深圳大运中心项目游泳馆钻孔灌注桩施工技术

深圳大运中心项目游泳馆钻孔灌注桩施工技术

杨明茂

深圳市特皓建设基础工程有限公司

摘要：简要介绍了在土洞、溶洞极为发育，岩面倾斜大的岩溶地区地质条件下的深圳大运中心游泳馆钻孔灌注桩施工技术和质量控制要点，以及土、溶洞处理方法和施工中出现问题的处理，为以后类似工程提供参考。

一.工程概况

深圳世界大学生运动会体育中心位于深圳市龙岗区奥体新城，其中游泳馆位于拟建场地的西侧，总建筑面积约43000m2，地下二层，地上一层（局部有座席处为三层）。本工程上部屋盖采用钢结构，下部看台等部分为为框架~剪力墙钢筋混凝土结构。根据本工程结构受力特点，柱底内力分布情况大致分为两个区域，区域1为直接支撑上部钢结构14根大柱子，柱底轴力为5000~9000KN，水平力300~1400KN；区域2为除大柱范围以外的小框架柱，此部分的柱底内力以轴力为主，剪力和弯矩较小，柱底轴力为1500~4500KN。

由于工程场地位于岩溶强发育区，设计根据场地的地质条件、建筑物结构情况和使用要求采用钻孔灌注桩作为本工程的基础，设计共布置556根钻孔灌注桩，桩径1.0~1.4m。业主考虑到本工程的重要性和影响，要求本工程施工质量创鲁班奖，施工合同要求桩基施工工程质量为Ⅰ类桩不低于95%，Ⅱ类桩不大于5%，不允许出现Ⅲ、Ⅳ桩，要求十分严格。

在本工程桩基施工过程中，我们采取各种有效地技术措施，严格施工质量管理，克服了复杂的地质条件、恶劣的天气气候等不利因素的影响，出色的完成了本工程的施工任务，满足了合同要求。

本文主要介绍在土洞、溶洞极为发育，岩面倾斜大的岩溶地区地质条件下的深圳大运中心游泳馆钻孔灌注桩施工技术和质量控制要点，以及土、溶洞处理方法和施工中出现问题的处理，为以后类似工程提供参考。

二.场地工程地质条件

场地原始地貌属残丘、坡地及开阔缓冲沟地貌，后经人工改造，在冲沟内填有较厚的人工填土。根据钻探揭露，场地内地层自上而下依次为：人工填土层（Qml）、第四系冲洪积层（Qal+pl）、第四系坡积层（Qdl）及第四系残积层（Qel），下伏基岩为石炭系测水组（C1c）碎屑岩系（主要岩性为泥质粉砂岩或钙质砂岩）及石炭系石磴子组（C1s）灰岩。

场地地下水类型分为孔隙潜水、基岩裂隙水、岩溶裂隙水三类。孔隙潜水主要赋存于第四系人工填土层的碎块石中，其次赋存于第四系冲洪积含粘性土粉细砂层中；基岩裂隙水赋存于块状强风化、中泥质粉砂岩基岩裂隙中，基岩裂隙水具承压性（勘察期间个别钻孔见基岩裂隙水涌出，水头高出地面2m，涌水量0.5L/S）；岩溶裂隙水赋存于溶蚀裂隙及溶洞中，场地内岩溶发育且连通性好，为强透水性地层。

根据地勘报告和超前钻资料，本工程场地的工程地质条件有如下特点：

1.场地基岩主要为石磴子组灰岩及测水组泥质粉砂岩，属于平行假整合接触。石磴子组为海相沉积的灰岩，后地面抬升，揭露于地表，灰岩的上部遭受地表水溶蚀、冲蚀，造成灰岩顶面起伏变化很大（根据超前钻资料在钻孔间距约1m的情况下，灰岩顶面标高最大相差6.2m），溶沟、溶槽、石柱、石芽发育，土洞、溶洞特别发育，其中场地东南部为岩溶强发育区，场地西北部为岩溶较发育区，土洞及溶洞在东南部见洞率大于50%，土洞和溶洞的最大高度分别为18.0m和17.2m。

2.场地内地层风化不均，在残积土、强风化带中分布有中～微风化硬夹层。

3.场地地下水位较高，受大气降水、场地西南侧山体和东南侧地下水的补给，地下水埋深为0.0m，现场有泉水溢流。基岩裂隙水具承压性（勘察期间个别钻孔见基岩裂隙水涌出，水头高出地面2m，涌水量0.5L/S）。

