深圳岩溶地区某超高层项目嵌岩桩基础设计探讨

吕 辉，徐宇鸣

（1、中建科工集团有限公司 深圳 518038；2、深圳市华阳国际工程设计股份有限公司 深圳 518038）

0 引言

我国可溶岩地貌分布较广，是世界上溶岩最发达的国家之一，深圳市的龙岗、坪地、坪山、葵涌镇等多地可溶性碳酸盐类岩石（灰岩）分布广泛［1］，侵蚀性水（含CO2）以地表水下渗及地下水流动的方式反复溶蚀，在灰岩中下形成溶洞、溶沟、裂隙、暗河、石芽等不良地质，主要发育形成覆盖型岩溶地貌，灰岩层直接上覆较软土层，基岩面起伏较大，且灰岩内形成单个或串珠状溶洞。

随着特区发展，越来越多的超高层建筑新建于岩溶地区之上，如何选用合适的基础型式、合理的施工勘察手段及数量、稳定的持力层，对于每个岩溶上盖项目都至关重要。

1 项目概况

某项目位于深圳市坪山区，由1栋1单元、1栋2单元、1栋3单元3栋超高层住宅塔楼、2层裙房、3层地下室组成，1 单元、2 单元结构体系为部分框支剪力墙结构，转换楼盖位于5 层，3 单元结构体系为剪力墙结构，3栋塔楼主屋面高度约为142 m。两层裙房因建筑功能需求裙房未设缝，形成多塔大底盘结构。1 栋1单元、2单元、3单元地基基础设计等级为甲级。

2 地质情况

根据本项目岩土详勘报告，本场地土的分层自上而下依次为：人工填土，第四系冲洪积层，石炭系灰岩层。场地位于隐伏岩溶区分布有可溶性的灰岩地层，岩溶较发育，灰岩埋深变化甚大，基岩层内发育溶洞，溶洞大小不一，埋深及分布无规律，其洞内多为半充填。该栋有19 个钻孔揭示溶洞，（洞高0.40～5.70 m，洞顶标高-17.10～12.83 m），见溶洞率为：19 孔/78 孔×100%=24.36%，为岩溶中等发育场地，未发现土洞。岩土层力学参数建议表如表1 所示，典型工程地质剖面如图1所示。

表1 岩土层力学参数建议Tab.1 Suggestions on Mechanical Parameters of Rock and Soil Layers

图1 典型工程地质剖面Fig.1 Typical Engineering Geological Section

3 基础选型分析及设计

3.1 岩溶地区常用基础型式

岩溶地区基础选型应综合考虑岩溶发育情况、上部结构、环境要求、经济性等因素，合理选用基础型式。

3.1.1 浅基础

如天然地基承载力满足上部结构承载力要求且基岩面上覆土层稳定时，基础型式宜优先选用浅基础；如基岩面上覆土层存在土洞等不稳定因素时，应进行地基处理，将地基承载力特征值提高至满足上部结构承载力要求时再行采用浅基础型式。

浅基础型式宜选用整体性较好的筏形基础、柱下交叉条基或箱型基础［1］。

3.1.2 桩基础

岩溶地区常采用桩型：机械成孔灌注桩（钻孔桩或旋挖桩）、人工挖孔桩、摩擦型静压预应力管桩等。经查阅大量文献、规范及资料，分析总结各桩型适用情况如下：

⑴机械成孔灌注桩

适用条件：上部结构对单桩承载力特征值要求较高、串珠状溶洞地区穿越溶洞时可采用。

优势：因易入岩、施工速度快、桩长不受限制及对复杂地质条件克服能力较强被广泛使用。

缺点：存在清孔除渣难、桩身质量控制难和对场地及周边污染大等问题。

⑵人工挖孔桩［2］

适用条件：岩溶轻度发育地区且上覆土层为非粉砂层并且地下水不丰富，经施工勘察研判桩基持力层基岩面埋藏较浅（一般距离底板底不超过15 m 为宜）且无串珠状溶洞时可采用。

优势：施工时可在孔内直接检查成孔质量，观察地质土质变化情况；桩底清孔除渣彻底，易保证混凝土浇筑质量如选用该桩型，桩基一般在基坑底施工，一般与机械成孔灌注桩结合使用。

缺点：存在安全性较差的问题。

⑶摩擦型静压预应力管桩或CFG桩［3-6］

适用条件：①岩溶地区上覆土层较厚且稳定时；②上部结构对单桩承载力要求不高时。

优势：①可充分利用上覆土层的侧阻力，桩、土及筏板的协同作用形成刚性复合地基满足承载力要求；②采用摩擦型预应力管桩可以避免桩尖触碰到岩溶陡峭基岩面，造成桩身倾斜甚至断桩的现象；③灌注桩桩身成桩质量较难保证时可优该桩型；④对地基承载力特征值要求不高时可采用CFG桩。

