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1、喀 斯 特 地 质 中 的 嵌 岩 桩 基 础 施 工 工 法 1喀斯特地质嵌岩灌注桩基础施工工法李明辉1、前言喀斯特是具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称，又称岩溶地貌。喀斯特是南斯拉夫西北部伊斯特拉半岛碳酸盐岩高原的地名，当地称为 Kras，近代喀斯特研究发轫于该地而得名。喀斯特地貌分布在世界各地的可溶性岩石地区，其中以广西、贵州和云南东部所占的面积最大，是世界上最大的喀斯特区之一。喀斯特地质作为云贵高原特有的地质形态，地处昆明湖积盆地边缘与骆峰山斜坡交接地带的昆明市园通山，就属于典型的具有裸露型、地下埋藏型相结合的喀斯特地质地貌。由于喀斯特地区地下潜水丰富
2、、土洞溶洞以及溶蚀裂隙发育、地下石牙石笋林立，高层建筑在设计时考虑建筑物不均匀沉降及基础承载力等因素，因不宜采用天然基础而普遍采用了嵌岩灌注桩基础。受“99 世博会”的推动，90 年代以来昆明的城市建设飞速发展，建在园通山附近和青年路沿线的高层建筑，无一例外的遇到了这一地质条件下的嵌岩灌注桩基础施工难题，很多工程在桩基础施工时单纯的采用人工成孔、冲击成孔或螺旋钻孔等成孔方法，造成基础施工长达一年之久也无法完成施工任务。为解决这个施工课题，云南建筑施工业进行了很长时间的艰难探索。直到国家经贸委昆明培训中心工程，在该工程典型的喀斯特地质地嵌岩灌注桩基础施工中，终于探索出了“人工成孔+冲击成孔+导管
3、法水下砼灌注”相组合的科学的施工工艺，克服并解决了喀斯特地质嵌岩灌注桩基础施工中溶洞、裂隙、流泥、地下水以及塌孔、偏孔、成孔不圆、坠锤和混凝土流失等施工难题，仅四个月就成功完成了该工程深达 30m 的嵌岩灌注桩基础施工，最终解决了 “喀斯特地质地貌嵌岩灌注桩基础”这一施工难题。之后，喀斯特地质地嵌岩灌注桩基础施工技术进行了全面系统的总结、得到发表和推广应用，在昆明类似的工程均顺利完成了基础施工任务。以喀斯特地质地嵌岩灌注桩基础施工核心技术之一、题为喀斯特地质泥浆护壁冲击成孔施工工法申报为云南省 2007 年度施工工法。2、工法特点2.1 喀 斯 特 地 质 中 的 嵌 岩 灌 注 桩 施 工
4、工 法 是 以“人工成孔+冲击成孔+导管法水下混凝土灌注”三种施工工艺结合而成。它最大的特点是以一种工艺复合的工法，单一的工艺或两种施工工艺组合，都难以全面解决该地质条件下嵌 岩 桩 施 工 所 存 在 的 难 题 、 完成施工任 务 ；2.2 该工法对于喀斯特地质嵌岩桩施工，具有普遍性广、适应性强的特点。这种特点体现在无论喀斯特地质场地中地下水流量情况如何、基岩溶蚀程度如何，采用以“人工成孔+冲击成孔+导管法水下混凝土浇注”结合喀斯特地质嵌岩桩施工方法，均能够按质按量、顺利完成桩成孔、桩芯结构施工；2.3 喀 斯 特 地 质 中 嵌 岩 桩 施 工 率 先 采 用 人 工 成 孔 ， 具 有
5、 经 济 、 简 便 、 能 快 速 穿 越 灰 岩 顶部 土 层 的 特 点 ， 为 嵌 岩 灌 注 桩 冲 击 成 孔 创 造 条 件 、 赢 得 工 期 ；2.4 冲击成孔在喀斯特地质中有如下优点：利用锤头自由下落冲击岩土成孔，对孔底操作要求易于保证，且有利于控制桩身垂直度；无须泥浆循环；冲进中通过投入粘土、块石冲挤孔壁可有效减少桩芯混凝土浇灌超量；利用捞渣筒抽吸功能可使桩底沉渣层厚度小于50mm，满足施工规范要求并显著提高桩尖质量和桩端承载能力；施工安全操作性强；喀 斯 特 地 质 中 的 嵌 岩 桩 基 础 施 工 工 法 22.5 导管法灌注水下混凝土，除了需要精心管理外，具有能向
