冲孔灌注桩基在岩溶溶洞地质的处理

浅谈冲孔灌注桩基在岩溶溶洞地质的处理

关键词：岩溶溶洞 岩溶发育 裂隙岩溶 斜坡岩层 超前钻 挤密洞室

压浆灌注

龙岗文化中心系统工程之一的××馆（D区）位于深圳市龙岗区中心城龙城广场西侧，南北紧邻龙城大道和龙翔大道。为地上五层、地下一层的多层框架结构，建筑面积23500m2，筏板基础，地基基础设计为Ø1000—1500冲（钻）孔灌注桩，入岩深度不小于500mm。

一．工程地质条件简介： 1．地形地貌：

现场原始地貌为低丘陵山间第四系冲洪积平原，后经人工填土堆填，场地大致南高北低。根据《深圳市区域稳定性评价》资料，龙岗区属地质构造基本稳定区，与场区有关的东北向区域的地质断裂层属基本稳定断裂；而影响地基地面稳定的主要因素是岩溶发育和地下水等因素。

2．岩土特征简介：

地质勘探报告揭示，岩土自上而下为填土、表土、第四系冲洪积层，下伏基岩为下石炭系统石磴子段大理石岩。下面列表分述如下：（见表一）

岩土地质勘探报告表 表一 代号 序号 名称 岩土特征描述 褐红、黄，灰色，主要含Qml ① 人工填土 砂页岩、岩质页岩等残积土；湿，松散 Qpd ② 表土 黄灰、土灰色，含有粉砂，湿—饱和，松散 灰黄、灰白色，石英成分，饱和松散 浅黄、灰白色，石英粉、石英卵石，饱和稍密 褐色、黄灰色，含风化岩、大理石角砾粉质粘土，0.2—1.0 0.57 27.87—34.79 2.5—9.1 5.8 27.7—35. 层厚m 平均厚度m 介于高程 m Qal+pl ③1 粉细砂 0.2—3.5 1. 27.84—33.39 Qal+pl ③2 砾砂 含砾粉质 粘土 0.3—4.3 1.37 26.—34.39 Qal+pl ③3 2.3—21.2 27.59—35.26 1

可塑状态 含砾粉质 粘土 褐色、黄灰色，含风化岩、大理石角砾粉质粘土，软塑—流塑 乳白、灰白、灰色，交晶C1ds ④ 微风化 大理石 结构，块状结构，裂隙局部发育，岩面局部有溶蚀，局部发育有溶洞 层顶标高25.59—31.68 1.4—12.5 25.59—31.68 Qal+pl ③4

岩土层强度指标及岩土层桩基设计指标列表如下：（见表二、三）

岩土层强度指标表 表二 岩土层 代号 Qml Qpd Qal+pl Qal+pl Qal+pl 序号 ① ② ③1 ③2 ③3 名称 人工填土 表土 粉细砂 承载力fak(KPa) 100 110 130 190 170 压缩模量Es(MPa) 4.5 4.5 6.0 8.5 6.5 变形模量Ec(MPa) 6.5 6.0 12.0 22.0 14.0 凝聚力C(KPa) 18 20 28 内摩擦角Φ（度） 15 18 18 28 20 砾砂 含砾粉质 粘土 含砾粉质 粘土 微风化 大理石 Qal+pl ③4 60 3.0 4.5 10 5 C1ds ④ 4000

岩土层桩基设计指标表 表三 岩土层 代号 Qml Qpd Qal+pl Qal+pl Qal+pl 序号 ① ② ③1 ③2 ③3 名称 人工填土 表土 粉细砂 状态 桩周摩擦力特征(KPa) 松散—稍密 软—可塑 松散 稍密 可塑 0 10 20 35 30 5 1100 900 桩端承载力特征值(KPa) 入土深度（m） 10 1600 1400 15 1700 砾砂 含砾粉质 粘土 2

Qal+pl ③4 含砾粉质 粘土 微风化 大理石 软塑 5 C1ds ④ 7500

3．不良地质现象简述：

A．土洞：勘探及超前钻揭示局部区域有土洞，深度在18.60—20.50m，高程在18,26—16.36m，洞高1.90m，洞内无充填物；施工时宜作加固处理。

B．岩溶：现场勘探和超前钻揭示该区域桩基持力层基岩的岩溶现象及其发育；主要表现在基岩面起伏大，石柱、是牙、溶沟、溶洞发育；岩溶发育规律及溶蚀程度受岩性、地质构造、地下水径流等因素影响，并受区域内侵蚀基准面。该区域溶洞大部分为全充填裂隙发育岩溶，填充物为流塑状粉质粘土（见表四）；在勘探和超前钻时均出现漏水、漏浆现象，表明溶洞与外界有水力联系或溶洞之间相互连通。

