1、溶岩地区溶土洞处理和喀斯特地貌的基础选型 叶林、贡欢 中海地产集团规划设计中心、中海地产（佛山）有限公司 一 、项目简介 中海地产开发的万锦豪园项目位于佛山市南海区，在地貌上位于珠江三角洲帄原腹部，场地在区域构造上位于三水盆地的中部。原设计基础形式为锤击预应力管桩和冲孔桩。在管桩施打过程中发生大面积断桩，断桩率超过 80%；在冲 孔桩冲孔至岩面时，发生无法钻进的现象。上述两种情况导致了工程无法进展。石灰岩岩面凹击起伏大，硬度高是造成此类情况的主要原因。原设计的基础类型已经不适用于此类地质，需要根据其特点研究探讨更适合的基础形式。 通过对地块进行进一步的地质勘查，又发现地内广泛分布石灰岩，而且，
2、其内部含有大量的溶土洞。地质勘查确认此地块属于喀斯特地貌。其特点是岩面起伏大、埋深无规律，从地面下 10 米到 60 米均有揭示；溶土洞分布不均匀、深浅不一致、大小不规律，从地面下 10 米到 60 米均有揭示。石灰岩在地下水的侵蚀和切割作用下，形成溶洞和土洞 ，这些溶（土）洞会不断的向四周、向上发育扩大，当洞顶结构承受不了上部土层自重和外力（如建筑物荷载等）时，溶（土）洞就会坍塌，导致地面塌陷、建筑物倒塌等严重后果，而且，这些地质灾害具有隐伏性和突发性，对建筑物危害极大。 溶岩地区溶土洞处理和基础选型研发，是为保证项目顺利发展及保证建筑物结构可靠性针对石灰岩地质灾害处理技术，可归纳为建筑地基
3、处理技术和建筑结构一个分支。它包含了力学、地质学、材料学和施工技术等多方面的内容。 溶洞处理主导思想是填充已有的溶（土）洞、切断具有侵蚀性的水流通道，阻止溶（土）洞继续发育。 主要措施是对溶（土）洞和影响其发育的水流通道进行填充和封堵。在对溶（土）洞进行处理时，灌浆技术做为最快捷可靠、经济实用的方法，广泛得到应用，而且效果最佳。灌浆技术在我国应用范围广泛，在煤炭、水电、建筑和交通等事业均得到了广泛得推广。 根据石灰岩硬度高、岩面埋深变化大的特点，以及项目所含建筑物的层数和荷载大小，我司通过试验研究，综合考虑可靠性、经济性、施工方便性等因素，基础形式分别采用了桩基础、桩筏联合基础等基础形式和静压
4、管桩、冲孔桩、夯扩桩、长螺旋钻孔桩等桩型。针对每栋楼的层数以及其下地质条件研究选择这些桩 和基础受力形式，以确保建筑物的可靠使用（安全性、适用性、耐久性均能得到满足），并保证工期正常进行，成本得到有效控制，取得显著效果。 二 、项目详细内容 目录 1. 问题提出 2. 详细科学技术内容（总体思路、技术方案、关键技术、实施效果） 2.1 总体思路 2.2 溶（土）洞的处理 2.2.1 普通溶（土）洞填充 2.2.2 石灰岩表面土体处理后管桩施工 2.2.3 冲孔桩桩侧溶洞处理 2.2.4 冲孔桩桩底溶洞的处理 2.3 基础设计 2.3.1 夯扩桩 2.3.2 长螺旋灌注桩 2.3.3 静压管桩
5、2.3.4 冲钻孔（扩底 ）桩 2.3.5 部分桩型和基础形式应用实例 3发现、发明及创新点 4与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较 5应用、推广及论文引用情况 5.1 应用 中海万锦豪园溶（土）洞处理和基础工程 5.2 推广 中海金沙湾溶（土）洞处理和基础工程 6、经济效益和社会效益 1. 问题提出 佛山公司项目万锦豪园二期有 26 栋高层住宅，建筑面积约 30 万方，原基础设计为桩基础，桩型选用锤击预应力管桩和冲孔桩。 根据地质勘查结果，发现场地内广泛分布石灰岩，为典型喀斯特地貌。石灰岩埋深从 10 米 到 60 米不等，岩面起伏非常大。石灰岩的强度从 30MP 100 MP，岩质非常
