我国是全世界岩溶分布面积最广、岩溶地貌类型最典型的国家之一,其分布面积达国土总面积的15%左右,主要集中于西南地区 ^[1,2,3,4]。而贵州是我国碳酸盐类岩石分布的主要区域之一,岩溶分布面积占全省总面积的69.1% ^[5]。

　　 《建筑地基础设计规范》(GB 50007—2011) ^[6]规定:地基基础设计等级为甲级、乙级的建筑物主体宜避开岩溶强发育场地。但是贵州地处云贵高原,属于典型的岩溶山区,建筑用地非常紧张,大多数建筑物都修建在岩溶场地上,甚至有些重要建筑不得不在岩溶强发育场地上修建。由于岩溶强发育场地地质条件复杂,尤其是岩溶发育深度较大的地段,按现有施工机械和施工工艺,常常出现卡锤、埋锤、塌孔等孔内事故。为了解决这类事故,花费了大量的人力、物力、财力; 部分孔内事故无法解决,只能进行设计变更另找桩位,对工期造成了较大的浪费。

　　 针对岩溶发育区桩基础施工过程中的问题及相应处治措施,国内外已进行了一定程度的研究,其中罗大勇 ^[7]采用了钢管桩围护、多级钢护筒护壁、泥浆护壁、黏土+片石回填等工艺对岩溶地层的成桩问题进行了处理,最大处理深度达58m; 戴祖生等 ^[8]通过桩孔内注浆或桩孔壁帷幕注浆的方式对桩基溶洞进行处理,解决了桩孔垮孔、缩颈等问题; 高洪涛 ^[9]通过采取回填、注浆、钢护筒跟进等综合措施,对溶强发育区桥梁桩基的施工技术进行了研究。

　　 对比前人的研究,针对强岩溶场地上民用建筑桩基础桩径大、桩身长、桩间距小的问题,开展复杂岩溶地质条件下超深大直径桩基础施工技术的研究在经济上和技术上都具有较高的实际工程意义。因此,本文以贵阳绿地伊顿公馆典型强岩溶发育场地为依托,通过工程地质勘察、土工试验、工程问题及难点综合分析评价、施工技术方案研究、试桩试验、基桩质量检测等综合方法,对岩溶强发育场地超深大直径桩成孔施工技术进行探索。

　　 贵阳绿地伊顿公馆A区建筑位于贵阳市白云区,地上建筑楼层为33层,地下室2层,设计建筑±0.00标高对应的高程为1 273.70m,地下2层底板高程为1 259.95m,单柱荷载为20 000kN,结构形式为框架-剪力墙结构,设计以③中风化灰岩作持力层,采用大直径桩+筏板的基础形式。在该项目的桩基础中,桩长大于40m的桩有24根。

　　 建筑场地位于云贵高原东部一级剥夷面之上,属我国东部向西部高原过渡地带,地势总体上北高南低,地貌为溶蚀残丘地貌,地形平缓,原始地面高程为1 264.08～1 267.03m,最大高差约为3.0m。区域地质构造单元属扬子准地台(一级构造单元)、黔北台隆(二级构造单元)、遵义断拱(三级构造单元)、贵阳复杂构造变形区(四级构造单元)。场地周边无大断层通过,有两条25°∠30°和190°∠70°优势节理发育,岩层产状89°∠54° ^[10],场地岩土层情况见表1,出露岩层单元为三叠系下统大冶组碳酸盐岩,基岩岩体内溶洞、溶沟、溶槽极为发育,且深度较大,洞内均被软塑-流塑红黏土充填,工程地质条件极为复杂,见图1。

　　 场地地下水为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩溶裂隙水。松散岩类孔隙水主要赋存于第四系松散土层中,无统一水位; 碳酸盐岩溶裂隙水主要赋存于三叠系下统大冶组灰岩溶蚀裂隙和岩溶管道中,沿地层走向及基岩体内溶蚀裂隙和岩溶管道从南向北径流,在北侧麦架河一带以大泉形式集中排泄。场地中地下水埋深在地表下32.0m左右,水位在高程1 226.2～1 228.0m之间。泉水(地下河流)流量为5～10L/s,钻孔单位涌水量0.14～1.19L/s,水量丰富但含水不均匀。水化学类型为HCO₃-Ca型。地下水对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性作用。