6、地下水深处迅速灌注大量混凝土、不用排水、不需专门养护、作业设备简单等优点。3、适用范围适用于喀 斯 特 地 质 条 件 下 ， 采 用 嵌 岩 灌 注 桩 的 工 业 与 民 用 建 筑 基 础 工 程 施 工 。4、工艺原理本工法基于系统方法原理，依据勘岩灌注桩基础埋置深，针对喀斯特地质岩土分层特点、岩溶发育特征以及地下水特征，按照“先挖后冲、再浇灌水下混凝土”思路，将“人工成孔+冲击成孔 +导管法水下混凝土灌注”三种施工工艺有机组合在一起，最终形成一套完整的喀斯特地质地嵌岩灌注桩基础施工工艺。4.1 喀斯特地质岩土工程地质状况：作为建筑场地，喀斯特地质岩土状况一般特点：4.1.1 岩土分层
7、特点喀斯特地质地层大致分布为：第四系人工填土层(Q ml)；冲、洪、湖积层(Q al+pl+l)：分布有粉质粘土、粉土、砂土、圆砾等，呈软塑至可塑状态，孔隙潜水量大，渗透性能好；残积层(Q 0)：由灰岩风化残积而成粉质粘土组成，一般为湿 饱和，流塑至可塑状态，与基岩的接触带部分由于潜水影响呈流塑状态；二叠系（P）岩层：为灰岩(大理岩)、断层、裂隙、岩溶发育，石牙、石笋林立，基岩面溶沟溶槽等溶蚀现象严重。4.1.2 岩溶发育特征喀斯特地区的岩溶发育具有一定的规律，普遍表现为：岩溶发育自下而上，由弱变强；基岩面上分布着溶沟、溶槽，浅部基岩岩溶发育较强，有的溶洞呈串珠状自上而下分布，深部为古老溶洞，
8、分布较少、暗河为古老溶洞连通而成；浅部溶洞充填物多，深部充填物少；充填物呈全充填一半充填一无充填，一般呈流塑软塑状态；构造裂隙发育，地下水活动频繁地方溶洞较发育。4.1.3 地下水特征 喀斯特地区地下水按其赋存介质可分为三种类型，即：赋存于冲洪积及残积层的孔隙水，渗透性强；赋存于下伏溶洞、溶蚀裂隙及暗河中的岩溶裂隙水，连通性好，水量丰富且具有承压性；赋存于构造断裂带中的裂隙水，连通性强。4.2 工法组合工艺原理4.2.1 本工法根据喀斯特地质土层分布状况，人工成孔工艺简单、操作简便、可多桩同时进行施工等特点，以求快速通过基岩面上的粉质粘土、粉土、砂、砾等土层、以及灰岩顶部岩溶发育较强岩体破碎层
9、，能挖尽挖，不能挖则改为冲击成孔，这样有利于缩短工期、节约投资； 4.2.2 冲击成孔工艺，是在地下水丰富的地层中利用卷扬机提升锤头，然后自由下落，反复冲进并且穿透岩土基层，将其破碎成孔，泥渣一部分挤入孔壁形成密壁；同时投入粘土、利用冲击制造成一定比重的泥浆，来支撑孔壁防止其坍塌、进行成孔的一种方法。它特别适用于喀斯特地区岩溶发育、地下水量丰富条件下的桩成孔作业。在人工成孔过程中，当遇到地下水抽不干、遇有溶洞无法通过、流泥无法处理、以及侧壁涌水无法浇灌护壁等情况下，就可以采用冲击成孔工艺成孔。4.2.2 喀斯特地区地下水无论是土层孔隙水、还是岩层裂隙水，总水量一般较为丰富。导管法水下混凝土灌注
10、施工，就是采用混凝土导管，透过地下水竖直放入桩孔底部通过导管注入首批混凝土，把导管埋入混凝土内直至浇灌完毕，同时利用混凝土自由下落冲压力，翻起孔底泥渣，浮在混凝土表面上，然后通过导管把混凝土继续灌入桩孔混凝土内部，使喀 斯 特 地 质 中 的 嵌 岩 桩 基 础 施 工 工 法 3其体积上涨，并且随混凝土面上升逐级提拔拆卸导管，让混凝土面顶起浮浆层至桩顶标高以上，最后清去桩顶浮浆层而成桩的一种施工工艺，它特别适用于喀斯特地区嵌 岩 灌 注 桩桩 芯 混 凝 土 浇 灌 。5、施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程施工工艺流程，详见图 5.1-1。图 5.1-15.2 施工操作要点5.2.1
11、 人工成孔人工成孔按常规方法施工，主要是针对喀斯特地质中不同的地质情况，对溶洞、裂隙和流泥及地下水的处理，其施工操作要点为：1、穿越层坚硬土层，采用钢钎按 50mm150mm 分层破除；2、遇大块石及层灰岩层时，采用水下爆破方法穿越；3、在穿越、层粉质粘土和层粘土粉土时，由于地下水原因，土质呈流塑状，采取边支护边挖、孔周围设支挡、注入水泥浆凝结土体以及沉入钢护筒等措施通过；4、在穿越层灰岩层遇有溶洞时分三种情况处理：当溶洞完全在桩孔内：溶洞深度在 1m2m 时，填入碎石后开挖通过；溶洞深度大于 2m3m 时，分段搅入水泥浆成凝结体后开挖；当溶洞在桩位侧面且溶洞直径小于 0.5 倍孔径时，设置支
