复杂地质条件下钻孔灌注桩施工技术

史长江 余相懿 李嵩 冯朝晖 李泱

摘 要：湘江欢乐城四星级酒店建设场地为灰岩区，地质条件复杂，溶洞、溶槽及溶蚀裂隙较发育，地勘报告遇洞率45.45%，洞内多充填软塑，软-可塑粉质黏土夹砂砾及少量碎石等，最大溶洞高度达12.3m，岩溶强烈发育，场地作为拟建建筑物的适宜性一般。

关键词：灰岩区；溶洞；旋挖灌注桩

1 前言

灰岩地区地质条件复杂，由于地表径流和地下水流对岩石的溶蚀作用和机械破坏作用，溶洞、构造裂隙较发育，岩溶的发育致使建筑物场地和地基的工程地质条件大为恶化。因此在灰岩地区修建各类工程建筑物时必须对工程地质进行详细研究，以预测和解决灰岩地区的各种工程地质问题。

2 工程概况

四星级酒店分为酒店和酒店2、3#栋，位于长沙市坪塘镇大王山旅游度假区中心区，紧靠湘江。地下1层，地上2～13层，总建筑面积约4万m2，建筑总高度20～68m，基础形式为冲孔灌注桩。共287根，其中φ900桩173根，φ1000桩44根，φ1200桩31根，φ1400桩20根，φ1600桩10根，φ1800桩3根，φ1900桩6根。桩长7～30m。桩端持力层为微风化灰岩。

3 工程地质概况

四星酒店建设场地为灰岩区，建设场地原始地貌属湘江高阶地丘陵地貌，场地中部有一直径约55m大水塘，底部有较多淤泥。地层岩土特性由上至下分别为：

（1）杂填土：松散状，为人工填筑，零星分布，层厚均匀性较差；（2）种植土：呈松散状，厚度较小，力学性质差；（3）淤泥质粉质黏土：呈软塑状态，强度低、压缩性高，工程性能差；（4）人工填土：稍密状，虽填筑时间较长，但在地下水作用下，强度低、压缩性高，工程性能差；（5）人工填土：稍密状，虽填筑时间较长，但在地下水作用下，强度低、压缩性高，工程性能差；（6）粉质黏土：①为岩土交界面处土层，软塑状，承载力低，工程力学性质差。②可塑状，承载力较低，工程力学性质差，埋深大，零星分布。③硬塑状，具中低压缩性，工程性状一般，fak=230kPa；（7）微风化灰岩：坚硬岩，节理裂隙发育，岩体基本质量等级为Ⅰ～Ⅱ级，工程性状好；（8）中风化砂岩：较坚硬岩，节理裂隙发育，岩体基本质量等级为Ⅳ级，工程性状较好。

场地内主要的不良地质为岩溶，其形态以溶洞（槽）及溶蚀裂隙为主。灰岩区共完成钻孔55个，其中25个钻孔遇到溶洞、溶槽及溶蚀裂隙，遇洞率45.45%，洞内多充填软塑，软-可塑粉质黏土夹砂砾及少量碎石等。

由于桩基施工段土体主要为粉质黏土和人工填土，且人工回填土层较厚，冲孔灌注桩施工存在如下问题：由于土体稳定性差，黏性大，容易缩孔，成孔过程中需采取抛石挤密等措施。冲孔桩施工作业周期长，成孔效率低，且由于施工作业面有限，现场摆放设备数量有限，难以满足工程施工进度要求。综合比较冲孔灌注桩与旋挖灌注桩的施工工艺特点，旋挖桩具有施工作业效率高、成孔快，且能够满足设计要求。因此经过业主、设计同意并经过专家论证，将冲孔灌注桩改为旋挖灌注桩。

场地具备作业面以后，我部及时组织人员进行桩基超前钻工作，根据设计院提供桩基布置图（共287根），超前钻一桩一孔，随着超前钻的施工，部分桩部位地质与地勘报告不符，项目部边统计超前钻结果，边组织监理、业主、地勘和设计开会。会议决定增加超前钻数量，再根据多个钻孔的地质情况进行分析、处理。具体钻孔数量见下表1。

上述增补超前钻孔的情况，每一次增补超前钻孔数量，就意味着桩基施工必须等该批次数据出来才能继续成孔成桩。桩基进度受制于超前钻勘探数据的进度和地质条件的岩溶不确定因素，只能被动跟从超前钻施工，无法按照既定的桩基行走路线实施。新的数据出来之后需要增补桩，则桩基行走需要重新修路，需要在已经完成的工程桩上覆盖较厚土层，费时费工。