　　 场地基岩(灰岩)处于地下水径流带中,地下水活动为场地岩溶发育创造了有利条件。场地中发育的岩溶洞隙在基岩面表现为峰谷交替的石牙、岩溶漏斗及岩溶沟槽,其岩溶发育特征见图2。场地南侧基岩面埋深在地表下3～30m,场地北侧基岩面埋深在地表下6～50m,场地中存在一北东走向的宽大溶槽,溶槽宽度10～25m,长度近100m。

　　 通过对钻探揭露的地质情况进行分析,岩体内裂隙、溶洞、溶沟(槽)极为发育,局部地段深度较大,竖向深度一般为20～70m,最大深度接近83.6m,钻孔遇洞率达45%,溶洞内由软塑-流塑红黏土充填。由于溶洞之间相互连贯、岩体骨架蜂槽结构发育,溶洞顶板岩体破碎,致使溶洞顶板稳定性差。钻探施工期间由于受施工扰动、施工用水的影响,曾出现多处岩溶塌陷现象。

　　 该场地预计桩长大于40m的桩有24根,其中揭露单层溶洞的有6个,占总数的25.0%; 揭露2层溶洞的有16个,占总数的66.66%; 揭露3层溶洞的有1个,占总数的4.17%; 揭露4层溶洞的有1个,占总数的4.17%; 具体见图3。根据统计结果可知,该场地岩溶发育以窜珠状为主。

　　 在24个桩位所揭露的45个溶洞中,小型溶洞(洞高≤1.0m)有3个,占总数的6.67%; 中型溶洞(1.0m<洞高≤3.0m)有4个,占总数的8.89%; 大型溶洞(3.0m<洞高≤5.0m)有7个,占总数的15.55%; 特大型溶洞(洞高>5.0m)有31个,占总数的68.89%; 具体见图4。分析数据表明,岩溶发育以大型、特大型溶洞为主。

　　 该场地的岩溶发育特征具有强岩溶发育场地的典型代表性。

　　 泥浆护壁回转钻进设备和旋挖钻进设备因地质条件复杂和施工能力有限无法实施,冲击成孔虽然可选用能力强的机型,但在对桩长小于40m的桩进行施工时,因岩溶强烈发育,且溶洞呈窜珠状发育,较多桩孔在施工过程中穿越岩溶洞隙时出现了卡锤、埋锤、掉锤等孔内事故。对于深度大于40m的超深桩孔,其成孔难度更是不言而喻。

　　 本工程大于40m的桩共有24桩,其中40m<桩长≤50m的有13根,50m<桩长≤60m的有6根,60m<桩长≤70m的有2根,70m<桩长≤80m的有2根,桩长大于80m的有1根,桩孔深度达85m,无类似地质条件和深度的桩孔施工经验可以借鉴。

　　 基桩成孔质量主要由桩径、孔深和孔壁垂直度三项指标控制。该场地地下水水位在高程1 226.2～1 228.0m之间,水位以下有大量的溶洞、溶沟(槽)。基桩成孔施工期间,在冲击振动和地下水的影响下,溶洞充填的土体的结构极易遭受破坏而出现“流土”现象,导致垮孔等事故,浇筑混凝土时也极易出现“缩径”现象。同时由于桩孔深度较大,且溶洞、溶沟(槽)底部多呈倾斜面,因同一断面上存在软硬不均、强度差异较大的情况,机械成孔过程中桩孔偏斜现象十分普遍。一旦桩孔倾斜严重,基桩质量将难以满足设计和使用要求。