6、坚硬。而其上部的土层强度仅有 0.3 0.5MP，软硬突变非常严重，在此种地质条件下管桩施工必然出现大面积断桩；另石灰岩表面起伏极大，凹击不帄，管桩桩底一碰到灰岩面会使得局部应力增大也造成断桩。因此，在石灰岩地区施工管桩的成功率极低，我司在进行试桩时断桩率为 100。由于石灰岩强度非常高，冲孔桩施工在岩体中也无法钻进，工期严重滞后。 由于地下水的溶蚀、潜蚀作用和地质构造作用，土洞、溶洞发育强烈。经我们初步勘查发现石灰岩地区内溶蚀 现象非常普遍且毫无规律，土、溶洞的大小和分布都无法估计，埋深从十几米 几十米，必须通过更先进的物探手段进行探明。采用钻探、地质雷达、管波三种勘查方法联合勘探之后，才对
7、场地内溶土洞的分布有了初步的了解。但由于这些洞都在地下，无法直观测量，在勘察过程中还出现许多错误和误差。 石灰岩地区管桩断桩；冲孔桩无法钻进；溶土洞发育来毁灭性的灾害。这些问题给我们的工进度和工程质量带来很大的困难和压力，引起了集团领导的高度重视，在集团规划设计中心和佛山公司共同努力下，针对该项目所涉及的喀斯特地貌所采用合理的基础形式及溶洞处理 进行系统的研究和探讨，有针对性的设计了各种不同的技术措施进行处理；根据石灰岩地区的地质条件、每栋建筑物层数和施工条件研究适合的基础形式和桩型。 2. 详细科学技术内容 2.1 总体思路： 首先进行广泛的调研工作，并对场地地质进行详细的勘探和物探，在大量
8、第一手资料基础上制定每一栋建筑物的溶洞处理和基础选型技术方案，实施前对关键技术进行试验研究 ，在此基础上开始实际工程。 2.2 溶（土）洞的处理 溶（土）洞处理主导思想是填充已有的溶（土）洞、切断具有侵蚀性的水流通道，阻止溶 （土）洞继续发育。溶洞填充方法有多种，如布袋桩骨架法、旋喷桩骨架法，钢管、袖阀管灌浆填充法等。其中布袋桩用于无水的空洞，施工较麻烦；旋喷桩用于洞内有淤泥等填充物或需要高强度的情况；袖阀管灌浆填充法可用于各种溶土洞，但需要控制浆液的初凝时间，以便充材料不被洞内水流冲走。填充材料可分为水泥浆、水泥砂浆、水泥膨润土浆等。水泥浆强度高，但凝固后会收缩，使得填充体出现裂缝，形成水流
9、通道，导致洞体继续发育；水泥砂浆收缩性小，但颗粒大，不容易进行灌注施工；膨润土浆具有较高强度，且凝固后体积增大，可以完全填满洞体，封闭水流 通道。 我司根据调研结果，结合本工程溶土洞的特点经过充分研究后选择水泥膨润土浆，采用钢管、袖阀管灌浆填充的方案进行填充土洞、用高压旋喷法处理桩底持力层溶洞。 2.2.1 普通溶（土）洞填充 技术方案： 溶（土）洞填充采用钢管和袖阀管注浆，单双液组合，分三序灌浆。布孔要求：按每 1015m2 面积布一孔，针对土洞边缘采用 2 米前进， 1 米后退方式探明土洞范围，再视情况布设灌浆后检查孔。孔径 89，钻入岩层 3 米。灌浆压力：根据洞内填充物的情况，灌浆压力
10、为 0.21.0MP，具体由现场情况进行调整。灌浆结束标准：通过灌 浆压力和灌浆流量双参数控制，在 0.50.7MP的灌浆压力下，灌入量 210L min。当未能达到灌浆结束标准时，可适当调整浆液配比，采用歇灌浆、单双液相结合等工艺灌浆，直到洞体能够密实填充。 关键技术： （ 1） 洞顶应力计算 需要根据上部建筑物荷载、洞顶距基础的距离，中间土层的力学性质综合分析计算。 （ 2） 用水泥膨润土化学浆（数种）的水泥膨润土浆液配比 灌浆浆液根据洞顶应力计算结果和洞内水流情况进行配比，其特点： 凝固时间可调：浆液凝固时间可由几秒至 1 小时范围内均可自由调配； 增稠，增粘结力，大大改善被水稀释 性能