本工程场地的工程地质条件对钻孔灌注桩施工极为不利。

三．桩基设计概况

本工程由中建国际（深圳）设计顾问有限公司设计，原设计采用两大类桩型，对直接支撑上部钢结构14根大柱子周围的桩采用A型桩，桩径为1.4米，此类桩的桩端支承在微风化岩石上，不需扩底，桩基竖向承载力特征值为12000KN；对其他柱下的桩采用B型桩，桩径分别为1.0、1.2和1.4米，桩基竖向承载力特征值分别为3600、4500和5500KN，此类桩桩端分别支承在微风化岩石上或强风化砂砾岩上，桩端支承在微风化岩石上的桩不需扩底，桩端支承在强风化砂砾岩上桩桩端做扩大头，扩大头直径分别为2.0、2.4和2.8米，桩身混凝土强度等级均为C30。本工程共设计钻孔灌注桩556根，根据超前钻孔资料，设计布置桩端支承在微风化岩石上的钻孔灌注桩382根，桩端支承在强风化砂砾岩上钻孔灌注桩174根。

四.施工方案及施工安排

在大规模施工前我们对地勘报告、超前钻资料和桩基设计图纸认真的研究，进行了钻孔灌注桩的成孔施工工艺试验，根据研究和试验的结果，本工程的钻孔灌注桩施工方案及施工安排如下：

1.在成孔施工工艺试验时发现，由于强风化中～微风化硬夹层和含大量的中风化岩块，回转钻进时，中～微风化硬夹层和中风化岩块难以破碎，而是在孔内随钻头翼片一起搅动，钻头、钻杆及钻机跳动剧烈，钻头刀具上的硬质合金易崩断，扩底施工极为困难，所耗费的工时较长，根据对现场地质条件、桩基设计的调查研究和桩基成孔施工工艺试验，B型扩底桩在扩底施工时将严重影响工程进度和工程质量，在技术和经济等方面充分论证的基础上，我们提出了优化桩基设计的建议，在不增加工程造价的条件下，建议B型扩底桩取消扩底，桩端直接支承在强风化砂砾岩上。我们的建议得到了业主、设计、勘察、监理等单位的高度重视和大力支持，通过各部门和专家的反复论证，设计单位根据我们的优化建议对桩基设计进行了修改，此举不但大大的加快了工程进度，同时对工程质量的的控制起到了有益的作用，工程造价还有所降低。

2.根据地质条件和以往工程经验，安排桩端支承在微风化岩石上桩采用冲击钻成孔，对于桩端支承在强风化砂砾岩上的桩采用旋挖钻成孔；

3.本工程桩基施工主要位于基坑开挖范围内。由于基坑开挖深度7.2m，考虑到地下水位较高，施工工期处于雨季，并且场地周围排水设施受限，安排基坑开挖约3m后先进行钻孔灌注桩施工。钻孔灌注桩施工后，再将基坑开挖到设计标高。钻孔灌注桩整体施工顺序为先基坑内后基坑外，从西向东施工进行施工，虽然此举工程成本有所增加，但对工程进度和质量有较大的帮助；

4.每根桩根据超前钻记录的地质情况、土洞和溶洞深度、高度、填充物类型对每根桩设计出相应的溶洞处理方案、成孔方法及施工措施。

5.为保证桩身混凝土质量，所有桩的混凝土浇灌均采用水下混凝土浇灌工艺。

五、施工技术和质量控制要点

在岩溶发育的地区，钻孔桩施工难度相对大得多。本工程桩基施工技术和质量控制除常规的方法外，在以下方面作了重点控制：

1.桩的平面位置的的控制

1）根据设计图纸桩位中心，采用高精度全站仪利用极坐标法测放各桩中心点，测放各点精度均符合规范要求。桩位放样完毕后，另由专人检查复核，护筒埋设后，由质检人员、测量人员对桩位进行复核确保桩位准确，护筒中心与设计桩位中心的偏差≤20mm。

2）为防止控制点遭到破坏，需要采用全站仪多引出几个放样控制点，控制点的位置放在不易被破坏又方便测量的地方，还要定期对控制点的位置进行观测、校核。有时为了测量方便，便把放样控制点设在离基坑边较近的地方，每天观测、校核控制点位置是否发生偏离。