　　 岩体内深部岩溶洞隙发育且大部分相互连通,在桩身混凝土浇筑过程中混凝土经常出现大量漏失超灌、窜孔等现象,造成了较大的经济损失。

　　 由于机械成孔桩,勘察技术人员无法下孔验槽,不能像人工挖孔桩一样可以直观地检查孔底地质情况和在孔底进行钎探检验。而该场地岩溶强烈发育,且基岩面起伏较大,同一桩位基岩面相差可高达数米。因此,如何保证基底全断面范围内为完整基岩,同时排除持力层范围内可能存在隐伏溶洞,是该项目需要解决的另一难题。

　　 根据以上存在的问题和难点,本工程40m以上的超深桩孔直径为2.0m,采用先对桩位进行超前钻探,然后对桩位一定范围内进行预注浆处理,再采用冲击成孔技术进行施工成孔的施工工艺 ^[12,13]。

　　 在岩溶强发育场地,采用机械成孔桩基础时,因无法验证桩底情况,应增加钻孔数量来控制基底岩溶发育形态,排除持力层范围内可能存在的隐伏溶洞。本工程在桩位处先进行超前钻探施工,每桩超前钻探孔数量为3个,按等边三角形布置,平面布置见图5。采用XY-150型钻机施工,查明桩底下持力层的完整情况,钻探深度控制在进入基底下完整③中风化灰岩厚度不小于5D(D为桩径),对3个超前钻探孔钻探资料和详勘钻孔资料作对比分析,以最深岩溶底板深度加上0.5m嵌岩深度作为设计桩长,确保桩底下持力层范围内无隐伏溶洞存在。

　　 注浆工艺流程如下:测放孔位→钻孔→钻孔冲洗→压力注浆。

　　 以桩孔中心为圆心,直径3.0m范围为处理范围,注浆孔以桩孔平面位置为中心,在直径3.0m的圆上呈环形等间距布置外围孔,注浆孔弧线间距1.05m,共计9个外围注浆孔,为节约钻探工作量,内部孔采用超前钻探孔,每个基础共布置12个注浆孔,注浆孔平面布置见图6。

　　 根据图6所示钻孔序列号,外围孔定义为孔①,内部孔定义为孔②,按“外围封孔+内部填充”的处理原则,采用XY-150钻机按先施工孔②再施工孔①的顺序进行钻探施工。由于内部孔采用超前钻探孔,在施工外围孔之前,应将内部孔浅表回填土孔段下套管保护好。若超前孔不能满足注浆孔要求或在施工外围孔的过程中遭到破坏,在施工好外围孔后应重新施工内部孔。所有注浆孔钻探深度应到预计桩端以下1.0m。在钻孔过程中要保证钻探深度的有效性和钻探孔的垂直度。

　　 注浆前应对注浆孔进行冲洗,将钻探施工结束后残留在孔内的岩屑和泥皮清除,提高注浆效果。冲洗时浆注浆管下至孔底,注入0.8～1.0MPa的压力水流,从孔底向孔外进行反复冲洗,当孔口回水为清水时,可终止钻孔冲洗。

　　 注浆施工采用纯压式孔口封闭灌浆法,注浆压力 ^[14]采用理论与现场实际相结合的方法确定。注浆为全孔段孔浆,注浆顺序为先施工孔①再施工孔②。注浆过程中应根据钻孔记录,并结合溶洞发育位置采用合理的注浆压力。为了防止注浆压力过大发生地面抬动或破坏岩层,经现场反复试验确定,孔①注浆压力为0.6～1.0MPa,孔②注浆压力为1.5～2.0MPa,溶洞发育段选用大值,岩质段选用小值。注浆浆液采用42.5普通硅酸盐水泥,按照0.8∶1,0.6∶1,0.4∶1三个水灰比比级进行配制,注浆时浓度由稀到浓,逐级变换。

　　 预注浆处理结束待凝固体强度达75%以上后,采用CK2500型冲击钻机进行桩孔施工,施工工艺为泥浆护壁正循环冲击成孔。钻进施工中应对照地质资料,对③中风化灰岩应采用大冲程(3～4m)冲击,对溶洞注浆处理段应采用中小冲程(1～2m)冲击。钻孔过程要随时保持孔内泥浆面高度高出钢护筒底口500mm以上,出现孔内漏浆应及时补充泥浆,以防止发生孔内塌孔事故,成孔施工桩孔结构见图7。