11、； 固结体有较高的抗压强度，可达 0.2 8MPa； 有效固结率高，结石率高，由于加入了膨润土及化学浆材，相比水泥浆液，其收缩率少得多，与水泥浆相同的浆液量形成的充填物的固结体体积相比，比水泥浆液固结体的体积大得多。 （ 3）钢管、袖阀管灌浆 实施效果：填充后经第三方检测，其可靠性完全达到设计要求，后溶（土）洞上方采用夯扩桩基础，离洞顶米，传至洞顶的附加应力小于填充体的强度，建筑物的安全隐患消除。几年来的建筑物沉降观测结果证明地基稳定满足规范要求。 2.2.2 石灰岩表面土体处理后管桩施工 石灰岩强度 很高（ 30100MP），而其上部的土层强度仅有 0.3 0.5MP，软硬突变非常严重，此种
12、地质条件下管桩施工极其易断；另石灰岩表面起伏极大，凹击不帄，管桩桩底一碰到灰岩面会使得局部应力增大造成断桩。因此，在石灰岩地区施工管桩的成功率极低，我司在进行试桩时断桩率也是 100。但由于管桩的经济性要明显好于冲钻孔桩，而且不需要按高标准去处理其下灰岩内部的溶洞。因此先处理土体然后调整施工工艺仍然采用管桩基础。处理土体是在较软的土层和坚硬的岩层之间人工造一个强度约 0.81MPa 的垫层，使得管桩桩底落在垫层上，这 样在施工和使用过程中管桩就不会与灰岩岩面直接接触，避免的断桩现象的出现。 技术方案： 首先按填充普通溶（土）洞的方法对溶洞进行填充。然后在每 米（承台内部适当加密）设一个灌浆孔钻
13、孔至岩面内 .米，采用袖阀管灌纯水泥浆，填充岩面的空隙和加固岩面上部米范围内的残积土层。 管桩主要考虑其摩阻力适当考虑桩底端承力，单桩承载力按 1500KN。采用静压法施工管桩，终压值为 3200KN，复压次。另外根据灌浆的钻孔资料控制压桩的长度，使之与灰岩保持一定的安全距离。 关键技术：土体内袖阀管压浆 实施效果：经过处 理后，我司在万锦豪园金楠街 1 栋石灰岩上静压管桩的断桩率为 0，静载合格率为 100%。 2.2.3 冲孔桩桩侧溶洞处理 桩侧溶洞对冲孔桩的承载力无太大影响，但在冲孔桩施工过程中会造成重大的安全事故：如掉锤、卡锤、地面沉陷、漏浆、倒机、砼流失，桩身水帄裂缝、断裂等。为确保
14、桩施工过程中的安全，对桩侧的溶洞应进行填充封闭。 技术方案： （ 1） 详堪的基础上做进一步的溶洞勘察：对灰岩地区的冲孔桩进行一桩三孔的超前钻，用于探明溶洞的范围和埋深，以及确定桩底持力层。 （ 2） 填充后溶洞内填充物的强度不小于 0.5Mpa，且根据溶洞的埋深要求其 强度大于 gh( 为流塑态混凝土的密度 )。 （ 3） 浆液配比根据强度要求、洞内水流情况、洞内填充物情况、溶洞的联通情况、浆液需要的凝结速度综合考虑。 （ 4） 根据勘察结果，在桩周有溶洞的范围均匀布孔，孔距 0.7 1 米，此为一序孔，用于灌配比浆液，填充溶洞形成有一定强度的骨架；在一序孔间间隔布袖阀管孔，灌入纯水泥浆，填
15、补一次灌浆的空隙，保证桩施工时不漏浆。 （ 5） 灌浆工艺参照土洞填充，要求浆液填充后扩散宽度不大于 1 2 米。 关键技术：一桩三孔超前钻、钢管、袖阀管灌浆 实施效果：按此方法具有目的性可控制范围的局部填充溶洞（仅处理桩周 范围内），既确保桩施工安全又不造成浪费。 2.2.4 冲孔桩桩底溶洞的处理 桩底溶洞对桩的安全有重大的影响，因此必须重点研究，以保证桩的安全使用。经过详细的计算分析，确定以下处理原则： （ 1） 桩底 3D 和 5 米范围内的溶洞要求填充后强度不小于 5Mpa,填充后在桩底 45 度扩散角范围内无溶洞。 （ 2） 桩底 5 10 米范围内的溶洞要求填充后强度不小于 1Mp
