岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法

《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》是中建五局第三建設有限公司完成的建築類施工工法。完成人是李彬、李璐、何昌傑、寧志強、吳智。該工法適用於工業與民用建築所有高層電梯井為混凝土結構項目。

《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》的主要特點是：主要為在溶洞區域進行鑽孔、下鋼管並注漿，施工工藝簡單，冬雨季皆可施工。且採用常規的建築材料，適應各種複雜的岩溶地質環境；根據設計圖紙及規範要求，基礎底面以下5米範圍內無溶洞及其他軟弱層。若溶洞內部有軟弱填充物質，採用內填混凝土的處理方式無法保證溶洞填充密實，通過注漿能在溶洞區域形成整體受力，地質加固處理效果顯著；相較於傳統基礎下方溶洞區域整體開挖換填，微型鋼管樁直接對溶洞區域進行加固處理，不僅工藝簡單，還能節省施工材料，施工便捷高效，縮短工期。

2021年11月5日，《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》被湖南省住房和城鄉建設廳評定為湖南省2020年度工程建設省級工法。

基本介紹

• 中文名：岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法
• 工法編號：HNJSGF179-2020
• 完成單位：中建五局第三建設有限公司
• 完成人：李彬、李璐、何昌傑、寧志強、吳智
• 主要榮譽：湖南省2020年度工程建設省級工法
• 審批單位：湖南省住房和城鄉建設廳

形成原因

隨著中國工程建設的不斷發展，基礎位於岩壁區域在工程項目中大量出現，而溶洞又是岩壁區域常見的一種地形地質。根據設計圖紙及規範要求，基礎周邊（3倍基礎範圍）進入完整持力岩石深度均應不小於1.5米，且基礎底面為持力層岩面，基礎底面以下5米範圍內無溶洞及其他軟弱層，如遇岩溶等不良地質，需進一步勘明地質情況，並進行加固處理。而傳統基礎下方溶洞區域整體開挖換填或整個溶洞內填混凝土的處理辦法不僅施工難度大，工期得不到保障，還會耗費更多資源，且若溶洞內部有軟弱填充物質，內填混凝土無法填充密實，其溶洞加固情況不可控，無法達到理想效果。

為解決這一問題，中建五局第三建設有限公司湘江歡樂城項目提供《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》對下部溶洞地質進行加固處理的施工方式。

工法特點

《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》採用微型擠密樁的形式對溶洞地質進行加固處理，其溶洞區域基礎通過微型鋼管樁直接傳遞荷載至持力層岩面，在溶洞區域的微型鋼管樁通過在注漿管上開洞與注漿而連成一個整體，形成整體受力，最終滿足設計地基承載力的要求。同時該工法具有以下特點:

1.材料常規、施工便捷：該施工方法主要為在溶洞區域進行鑽孔、下鋼管並注漿，施工工藝簡單，冬雨季皆可施工。且採用常規的建築材料，適應各種複雜的岩溶地質環境。

2.基礎下方溶洞區域地質加固效果顯著：根據設計圖紙及規範要求，基礎底面以下5米範圍內無溶洞及其他軟弱層。若溶洞內部有軟弱填充物質，採用內填混凝土的處理方式無法保證溶洞填充密實。而微型擠密樁是直接將基礎上的荷載傳遞至持力層岩面，通過注漿能在溶洞區域形成整體受力，地質加固處理效果顯著。

3.節約工期，節省資源：相較於傳統基礎下方溶洞區域整體開挖換填，微型鋼管樁直接對溶洞區域進行加固處理，不僅工藝簡單，還能節省施工材料，施工便捷高效，縮短工期。

操作原理

適用範圍

《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》適用於工業與民用建築所有高層電梯井為混凝土結構，特別適用於工期緊、安全質量標準化要求高的超高層建築施工。

技術理論

《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》的工藝原理是：

溶洞區域地基承載力差，對於岩層存在全填充或部分填充的溶洞地質情況，無法作為持力層，需進行加固處理。利用“穿”的方式，利用鑽孔打微型鋼管樁的嵌岩方式，穿透溶洞，選擇下部5米範圍內無溶洞的完整岩石作為基礎的持力層，同時利用注漿對溶洞進行填充，使溶洞區域的微型鋼管樁連成一個整個，形成整體受力，直接將基礎上部的荷載通過微型鋼管樁傳遞至持力層的岩石上，保證基礎及上部結構施工的穩定。

