岩溶地区码头桩基设计及施工关键技术

黄建玲，施挺

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

随着经济社会的发展、内陆河流交通水系建设的推进，内陆河流建造码头的需求越来越大。为减少码头建设对河道行洪排涝的影响，高桩梁板式码头结构形式被广泛采用，受沉桩施工条件、地质条件等因素的限制，在较多内河码头桩基应用钻（冲）孔灌注桩，但我国内陆大量分布着岩溶地质，由于溶洞特殊地质构造的影响，桩基的设计和施工存在较大难度，且目前港口行业尚无岩溶地质条件码头桩基设计施工相关技术规范可依[1]。本文通过对江西某内河码头工程实例的研究，给出设计及施工阶段的技术要点，解决了岩溶地区码头桩基设计及施工的难题，可为国内类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

根据江西某内河码头工程地勘资料，工程区域覆盖层为第四系河流相冲积层，下伏有基岩（侏罗系上统砂岩、砂砾岩、二叠系灰岩），钻孔揭示工程区域存在溶洞分布，主要由岩体溶蚀形成，内部充填主要为砾砂，半充填或全充填状态，溶洞发育无规律性。岩溶可见率超过40%，溶洞范围广、深度发育不一，风化面起伏较大，多为高度小于3 m的中小溶洞，偶见高度7 m的中溶洞，表现为单一或串珠形式。

该工程岩溶地区特殊的地质状况（溶洞内充填情况、溶洞发育情况、溶洞形状及分布、溶洞贯通情况等不确定因素），对灌注桩设计及钻进成孔带来较大困难；与一般地质条件下钻（冲）孔灌注桩基础施工相比，岩溶地区灌注桩施工过程中容易出现塌孔、偏斜、埋锤、卡锤、漏浆、断桩等问题，施工难度较大，如果处理不好，容易引发安全质量事故，造成较大经济损失。为解决岩溶地区灌注桩的设计难题及成桩质量，确保工程安全，需在勘察的基础上，从设计及施工关键环节入手，采取针对性对策措施确保桩基质量、结构安全可靠。

2 设计关键技术

2.1 前期勘察

岩溶地区溶洞位置分布、尺度及发育情况等具有不确定性，对桩基础稳定性有直接重要影响，为确保设计可靠性，必须探明地质缺陷，提供详实的地勘资料。目前，常规钻探难以精确查明溶洞分布情况[2]，为此，勘察阶段在加密钻孔间距的基础上，重点采用超声波CT检测、地质雷达物探方法，以提供溶洞位置、大小、充填状况等重要关键信息，确保精细量化到每个桩位。

2.2 计算分析与技术措施

本工程码头宽24.5 m，排架间距8 m，每榀排架布置5根桩，采用φ1 200 mm钻（冲）孔灌注型嵌岩桩，持力层选择中风化灰岩或中风化砂岩，一般情况桩端嵌入岩层深度取3倍桩径（图1）。

2.2.1 洞顶岩体安全稳定验算

根据地勘资料及桩基冲孔施工实际情况，如遇溶洞，应对桩底与溶洞顶的中风化或微风化岩层厚度进行安全复核验算，如不能满足强度要求及岩体存在破坏失稳风险，此时桩身必须穿过溶洞，落入其下方稳定岩层，并满足桩基轴向承载力要求。洞顶岩层厚度是确保岩体安全稳定的关键，目前尚无统一计算方法[3]，本工程拟利用有限元方法对岩体进行力学分析，以验算洞顶岩体稳定安全性。

对该工程某单个溶洞顶部岩体稳定性进行验算（ZK16钻孔，前排桩，具体见图1），灌注桩桩径1.2 m，桩基轴力设计值4 600 kN，溶洞跨度3.6 m，洞高1.5 m，桩底砂岩岩体主要计算参数见表1。

表1 岩体计算参数表Table 1 Calculation parameter of rock

计算采用平面壳单元模型，其中对溶洞周边区域以溶洞中心为点源采用径向加密技术进行网格优化细分，单元划分主要采用四边形或三角形单元，单元总数量1 212个，节点总数量1 236个（图2）。有限元计算得到岩体最大拉应力值为0.56 MPa，最大压应力值为2.23 MPa。另外，定义岩体稳定安全系数为ks=S1，min/σt，本工程溶洞顶部岩体安全稳定系数ks=4.01（大于4.0），可认为岩体安全性满足要求。

图2 有限元计算模型Fig.2 Finite element model

2.2.2 桩基穿越溶洞处理技术

对于本工程穿越溶洞区域桩基，具体设计时根据溶洞尺度、形态等采取针对性措施[4-6]，具体如下：

1）对于单个小型溶洞，采用片石和黏土充填，主要是由于钻孔遇到溶洞时，泥浆会流失，容易引起顶部覆盖层塌孔，遇此情况应提出锤头，采用片石加黏土（体积比1:1）回填，必要时可掺加一定量的水泥，回填1层冲锤冲击1遍，目的是使片石和黏土保持密实。溶洞回填后，向钻孔内注入稠度较大的泥浆，填满片石缝隙，然后再用冲锤冲击，使片石、黏土和泥浆三者混合形成稳定的泥石护壁。若仍出现漏浆，应反复回填、冲击，直至稳定为止。

