溶洞土洞发育地区冲孔灌注桩应用的研究

刘林辉

（广州市重点公共建设项目管理中心 广州 510006）

0 引言

岩溶土洞中等发育区域，其对场地地基稳定性有一定的不良影响。岩溶地区上高层建筑的基础处理是建筑工程中地基处理的难点［1］。高层建筑地基基础设计遇到这种不利情况时，如果处理方式不当，会造成严重的安全隐患和经济损失。

本文以广州市花都区某实际工程为例，结合场地的岩土工程勘察资料及超前钻资料简单介绍了冲孔灌注桩的应用处理。

1 工程概况

某项目位于广州市西北角，在花都区赤坭镇境内。项目拟建3 栋（编号A～C）5 层高度建筑，建筑高度为18.7 m；1 栋（编号D）8 层高度建筑，建筑高度为31.2 m，1 栋（编号E）5 层高度建筑，建筑高度20.3 m；1栋（编号F）5层高度建筑，建筑高度17.4 m 等其他1～5层建筑，建筑面积为26 954 m2。

2 工程地质情况

2.1 地形地貌

拟建项目场地为山前冲积平原地貌，地面平缓，地势变化不大，地面标高为9.86～12.28 m，平均11.46 m。

2.2 地层岩性

根据本场地岩土层的成因类型和性质、风化程度等。自上至下各岩土分层及其特征如下：2.2.1 人工填土层（Q4ml）

人工填土层主要为杂填土，颜色为黑色，含少量碎石、砂建筑垃圾。平均厚度2.76 m。标贯击数N=8～17击，平均12.67击。

2.2.2 河湖相沉积层（Q3+4l）

河湖相沉积层主要为泥炭质土，局部夹泥炭，局部为淤泥质土。灰黑色、深灰色，主要由黏粒及有机质组成。平均厚度1.42 m。标贯击数N=2～5击，平均4.11击。

2.2.3 冲积−洪积砂层（Q3+4al+pl）

⑴粉细砂。呈浅黄色、灰黄色，以粉砂为主。平均厚度1.41 m。标贯击数N=7～15击，平均为10.12击。

⑵中粗砂。浅灰色、灰黄色、浅黄色等，多呈松散～稍密状，局部中密状，含水饱和，平均厚度2.55 m，标贯击数N=7～17击，平均11.23击。

2.2.4 冲积−洪积土层（Q3+4al+pl）

主要为粉质黏土、黏土，按照其塑性状态可分为软塑、可塑状粉质黏土层。

⑴软塑状粉质黏土层：平均厚度2.73 m，标贯击数N=2～4击，平均3.60击。

⑵可塑状粉质黏土层：平均厚度4.14 m，标贯击数N=5～19击，平均9.11击。2.2.5 残积土层（Qel）主要为可塑状粉质黏土：灰黑色、深黑色，可塑。平均厚度1.38 m，标贯击数N=8～9击，平均8.50击。

2.2.6 石炭系石磴子组石灰岩（Cs）

本场地主要为石灰岩。根据岩石风化程度的不同分为强风化带、微风化带。

⑴石灰岩强风化带。呈浅灰色、灰色等，本次勘察揭露主要是碎块状。平均厚度1.17 m。

⑵石灰岩微风化带。呈灰色、深灰色等，隐晶质结构，层状构造，成分以方解石为主，岩石组织结构基本未变化，断口处新鲜，岩芯较完整。平均厚度1.58 m。

2.2.7 溶洞

大部分有充填物，填充物为流塑～软塑状的黏性土。本次勘察在19个钻孔揭露了19个溶洞，部分钻孔揭露串珠状溶洞，洞顶标高为−16.28～0.82 m，顶面埋深为9.50～28.00 m，高度为0.50～8.70 m，平均2.62 m。本次勘察暂未揭露到土洞发育。

2.3 地下水情况

本场地在部分钻孔进行了地下水位分层测量，初见水位埋深1.30 m、混合水静止水位埋深为2.30 m，细砂层静止水位埋深为2.20 m；中砂层静止水位埋深为2.30 m。各层地下水位基本相等，处于渗流平衡状态。