工藝流程

《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》的施工工藝流程及操作要點敘述如下：

礦坑生態修複利用工程-冰雪世界工程位於歷經50年開採形成廢棄礦坑之中。礦坑形狀為類橢圓形，長軸440米，短軸350米，深度達100米。礦坑上寬下窄，坡度較陡，邊坡角度約為80~90度。

冰雪世界12米平台環梁基礎在勘察過程發現溶洞，勘察結果如表1所示，溶洞的具體分布情況如圖1-3所示。根據設計圖紙及規範要求，基礎周邊（3倍基礎範圍）進入完整持力岩石深度均應不小於1.5米，且基礎底面為持力層岩面，基礎底面以下5米範圍內無溶洞及其他軟弱層。故需對溶洞進行加固處理，處理至溶洞底後鋼管樁需要嵌岩1米，鋼管樁深入承台100毫米。

表1 環梁基礎勘情況

基礎編號	尺寸	面標高（米）	C4原底標高（米）	加深後底標高（米）	切割深度（米）	地基處理深度（米）
JC14	2.2x2.2	11.75	10.25	-5.88	17.63	16.13+1.1
JC15	異形	11.75	9.25	-6.78	18.53	16.03+1.1
JC19	4.2x5	11.75	8.75	1.15	10.6	7.6+1.1
JC20	4.2x5	11.75	8.75	4.3	7.45	4.45+1.1
JC21	4.2x5	11.75	8.75	-11.87	23.62	20.62+1.1
JC22	4.2x5	11.75	8.75	-5.65	17.4	14.4+1.1
JC23	2.7x3.5	11.75	9.25	-6.45	18.2	15.7+1.1
JC24	3.1x3.4	11.75	9.75	-7.77	19.52	17.52+1.1
JC25	4.6x5.9	11.75	8.75	-11.98	23.73	20.73+1.1

圖1 溶洞具體分布情況

圖2 溶洞具體分布情況

圖3 溶洞具體分布情況

為保證結構安全，考慮在環梁基礎切割至底標高之後，採用微型鋼管擠密樁的形式對下部溶洞進行處理。

施工工藝流程

鋼管樁施工主要技術參數

1.範圍：冰雪世界項目12米平台環梁溶洞基礎處理。

2.鋼管樁布置：鋼管樁鑽孔直徑150毫米，鋼管直徑108毫米，厚度4.5毫米。

3.鑽孔深度根據地勘報告結果保證基岩以下5米完整岩石，下鋼管深度到達基岩面以下1米，然後進行高壓注漿。

4.鋼管樁：採用108毫米，壁厚4.5毫米的鋼管，採用對焊後外加鋼板圈焊的形式連線。鋼管樁頭採用割焊敲擊成封閉靴頭，然後加焊3根補強鋼筋的方式。如下圖4所示：

圖4 鋼管樁頭示意圖

5.注漿材料：P·O42.5兆帕級普通矽酸鹽水泥，水灰比0.5:1。

6.灌漿壓力：注漿施工前，應在現場進行1~2次孔注漿試驗，檢驗並調整注漿參數，要注意調整漿液的配合比和注漿壓力，以確保達到良好的注漿效果。根據注漿試驗取得的參數進行後續注漿施工，注漿施工採用壓密注漿，共分2次：第1次採用常壓注漿，注漿壓力0.6~0.8兆帕，孔口溢漿時結束本次注漿，水泥漿水灰比0.5；第2次採用中高壓注漿，注漿壓力1.0~1.5兆帕，在第1次注漿完成後10~15小時進行，水泥漿水灰比0.5。