12、护措施浇混凝土护壁通过，若溶洞深度大于 3m，上述措施难以奏效时可改为冲击成孔；当溶洞在桩位侧面且溶洞直径大于 0.5 倍孔径时，溶洞深度小于 2m 时可搅入水泥浆凝结后开挖，在侧壁设置支挡浇筑护壁通过；溶洞深度大于 2m 且出现地下水时，可改为冲击成孔；出现灰岩层裂隙时，裂隙宽度大于 0.5m 按溶洞处理；裂隙宽度小于 0.5m，设置支护措施通过；5、灰岩层裂隙发现承压水时，改为冲击成孔。喀 斯 特 地 质 中 的 嵌 岩 桩 基 础 施 工 工 法 45.2.2 冲击成孔采用 25KL5 型钢绳冲击式钻机及配套设施、四翼十字带副刃的冲击锤头、米字型锤头和捞碴筒进行施工。施工顺序：确定机械开
13、行路线设备就位冲击钻进造浆成孔排碴换浆终孔验收准备浇桩芯混凝土。1、确定机械开行路线：即确定成孔顺序，同直径桩尽量由一台钻机施工，避免换锤及往复行走；2、设备就位：采用散装拖移方法，坑边组装 48 钢管架高位施工；3、冲击钻进造浆成孔：设备就位锤头校正无误后开始，先低锤多击，锤高0.5m1m；成孔深 2m3m 后，锤高控制在 1m进行正常冲击；进入灰岩层后，锤高2m3m 进行高锤冲击。成孔作业中要视地质情况及时投入块石或粘土，填充溶洞裂隙和造浆护壁，并保证泥浆浓度。4、排碴换浆：冲击成孔要适时排碴换浆，保持泥浆比重和避免重复破碎而影响效率，正常情况下一般土层 2m3m 排碴换浆一次，岩石层 0
14、.5m1.5m 排碴换浆一次，泥浆比重保持为 1.01.5；5、终孔验收：关健是孔底积碴和泥浆比重的控制，采取捞碴筒吸捞、补浆或加水来实现泥浆比重 1.11.25，保证孔底沉碴厚度50mm；6、验收后 2h 内应立即组织进行桩芯混凝土浇灌，以防孔壁泥浆护壁坍塌和泥浆沉淀。7、冲击成孔技术措施1）穿越冲洪积层粉土、粘土时发生泥浆过浓现象，采取打浆注水稀释、冲洗锤头、勤掏勤洗措施；2）穿过残积层(Q 0)灰岩层时采取的措施： 遇 有 石 笋 、 石 芽 等 斜 面 坚 石 时 ， 先 投 石 块 和粘 土 ， 轻 锤 慢 击 ， 斜 面 击 平 后 转 为 正 常 冲 击 ;遇有溶洞裂隙时，要大量
15、投入块石碎石，击冲填实以防止灌混凝土时混凝土流失；开挖到灰岩层改为冲击成孔，要先投入粘土冲击造浆后再正式冲击;3)在冲击钻进过程中,必须把泥浆液面保持在最下面两节护壁之上(1.5m)。5.2.3 桩芯结构施工1、桩钢筋笼制安制作成形后，采用一次吊装并结合搭设 48 钢管架分节绑扎、分节吊装。2、桩芯混凝土施工1）混凝土为泵送混凝土，采用导管法灌注水下混凝土施工工艺进行施工,混凝土可以是现场自拌、也可以是商品混凝土。设备包括 250 导管、2.0m料斗、水泥隔水栓、升降设备。施工顺序：准备工作终孔验收安放钢筋笼设置导管及料斗储料浇筑混凝土。 2） 准 备 工 作 ： 配 制 符 合 质 量 要
16、求 的 混 凝 土 。 混 凝 土 技 术 指 标 ： 塌 落 度 16.0 20.0cm，含 砂 率 40 45%(中 砂 )， 粗 骨 料 粒 径 d 30mm； 混 凝 土 输 送 设 备 及 浇 注 设 备 就 位 ； 备 料 ；3）终孔清碴验收，安钢筋笼，要求成孔后 1.5h 内完成；4）安装导管、储料斗。技术要求：导管底部距孔底 0.3m0.5m，连接螺栓松紧自如，密封胶圈应完好无损，隔水栓距水面 0.2m0.3m，要求操作时间在 0.5h 以内；5)储料。首批混凝土必须确保导管埋入混凝土内 0.8m 以上，因此要计算好首批混凝土储量。混凝土储量经验计算公式：V1.3.(D/2) . 5.2.3-1式中： V混凝土储量（m） ；喀 斯 特 地 质 中 的 嵌 岩 桩 基 础 施 工 工 法 5D桩孔实际直径（m） ；充盈系数，取 1.11.2，实际施工中储料为 2.0m3，浇筑