4 施工中的困难

根据地勘报告以及现场超前钻施工情况，可以发现酒店灰岩地质条件的三大难点，分别是：微风化岩强度非常高、溶洞强烈发育且无规律、淤泥厚度深流动性大。3个困难在处理过程中又包含多个特例，施工难度大，耗时时间久，造成工期和成本增加。

4.1 岩硬度极高

酒店场内岩石主要是以高强度微风化岩为主，根据详勘报告可知，岩硬度平均超过84MPa，最高达111MPa。我司根据地勘报告综合选用ZR280D型号旋挖机进行施工，但施工137#、147#、182#三根试桩，成孔时发现岩层硬度异常，ZR280D旋挖机在此三根桩施工作业过程中，多次出现钻头磨坏、钻杆损耗等现象。又如125#桩，桩长达37m，入岩深度约32.6m，我司采用ZR360C大功率旋挖机施工，经过三天三夜钻磨，磨烂3个钻头、两箱高级子弹头，才完成125#桩成孔。我司将打磨出来的岩石拿去试验室测得强度达150MPa。四星级酒店区域共完成约200根旋挖桩（酒店2、3#栋基础因溶洞由桩基础改为筏板基础），但是前后进出场的旋挖桩机设备数量达十多台，都是由于无法进行高强度岩石的钻孔，无法适应斜岩、溶洞等地质条件，或者是地质条件导致钻机设备问题频出。专业施工队伍曾主动请求退场或被总包单位清退出场。

4.2 半岩半土的斜岩

高强度岩层区域，又包含大量的斜岩地质。此类岩层，表面光滑，岩层走势极其不规则，且多半与溶洞共存，施工难度大，极易導致桩基偏位和钻头磨损或是机械故障。

对于半岩半土，我部采用的是改变钻头的成孔办法，将盘钻改为筒钻，用筒钻将岩体按设计桩径边缘切割成缝槽，然后再用盘钻将孔内岩体钻掉。盘钻钻进时减慢速度，及时检查并纠正钻杆垂直度。

176#桩存在多处半边岩，我司按上述办法施工时还是出现卡钻现象，分析原因如下：桩周围岩石为跳跃分布，岩石大，较为松动，在钻孔时受钻机振动影响，产生偏移滑位，挤压钻杆导致卡钻。最终我司采用砼回填来处理。但在砼回填时，砼自176#桩流向168#桩，说明176#存在较大溶洞，后回填砼72方，接着复钻底部又遇溶洞、溶洞中填充稀泥，再次回填砼，并下放钢护筒抵住溶洞段才得以施工完成。176#桩整个施工过程共达17d。

4.3 岩面浅钻岩深度深

据不完全统计，桩长在15m以上桩，基本都包含较长入岩深度，且岩层越往下，硬度越大，耗时耗能越大，强度超过80MPa的微风化岩，若桩径为12m，采用中联ZR280A-1旋挖钻机设备在浅层岩面每小时入岩约100～150cm左右，到岩层深度较深区域则功效减低为每小时钻岩30cm，采用中联ZR360C旋挖钻机设备每小时平均钻岩约150cm左右。目前中联ZR360C旋挖钻机是湖南省内少见的大型钻桩设备，租赁费用较高。岩面浅导致钻岩深度深，设备磨损大，工期影响大。

4.4 溶洞处理

溶洞处理的难度较大。每个溶洞的大小、尺寸、分布情况均不相同，无法用统一的标准和方法来解决这一问题。整个酒店基础范围内，包含了大量的溶洞，且溶洞大、溶洞层叠、溶洞串通、连通地下暗河等现象颇为严重。根据超前钻数据的统计分析酒店桩基施工勘察钻孔的遇洞率高达67.7%，2、3#栋区域96个钻孔遇洞率高达100%，地质条件极其复杂。

对于溶洞问题体现较为突出的，如57#桩，根据超前钻数据显示桩长为12m，桩身范围内无不良地质状况。桩基成孔过程中亦未发现不良地质状况，但是在砼灌注过程中，快灌满前混凝土面突然下沉，在之后的10h內共连续灌筑455方（设计约14方）才灌满57#桩。后期超前钻复钻时，发现57#桩桩底仍存在深度达10m大溶洞。为确保结构安全，最终在57#桩旁补桩两根。

