喀斯特地质嵌岩灌注桩基础施工工法

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、 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

2、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 +导管法水下砼灌注”相组合的科学的施工工艺，克服并解决了

3、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

4、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

5、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；2.5 导管法灌注水下混凝土，除了需要精心管理外，具有能向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、

6、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 岩土分层特点喀斯特地质地层大致分布为：第四系人工填土层(Qml )；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 ) 、

7、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，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

8、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，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

9、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

10、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，流泥及地下水的处理，其施工操作要点为：对溶洞、 裂隙和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

11、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。5.2.2

12、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0.5m 1m；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2m 3m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

13、。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 2m 3m排碴换浆一次， 岩石层 0.5m 1.5m 排碴换浆一次， 泥浆比重保持为 1.0 1.5 ；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 1.1 1.25 ，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 (Q0)灰岩层时采取的措施：遇有石笋、石芽等斜面坚石时，先

14、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、 2.0m3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

15、筋笼设置导管及料斗储料浇筑混凝土。2）准备工作：配制符合质量要求的混凝土。混凝土技术指标：塌落度16.0 20.0cm，含砂率 4045%(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0.3m 0.5m，连接螺栓松紧自如，密封胶圈应完好无损，隔水栓距水面0.2m 0.3m，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：V 1.3 .(D/2) 2 . 5.2.3-1式中

16、：V混凝土储量（ m3）；D桩孔实际直径（ m）； 充盈系数，取1.1 1.2 ，实际施工中储料为32.0m ，浇筑后通过泵送混凝土连续供应，确保斗内混凝土1.0m3。6）浇灌水下混凝土。灌入首批混凝土后要连续灌注，浇筑过程中要经常探测混凝土面上升高度并作记录，适时提升和逐级拆除导管，始终保持导管埋入混凝土深度大于 1.0m。3、导管法水下混凝土浇灌技术措施1）控制成孔完成至浇注混凝土之间的时间小于2h，以防止泥浆沉淀、孔侧壁水头破坏泥浆护壁影响桩身质量，否则应重新制浆检查后再浇注混凝土；2）灌注的混凝土应设置适当的缓凝时间：t (H R2/V+t 1+t 2).5.2.3-2式中：t混凝土所

17、需缓凝时间（h）；H 最下一节混凝土灌注高度，可取3.0m ；R桩孔实际半径（m）； V每小时混凝土灌注量（t1混凝土运送时间（h）；t2反插处理时间，考虑2 h；m3）； 调整系数（考虑温度等因素影响），取 1.01.1；3）桩孔柱状图中反映有溶洞的桩孔，在浇注混凝土时应严密监视水面情况，当发现孔内液面下降时应及时探测混凝土面和反插导管，防止因混凝土流失发生断桩现象；4）泵送混凝土不能直接送入导管内，以避免高气压挤出导管节间橡胶垫形成漏水，影响桩身质量；5）施工中要勤测勤察做好记录，出现异常情况及时处理，防止断桩现象，确保桩身混凝土一次成型。6、材料与设备6.1 材料及主要机具：6.1.1水

18、泥：宜采用 32.5 42.5 普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥；6.1.2砂：中砂或粗砂，含泥量不大于4%；6.1.3石子：粒径为 0.5 3.5cm 的卵石或碎石，含泥量不大于2%；6.1.4水：应用自来水或不含有害物质的洁净水；6.1.5粘土、块石：可就地选择塑性指数I P 16 的粘土，粒径300-500mm 块石就地选用；6.1.6外加缓凝剂应通过试验确定；6.1.7钢筋：钢筋的级别、直径必须符合设计要求，有出厂证明书及复试报告；6.1.8模板：组合式钢模，弧形工具式钢模四块（或八块）拼装。卡具、挂钩和零配件。木板、木方，8 号或 12 号槽钢等；6.1. 9 一般应备机具：手工提升架

19、、手推车或翻斗车、镐、锹、手铲、钎、线坠、定滑轮组、吊桶、插钎、粗麻绳、钢丝绳、安全活动盖板、防水照明灯（低压 36V 、 100W ）、通风及供氧设备、活动爬梯、安全帽、 安全带、十字冲锤、 米字冲锤、 捞渣筒、泥浆池、 200 混凝土导管及胶皮垫、 3m2 锥形料斗、水泥隔水栓、线锤探测头、升降设备（可直接利用冲桩机架及其卷扬设备）等。6.2 主要机械设备一栏表主要机械设备详表6.2-1.主要机械设备表表 6.2-1序号机械设备名称规格型号单位数量备注1冲击钻机25KL5台2 4钢绳冲击式2低扬程泥浆泵4in台2-43混凝土输送泵HBT 60台1每台钻机配4混凝土搅拌机JDY350台35电