　　 由于桩孔深度较大,且地质体不均匀,桩孔的垂直度是成孔质量控制的一个关键点。桩孔一旦发生偏斜,将会影响桩基施工进度和单桩承载力,严重时将会导致基桩质量不合格。为确保桩孔的垂直度,采用ZJS-1智能测井仪对桩孔施工进行全程跟踪测试,测试成果图见图8。经对该24根桩孔进行跟踪测试,即时反馈测试数据指导施工,最终所有桩孔倾斜度均小于0.5°,桩孔垂直度满足《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)和设计要求。

　　 持力层的检查是确保桩底持力层质量的关键环节,由于采用泥浆护壁机械冲击成孔,勘察技术人员无法下孔来进行孔底持力层检查,持力层检查时只能通过钻探资料和桩孔深度进行判断。因该场地基岩面高差起伏较大,且桩底面积较大,为保证持力层范围内全断面为完整基岩,当成孔施工达到设计桩长后,采用XY-100型钻机进行桩底持力层检查,如图9所示。通过钻探对桩底按0.3～0.5m等间距进行触探检查,一旦发现孔底有溶槽存在,则将设计桩长进行加长处理,确保桩底以下无溶槽存在。

　　 桩孔孔底沉渣过厚将会影响单桩承载力,当桩孔质量满足设计要求后,应立即进行清孔,以免时间过长沉渣沉淀,造成清孔困难。清孔采用换浆法,桩孔经持力层检查满足设计要求后,将冲击钻头在孔内上下慢速提放,然后注入净化泥浆,置换孔内含渣泥浆。清孔时,注意保持合适的泥浆比重,防止坍孔。当孔内泥浆比重≤1.1、黏度在17～20Pa·s之间、含砂率<2%、胶体率>98%时,测量孔底沉渣厚度是否不大于50mm,当孔底沉渣厚度≤50mm时,即停止清孔作业,放入钢筋笼进行水下混凝土灌注。

　　 在基桩检测的方法中,声波透射法能从剖面有效地检测桩身混凝土的完整性; 钻芯法的检测结果能直观地反映检测点处桩身混凝土的完整性,同时还可以检测桩身混凝土的强度以及桩端持力层的情况。由于场地地质条件极为复杂,且工程桩为超深的机械成孔桩,为确保桩基础的质量,本工程针对24根超深桩同时采用声波透射法和钻芯法进行质量检测。

　　 每根桩埋设了4根声测管对基桩进行完整性检测。检测结果显示,24根桩中有21根为Ⅰ类桩,有3根为Ⅱ类桩。

　　 本工程的24根超深桩桩径为2.0m,要求每根桩抽芯钻孔数量应为3个。但考虑到已进行了100%的声波透射法检测桩身完整性,所以抽芯钻孔数量按每桩1孔布置,钻芯成孔后,在抽芯钻孔内进行孔内摄像验证。若抽芯发现桩身质量存在缺陷,再增加抽芯钻孔数量。

　　 钻芯法检测结果显示,24根桩桩身完整性均为Ⅰ,Ⅱ类桩,桩底均无沉渣,在桩底以下5D范围内持力层未发现岩溶洞隙。桩身混凝土强度、桩端持力层的承载力满足设计要求。

　　 (1)本工程采用超前钻探准确地确定了桩端位置,通过预注浆处理技术对岩溶洞隙内的软塑-流塑状红黏土充填物进行固化处理,有效地避免了冲击成孔施工过程中的卡锤、埋锤、掉锤、偏斜、缩径、塌孔等孔内事故和机械成孔桩桩底沉渣厚度控制不理想的问题,较好地解决了强岩溶区复杂场地的成桩难题。

　　 (2)采用钻芯法和声波透射法对基桩质量进行检测,检测结果均满足设计和规范要求,验证了该施工技术方法的有效性,确保了桩基础的成桩质量。