7.結束標準：第1次灌漿結束標準為：孔口溢漿時結束灌漿；第2次灌漿結束標準為：在設計壓力下，注入率小於1升/分鐘時，繼續灌注4~5分鐘，結束灌漿。

施工工藝流程

工藝流程圖詳見圖5：

圖5 施工工藝流程圖

分步驟詳述

1.施工準備：注漿管採用直徑108毫米，壁厚4.5毫米的鋼管，採用車絲接頭連線。鋼管頂端2米為止漿段不開孔，下部沿鋼管四個方向，每隔1200毫米梅花開一個直徑5毫米的注漿孔，樁尖端部焊成封閉尖狀，然後焊三根鋼筋。鋼管底部2米範圍，每隔300毫米梅花開孔，使漿體充滿鑽孔範圍。

2.平整場地及硬化：為保障後續鋼管樁作業安全，環梁基礎切割至設計底標高之後，再往下切割50厘米，利用挖機以及人工清除淤泥，15然後回填40厘米、C40混凝土至基礎設計底標高以下10厘米。作為後續搭設架體以及放置鑽孔機械用。由於加深切割50厘米，基礎切割需要放大，回填量按照實際計量。淤泥利用塔吊外運至施工區域外，淤泥量按實計量。

3.測量放線：根據圖紙要求的孔洞直徑、間距、排距及設計提供的標高進行測量放線。

4.搭設操作架：由於鋼管樁施工之前，承台已經開挖到位，因此需要搭設操作架。操作架採用Ф48×2.7毫米的鋼管搭設，立桿間距900×900毫米，掃地桿距離地面200毫米。操作架立面示意圖如下圖所示。並以19#基礎為例給出了平面布置圖，具體如下所示：

圖6 操作架立面示意圖

圖7 操作架平面示意圖

5.鑽孔機就位鑽孔：鑽機應放平放穩。鑽機就位後用水平尺校正鑽機水平度和鑽桿垂直度，要求樁身垂直度偏差小於0.5%、樁位允許偏差±30毫米。鑽機架設場地必須平整，鑽機移位必須通過塔吊配合，不得人工移動機械。鑽孔深度根據地勘報告，去最深的溶洞底標高，並嵌岩1米。

6.清孔：在注水泥漿前，要對樁孔進行清孔，使孔內泥漿全部排出，要求孔底沉渣厚度不大50毫米；

7.注漿機安裝：在現場指定位置固定注漿機，電源由指定的配電箱接入，採用6平方米三相五線制電纜，把拌制的水泥漿放入6毫米鋼板焊接製成的1×1×1米灰槽內，然後由注漿機注漿。注漿管需裝設壓力表，注漿壓力為0.5兆帕，水灰比控制在0.45~0.5之間，注漿後暫不拔管，直至水泥漿從管外流出為止，拔出注漿管，密封鋼管端部，加壓數分鐘，待水泥漿再次從鋼管外流出為止。

8.安裝下放鋼管：待孔清洗後及時在孔內用塔吊安裝預先製作好的鋼管。鋼管在條件允許的情況下，應自然放入鑽孔內，不得強力壓入，以免損傷鋼管。

9.安裝注漿管：下放鋼管完畢後，要及時進行注漿，注漿管由注漿機只接接入到下入孔內的鋼管上，接口要密封連線，注漿管採用橡膠管輸送。為保證注漿體與周圍土體緊密結合，在孔口處設定止漿塞。注漿結束後，將注漿管、注漿槍和注漿套管清洗乾淨，同時做好注漿記錄。注漿量按實際計量。

10.拌制水泥漿：水泥漿採用專用機械進行拌制，水灰比控制在0.45~0.5之間，把拌制的水泥漿放入鋼製的1×1×1米灰槽內，然後由注漿機注漿。

11.注水泥漿：注漿管需裝設壓力表，注漿壓力為0.5兆帕，水灰比控制在0.45~0.5之間，注漿後暫不拔管，直至水泥漿從管外流出為止，拔出注漿管，密封鋼管端部，加壓數分鐘，待水泥漿再次從鋼管外流出為止。邊緣鋼管樁施工，根據鑽出的芯樣如果仍存在溶洞，則擴大鋼管樁的布置區域，直至基礎周邊擴大範圍內均無溶洞。

