王 棟(上海建科工程項目管理有限公司, 上海 200032)
在工程建設(shè)中,樁基礎(chǔ)采用較多,尤其是鉆孔灌注樁比較常見。在地質(zhì)復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行樁基施工有時會遇到地下溶洞,而施工中一旦遇到溶洞,就會給樁基施工帶來很大的不便,若處理不當(dāng),則給經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失,給施工安全埋下隱患。溶洞處理方法較多,常規(guī)的主要有:片石+黏土回填、低標(biāo)號素混凝土回填、樁基跨越、原位注漿處理、全回轉(zhuǎn)成樁等。下面,筆者針對這些處理方法進(jìn)行綜合分析。
某技術(shù)大學(xué)建設(shè)項目,建筑面積 95.5 萬 m2,總投資 80.8 億元,是廣東省和深圳市正在重點建設(shè)的一所公立應(yīng)用型本科院校。地勘報告顯示,本地塊場地內(nèi)有大量的溶洞和土洞,且有不良的發(fā)育現(xiàn)象,地質(zhì)情況比較復(fù)雜。本文所涉及的是處于該項目區(qū)域內(nèi)的健康與環(huán)境工程學(xué)院大樓,建筑面積 56 200 m2,地下 1 層,地上 7 層;基礎(chǔ)類型是灌注樁+承臺基礎(chǔ),樁數(shù)共 375 根,樁長最短 17 m、最長 45 m,樁徑分別是 1 000 mm、 1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm 和 1 800 mm。超前鉆探揭露的灰?guī)r鉆孔有 256 個,其中溶洞 94 個,包括土洞 2 個;線巖溶率 21.8%,見洞隙率 48%;有部分溶洞呈串珠狀分布,并且相互貫通。根據(jù) GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第 6.6.2 條,該場內(nèi)巖溶屬強(qiáng)發(fā)育,地層分別是粉質(zhì)黏土層、黏土層、微風(fēng)化巖層,有的部位呈微風(fēng)化巖層和溶洞層相間分布。
(1)溶洞區(qū)域樁基施工應(yīng)配備專職人員,觀察機(jī)身是否傾斜,注意護(hù)筒里泥漿和巖樣是否發(fā)生變化,記住資料和圖紙中標(biāo)注的溶洞位置。
(2)沖孔接近擊穿溶洞頂部之前,盡量采用小的沖程,逐漸將洞頂部擊穿,以防沖擊錘被卡住。
(3)若泥漿的標(biāo)高下沉,孔里的水面標(biāo)高發(fā)生明顯變化,泥漿的顏色和稠度發(fā)生變化,或者鉆入速度明顯加快且沒有偏孔,則說明已經(jīng)穿過溶洞的頂部進(jìn)入溶洞里。
(4)現(xiàn)在需要迅速用功率大的泥漿泵進(jìn)行補(bǔ)漿,且盡量提錘,以防錘頭被埋和引起樁孔塌陷。
(5)若補(bǔ)充的泥漿稠度不夠,則應(yīng)及時添加適量黏土以提高泥漿密度,并控制泥漿黏度在 19 s~28 s 范圍內(nèi)。
(6)在裝載機(jī)和大型挖掘機(jī)的共同配合下,及時將事先準(zhǔn)備好的黏土和片石或者毛石以少量多次的方式拋入,拋入后的填充高度應(yīng)超過溶洞的高度再加上 2 m。后續(xù)接著使用較小的沖程慢慢沖入,拋入的片石需要用沖錘擊碎并擠入到溶洞內(nèi)壁,以起到保護(hù)孔壁的作用。
(7)直到樁孔的泥漿面標(biāo)高不再下降且保持正常,方可加大沖程進(jìn)行沖鉆;投入的片石和黏土因被沖擊擠壓而會堵死溶洞,使溶洞內(nèi)的進(jìn)尺較緩,否則還要繼續(xù)少量多次地拋入片石或者毛石,且根據(jù)進(jìn)尺速度確定投入量。
(8)待溶洞內(nèi)漏漿現(xiàn)象全部消失,方可正常沖鉆,反復(fù)如此操作,使沖鉆順利穿過溶洞。