场区地下水对混凝土结构具中腐蚀作用，对混凝土中的钢筋局微腐蚀作用，应按照文献［2］要求进行抗腐防护。

2.4 场地稳定性及适宜性评价

拟建场地地势变化不大，主要不良地质为岩溶，场地稳定性较差，场地地下水位浅。场地为抗震不利地段，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计特征周期为0.35 s，设计地震分组为第一组。

3 场地区域溶洞情况

3.1 勘察报告反应情况

本次详细勘察共布置钻孔67 个，其中19 个孔中揭露19 个溶洞，洞顶标高为−16.28～0.82 m，顶面埋深为9.50～28.00 m，高度为0.50～8.70 m，平均2.62 m，溶洞大部分为填充溶洞，部分为全充填溶洞。本次勘察暂未揭露到土洞发育。全充填溶洞处休眠期，岩溶水流动性差，半充填及空洞地下水活动强烈。溶洞顶板厚度小，最小厚度仅为0.10 m，在揭露的19 个溶洞体中有17 个洞体顶板厚度小于洞体高度，比例为89.5%。由于顶板厚度小，岩溶洞体高度大，洞内充填状态的充填物工程性质软弱，易被水流冲蚀，多属于较不稳定洞体，对结构稳定性很不利，对桩基施工影响很大，可能造成地面沉陷漏水等工程事故。

3.2 超前钻报告反应情况

超前钻309 根桩有226 个溶洞，桩基础见溶洞率66.34%，岩溶发育程度等级为强发育，顶面标高−28.69～0.49 m（溶洞顶板不计，下同），顶面埋深10.40～38.40 m，揭露厚度2.39～4.19 m，平均2.91 m。溶洞大部分呈全充填、半充填状态，少数无充填。

本次超前钻探309 个钻孔有24 个钻孔揭露到土洞，见土洞率为7.77%。其中某一孔显示溶洞柱状如图1所示。

图1 某溶洞柱状图Fig.1 Histogram of a Cave

3.3 勘察报告与超前钻报告差异

勘察报告和超前钻报告差异具体如表1所示。

表1 勘察报告和超前钻报告差异Tab.1 Differences between Exploration Reports and Advance Drilling Reports

4 桩机选型分析

拟建场地主要分布填土、冲洪积和残积土层，覆盖层厚度9.40～27.00 m，基岩为石灰岩，溶洞等不良地质作用较发育。

从场地地质条件以及建筑物的特点来看，本场地并没有揭露较厚层强风化层，且揭露的强风化岩多为碎块状，因此建议采用钻（冲）孔灌注桩，利用冲锤的冲击动能冲挤土层或碎岩层成孔［3］，其优点是施工时不用疏排地下水，可以嵌岩［4］。成孔桩径为800～1 200 mm，桩长为9～27 m，以完整的微风化岩层作为桩端持力层，入岩深度不得小于0.5 m或0.5倍桩径。

5 冲孔桩施工工艺

高层建筑冲孔灌注桩首先要对造孔进行质量控制［5］，其据他施工工艺如下：

5.1 测量放线定桩位

根据设计图纸，建立施工平面控制网，校测场地基准线和基准点、测量轴线、桩的位置及桩的地面标高。采用全站仪、经纬仪和钢尺进行网点测设，对桩孔进行放样，在测定的桩位点，打入标志桩（露出地面5～10 cm），并在标志桩四周打入钢筋控制桩，用于复核桩锤定位，定位后会同有关部门和人员，对轴线、桩位进行复核，并作记录。在复核符合相关设计、规范要求后进行施工。