缺点：①单桩承载力较低；②施工时易碰到溶洞地区石芽等情况造成桩身折断；③处理后承载力较低。

3.2 基础选型及设计

根据详勘揭示，灰岩埋深变化甚大，桩底地基土层为〈2-4〉含砾粉质黏土，承载力特征值为180 kPa，故塔楼基础不适合浅基础；

因岩面距离底板底地下室底板较浅，注浆摩擦灌注桩承载力达不到承载力需求，故不适合；

因本工程施工顺序为先打桩再进行基坑开挖且新建场地地下水丰富，故不适合人工挖孔桩。

根据对塔楼上部结构计算分析得到单栋1.0 恒+1.0活工况下基底竖向荷载约为650 000 kN，单层塔楼面积640 m2，单位面积荷载为1 015 kN/m2，故复合地基无法满足承载力需求，故不适合。

因此本项目塔楼基础型式选用旋挖成孔灌注桩，持力层为灰岩，通过盈建科对塔楼基础进行计算分析，桩径选用1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm、2 000 mm，桩端嵌入灰岩1 m，单桩承载力特征值分别取14 000 kN、18 000 kN、22 500 kN、26 000 kN，桩长根据超前钻勘察研判，桩端稳定持力层厚度满足3d（d为桩基直径）且不小于5 m 的要求［7］，为提高塔楼下各基桩协同工作能力，承台按筏形设计，承台厚度取为1 800 mm。以1栋2单元为例，其基础平面布置如图2所示。

图2 1栋2单元基础平面布置Fig.2 Layout Plan of Foundation for 1 Building and 2 Units

根据裙房及地下室上部结构计算及持力层分析，基础型式选用筏板基础加抗浮锚杆，基础持力层为〈2-4〉含砾粉质黏土，筏板厚度取为600 mm。

4 桩基施工勘察

岩溶地区嵌岩桩应嵌入可靠基岩面，根据文献［1］9.1.6 条第1 款规定“端承桩桩端下完整基岩层厚度不宜小于3d（d为桩径）且不小于5 m”，且因岩层表面起伏甚大，可能存在隐伏沟槽、岩面石芽、溶槽，如桩端落于岩面隆起或斜面处，有可能导致滑桩，故规范要求桩端应力扩散范围内应无岩体临空面。

根据详勘阶段的孔点密度，不能为桩基设计及施工提供精度很高的稳定基岩面等高线，因此无法提供每根桩端稳定持力层位置，故在桩基选型和布置基本确定后应进行专项施工勘察，根据施工勘察报告研判每根桩稳定持力层深度，确保每桩的设计施工安全可靠［8-9］。

4.1 规范建议布置原则

根据文献［1］4.3.9 条规定“对于岩溶中等及强烈发育的场地，对于承载力较大的大直径嵌岩桩，宜采用一桩多孔或钻孔结合孔中物探方法确定持力层性状一桩多孔数量宜符合表2规定。”

表2 不同桩径下钻孔孔数布置Tab.2 Arrangement of Advance Drilling under Different Pile Diameters

4.2 超前钻优化布置

超前钻布孔数量文献［1］仅为“宜条”，实际工程中溶洞发育复杂且无规律，对于单桩下的每钻孔勘察的岩面标高存在相差较多的可能，一次性勘察很难确定每根桩的基岩面标高。本着主要矛盾重点勘察的原则，设计团队选择了分阶段布孔勘察，原则如下：

4.2.1 第一阶段超前钻孔位布置

第一阶段超前钻勘察目标为初探桩底地质情况勘察：

⑴ 每根桩布置1 个钻孔，钻孔位置距桩中心0.25d；

⑵对桩底稳定持力层的钻探深度不小于4d且不小于8 m。

4.2.2 第二阶段超前钻布孔原则

⑴分析第一阶段各桩端溶洞发育情况、纵横剖面、覆土下基岩面等高线、稳定基岩面等高线。

⑵研判第二阶段超前钻孔点数量：①对于第一阶段钻孔揭示桩端下存在溶洞时，第二阶段应严格按文献［1］要求布置超前钻点位（简称溶洞桩）；②对于单柱单桩且周边无其他桩帮忙时按规范要求布置；③对于相邻桩的桩底高差大于1倍桩的中心距时，按规范确定钻孔数量（简称相邻桩）；④对于未发现溶洞，且承载力留有适当富裕时可适当减少钻孔数量（简称为其他桩）。不同桩径下钻孔孔数布置如表3所示。