(9)沖鉆擊穿溶洞頂和底部時,都要用鉆錘將溶洞頂部和底部的樁孔周邊修理圓滑,以防卡鉆或者卡鋼筋籠。
對于無填充和半填充的溶洞上部巖層,若其具有足夠厚度且能確保安全施工,則可以使用沖孔樁錘直接將其上部的巖層穿透,直接采用低標(biāo)號混凝土(加上早強(qiáng)劑)灌入到溶洞的頂部并且高出 500 mm 以上,以確保溶洞處理密實。直到混凝土強(qiáng)度達(dá)到可以穩(wěn)固的狀態(tài)時,方可沖孔成樁。
對于溶洞塌陷區(qū)范圍內(nèi)分布比較集中,地下巖溶處于強(qiáng)烈的發(fā)育區(qū)域,或者危險性和直徑都是比較大的深埋洞體,若土層具有較好的穩(wěn)定性,則可利用水泥漿分次分層地將洞體固化,以滿足承載力要求,也可以直接對此處加大筏板(厚度設(shè)計另定),并且在需要的地方增加暗梁;對于土層穩(wěn)定性較差的地方,除了使用水泥漿分次分層地將洞體固化以滿足承載力要求以外,還要對此區(qū)域增加筏板的范圍(厚度設(shè)計另定),并且還要在相應(yīng)的地方考慮增加暗梁和工程樁以增強(qiáng)穩(wěn)定性,從而在洞的側(cè)面改變筏板形式和變動樁位,以跨越塌陷區(qū)或者溶洞地區(qū)。
全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)比較適用于厚流砂地層、卵石和漂石地層、強(qiáng)縮勁地層、含溶洞地層的施工,以及多種樁基、鋼筋混凝土等地下障礙物在沒有清除情況下實現(xiàn)混凝土灌注樁、地下連續(xù)墻等的施工。鉆機(jī)有強(qiáng)大的壓入力和扭矩,可以有效地對巖層切削,并且套管自身就有護(hù)壁作用,無需再回填片石、石塊或再下護(hù)筒進(jìn)行保護(hù),就可以成樁。目前,國內(nèi)已有樁基施工深度超過 120 m。
若溶洞相對較多且呈串珠狀,溶洞高度<3 m 且>0.5 m,勘測報告比較準(zhǔn)確,土層內(nèi)有厚砂層,漏漿后將會導(dǎo)致溶洞內(nèi)塌方。在這種情況下,應(yīng)采用原位注水泥漿。注漿時應(yīng)將壓力控制在小于或等于 0.4 MPa,并且等穩(wěn)定 3 s 之后再施工下一個注漿孔,也可以待相鄰注漿孔出現(xiàn)冒漿時停止。后續(xù)樁基鉆孔施工需等待水泥漿完成 24 h 后開始。
(1)片石+黏土回填沖孔適合處理入巖深度較大的樁基,能適應(yīng)所有的地質(zhì)條件,施工成本相對較低,施工進(jìn)展相對緩慢,可以采取相應(yīng)措施,既不會影響項目的竣工時間,又能最大程度地降低樁孔坍塌隱患。
(2)低標(biāo)號素混凝土處理方法較簡單易操作,但溶洞的大小無法估量,并且存在貫通溶洞,經(jīng)濟(jì)上很難控制。
(3)樁基跨越成孔,可以通過設(shè)計計算,解決較大、較深的復(fù)雜地質(zhì)條件,工期相對較短,安全性相對較高,費(fèi)用也可以量化、相對可控。但是,經(jīng)設(shè)計復(fù)核,無法滿足受力的要求,與設(shè)計院溝通,不得考慮采用樁基跨越的方法成樁。若設(shè)計院能夠通過計算滿足受力要求,則優(yōu)于片石+黏土回填和低標(biāo)號混凝土處理。
(4)全回轉(zhuǎn)成樁安全性能較高、噪聲低、振動小,作業(yè)面較干凈,鉆探深度較大,有的土層可以達(dá) 120 m 以上;成孔質(zhì)量相對好,直徑偏差較小,充盈系數(shù)也較小,與其他成孔方法相比,可大量節(jié)約混凝土用量。但是,全回轉(zhuǎn)成樁對場地條件要求較高,若鉆機(jī)碰到微風(fēng)化巖,則施工進(jìn)度較慢,施工費(fèi)用較高,且套管存在難以拔出的風(fēng)險,大大增加成本。根據(jù)超前鉆資料推算,出現(xiàn)溶洞的部位多集中分布,并且相鄰超前鉆顯示,溶洞高度接近,在超過 6 m 深的大溶洞旁邊都有大小不同的中小溶洞,底部互通,若采用全回轉(zhuǎn)方法,則工期和費(fèi)用都會增加。