20、焊机BX1-300台16钢筋弯曲机WJ40-1台17钢筋切割机GJ5-4台18汽车吊16t台19空压机12M 3 /min台210风镐0.6 / 台511潜水泵H=45m台1512泥浆运送车5t台213柴油发电机235KVA台1水下混凝土浇灌备用7、质量控制7.1 质量标准7.1.1保证项目：1、嵌岩灌注桩的原材料和混凝土强度必须符合设计要求和施工质量验收规范的规定；2、实际浇灌混凝土量，严禁小于计算的体积，充溢系数不小于1.05；3 、浇灌混凝土后的桩顶标高及浮浆的处理，必须符合设计要求和施工规范的规定；4 、终孔验收时泥浆浓度必须控制在1.1 1.25 以内，桩底沉渣厚度严禁大于50mm。

21、7.1.2 允许偏差项目见表 7.1.2-1。嵌岩灌注桩施工允许偏差表 7.1.2-1项次项目允许偏差 (mm)检验方法1钢筋笼主筋间距10尺量检查2钢筋笼箍筋间距20尺量检查3钢筋笼直径10尺量检查4钢筋笼长度 100尺量检查12 根桩5单排桩d/6 且不大于 200拉线和尺量检查垂直于桩基中心线群桩基础的边桩桩的位置偏差条形基础的桩d/4 且不大于 300拉线和尺量检查群桩基础的中间桩6垂直 度H/100吊线和尺量检查注： d 为桩的直径， H 为桩长。7.2 质量记录7.3.1 水泥的出厂证明及复验证明；7.3.2 钢筋的出厂证明或合格证，以及钢筋试验单；7.3.3 冲击成孔桩、第应变检

22、测桩的平面示意图；7.3.4 桩成孔施工记录（包括人工成孔、冲击成孔）；7.3.5 水下混凝土浇灌记录7.3.6 配合比通知单。7.3.7 混凝土抗压强度试验报告；7.3.8 桩身质量低应变检测报告。7.3 成品保护7.4.1 钢筋笼在制作、运输和安装过程中，应采取措施防止变形。吊入桩孔内，应牢固确定其位置，防止上浮。7.4.2 灌注桩施工完毕进行基础开挖时，应制定合理的施工顺序和技术措施，防止桩的位移和倾斜。并应检查每根桩的纵横水平偏差。7.4.3 在钻孔机安装，钢筋笼运输及混凝土浇筑时，均应注意保护好现场的轴线桩，高程桩，并应经常予以校核。7.4.4 桩头外留的主筋插铁要妥善保护，不得任意

23、弯折或压断。7.4 质量控制注意事项7.1 人工成孔的嵌岩灌注桩， 除了按常规方法控制孔径、 垂直度外， 在嵌入基岩 500mm 范围内不应采用爆破开挖。7.2 冲击成孔嵌岩灌注桩质量控制:控制泥浆比：采用比重计测量，注浆加水确定泥浆比1.11.25;控制终孔验收至浇注混凝土之间的间隔时间2h，防止孔侧壁水头破坏泥浆护壁和泥浆沉淀，影响嵌岩灌注桩质量及承载能力； 控制孔底沉碴层厚度50mm：采用具有抽吸功能的捞碴筒反复打捞可达要求。7.3 混凝土连续灌注工程中导管始终埋入混凝土深度1.0m。7.4 控制好终孔验收至混凝土浇灌之间的间隔时间，在喀斯特地质嵌岩桩施工中关系到成桩质量问题，建议间隔时