部分溶洞情况一览表 表四 孔号 ZK3 ZK5 ZK6 ZK9 ZK10 ZK11 ZK12 ZK13 ZK15 ZK16 ZK18 ZK19 大理岩埋深（m） 18.40 22.80 22.80 13.00 13.00 19.90 15.50 21.40 29.20 29.20 29.20 29.20 埋深（m） 自 19.40 25.40 28.80 13.30 16.00 22.00 15.80 24.10 29.60 30.60 31.70 32.00 21.90 ZK20 20.40 23.60 25.40 ZK46 13.30 14.30 至 19.80 27.60 29.40 14.10 22.30 23.10 16.30 25.00 30.10 31.50 31.90 33.50 22.90 24.60 26.00 14.40 标高（m） 自 16.23 12.66 9.26 22.47 19.77 13.22 19.70 11.51 9.69 8.69 7.59 7.29 14.93 13.23 11.43 17.49 至 15.83 10.46 8.66 21.67 13.47 12.12 19.20 10.61 9.19 7.79 7.39 5.79 13.93 12.23 10.83 17.39 洞高 顶板厚充填 情况 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 全充填 （m） 度（m） 0.40 2.20 0.60 0.80 6.30 1.10 0.50 0.90 0.50 0.90 0.20 0.10 1.00 1.00 0.60 0.10 1.00 2.60 1.20 0.30 1.90 2.10 0.30 2.70 0.40 0.50 0.20 1.50 1.50 0.70 0.80 1.00

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4．地下水概况：场地内含水层主要分布有两类。

A．第四系洪冲积层中的粉细砂及砾砂层的含水层；其地下水类型为孔隙潜水，主要受大气降水和场地附近地下水的侧向补给，地下水位受季节影响较大；地下水位高程在27.170—33.190。

B．大理石岩含水层；地下水为岩溶裂隙承压水，在强透水层具有弱腐蚀性；其赋水性受岩溶裂隙及溶洞发育程度控制；在溶隙、溶洞发育及连通较好区域富水性强，且受地下水垂直及侧向补给。

二．桩基方案的选定和土洞处理： 1．桩基方案的选型：

根据上述岩土特性和岩溶溶洞以及含岩溶裂隙承压地下水等因素；本工程桩基选用了Φ1000—1500冲击钻孔灌注桩，采用正循环冲击成孔。

冲击钻孔灌注桩的原理：用冲击钻机带动冲击钻头，上下往复冲击，将钻孔中的土石砸裂、破碎或挤入孔壁中，用泥浆悬浮出渣；使冲击钻能经常冲击到新的岩土层，然后用抽渣筒取出钻渣造成新孔；冲击钻头亦能击碎岩溶、斜坡岩和穿透裂隙岩溶洞的顶板。

因此，选用冲击钻孔灌注桩较适合该工程岩土松散、饱和、含角砾、卵石的流塑粘土层及岩溶溶洞发育的地质且有岩溶裂隙地下承压水的岩土地质层。

2．冲击钻孔灌注桩在土洞区域的处理：

在岩土地质里，土洞对建筑地基及地面危害较大，故本工程区域内的局部土洞在桩基施工前必须予以加固处理。一般对于浅层土洞采用开挖充填方式处理；对于深层土洞则采用钻孔灌注挤密方法予以加固处理。

根据勘探和超前钻探明，工程区域的局部土洞介于在高程18.600—20.050m范围，分布不均匀；因此，在全面分析了勘探和超前钻揭示的资料后，对于容积较小的土洞采取了直接在冲击成孔的过程中，分次加入碎石或石硝，利用冲击钻头挤密加固土洞；对于容积较大、面积大的土洞，采用多冲孔至土洞，依次分层加入碎石或石硝，利用冲击钻头挤密加固土洞（见图一）。

冲机钻头

（示意图一）

土洞碎石或石硝挤密土洞 4

冲击钻头挤密加固主要步骤：冲击成孔——至土洞顶——拔钻头——投于碎石或块石——钻头冲至洞底标高——再次拔钻头——再次投碎石或块石——复冲——直到填满洞室

三．冲孔灌注桩在斜坡岩溶层、岩溶溶洞的处理：

因该区域的岩溶岩面起伏大，且在局域范围（即地质勘探点的范围内）的变化也比较大，土洞、裂隙岩溶及溶洞分布不规律，而原地质勘探资料不能全面揭示岩溶地质全貌；所以在桩基施工前，采用超前钻探（超前钻）来全面揭示岩溶地貌和准确数据，为设计和施工方案的确立提供依据。并通过数据分析，全面控制整个冲孔灌注桩的施工。

1．冲孔灌注桩在斜坡岩溶层的处理：

冲孔灌注桩在遇斜坡岩时，须在斜坡岩上冲凿出桩端平台使桩端有效地嵌入基岩（设计嵌入深度500）。故在施工前，根据超前钻确定斜坡岩的状态和走向，拟定相应的施工措施。

由于该区域斜坡岩溶上层岩土为呈流塑状态的粉质粘土层，所以在冲孔灌注桩施工过程中，容易发生偏钻和桩端嵌岩不到位的等质量问题；其主要原因是冲机钻头在冲斜坡岩时，会产生较大的侧向冲击力，使钻头冲击挤压斜坡岩坡下方向的岩土而产生变形，导致孔壁偏位；同时会导致钻头不能有效冲岩，从而影响桩端嵌入基岩。