12.二次加壓注漿：因一次注漿難以得到沖盈係數要求，得到注漿壓力為0.5兆帕，需要二次注漿。

成孔過程中遇到溶洞處理

若鑽孔過程中遇到溶洞，提鑽後有塌孔風險，不能及時下鋼管的情況，需要先下鋼套管，鋼套管需要穿越溶洞，上下搭接50厘米，套管採用130毫米的薄壁套管。

鋼管樁承載力試驗

樁基承載力檢測有兩種方式，第一是豎向靜載試驗，第二是高應變檢測試驗。根據現場實際情況，豎向靜載試驗不可操作，因此採用高應變檢測法。根據設計院提出的承載力要求，單樁承載力特徵值為350千牛。選取25#環梁基礎，靠近超前鑽顯示有溶洞的鑽孔附近，抽取3根鋼管樁做試驗。鋼管樁高應變檢測對現場有如下要求：鋼管樁滿注漿，注漿齡期達到14天，樁頭離完成面（做試驗時的地面）30厘米，塔吊配合到位。

材料設備

《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》的材料設備要求如下：

1.設備需求如表2所示：

表2 施工機械設備表

序號	名稱	型號	單位	數量	備註
1	塔吊	TC7035	台	2	吊運鑽機
2	挖機	小松200	台	1	平整場地
3	汽車載運螺旋鑽機	—	台	4	鑽孔
4	地質鑽	—	台	4	鑽孔
5	高壓注漿泵	—	台	4	注漿

2.材料要求如表3所示：

表3 施工材料計畫表

序號	物資名稱	規格型號	計量單位	需用量	備註
1	鋼管	108×4.5	根	450	按實計量
2	水泥	PC42.5	立方	若干

質量控制

施工企業採用《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》施工時，應遵循的質量控制要求如下：

1.成孔：成孔前為保證樁的垂直度，需有水平尺前後、左右調整好鑽機的水平度，為控制樁位偏差，成孔前先用儀器精確定出樁位。鑽機每進尺累計達到200米之後要測量鑽頭一次。

2.注漿管制作：注漿管採用108毫米鋼管。鋼管頂端2米為止漿段不開孔，下部鋼管四個方向，每個1200毫米開一個直徑5毫米的注漿孔。注漿下管前用透明膠帶封孔，加壓後自動開封出漿。

3.水泥漿液配製要求：水泥漿液要嚴格按照0.5:1的比例配置，配置時水泥以每袋50千克計算，水的用量在水箱內畫上刻度線，水泥漿在攪拌桶內至少攪拌3分鐘後才可以開始注漿，從而達到攪拌均勻。如果因設備出故障或其它原因致使漿液攪拌時間超過30分鐘，為不影響樁身質量把漿液廢棄。

4.施工檢查：施工過程中對每個班組及時檢查，檢查重點是樁長、水灰比、水泥用量。樁長可直接量注漿鋼管長度；水灰比可直接用比重計現場監測；每注完10根樁以後，要及時核實水泥實際用量，如果以上不符合設計要求要及時調整，並對已施工過的樁進行補灌。

5.微型樁施工中，應仔細測量孔深、鋼管長度及注漿管長度，避免出現假樁斷樁現象。

6.嚴格控制樁頂樁底標高。

7.兩端處樁位偏差不得大於1/3樁徑（該工程為1/3×110=37毫米），中間樁樁位偏差不得大於1/2樁徑（本工程為1/2×110=55毫米），垂直度不超過1/1000樁長（該工程為1/1000×12×1000=12毫米）。

8.鑽進時如孔內出現坍孔、涌砂等異常情況，應立即將鑽具提離孔底，控制泵量，保持沖洗液循環，同時，向孔內輸送濃度較高的膨潤土泥漿，保持水頭壓力以抑制繼續涌砂和垮孔。

9.鑽進直孔達到要求孔深停鑽後，鑽具提離孔底50~80毫米，泵入清水沖洗，反循環清孔，直到孔口流出的泥漿中鑽渣含量較小為止。起鑽時應注意操作輕穩，防止鑽頭拖刮孔壁，並向孔內補入適量沖洗液，穩定孔內水頭高度，防止坍孔。

10.終孔標準。孔鑽至設計要求的地層後，根據進尺深度、速度和泥漿顏色、濃度，會同有關單位鑑定認可，以此確定終孔。

11.終孔驗收後，應及時向孔內吊放鋼管。鋼管使用前要除去表面銹渣和泥漿等雜物。鋼管用塔吊吊裝，對準孔位、吊直扶穩、緩慢下放。鋼管下到設計位置後，立即加以固定。

安全措施

施工企業採用《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.微型鋼管樁施工之前，對每個班組進行技術交底和安全交底，使每個工人都牢固樹立質量和安全意識。