(5)原樁位預(yù)注漿往往對礫黏土的處理有較明顯的效果,現(xiàn)場溶洞內(nèi)多數(shù)是塑性黏土,黏性較大,通過原樁位的分層定量多次注漿,使樁徑周邊 3 m~5 m 范圍內(nèi)的礫黏土固結(jié),做到澆筑時上部黏土不回陷,能夠確保樁身的質(zhì)量。然而,注漿量難以確定,無法估算成本,因此本方案和全回轉(zhuǎn)成樁都具有一定的局限性。
超前鉆資料顯示,按照揭露溶洞情況,整理分析認(rèn)為,溶洞分為以下 4 個不同類型。A 型:小型溶洞,單個溶洞高度≤3.0 m;或串珠狀的溶洞各層都較小,累加溶洞高度在 3.0 m 以下。B 型:中型溶洞,單個溶洞高度 >3 m 且 ≤6 m;或串珠樁的溶洞累加超過 3 m ,且不超過 6 m。C 型:大型溶洞,單個溶洞高度 >6 m,或單個溶洞高度 <6 m,但多個溶洞間距很小,其溶洞累加高度 >6 m。D 型:橫向連通的成片溶洞區(qū)域。處理辦法如表 1 所示。
表 1 溶洞處理方案選擇表
沖孔樁施工采用的是泥漿護(hù)壁,沖擊鉆進(jìn)后成樁,然后正循環(huán)清洗。泥漿采用正循環(huán)系統(tǒng),該系統(tǒng)由出漿管、泥漿沉淀池、泥漿泵和進(jìn)漿管組成。沖鉆孔時要經(jīng)常檢測泥漿參數(shù),及時調(diào)整循環(huán)泥漿指標(biāo)。其工藝流程如圖 1 所示。
圖 1 沖孔樁施工工藝流程圖
健康與環(huán)境工程學(xué)院大樓總樁數(shù)為 354 根。其中,260根非溶洞樁無需處理,平均充盈系數(shù)為 1.40;94 根溶洞樁采取片石+黏土回填處理,平均充盈系數(shù)為 1.76。選取現(xiàn)場具有代表性的 11 根溶洞樁進(jìn)行充盈系數(shù)統(tǒng)計分析,結(jié)果顯示,最小充盈系數(shù)為 1.21,最大充盈系數(shù)為2.84,平均充盈系數(shù)為 1.77。據(jù)統(tǒng)計,所有溶洞樁混凝土設(shè)計方量共 3 343 m3,實際澆灌方量為 5 897 m3,充盈系數(shù)為 1.76;非溶洞樁設(shè)計方量共 9 461 m3,設(shè)計澆灌方量 13 224 m3,充盈系數(shù)為 1.40。分析結(jié)果,如表 2 所示。
對 94 根溶洞樁進(jìn)行質(zhì)量控制檢測。其中,靜載檢測 9 根(抗拔檢測 6 根、超聲波檢測 3 根)、超聲波檢測20根、抽芯檢測 94 根,除了 1 根抽芯檢測發(fā)現(xiàn)持力層處有溶洞需要處理以外,其余都檢測合格;低應(yīng)變檢測 203 根, II 類樁 1 根,無 III 類樁。最終樁基檢測結(jié)果評判為合格。
巖溶地區(qū)樁基施工相對困難,有的樁施工進(jìn)度相對緩慢,單樁施工時長 4 d~33 d,完成 1 根樁平均需要 12.55 d,但由于現(xiàn)場組織施工比較合理,措施準(zhǔn)備比較到位,應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急物資考慮比較充分,整個施工過程中施工比較正常,最終整個工程時間節(jié)點未受影響。
表 2 溶洞樁實施效果統(tǒng)計表
眾所周知,溶洞存在隱蔽性強(qiáng)且大小高低不一的客觀因素,但一般溶洞區(qū)的混凝土灌注樁施工還是有一定規(guī)律可循的。例如:在制定實施見洞率少、漏漿不太嚴(yán)重的樁基施工方案時,首先選擇黏土(或添加少量的水泥)+片石回填法,其次選擇低標(biāo)號素混凝土回填法、長護(hù)筒或全護(hù)筒法和溶洞跨越法,最后選擇注漿法;片石+黏土擠密法既可用于控制較小的充盈系數(shù),又能反復(fù)多次回填擠密;對于橫向連通的大片溶洞區(qū)域,可采用多措施相結(jié)合施工的處理辦法;等等。