3）在对位及钻孔过程中，均应观测调整钻机的水平和垂直度。安装冲孔桩机时．桩机底部支垫一定要牢固，同时，必须保证钻机吊绳、钻头的中心与桩基的中心重合，以免造成孔位偏差。

2.成孔质量控制

1）钻孔桩开钻以前，要对照超前钻地质柱状图，将地质情况研究清楚。根据工程地质资料和土、溶洞分布情况，合理地安排钻孔桩施工顺序．尽量避免各孔施工问的相互扰动，或相互之间“穿孔事故”的发生；

2）每根桩在钻孔前，都要根据地质复杂程度，制定不同的控制方法，严格控制钻机的“冲程和进尺，岩面比较平．冲程可适当加大；若岩面倾斜或半边溶蚀，则应将冲程控制在一定范围内，防止偏孔；

3）用冲击钻冲孔施工时，要保证孔内泥浆的质量，旋挖钻施工时采用优质静态泥浆，保证孔壁的稳定；

4）在岩溶地区钻孔最容易发生偏孔，所以，对钻孔桩的桩位要定期检查，发现偏位及时纠正，一般地层，每班至少检查1次；对岩面倾斜桩孔，至少每小时检查1次；

5）进入微风化岩层顶面时，应采用分层定量抛填块石和粘土，用钻头“小冲程、反复打密”的方法，直至钻头全断面进入岩层为止。在这种岩层冲孔，因为岩面不平，很容易发生偏孔，必须随时观察孔位的偏差情况．一旦发现偏位，立即采取纠偏措施；

6）钻孔桩钻至设计标高以后，应及时捞取岩样，根据岩样特征和钻进速度，判断该孔能否终孔。冲孔钻成孔时，当观察井口钢丝绳的摆动情况，锤头触岩面时会出现轻微反弹，钻孔进尺速度小于10cm/h，使用细目筛网捞取岩渣，岩屑含量大于70%，且含泥、含砂量小于4%时，可认为入岩；

7）清孔次数不得小于两次，成孔完成后进行一次清孔，下完钢筋笼并安装导管后进行第二次清孔，第二次清孔应一直延续到灌注混凝土前。混凝土灌注以前，必须进行严格的清孔检查。主要检查清孔后的孔底实际标高和沉渣等指标足否满足施工规范的要求，用一个重量约5kg的钢制测锤．凭“手感”测量感觉孔底泥浆稠度和沉淀情况．直到感觉到孔底无粘砣、松软现象，而且．测锤接触孔底时能明显感觉到坚硬的岩石，反弹比较厉害为止。否则，继绩进行清孔．直到合格为止。

3.灌注混凝土

1）严格控制混凝土质量，混凝土的塌落度为200~220mm，初凝时间大于12h；

2）旋挖钻成孔的桩基虽然采用的是优质静态泥浆，但如果泥浆在孔内时间过长，将导致孔壁泥皮厚度大，影响桩侧摩阻力；冲击钻成孔的桩基虽然支承在微风化岩石上，桩为端承桩，孔壁的泥皮对桩基的承载力影响不大，但如果裸孔时间过长，桩孔可能出现坍孔等现象，因此混凝土的灌注在成孔完成后立即进行。

3）首批混凝土的数量应能满足导管初次埋置深度≥1.0m，因此应准确计量导管上口漏斗的斗容量。保证首灌混凝土的冲击力和排淤能力。在灌注时发现有断桩的可能发生时，将孔内的笼拨起并排除孔内已浇注的混凝土，重新清孔灌注水下混凝土。

4）灌注水下混凝上时，在混凝土能下去的情况下，导管口的埋深一般不应小于4m，以防止土、溶洞部分的孔壁被压破，造成孔内混凝土急剧外流，致使导管口露出混凝土面，形成断桩。

5）相邻比较近的2根钻孔桩，一个桩灌注混凝土时，另外一个桩的冲孔施工应停下来，以免造成邻桩孔壁破坏，影响混凝土灌注。混凝土灌注完成以后，导管要慢慢地拔出来，抽拔太快，容易在中问形成松散层或空心层．影响桩身混凝土的质量。