5.2 桩机就位

现场场地平整完成，杂物清除干净；工作面的软土用砖渣进行换填，换填厚度为50 cm，在砖渣上铺20 mm厚钢板。

5.3 埋设护筒

针对大溶洞、节理裂隙发育、溶蚀裂隙发育、软弱岩层等不良地质情况，通过全钢护筒跟进施工，是可以穿越溶洞区域，顺利完成终孔［6］。用挖掘机开挖护筒基坑，基坑直径比护筒直径大40 cm，800 mm 桩径的工程桩护筒直径比桩径大20 cm。利用钢筋控制桩将基坑底的护筒中心边桩定出，用履带吊将护筒吊至桩位，对准坑底护筒边桩，下放护筒，人工配合调整护筒位置。工程桩护筒长度为2 m，护筒厚度为18 mm，适用于所有工程桩于立柱桩。

5.4 泥浆制备与使用

泥浆的循环系统包括：制浆池、储浆池、循环槽等。开动桩机较多时，采用集中制浆与供浆。用抽浆泵通过主浆管和软管向各桩供浆。

现场设置泥浆池，施工完后泥浆池内的泥浆要清理干净；并将泥浆池拆除。泥浆池尺寸为20 m×8 m×2 m。施工期间泥浆池四周做防护工作，采用围栏网搭设1 200 mm高防护栏杆。

5.5 成孔方案

为确保桩垂直度偏差不大于1/150，在冲孔过程中，应经常校核钢丝绳是否对准桩位中心。终孔深度的确定主要根据设计图纸确定的深度及地质钻探要求，岩样的饱和单轴抗压强度满足设计要求，入岩深度满足设计要求。冲孔成孔应用于桩径为800 mm 的工程桩。冲孔桩施工工艺流程具体如图2所示。

图2 冲孔桩施工工艺流程Fig.2 Process Flow Chart of Punching Pile Construction

5.6 清孔

孔底沉渣厚度直接影响桩基础的承载能力［7］，因此必须清洗孔底沉渣至满足相关要求，具体如表2所示。

表2 清孔要求Tab.2 Hole Cleaning Requirements

5.7 钢筋笼制作

对钢筋笼的制作，需对质量严格把控，包括原材料、钢筋接头连接工艺，确保取样科学、检测合格，钢筋笼制作完成后，需要对钢筋笼的尺寸以及型号、规格参数等制作完成后由相关技术人员进行质量检验［8］；具体工艺流程如下：

⑴钢筋笼制作流程：焊接纵向受力钢筋➝焊接加劲箍➝绑扎、点焊螺旋箍筋➝检查校正➝移交下一道工序。

⑵纵向钢筋种类用HRB400E。纵向长、短钢筋相间放置，钢筋接驳应优先采用焊接或机械连接，d≥25 mm 的钢筋应使用机械连接，同一连接区段内纵向钢筋连接接头面积百分率应≤50%。

⑶横向加劲箍及螺旋钢箍采用HRB400E 级钢筋。纵横钢筋交接处均应焊牢。

⑷钢筋笼外侧需设混凝土垫块或采用其他有效措施，以确保钢筋保护层的厚度，主筋混凝土保护层厚度不应小于50 mm。

⑸钢筋笼主筋间距允许偏差±10 mm，箍筋间距允许偏差±20 mm，直径允许偏差±10 mm，长度允许偏差±100 mm。

5.8 钢筋笼吊装

钢筋笼起吊时，在顶部设置2个吊点（位置为顶部加强筋位置）用于垂直吊装，在每节钢筋笼中部设置1 个吊点（加强筋位置）用于翻身起吊。在吊点位置多设1根φ20加强筋。钢筋笼具体吊点如图3、图4所示。