相对于溶洞灌注来说，溶洞的钻孔技术难度更大。如139#、149#、168#、169#、173#、176#桩，均有多层溶洞，多层溶洞导致桩孔较深，溶洞主要的处理办法包括抛填法、混凝土填充法和套放大小钢护筒跟进法。

我司针对已探明溶洞的处理主要采用效果较好的混凝土回填法施工。但回填次数过多，耗时耗材，如168#桩，整个成孔过程历时40d，共回填混凝土218方。

173#桩存在多方面的成桩困难，溶洞现象最为突出。该桩于2015.1.15成孔完毕，准备灌注。因地质条件过于复杂，无法确认底部承载力是否满足要求，最后接地勘单位通知掩埋等待复钻。2015.4.1日复钻时，存在严重塌孔现象，桩孔稀泥掏除不尽，采用回填砼处理后，往下钻底部仍存在大溶洞，下放两节4.5m长钢护筒，下节钢护筒因溶洞过大，滑倒于溶洞中，流出桩身范围，无法找回。

溶洞现象可分为多类，溶洞的大小不一，溶洞内填充材料，也有无填充、稀泥填充、半填充等区别。无填充小溶洞一次成孔，连续浇筑，一般可顺利施工。溶洞填充大量淤泥质土，掏孔过程中存在掏完继续钻孔，周边溶洞又会涌入更多泥浆到桩孔内，甚至出现泥浆瞬间涌入七八米，埋没钻杆，无法拔出的突发事件。针对此类桩，采用砼回填法效果微弱，耗时耗材严重，而桩机长时间掏孔亦费用高昂，且效率极其低下，严重影响工人工作积极性。掏出的稀泥污染整个施工场地，对施工现场文明施工有很大的影响，导致后续施工不便。

2、3#栋区域岩溶强烈发育，遇溶率100%，但坑底设计标高（37.5m）以下一定深度内多基岩出露或覆盖层厚度较小，下伏岩溶虽发育但多已被充填，加之2、3#栋高度仅4层，上部结构荷载不大，如全部采用桩基，大多数基桩的桩长将达20～30m，基础造价太高，工期太长。出于经济合理及施工可行等方面的考虑，设计单位将基础改为筏板基础+抗浮锚杆的方案。同时降低地下室底板标高，使绝大部分底板基础落于灰岩之上。

4.5 淤泥对桩基施工的影响

淤泥区无法承受大型机械设备的重量，且易缩孔、塌孔，在淤泥区施工是一件非常棘手的问题，该区域最难成孔的有17根桩，我司尝试多种方法，如粉喷桩固结土体、泥浆护壁、钢护筒跟管法、反复掏孔回灌砼等方法，均无法有效的解决问题或只能解决部分问题。

在部分淤泥区域，地基承载力极低，旋挖机行走或是在钻孔时，因底部淤泥受到挤压瞬间流动，致使地基变形，几乎引起旋挖机侧翻，差点造成重大安全事故。我司为解决承载力问题，采用大量砖渣换填，并铺设多层路基板，方能勉强具备短期的承载力。

大面积塌孔主要是土体承载力差，含水率过高的原因。168#和176#桩施工时，灌注、复打多达6次。每钻孔深度下降2～3m即会遇底部大范围塌孔、溶洞填充物无法掏尽。此类问题无较好处理办法，对工期的影响较大。

5 基岩勘探桩底溶洞问题的处理

桩基检测抽芯深度达到桩底以下5m。在已完成的48根桩基的抽芯检测结果发现，16#、31#、57#、86#、87#、100#、101#、107#、108#、129#及130#桩底发现大小不一的溶洞、溶蚀裂隙，最大溶洞16#桩底溶洞高达2m。

针对上述桩基抽芯发现桩底5m基岩范围内的溶洞情况，我部多次组织五方责任主体进行专题会议，针对桩底溶洞的方案处理进行了多次讨论，最终形成如下意见：

通过多次专题会议的召开，基本形成了统一的处理思路：较小的溶洞采用注浆处理，较大的溶洞采用补桩处理。处理之后的桩必须经过检测确认合格之后，才能认为处理方案有效。

6 施工总结

灰岩地区桩基施工难度较大，施工前必须充分了解场地地质状况，全面分析各种地质状况对施工的影响，合理选用施工设备和施工方法，施工完成后应做好桩基检测，对不合格的桩进行处理并复检。

参考文献

[1]许厚材.复杂地质条件下基坑支护灌注桩施工技术[J].探矿工程：岩土钻掘工程，2012，（11）：54-57.