由于斜坡岩上岩土为呈流塑状态的粉质粘土，侧向不能抗钻头冲击；因此在冲击斜坡岩之前，采用了投入片石挤密斜坡岩上的流塑状态的粉质粘土层（高度约2m），以期达到固结孔洞侧壁岩土，防止钻头冲击斜坡岩发生偏钻。当冲机钻头到达斜坡岩标高时，分次投入片石（每次投入片石500—1000mm高度），然后用钻头冲击块石，使其挤入孔洞侧壁，同时挤出流塑粘土中的饱和水使其固结，并与块石形成孔壁（见下图示二）。

斜坡岩溶斜坡岩溶块石挤密土洞块石挤密土洞壁冲机钻头冲机钻头 5

（示意图二）

具体施工步骤： 超前钻——数据分析——冲孔至斜坡岩——出钻——投入块石——冲击块石挤密孔洞侧壁——出钻——二次投块石——复冲挤密——以次往复至挤密完成——冲击斜坡岩——桩端嵌岩——清孔、灌注砼

2．冲孔灌注桩在岩溶溶洞的处理：

嵌入基岩的端承桩基在遇到裂隙发育的岩溶溶洞时，常用的处理方法为洞室注浆和穿透溶洞顶板等。

由于该区域岩溶裂隙、岩溶溶洞发育较强，与外界有直接水力联系，溶洞之间也相互连通，大部分溶洞顶板较薄；故除少数（3个）顶板较厚的溶洞采用压力灌浆外，其它桩基均采用冲击钻头击穿溶洞顶板，并用块石填充挤密溶洞形成井孔，然后桩端冲孔嵌入基岩（设计嵌入深度500）。

主要施工顺序： 超前钻——数据分析——冲孔、击穿溶洞顶板——出钻——投入块石——冲击块石挤密溶洞——出钻——二次投块石——复冲挤密——以次往复至挤密完成——洞室成孔——冲击桩端嵌岩——清孔、灌注砼

冲孔穿透溶洞顶板后，分批次投入块石，通过冲机钻头将块石挤入洞室井孔四周，同时挤出洞室内流塑粘土中的饱和水使其固结，并与块石形成孔壁。为确保块石能够有效地挤密洞室，根据洞室的容积、高度分批投石，每次投石的高度控制在300—500mm（见下图示三）。

溶洞内挤密固结完成形成井孔后，进行冲击桩端嵌岩、清孔、灌注砼。

（示意图三）

四．洞室砼浇灌跑漏的处理及洞室压力灌浆： 1．洞室砼浇灌跑漏的处理：

由于洞室之间相互连通、承压水过大或洞室不规则，导致少量洞室井孔壁的挤密未能达到预期的效果，造成浇灌砼时出现砼漏失现象；因此现场采取了在溶

溶洞顶板冲机钻头块石挤密溶洞 6

洞孔壁内加钢管护筒的应急方案。即在监测发现砼漏失时，立即停止浇灌，重新冲孔挤开洞底砼，清孔后用导轨、钢丝绳将钢护筒沉入溶洞井底，重新浇灌砼，同时拔除钢导轨。具体应急步骤如下：

成孔、清孔——浇灌砼——发现漏失停止浇灌——拔除砼导管——冲机复冲洞室底——清孔、沉入钢护筒——重新浇灌成桩

2．岩溶洞室压力灌浆：

根据超前钻发现有三个溶洞顶板厚度大于2米，冲机钻透比较困难；而对于岩溶溶洞顶板岩预测鉴定有少量裂隙，不太可能满足端桩的设计荷载；因此采取了先在溶洞顶板基岩成桩后，再采用压力灌浆密实溶洞。主要施工顺序如下：

冲孔——清孔——钢筋、浇砼——养护——桩顶抽芯至溶洞——压力灌浆——检测、封孔

压力灌浆采用的是在桩顶砼面抽芯到溶洞内，埋入注浆导管；同时在桩侧钻孔安装析水、导泥浆的导流管。先用高压注浆机进行高压冲水形成导流，随后用配置好的硅酸盐水泥浆通过注浆管道压入溶洞底部，灌浆压力由压浆泵上的压力表监控；同时监测导流管，待导流孔溢出水泥浆后停止压力灌浆。

现将2#、5#、7#的3根桩下洞室压浆过程的参数列表如下：

溶洞压力灌浆参数表 表四 桩号 灌浆量 m3 1.63 1.75 2.10 水泥用量 kg 2250 2510 2930 28强度 KPa 165 176 1 最大压力 MPa 1.00 1.00 1.00 稳定压力 MPa 0.40 0.38 0.36 析水率 % 4.4 6.8 5.2 2# 5# 7#

五．小结：

通过上述冲孔灌注桩在土洞、斜坡岩、裂隙岩溶溶洞地质的施工技术处理与控制，完成了场区内274根冲孔灌注桩的施工；经有关技术监督部门对桩基进行的小应变、静载试验及全面抽芯检查合格，达到了设计及安全使用的要求。

参考文献：

1．《桩基施工手册》 中国建筑工业出版社 1995 2．《地基处理手册》 中国建筑工业出版社 2000 3．《岩土工程手册》 中国建筑工业出版社 1996

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