图3 钢筋笼吊点示意图Fig.3 Schematic Diagram of the Lifting Point of the Steel Cage （m）

图4 钢筋笼吊点平面Fig.4 Reinforcement Cage Hanging Point Plan

钢筋笼运输、吊装过程中严禁变形、脱焊。为保证汽车吊吊装过程中钢筋笼不变形，对于长的钢筋笼在起吊前可在环形加劲箍内焊三角支撑。

吊装入孔过程中，钢筋笼中心须与桩中心重合，严禁偏位入孔和碰撞孔壁。

在桩顶处钢筋笼上对称挂2 根吊筋于钢护筒上，避免在混凝土浇筑过程中出现浮笼。

5.9 成桩方案

有溶洞的桩，若按常规做法连续浇筑混凝土至桩顶设计标高，由于桩长混凝土压力大，往往容易压破溶洞区段的护壁引起漏浆，造成灌混凝土严重超量乃至不能成桩。为防止这种极端超灌现象发生，在有溶洞的桩浇灌桩身混凝土时，控制其充盈系数在8.0 范围内。施工中将采取慢速浇灌混凝土力保成桩的办法，其做法是，利用混凝土初凝时限，前后两车混凝土相隔90 min 左右再浇灌，即第一车混凝土浇灌完毕，90 min后再浇灌第二车混凝土，如此类推成桩。

6 地基基础工程的检测项目、方法及数量

地基基础检测应符合文献［9］以及下列规定：

⑴地基基础工程质量检测抽检应按单位工程计算。

⑵同一单位工程采用不同地基基础类型时，应分别确定检测方法和抽检数量；同一单位工程中采用不同桩型或不同地基处理方法时，按相关规定分别确定检测方法和抽检数量。

⑶地基基础设计等级为丙级，且各单位工程的桩总数少于30根或复合地基处理面积小于300 m2，可将地质条件相近，施工工艺相同的若干个单位工程合并起来，确定抽检数量，但应对每个单位工程进行承载力抽检。对每个单位工程的承载力抽检数量为：当采用静载试验时不得少于1 根、当采用高应变法时不得少于2根、当采用平板载荷试验时不得少于2点。

⑷采用声波透射法、低应变法对桩身质量进行检测，当检测结果不能对整桩桩身质量进行评定或难于判定其整桩的质量类别时，应采用其它有效方法如钻芯法进行复检。

7 质量事故问题预防措施及处理方法

⑴孔壁坍塌预防及处理措施：根据不同地层，控制使用好泥浆指标。在回填土、松软层及流砂层钻进时，严格控制速度。地下水位过高，应升高护筒，加大水头。孔壁坍塌严重时，应探明坍塌位置，用黏土片石混合回填至坍塌孔段以上1～2 m处，捣实后重新钻进。

⑵钢筋笼安放标高偏差预防与处理措施：钢筋笼制作完成后，注意防止其扭曲变形，钢筋笼入孔安装时要保持垂直，钢筋笼保护层吊耳设置间距不宜过大，吊筋长度精确计算，并在安装时反复核对检查。

⑶卡管、堵管事故预防与处理措施：导管安装必须放置在桩孔中心位置，安装及拆卸导管要慢速提放，一旦出现卡管现象宜采用旋转导管的方法脱卡。导管安装时要注意检查底管及每节导管质量，不得有凹凸及卷口现象并及时清洗使用过的导管，以确保砂球顺利下落。混凝土灌注时严格控制混凝土塌落度，预防因导管及混凝土质量出现堵管现象，一旦出现堵管现象宜采用上下串动或轻振导管的方法处理。

⑷钢筋笼上浮预防及处理措施：严格控制混凝土质量，坍落度控制在180～220 mm，混凝土进入钢筋笼后，混凝土上升不宜过快，导管在混凝土内埋深不宜过大，严格控制在10 m 以下，提升导管时，不宜过快，防止导管钩钢筋笼，将其带上等。

⑸桩头露筋预防及处理措施：当混凝土灌至设计桩顶标高时，应当继续向上超灌，以超过设计桩顶标高0.8～1.0 m为宜，并不低于锚入承台的主筋。

8 工程桩工程质量通病控制措施

8.1 塌孔

⑴原因：①在提升或下落冲锺、掏渣筒或放置钢筋笼时碰撞孔壁，使孔壁发生坍塌；②护筒周围未用粘土填封紧密而漏水或护筒埋置太浅，护筒周围的水进入钻孔内，水流冲刷形成塌孔；③护筒内水位偏低或泥浆比重偏小，也会引起坍孔。