六、土、溶洞和施工中出现问题的处理

1.土、溶洞的处理

虽然本工程场地为岩溶强发育区，土、溶洞特别发育，土、溶洞类型有未充填、半充填及充填三类，但绝大部分土、溶洞，尤其是洞高度较大的土、溶洞内均有充填物，这就给本工程的土、溶洞的处理带来了极大地方便。本工程的土、溶洞的处理主要采用回填法处理，处理方法如下：

1）根据超前钻的资料，冲孔至土洞或溶洞顶0.5～1.0m处，在土、溶洞被打穿之前，先向孔内按一定的比例，回填2.0m左右的块石、粘土、水泥等填充料，然后用冲击钻头击穿土、溶洞顶部的土层或岩层，从而将填充料压人土、溶洞形成护壁；

2）填允材料中的块石、粘土和水泥的比例要根据超前钻资料探明的土、溶洞充填物种类来具体确定；

3）对于洞高度较大的土、溶洞遇较大的土洞、溶洞时，采用分层回填，分层、低冲程冲击；

4）为了保证护壁质量，有时回填、冲击要经过若干个循环。回填过程中，如果孔内漏浆，应及时补充泥浆．防止出现坍孔事故。

2.偏孔处理

由于本工程场地的灰岩顶面起伏变化很大，溶沟、溶槽、石柱、石芽发育，在冲孔施工时，桩孔内部底层岩面的倾斜较大导致钻头无法水平就位，钢丝绳摆动会很大，倾向一边，钻头摆动撞击护筒或孔壁，孔的倾斜度将超出设计及规范要求，若不及时处理会使孔越打越斜。遇到这种偏孔处理方法一般采用以下两种。一是回填片石，使钻头保持水平，钢丝绳保持竖直，向下小冲程冲孔。二是浇筑素混凝土，使基底岩石保持软硬一致，纠正钻头偏斜。

填石或填物厚度要高于倾斜面，回填太厚则造成浪费而影响修孔速度，回填不够则起不到充填作用。如在抛填石头修孔无效的情况下，则要采取第二种方法，就是把孔内泥浆调节至1.2以下，清孔至无沉碴，然后进行水下砼灌注，将倾斜部位用高标号快速凝结砼封底，等到砼硬度和岩石的强度差不多时，再进行冲孔修正。本工程偏孔绝大多数采用第一种方法处理的，效果良好，采用第二种方法处理过极少数偏孔，也取得了较好的效果，但处理时间超过一个月。

3.局部地下水水位较高的处理

在本工程桩基施工过程发现，部分桩基位于原场地水井中。该水井虽已在进场时回填，但因为地下水水位较高，回填后一直有地下水溢流出。对该位置附近桩基进行了数次成孔施工，每次均因该位置水压过大、孔壁渗流过大，在成孔时出现严重的塌孔现象。此外水压过大、孔壁渗流过大也将对灌注混凝土的质量带来非常大的影响。

为解决此问题。我们在原水井位置采用设置临时降水井的措施进行降水。井孔深10m，成孔后，立即安放长度为10.5m简易过滤管，并利用碎石、粗砂等将孔壁间隙填实做滤水层。回填好填料后再利用空压机进行清孔、洗井。临时降水井完成后，进行降水，通过降水，有效控制了该区域地下水，确保了该位置桩基的施工进度和施工质量。

七、结语

工程施工结束后，对桩基施工进行了质量检验，检验项目包括桩体质量、承载力等方面的内容，桩体质量、承载力的桩基检测由深圳市工程质量检测中心进行，共进行了496根桩的超声波检测、62根桩的抽芯检测和6根桩的静载检测。经检测，B型扩底桩取消扩底，桩端直接支承在强风化砂砾岩上的桩基静载试验表明取消扩底后，桩基的承载力能完全满足设计要求（见图1）；桩身混凝土质量较好，桩身混凝土与基底岩面接触也非常好，混凝土和岩石完全胶结在一起，沉渣厚度为零（见图2）。Ⅰ类桩比率达到了95.3%，Ⅱ类桩比率为4.7%，无Ⅲ类桩，完全满足了合同质量要求。

本工程为深圳世界大学生运动会体育中心的重要组成部分，工程量较大，工期非常紧。由于施工过程中施工组织得力、施工各项技术措施得当，本工程不仅顺利按照约定工期完成，而且确保了施工质量，为本工程后期工作奠定了良好的基础，受到了各方的一致好评。