24、间 2h；7.5 水下砼设置一定的缓凝时间是非常有必要的,它有利于桩芯先后浇注砼的整体结合和尽量减少砼自由下落冲击力对桩芯结构的不利影响,同时为处理砼流失进行导管反插眼赢得时间，一般为68 小时可满足要求;7.6 在这种复杂地质情况下，需要组织一个“懂技术、有经验、会领导、善决策”的领导小组，对保证工程质量和施工顺利进行具有积极作用。8、安全措施8.1 根据工程对象制定防止坍塌、触电、坠锤、机械伤人、孔内窒息、中毒、爆炸、水下爆破伤害等各类安全事故防治措施， 以及从人工挖孔、 冲击成孔到桩身结构施工各阶段技术措施，其中如：8.1.1钻机就位前应采用钢轨、方木搭设钻机平台，防止意外坍孔时钻机及人

25、员的安全。8.1.2 按操作规程操作，加强操作控制检查，加强钻头磨耗及钢丝绳断丝的检查及处理，防止操作不当引起钻孔事故。8.1.3 溶洞的处理必须小心谨慎，先弄清溶洞情况后坚持分类处理，并采取必要的措施，切忌盲目冒进。8.1.4 钻孔中应加强测量，同时根据钢丝绳松紧、孔底钻声、浮碴等判断核对实际地质，以防止卡钻、坍孔等事故发生，等等。8.2 设立施工安全领导小组， 对安全措施履行情况、 技术措施执行情况、 现场安全存在情况进行监督检查， 发现安全设施不符合要求、 安全操作不符合规范以及技术措施可操作性差时立即纠正；8.3 按建筑施工安全检查标准进行职能分解，建立安全体系、工长责任制及班组安全值

26、班制，坚持安全教育、技术交底、持证上岗、现场安全检查制度；开展创建安全文明工地活动，以创造良好的安全施工环境来确保施工安全。9、环保措施9.1、降低环境污染的措施；9.1.1、临时设施周围设置排水沟，在搅拌站设置污水沉淀池，对施工废水进行沉淀处理，做到现场道路通畅，排水沟无阻塞，避免废水对城市下水道造成污染和堵塞；9.1.2、施工中产生的废泥浆严禁向下水道或河流直接排放，必须经过沉淀处理后运至指定弃碴场；9.1.3、现场材料、机具的进场，办理入城手续，如白天不得通行，则尽量组织材料和机具夜间进场，并采取限量、围护、清扫等措施，避免对城市街道造成污染，进场后严格按平面图堆放、就位，不得随意甩置；

27、9.1.4、地材、水泥等材料进场，建筑垃圾清运时，必须洒水减少扬尘，散水泥和其他易飞扬的细颗粒散体材料堆置在仓库内； 对砂、石材料采用硬地坪堆放， 对入场道路和临设周围的场地定期清扫、洒水、减少尘埃飞扬9.2、降低环境噪音的措施：9.2.、建立健全控制人为噪音和管理制度，减少人为的大声喧哗，对大声喧哗者采取说服、教育、罚款、清场的手段，所有物体必须轻取轻放，不得乱扔，避免影响四周居民的休息；9.2.2、如因施工原因需要涉及夜间施工，应事先办理夜间施工许可证，控制强噪声作业时间，夜间尽量安排噪声小的项目施工，产生噪声的作业时间，晚间不超过不早于 7时30分；22 时，早晨9.2.、对噪声大的施工

28、机械，以最大限度地减弱噪声，如搅拌站、空压机及柴油发电机，采用隔声材料进行封闭，搅拌站设吸尘装置，尽量避免机械噪音、搅拌灰尘的扩散；9.2.4、协调处理好现场周边单位和居民的关系，做好宣传、安抚工作，赢得周边单位，居民的谅解和支持，减少因施工产生的矛盾和冲突；9.2.5、严格遵守执行国家有关环保法律法规、安全文明施工现场管理办法及管理条例。10、效益分析喀斯特研究在理论和生产实践上都有重要意义。 喀斯特地区有许多不利于生产的因素，需要克服和预防， 也有大量有利于生产的因素可以开发利用。 喀斯特地质嵌岩灌注桩基础施工技术是喀斯特研究在生产实践上的一个重要成果， 喀斯特地质嵌岩灌注桩基础施工工法的形成， 是这一具有区域特色的施工技术成果从实践到理论的再飞跃。 施工技术成熟了， 面对喀斯特地质， 结构设计人员可以根据需要放心选用嵌岩灌注桩基础型式， 不必担心它的施工可行性。 同时，还可以为同处云贵高原的具有相同地质条件的其他城市如贵州贵阳、 广西桂林等同类工程建设提供施工生产经验， 避免工程施工