⑵控制措施：①在提升或下落冲锺、掏渣筒或放置钢筋笼时保持垂直上下；②护筒周围用粘土填封密实，防止周围水分进入冲刷孔壁；③保持护筒内泥浆水位和泥浆比重；④当遇到轻度塌孔时，可以加大泥浆比重和提高水位。

8.2 钢筋笼偏位、变形、上浮

⑴原因：①钢筋笼过长，刚度不够，下孔后钢筋笼发生变形；②钢筋笼未设耳环控制保护层厚度，桩孔本身偏斜或偏位，钢筋笼吊放时未垂直缓慢放下，混凝土浇筑时钢筋笼上浮；③若是桩部分配筋，浇筑混凝土时钢筋笼易上浮；

⑵控制措施：①钢筋笼过长时应分多节制作，分段吊放，焊接或增设箍筋加强钢筋刚度；②焊接耳环钢筋控制保护层厚度；③当桩孔本身偏孔时，在下钢筋笼前往复扫孔纠正偏位，保持桩孔垂直；④浇筑混凝土时，将钢筋笼固定在孔壁上或在顶面压住；⑤发现钢筋笼出现上浮的苗头时，要立即停止浇筑，拆卸或提升导管，改变混凝土的浇筑位置，缓慢浇筑，当混凝土将钢筋笼固定后方可正常浇筑。

8.3 钻孔桩断桩

⑴原因：①封底混凝土数量不足，浇筑不成功，形成断桩；②导管埋入混凝土中深度不足，或卸导管时因提升困难而强力拔管，没控制好导管埋深，泥浆进入导管内；③导管接头不良，泥浆渗入混凝土中；④出现意外事故，使混凝土浇筑时在某一位置停留时间较长，混凝土凝结形成施工缝。

⑵控制措施：①首批混凝土浇筑数量足够，一次成功；②导管接头用螺纹连接，并设橡胶圈密封严密；③拆卸导管时要保证导管的埋置深度；④施工时做好防止意外情况发生的准备；⑤万一出现断桩，必须采取有效措施对断桩进行处理，并经监理验收后才能进行下一步施工。

9 结论

岩溶地区的桩基础施工合理的桩机选型是施工关键，本文以广州市花都区某溶岩地区实际工程为案列，介绍了溶洞地区地质冲孔桩施工工艺、检测要点及施工过程中遇到质量事故预防措施、工程桩质量通病措施处理方法，得出如下结论：

⑴溶洞发育地区，地下溶洞存在发育存在不确定。本项目详勘见洞率为28.4%，超前钻见洞率为66.34%。超前钻的见洞率远远大于详勘，所以在溶洞发育地区开展超前钻工作，做到一桩一孔为后续设计、施工工作提供准确的地质资料很有必要。

⑵针对不同建筑物，结合造价投资情况选取不同基础形式。针对本项目一层建筑物，结合溶洞埋深采用天然基础；高层建筑采用钻（冲）孔灌注桩，桩径为800～1 200 mm，桩长为9～27 m。

⑶有溶洞区域的冲孔桩成桩时应采取措施控制超灌量，例如利用混凝土初凝时限采取慢速浇灌混凝土力保成桩的办法，其做法是前后两车混凝土相隔90 min左右再浇灌，即第一车混凝土浇灌完毕，90 min后再浇灌第二车混凝土，如此类推成桩。

⑷地基基础检测应严格按照相关规范进行。

⑸为避免施工过程中出现孔壁坍塌、钢筋笼安放标高偏差、卡管、堵管、钢筋笼上浮、桩头露筋等施工质量问题，应严格控制好各个施工环节要求。

为了有效应对具体施工阶段出现的特殊风险，施工方应结合前期勘测资料，预先制订不同情况下岩溶地区的处理方案。选择经验丰富的操作人员，对钻探过程进行全面观察，保证作业地区地质岩溶问题的有效处理，控制冲孔灌注桩施工质量与施工进度一致［10］。