典型喀斯特地区地下室抗浮锚杆设计及施工要点

张 怀 生

(江苏科泰岩土工程有限公司，江苏 泰州 225300)

1 概述

随着经济的持续发展，土地资源越来越紧张，为了更加充分地利用土地资源，建筑物在不断增高的同时，不断向地下发展，地下室不仅越来越深，而且规模越来越大，从而对建筑物的抗浮提出了更高的要求。因为地下水位较高时，根据阿基米德定理，建筑物所受浮力的大小等于建筑物排开地下水的重量。建筑物处于地下的结构体积和深度越大，建筑物所受的浮力也越大。建筑物受到浮力过大时可能出现裂缝、起拱和位移等现象，引起一系列质量安全问题，为了抵抗建筑物所受的浮力，抗浮锚杆是建筑结构设计上一种常用的方法。抗浮锚杆具有造价低、效率高和应用范围广等一系列优点。但对于喀斯特地区，由于溶洞、土洞、基岩面展布复杂多变、不同性质地下水等存在，对抗浮锚杆设计及施工、施工质量控制要点等提出了全新的挑战，提出了更高的要求。现以喀斯特地区带4层地下室的高层建筑物项目为案例，进行抗浮锚杆在喀斯特地区的设计及施工应用研究，供设计、施工同行参考。

2 地质情况及设计要点

2.1 地质情况

场地范围内地层发育情况自上而下为：1)耕植土：灰黑色，稍湿～湿，结构疏松；主要由黏性土组成，含植物根茎、腐殖质，具臭味。该层分布于整个场地浅表层。层厚0.30 m～2.50 m，平均约0.97 m。2)粉质黏土：灰褐色，可塑，饱和，冲洪积成因；主要成分为粘粒。厚度1.00 m～2.00 m，平均约1.60 m。3)粉细砂：黄褐色，灰褐色，主要由细砂、粉砂组成；矿物组成主要为石英、长石；湿～饱和；松散。厚度1.00 m～3.00 m，平均约2.17 m。4)红黏土：褐黄～褐黄色，硬塑～软塑，饱和。主要由黏粒组成，含少量铁锰质。偶见土体裂隙。厚度15.30 m～22.50 m，平均约19.65 m。5)灰岩：灰～灰黑色，分布于整个场地。呈中风化状为主，厚度0.20 m～167.50 m，平均层约3.67 m。6)灰岩：灰～灰黑色，微风化；该岩层属稳定下卧基岩，分布于整个场地，勘察揭露该层顶面埋深一般为0.60 m～40.30 m，勘察钻探该层未揭穿。

根据附近场地的工程实践，地下实际灰岩面十分复杂，地下溶沟、溶槽以及地层界面高低起伏、透镜体、孤石、石笋等喀斯特典型地貌十分发育。下伏岩溶裂隙水为喀斯特覆盖型溶洞裂隙水，具有一定的承压性，主要赋存和运移于灰岩的溶洞、裂隙之中，少量赋存于土体裂隙中。

2.2 设计要点

对于地下室的抗浮设计，由于该场地地下水对地下室的影响主要为喀斯特岩溶裂隙水，地下水位较高。综合考虑场地地形地貌、地表水系、地下水补径排条件等因素，项目抗浮设防水位取室外地坪标高。

本工程地下室抗浮措施采用岩石锚杆，并可结合局部工程桩共同作用。抗浮锚杆采用面状均匀布置，在地下室底板下均匀布置；该方案适用性广，可节约地下室底板梁板配筋。抗浮锚杆设计需要验算以下内容，以保证地下室的稳定性：1)锚杆钢筋截面面积；2)锚杆锚固体与土层的锚固长度；3)锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度；4)土体或岩体的强度验算；5)设计水位是否合理；岩层极限粘结强度标准值根据灰岩的风化程度取150 kPa～300 kPa，在全面展开锚杆施工前应先作锚杆抗拔试验，以验证锚杆设计方案的合理性，并及时调整方案。

其他辅助措施：1)由于喀斯特地区降水较丰富，而基坑、地下室施工时间较长，因此务必做好基坑、地下室内的抽排水措施，严禁地表水流入肥槽内。2)基坑施工完成后，务必控制好基坑肥槽内回填土质量，做好止水措施或降水措施，防止地表水渗入肥槽内，确保项目全寿命期内地下水位低于业主要求的水位。

3 工艺流程及施工要点

3.1 工艺流程

该抗浮锚杆项目主要包括锚杆定位放线、钻进成孔、接钻杆、锚杆安装、注浆、二次补浆和养护验收等工序。

3.2 土洞、溶洞地面塌陷防治

本抗浮锚杆工程位于岩溶地区，在岩溶地区常常会出现喀斯特地区常见的地面塌陷现象，该现象多由土洞引发，而土洞主要是地下水活动对土层产生的潜蚀、真空吸蚀等作用而造成。如长期大量抽取地表水及浅层地下水，土颗粒随地下水流失，则容易引发土洞的产生。鉴此，本工程应高度重视土洞、岩溶地面塌陷的防治，具体防治措施如下：

1)通过综合勘探，查明该岩溶地区水文地质情况，地下水类型，地下水分布规律，综合分析制定工程的降水、截水和回灌方案，防止地下水位变化引起地面塌陷。2)对于浅埋土洞，当可能引起地面塌陷时，可采取抛石夯实的方法进行处理，当需要时也可采取压力灌浆法。3)对于深埋土洞，当可能引起地面坍塌时，可采用压力灌浆法处理。