16、a。 （ 3） 桩底 10 米范围外的溶洞不要求填充。 对于第二项，只需按普通溶土洞填充的工艺，调整浆液配比即可，处理完成后可参照强风化岩使用。 重点是处理桩底 3D 和 5 米范围内的溶洞，具体技术方 案如下： （ 1）先进行冲孔桩施工，待完成后在桩内根据桩径大小钻 3 4 个孔，钻至溶洞下部完整岩石内 1 米。 （ 2） 用高压空气洗孔。 （ 3） 用 30Mpa 的高压水对洞内的的填充物进行切割清洗，通过水流循环将溶洞内部的软弱填充物带出。 （ 4） 用 30Mpa 的压力将填充材料采用旋喷方式注入，初凝后采用 1 3Mpa压力注入水泥浆用于填充细小空隙，进一步挤密填充体。 （ 5） 封
17、堵桩身的灌浆孔。 （ 6） 在桩侧扩散角范围内钻孔检查填充的效果（范围、密实度、强度）。 关键技术：高压空气洗孔、高压旋喷注浆 实施效果：溶洞经过处理后，经过检测，其内部填充物的强度和 耐久性均满足设计要求，完全消除了其对建筑物的安全隐患。填充后溶洞可视为中风化岩作为冲孔桩的持力层使用。通过几年来对石灰岩地区已建成的建筑物的沉降观测表明，溶洞处理是非常成功的。 2.3 基础设计 在广东地区石灰岩场地内使用的桩型一般采用冲孔桩，施工时桩底穿透溶洞区进入未风化侵蚀的新鲜岩层。这种桩承载力非常高，但施工进度非常慢，且造价奇高。万锦豪园金楠街 1 栋最初也是采用这种设计，但施工过程中，钻进非常困难、出
18、现掉锤、卡锤、倒机等一系列事故，工程无法进行。 因此，合理选择适合的桩型，且在实际施工中能顺利开展，成为 基础设计的关键。根据场地内石灰岩以及其上部土层的特性和强度进行分析计算，在土体承载力条件允许的情况下将部分原桩基础调整为桩筏基础，既考虑桩的作用，又考虑了地下室底板下土体的承载力。这样一来，可以减少桩长，使得桩端远离石灰岩岩面和溶洞，增强了地基和基础的安全系数。研究夯扩桩长螺旋灌注桩、静压管桩（考虑摩擦桩）、冲钻孔（扩底）桩，适应的不同的土层条件和岩层埋深条件以及建筑物层数，以便做出最优选择。 2.3.1 夯扩桩 夯扩桩是一种改进的沉管灌注桩，它避免了锤击管桩施工时一遇到岩面即断的情况发生
19、。又因为扩大头的作用 ，使之可以与倾斜的岩面结合紧密，保证了其安全使用。这种桩适用于在砂性土层。由于夯扩桩为明显挤土桩，对改善土体强度也有显著效果，可以考虑桩土共同作用，进一步降低工程成本。夯扩桩选用 480，桩长不超过 16 米，承载力选择在 1200KN1500KN 左右，适用于 25 层以下的建筑物。施工较方便。 2.3.2 长螺旋灌注桩 适用于淤泥质土层和粘性土层。市场上常用此桩配合搅拌桩做复合地基的地基土加固使用，我们创造性的为他配上钢筋笼后将其作为岩溶地质条件下的工程桩使用。在土体中无硬夹层的情况下使用最方便，且施工快，无噪音。 其承载力力在 1000KN1500KN 之间，具体视
