复循环，多次修整，直至纠偏成功。

④ 溶洞(掉锤、卡锤)

溶洞中成孔应熟悉‘一桩一孔’勘探资料，根据溶洞大小及对冲进的影响程度采取相应防治措施:

a 对于

b 对于1～3m的中型溶洞至溶洞顶部附近时，须采用小冲程缓慢冲进，逐渐将洞顶击穿，以防顶板突然冲塌而发生锤头脱落或卡锤事故。

c 对于≥3m的大型溶洞击穿溶洞顶板后应回填片石加粘土至洞顶以上2.0～5.0m并采用小冲程高频率轻砸，不能盲目追求进尺,要让片石和粘土充分挤入溶洞内壁内形成稳定护壁以防洞壁垮塌造成卡锤事故。

d 掉锤的处理办法是把打捞钩下至锤头的打捞箍打捞；卡锤的处理办法是采用水下爆破振松围岩处理。

3.2.2入岩界面判定与控制

① 入岩判断办法

全截面入岩的准确判断是成桩质量控制的关键实际操作中结合以下几点进行综合判断：

a首先要对照‘一桩一孔’柱状图，至入岩高程后，可根据进尺速度来判断，亦可观察井口钢丝绳的摆动情况及锤头触岩时的反弹(轻微)情况，细听冲锤冲击岩面的声音，感觉对周围振动的情况进行判断。

b其次当冲至设计高程后，先清除孔内(上部的)沉渣，再用细目筛网拦筑泥浆槽，不使岩渣进入泥浆池及孔内再循环；然后再进尺10cm(或预测的坡高)，边进尺边用细目筛网分多次捞取岩渣，当持力层岩屑含量均30%且无进尺异常时，可以判定全截面入岩，终孔时持力层岩屑含量均80%且无进尺异常情况。

C 当以上2项操作尚无把握判断全截面入岩或出现实际入岩高程与‘一桩一孔’资料相差较大(1.0m)时，则由地质钻机进行桩底勘探判定。

② 入岩情况与勘探资料不符的处理办法

冲击进尺时不管是孔壁或孔底附近碰到溶洞，还是入岩高程相差悬殊，均应继续进尺至稳定岩层并按正常程序判定入岩：

a 当实际入岩高程与‘一桩一孔’资料相差＜1.0m时，可按正常程序终孔。

b 当实际入岩高程与‘一桩一孔’资料相差1.0m时，应立即停机并由地质钻机进行桩底勘探，以探明桩底地质情况，确保持力层安全厚度。

③ 持力层支承厚度的控制

当判定全截面入岩并达到终孔深度后，要对实际终孔高程与‘一桩一孔’之终孔高程进行比较，并算出实际终孔高程(桩端)下持力层的支承厚度，并确保持力层支承厚度大于安全厚度。

持力层安全厚度，可根据溶洞顶板的冲剪破坏原理近似求算，计算公式如下：

kP = 0.1595ƒrkπh ( h + d) (假设应力扩散角α = 45°)

式中，ƒrk为基岩的抗压强度标准值(kPa);

k 为抗冲切安全系数(2.0) ;

P 为桩底处的竖向力(kN);

d 为基桩直径(m);

h 为桩底持力层安全厚度(m)。

通过计算，本工程持力层安全厚度确定为3.0m。但在实际操作中，为确保桩基础的安全与稳定，持力层安全厚度按4.0m控制，即当桩端下持力层支承厚度小于安全厚度(4.0m)时，须进行桩底勘探，以确保持力层支承厚度大于其安全厚度。

3.2.3混凝土灌注控制措施

① 混凝土质量控制

商品砼的质量控制要求为：和易性、坍落度等指标必须符合设计和施工要求。

② 混凝土初灌量控制

通常的混凝土初灌量应满足导管首次埋置深度（≥1.0m）和填充导管底部的需要，计算公式为：

V≥πD2(H1+H2)/4+ πd2 h1/4

式中:V 为混凝土初灌量（m3）；

D为桩孔直径；

H1 为桩孔底至导管底端间距，一般为0.40～0.50m；

H2 为导管初次埋置深度(m);

d为导管内径;

h1 为桩孔内混凝土达到埋置深度H2时，导管内混凝土柱平衡导管外(或泥浆)压力所需的高度(m)。

本项目要求混凝土的初灌量在公式计算的基础上增加20%～30%。

③ 导管埋深控制

为防止砼面突然下沉造成断桩，灌注过程中将导管埋深由通常的2m～4m提高至6m～8m，并加密对混砼面的探测; 拆卸导管时,不能以快速或直线上升的方式拔管,应边起拔边反插,确保混凝土的密实性。

④ 灌注高度控制

灌注至设计桩顶标高后,不能盲目拔管,要观察砼面稳定情况保持埋管2.0～4.0m防止砼面下沉；对严重漏浆或多次漏浆的桩孔，应加大砼灌注高度，一般考虑要超过设计高程1.5m～2.0m，避免在拔出导管后砼面下沉造成短桩。

4 结语

① 由于加强了地质勘探，选择合理的施工设备，采用了得当的施工方法、切实可行的防治措施，收到了良好的效果；本项目自2010年5月中旬重新开工后，进展明显，至年底桩基工程全部结束，共完成各种不同直径的基桩1503根。

② 经桩基工程检测单位对71根桩的静载试验压力均达到设计值最小沉降量6mm最大沉降量10mm全部符合规范要求合格率100%；对1503基桩进行了低应变及超声波检测Ⅰ类桩1473根、Ⅱ类桩30根Ⅰ类桩占总桩数的98%合格率100%。

③ 岩溶地区的桩基础是特殊条件下的桩基础施工难度大、突发事故多。因此，施工前要加强地质勘探综合分析、全面比较、精心制定切实可行的施工方案和应急事故防治预案，做到“提前预防，及时处理，根治彻底”；施工后一定要加强检测，以确保每根桩都安全稳定，达到设计要求。

④ 本项目桩基础的成功完成不仅确保了工程进度与桩基质量，取得了显著的社会效益与经济效益而且开创了杭州地区最强烈岩溶发区桩基础施工(成功)的先河为本地区同类场地桩基础的设计与施工积累了保贵实线经验。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。