3.3 钻进成孔

对于岩溶地区抗浮锚杆成孔，一方面需要在岩层中成孔，岩石硬度较大，对成孔设备的动力要求较高，另一方面由于溶洞和土洞的存在，在成孔过程中易发生突然岩层破裂的现象，因此对设备的稳定性要求较高。本项目钻进成孔采用YC420S露天潜孔钻车，本项目锚杆成孔深度平均20 m，入岩深度平均5 m，采用潜孔钻车每台机每天可以成孔10个以上，较传统成孔设备的每台机每天3个孔大幅增加。孔距误差水平方向不应大于50 mm，垂直方向孔距误差不应大于100 m。

为保证施工质量，在成孔过程中要把握以下要点：1)锚杆锚固体与(岩)土层的锚固长度应取有效锚固长度，由于基坑开挖会对底板下土体有一定扰动，扰动较大时锚固长度要加30 mm～500 mm。2)为保证钻杆垂直，在钻杆上加装扶正器使钻头、钻杆保持在锚杆孔的中心位置，减小锚杆孔的弯曲。扶正器按每2节～3节(3.6 m～5.4 m)钻杆加装一个，具体可按锚杆孔的垂直度情况增减。3)成孔前要垫平钻机，保证机台的平整度，钻进过程中采用孔口支撑。4)钻进过程中要防止溶洞中的承压水的影响，当距离含承压水的溶洞1 m时，应控制钻进参数，降低钻进速度至100 mm/min以下，钻杆转速不超过100 r/min。遇溶洞冒水应立即停止钻孔，并观察孔内情况并采取适当措施，待溶洞水下降后方可继续钻进。

3.4 锚杆安装

锚杆放入钻孔之前，应重点检查锚杆钢筋连接处的质量，确认清孔质量并测孔深。锚杆安装后进行灌浆时应对锚杆有可靠支撑，锚杆长度应按设计要求，与设计长度误差不超过1%。

对于较小溶洞，因为土洞、溶洞相互连通，如果不进行处理，在之后的注浆过程中会出现浆液随溶洞大量流出的现象，造成浆液的浪费，增加施工成本。

为了防止注浆时浆液随溶洞流出，采用PVC薄管穿过溶洞，PVC薄管外径与孔径内径一致，上下边各高出溶洞孔上下边缘500 mm，通过固定连接件与锚杆钢筋相连，固定连接件横向分布3根，分别连接3根锚杆钢筋和PVC薄管,纵向分布规律与固定锚杆用钢筋分布规律一致，宜为每1.5 m一段，也可根据情况适当加密(见图1)。在制作带PVC薄管的锚杆前，应确定好溶洞大小及位置，并根据其大小位置确定PVC薄管的尺寸及位置；锚杆在安装过程中应对正缓慢下放，避免与孔壁发生碰撞造成PVC薄管变形。通过下放带PVC薄管的锚杆，PVC薄管对小型溶洞形成封闭，在注浆过程中浆液将沿着PVC管向下，从而防止注浆时浆液流入溶洞造成浆液流失。

对于较大溶洞，应先回填再进行抗浮锚杆的施工，回填材料可用片石、粘土混合物或低等级混凝土等。

3.5 二次补浆

抗浮锚杆安装后先进行一次注浆，注浆材料采用水泥砂浆，其配合比按水泥∶砂∶水为1∶0.6∶0.45选用，注浆压力0.3 MPa～0.5 MPa，注浆采用孔底返浆法，从孔底到孔口连续进行注浆，直至浆液从孔口溢出停止注浆。对于溶洞处的抗浮锚杆宜添加速凝增强剂，从而加快水泥砂浆的凝固，防止水泥砂浆沿缝隙流入溶洞，造成浆液流失。为保证一次注浆质量，水泥砂浆应严格按配合比配制，搅拌均匀,随拌随用,浆液应在初凝前用完,并严防石块、杂物混入浆液，注浆前应对压浆管路进行施压，检查管道通畅情况，在注浆过程中管路应保持畅通。

对于喀斯特地区的抗浮锚杆项目，由于溶洞的存在，抗浮锚杆的锚固力可能会有所损失，加上一次注浆所采用的水泥砂浆凝固过程中会发生收缩形成孔隙影响抗浮锚杆的受力，为了增加锚固力，确保抗浮锚杆发挥预定的功效，二次注浆工艺的质量控制就显得尤为重要。通过二次注浆工艺使水泥浆冲破薄膜及初凝砂浆，注入到砂浆、松散层之间和松散层内，不仅能增强固结体与周围松散层孔壁间的粘着力，而且使浆体进入松散层内提高了锚固段松散层的抗剪力。

二次注浆前，应检查制浆设备、灌浆泵是否正常，送浆管路是否畅通无阻；二次注浆采用水灰比0.5的纯水泥浆，水泥采用P.O42.5级，注浆压力2.0 MPa～3.0 MPa；二次注浆在一次注浆形成的水泥结石体强度达到5.0 MPa时进行，一般为一次注浆后4 h～6 h。注浆设备应满足浆液生产能力和额定压力的要求，注浆中断超过30 min时，应用水或稀水泥浆润滑注浆管及其管路。

4 结语

通过采用本文介绍的施工要点，实现了抗浮锚杆在岩溶地区的高效施工，施工的抗浮锚杆达到了设计要求，并得出以下结论：1)对于岩溶地区地下室的抗浮锚杆宜采用面状均匀布置，在地下室底板下均匀布置，可节约地下室底板梁板配筋。2)当距离含承压水的溶洞1 m时，钻进过程中要防止溶洞中的承压水的影响，控制钻进参数，降低钻进速度。3)对于小溶洞钻进成孔后可采用PVC薄管穿过溶洞，注浆过程中浆液将沿着PVC管向下，防止注浆时浆液流失。4)较大溶洞应先回填片石、粘土混合物或低等级混凝土等，填充溶洞后方可进行抗浮锚杆施工。