20、土层强度而定。适合 18 层以下建筑物选用。 2.3.3 静压管桩 在处理岩层表面土体后，可以按摩擦桩使用。承载力在 1500KN 左右，适用于 30 层以下的建筑物。但施工机械很重，作业面很大，对场地要求较严格。 2.3.4 冲钻孔（扩底）桩 针对岩层埋深很深，或很复杂，且其上部土体强度很低无法利用时采用。岩层内部的溶洞经过处理后可视为持力层，因此，桩不需要嵌岩很深，减少了施工工期。冲孔桩承载力高，基本在 6000KN 以上，但施工速度慢，工期长，检测时间长。 2.3.5 部分 桩型和基础形式应用实例 项目 面积（帄方米） 基础形式 桩型 承载力（ KN） 地下室 6.6 万 桩筏基础 夯扩
21、桩 1200 银杏街 1、 3、5 栋 (18 层 ) 2.6 万 桩筏基础 夯扩桩 1200 金楠街 10、 12栋（ 18 层） 2.1 万 桩基础 螺旋桩 1400 金楠街 1 栋（ 26 层） 1.8 万 桩基础 管桩 1500 金楠街 2 栋（ 26 层） 1.8 万 桩基础 冲孔桩 6000 石灰岩地区的地质条件很差，给工程设计和施工带来了很多很大的困难和挑战。在集团规划设计中心和佛山公司联合攻关下，经过充分研究 论证，谨慎果断决策，根据石灰岩地区的特点，对不同的桩型和不同的溶洞采取了有针对性处理措施，避免了地质灾害的出现，确保了建筑物的和住户的安全。同时对处理的范围和处理的标准进
22、行分级处理，使得成本和工期得到有效控制，保证了项目的顺利开发。 3. 发现、发明及创新点 （ 1） 根据溶洞的埋深和上部建筑物的荷载，对溶洞顶部进行附加应力计算分析，并以此作为填充材料配比的依据。以保证填充后洞体内材料强度达到设计要求，又避免不必要的材料浪费。 做到经济适用安全三者统一。 （ 2） 根据溶洞埋深和冲孔桩的深度关系，确定其处理方 式和填充强度，做到主次有别，安全经济。 （ 3） 根据洞内水流特征和水压力大小，以及灌浆需要的调整浆材的初凝速度，以保证填充材料在灌入洞中后不被水流冲走，确保填充的有效性。 （ 4） 通过控制浆液配比，控制灌浆的水帄范围，解决了灌浆耗材不可控的难题。 针
23、对不同土层特点、岩层埋深来确定基础形式和桩型，做到安全性、经济性、适用性三者统一。 4. 与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较 溶（土）洞一直是建设工程界的难题，由于其隐匿性，无法对其发育分布、充填程度进行完全明了的掌握，故成为工程实践中的难题之一，工程界曾进行多种实验 对其进行处理，如在溶洞顶板底板间下套管进行基桩浇灌保护，但效果不佳。 灌浆加固技术源于地下工程的特殊需要，从 1802 年法国的查理士伯利尼使用粘土、石灰加固迪普港的砖石砌体开始，已有二百多年的历史，上世纪五十年代初，我国开始使用灌浆技术的应用，并经过多年的实践摸索。在浆液材料、施工工艺、灌浆设备上都取得了令人瞩目的成绩。
24、 灌浆方法在应用中也存在一些问题，主要体现在以下几个方面： （ 1）灌浆工艺比较复杂，施工工序多，现有的设备不能完全满足要求； （ 2）灌浆成本高，主要表现在由于被灌体的不可知性，有时造成浆材消 耗量大； （ 3）对于特殊地层区域，由于灌浆的不可控性，有时造成加固效果不理想。 本工程中使用的设备为普通的高压灌浆泵，采用水泥 +膨润土 +化学浆材的水泥膨润土化学浆液，在保证工程质量的前提下，在经济造价方面，具有突出的优势。其次在施工中，采用单液及双液相互结合灌浆、间歇灌浆、复循灌浆、扫孔灌浆等综合工艺，并对不同时间的灌浆浆液采用不同的配比，以达到用最少的浆材、最低的成本而取得最佳的灌浆效果。检测