2）对于较大的半填充或无填充溶洞，有时采用黏土和片石填塞难以成孔，或者成孔后灌注水下混凝土时孔壁坍塌，设计采用灌低标号混凝土方法处理。在锤头击穿溶洞顶板后，先填片石，并反复冲击直至基本填满溶洞，再灌注低标号混凝土，混凝土灌至溶洞顶，待混凝土达到一定强度后再继续冲孔。

3）对于大于7 m或贯通型漏水量较大的中大型溶洞，设计采取溶洞区套内全护筒跟进措施，解决漏浆和混凝土超灌问题。具体措施为设置外钢护筒直径比桩径大15～20 cm，冲击穿过溶洞顶部时应在溶洞顶板处反复慢放轻提冲锤，当锤头受阻明显减小时，说明顶板已被冲穿，此时用钢丝绳活扣绑住内钢护筒，用吊机把钢护筒放入外护筒至孔底，内外钢护筒衔接处用片石加黏土进行填塞。

4）对于钻探发现的串珠型溶洞，设计桩基时应首先考虑尽可能避开串珠溶洞，如无法避开，设计采用回填片石和黏土、灌注低标号混凝土、钢护筒跟进等综合措施保证桩基质量。

2.2.3 利用BIM实现可视化溶洞模型设计

本工程溶洞位置隐伏、体量较大、发育无规律，传统设计手段无法精确直观地对其进行空间描述。本工程设计中，结合超声波CT检测、地质雷达物探数据，利用BIM技术建立含有溶洞发育情况的精确地质模型，可直观呈现溶洞形态、桩位与溶洞的位置关系，并可利用等值线图研究确定具体桩长，准确判断溶洞影响范围，实现溶洞可视可测，并方便选择合适的工程处理措施，避免塌孔、漏浆等不利情况，提高成桩质量及工程结构可靠性，有利于质量管控。

3 溶洞处灌注桩施工关键技术

3.1 施工措施

1）本工程区域岩层主要为砂岩和灰岩，根据岩层特性可选择旋挖钻机和冲锤冲孔两种桩基成孔施工机具。

2）在施工区域准备足量的片石（强度略高于中风化岩）以及黏土，以备在钻孔通过小型溶洞时处理漏浆之用。

3）根据钻探资料反映的溶洞规模，准备钢护筒，以应对大型溶洞。

3.2 常见问题处理

3.2.1 偏斜桩

岩溶地区灌注桩成孔施工过程中，遇到充满填充物的溶洞，而钻头通过溶洞壁时，由于溶洞壁两侧软硬不均，容易导致钻孔偏斜；另外，由于岩溶地区岩层条件复杂，若风化程度不同，岩层界面倾斜，且正好处于成桩孔位，当冲锤冲到斜面时，锤头两边所受阻力差别较大也会造成钻孔偏斜（图3）。

图3 易发生钻孔偏斜地质示意图Fig.3 Geological diagram tend to inclined borehole

对于施工过程中出现了偏孔或斜桩现象，需及时采取以下措施进行处理：施工过程中加强监测钻孔的垂直度，发现偏斜时须立即停止冲孔并提锤，同时向孔内抛填黏土片石混合物并冲填密实，填充物高出倾斜岩面约100 cm，待密实填充物强度与较硬岩层相当时，重新进行冲孔，冲击时采用低锤重击。

3.2.2 卡锤、掉锤、埋锤现象

当溶洞顶板岩石尚未完全破除时容易导致卡锤现象，不均匀受力条件使得冲锤容易发生掉锤，冲击作用容易引起孔壁坍塌发生埋锤，施工过程中主要采取以下措施[7-8]：

1）控制泥浆比例，保证孔壁的稳定性。成孔过程中，如发现孔内泥浆发生漏浆时，应立即上提锤头，同时进行补浆，回填片石和黏土混合物，以防因孔内水头损失过大出现塌孔现象。

2）在冲锤刃脚处加焊形如挖掘机齿状的耐磨块，提高冲孔效率，配置备用锤头，施工过程中对锤头磨损或掉肢等及时修补、检查钢丝绳的损伤情况，使成孔设备保持良好状态。

3）对钻探明确的溶洞位置采用低锤冲进或旋挖钻机切削顶板，同时对孔内泥浆的变化情况加强观测，确保溶洞顶板冲破时能及时提锤；加焊双层打捞环，冲锤各肢都应加钢绳与打捞环可靠连结，防止掉锤或发生掉锤时方便打捞。

4 结语

结合江西某工程实例，通过有限元分析方法对洞顶岩体安全稳定进行验算，提出穿越溶洞区域桩基针对性设计，同时提出前期勘察与BIM技术应用的组合等。对本工程施工关键技术难题进行梳理，给出应对措施，有效解决了灌注桩在岩溶地区码头项目中的应用问题。