表3 不同桩径下钻孔孔数布置Tab.3 Arrangement of Advance Drilling under Different Pile Diameters

⑶第二阶段钻入稳定基岩面深度要求：根据第一阶段钻探揭露，且以每栋塔楼为标准单元分析。

①根据见洞隙率判断：如该栋塔楼场地见溶率较大（≥25%）时钻探深度不应小于桩端以下4d且不小于8 m，如该栋塔楼场地见洞隙率较小（＜25%）时，钻探深度不应小于桩端以下3d且不小于5 m。

②根据相邻桩灰岩面起伏情况判断：对于相邻桩的灰岩面起伏较大时（见图3），加深桩端标高较高桩端入岩，钻探深度不应小于桩端以下3d且不小于5 m。

图3 相邻桩桩底高差较大研判Fig.3 Research and Judge for Difference in Pile Bottom Height

③后续根据桩端持力层研判原则，确定是否需补充钻孔及确定所需钻孔深度。

4.3 本项目施工勘察

本项目以1栋2单元、3单元为例分析，2单元第一阶段超前钻见洞隙率为32/45=71.1%，3单元第一阶段超前钻见洞隙率为8/41=19.5%，场地灰岩层岩面起伏较大。

勘察孔数量根据表3情况确定，1栋2单元要求钻入稳定基岩面深度不小于8 m，3单元钻入稳定基岩面深度不小于3d且不小于5 m，对于相邻桩基岩面起伏大时，加深桩端标高较高桩端入岩，钻探深度不应小于桩端以下3d且不小于5 m。

5 桩端持力层及桩长研判原则

5.1 桩端应力扩散范围内应无岩体临空面时研判

直径小于2 m 桩需有不少于二孔超前钻数据，取最低稳定基岩面作为桩端持力层位置；直径2 m 桩需有三孔超前钻数据，取最低稳定基岩面作为桩端持力层位置（见图4）。稳定持力层为桩端下完整基岩层厚度≥3 m且不小于5 m。

图4 稳定基岩面确定Fig.4 Determination of Stable Bearing Stratum（m）

5.2 桩端应力扩散范围内有岩体临空面时研判

可能导致滑桩或桩基失效的临空面一般包括陡坡面（见图5⒜）、鹰嘴岩面（见图5⒝）、水平状洞顶临空面（见图5⒞、图5⒟）三种类型［10］，基于5.1 节基础上针对不同类型临空面提出研判桩底持力层位置建议方法。

⑴桩端如遇陡坡面时，研判原则详图5⒜，建议应力扩散角参考30～40°；

⑵桩端如遇鹰嘴岩状况时，研判原则详图5⒝，桩端应穿越鹰嘴岩层达到稳定基岩面；

⑶桩端如遇水平状洞顶临空面（一）情况时［11］，研判原则详图5⒞，桩端位于完整及较完整岩石的溶洞顶板，并已知顶板厚度和裂隙切割情况时，应参照文献［12］附录C及3.3.2条对溶洞顶基岩进行抗弯、抗剪及抗冲切验算；

图5 可能导致滑桩或桩基失效的临空面Fig.5 Void Surfaces That May Cause Sliding Piles or Pile Foundation Failure

⑷桩端如遇水平状临空面（二）情况时，研判原则详图5⒟，应穿透溶洞找到稳定岩面作为桩端持力层；

⑸桩端如遇因溶洞导致相邻桩底高差较大时，研判原则如图3 所示，溶洞范围桩进入持力层深度从溶洞底起算，桩顶标高较高的相邻桩入岩起算点与相邻低桩初入岩面夹角不应小于45°，且保证桩底≥3d且不小于5 m基岩内无临空面。

6 结论

⑴根据详勘报告揭示的不同场地地质情况，选择合适的基础类型。

⑵针对场地岩溶发育情况，建议以每栋作为勘察单元，合理优化布孔进行超前钻勘察。

⑶因岩溶发育状态横向和纵向变化较大，超前钻探结果虽直观，但因数量限制，不能完整的反应出岩溶发育形态，针对岩溶强烈发育地区建议采用超前钻与物探结合的方式进行施工勘察，前期建议加大施工勘察力度，为后期设计及施工桩端持力层研判提供可靠依据，提高施工效率且可避免因勘察不详带来的安全隐患。

⑷超前钻及物探等勘察的结果，作为桩基施工时终孔的参考依据，如桩基施工成孔发现与超前钻评估不符时，应重新补勘，不得盲目施工。