25、结果证明，灌浆效果良好，溶（土）洞充填加固后满足工程要求。 在基础选型上，我们突破了许多常规做法，如推翻灰岩地区一 般不采用管桩作为基础的禁忌；改进了长螺旋钻孔灌注桩，使之成为工程桩，适用性得到很大提高。通过对岩层和土层条件的细分研究，选择最适合的基础类别和桩型，既保证了结构安全，又易于施工，保证了工期，在成本控制上也体现经济的原则。 5. 应用、推广及论文引用情况 5.1 应用 中海万锦豪园溶（土）洞处理和基础工程 本项成果是根据万锦豪园所遇实际情况进行研发的，并将成果运用到项目的实际操作中，取得了很好的成绩。 5.2 推广 中海金沙湾溶（土）洞处理和基础工程 金沙湾中区为 21 栋高层建筑
26、， 建筑面积约为 50 万方。地质报告揭示其场地内含有大面积石灰岩区域，石灰岩内含有大量的溶洞，多呈串珠状，各洞大部相连，漏水，水压力较大，局部溶洞为淤泥填充或半填充。属于典型的喀斯特地貌。 通过对万锦豪园处理溶土洞和基础设计的成果推广使用，在根据其地质条件本身的特点，局部进行优化，也取得了显著的成绩，保证了建筑物使用的可靠性。金沙湾中区一期溶土洞处理成本约为 980 万元，涉及建筑面积约为 20 万方。折成单方成本为 44.55 元 /帄方米，按单方建筑结构造价 1000 元计，溶土洞处理费用仅占 4.5%。工期上，由于有了万锦豪园 的经验，在金沙湾的施工中，我们提前布局，合理安排各项环节，
27、确保了项目开发的正常进行。 推广时间： 2007 年 3 月至今 在华南地区存在大量的石灰岩地质，今后还不可避免会遇到此类问题，这些处理措施对与解决类似问题有相当重要的指导作用。 6、经济效益 6.1 房地产开发公司的首要任务就是收回投资成本，通过成功的对溶洞进行处理以及基础调整，为当年开发项目按时开发、及时销售奠定了坚实的基础；由于及时完成本项目，赶上了 07 年佛山楼市最旺的时 候，使得销售成绩节节高升，利润水帄也达到一个很高的水帄。 6.2 万锦豪园溶土洞处理成本为 332 万元，涉及建筑面积约为 15 万方。折成单方成本为 22.13 元 /帄方米，按单方建筑结构造价 1000 元计，
28、溶土洞处理费用仅占 2.2%，对总成本影响不大。 6.3 桩基础成本： 静压管桩（ 500）成本 200 元 /米，承载力按 1500KN 取值，单位承载力成本为 0.13 元 /KN/m；冲孔桩（ 1000）成本 1200 元 /米，承载力按 6000KN 取值 , 单位承载力成本为 0.2 元 /KN/m；夯扩桩（ 480）成本 180 元 /米，承载力按 1200KN取值 , 单位承载力成本为 0.15 元 /KN/m；螺旋桩（ 500）成本 180 元 /米 ,承载力按 1000KN 取值 , 单位承载力成本为 0.18 元 /KN/m； 由上述可知，几种桩型中静压管桩成本最低，冲孔桩
29、成本最高，夯扩桩和螺旋桩居中。由于采用静压管桩需要处理土层，考虑这笔费用，用夯扩桩和螺旋桩作为工程桩使用比冲孔桩节约成本约 25%和 10%，而且此两种桩施工不用考虑石灰岩的影响，工期能够得到保证（溶洞处理可以同时进行）因此具有很强的推广意义。 6.4 社会效益 用总共约 1300 万元的成本，消除了溶洞给建筑物 带来的安全隐患，避免了楼体出现不均匀沉降、开裂甚至倒塌的危险，维护了中海地产的品牌和声誉。通过桩型调整确保了项目正常开发的进度，为公司完成各项经济指标奠定了坚实的基础。 成为在溶洞处理技术领域的领头企业，为周边类似工程提供了很好的样板，特别是对相邻的广佛地铁溶洞处理提供了很好的处理经验，树立了公司的良好形象。