2.注漿時注漿管不得彎折纏繞，時刻注意壓力表，以免壓力過高管炸傷人。

3.現場插拔注漿管人員配帶防護眼睛，以免漿液濺入眼中。

4.每根樁注漿結束後，注漿管要保持壓力3分鐘，等壓力消散之後拔掉注漿管，這樣既有利於注漿效果和保證樁身質量，也避免了壓力過高造成安全事故。

5.鑽孔以及注漿等設備只能通過塔吊吊運，不得人工移動機械。

效益分析

工程實例證明，中建五局第三建設有限公司採用《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》施工，效益分析如下：

• 經濟效益

岩壁區域對溶岩地質進行加固處理時，常規做法是基礎下方溶洞區域整體開挖換填。不僅材料和人工成本高昂，且施工工期長，施工節點無法滿足要求。而微型鋼管擠密樁對下部溶洞地質進行加固處理，避免整體開挖以及混凝土回填，節約施工材料，通過微型鋼管樁直接將荷載傳遞到持力岩層，對地基的加固效果顯著。不僅工藝簡單，節省工期，且採用的材料均為常規建築材料。最終可以根據方案及圖紙進行最終結算。

冰雪世界工程費用計算：

採用此工法，相關費用如下：

1、微型鋼管樁以綜合單價計算：（65鋼管+42注漿）元/米×（44根×8.7米/根+20根×5.55米/根+40根×21.7米/根+70根×15.5米/根+42根×16.8米/根+49根×18.62米/根+60根×21.83米/根+25根×17.23米/根+110根×17.13米/根）=82.279萬元。可進入結算。

2、若採用傳統方法，溶洞區域整體換填混凝土，相關費用如下：（1200切岩+500換填+50泵送）元/立方米×（16.13米×4.84平方米+16.03米×28平方米+7.6米×21平方米+4.45米×21平方米+20.62米×21平方米+14.4米×21平方米+15.7米×9.45平方米+17.52米×10.54平方米+20.73米×27.14平方米）=421.928萬元。

3、採用微型鋼管樁的施工方式可以根據方案及圖紙進行最終結算。綜上統計兩者相比較，採用此工法，共節約成本339.649萬元。

礦坑消防道路及桐溪路人行過街地下通道工程費用計算：

採用此工法，相關費用如下：

1、微型鋼管樁以綜合單價計算：（65鋼管+42注漿）元/米×（10根×6.5米/根+14根×6.5米/根+23根×11.7米/根+40根×12.5米/根+19根×7.8米/根+14根×9.6米/根+25根×20.5米/根+15根×12.3米/根+40根×12.1米/根）=25.56萬元。可進入結算。

2、若採用傳統方法，溶洞區域整體換填混凝土，相關費用如下：（1200切岩+500換填+50泵送）元/立方米×（8.13米×3.8平方米+12.4米×12平方米+5.6米×18平方米+4.0米×9.0平方米+8.6米×14平方米+8.6米×16平方米+10.7米×6.0平方米+10.5米×8.0平方米+7.7米×13.8平方米）=145.07萬元。

3、採用微型鋼管樁的施工方式可以根據方案及圖紙進行最終結算。綜上統計兩者相比較，採用此工法，共節約成本119.51萬元。

• 社會效益

微型鋼管樁對基礎下方溶洞區域進行加固處理，施工過程相比傳統整體開挖換填，不僅施工便捷高效，還能節省施工材料，縮短工期，作業過程不會破壞原有地形地貌，健康環保。

註：施工費用以2014—2019年施工材料價格計算

套用實例

中建五局第三建設有限公司完成的《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》已成功套用於長沙市湘江歡樂城礦坑生態修複利用工程-冰雪世界項目。

長沙湘江歡樂城坑生態修複利用工程—冰雪世界工程

礦坑生態修複利用工程-冰雪世界工程位於歷經50年開採形成廢棄礦坑之中。礦坑形狀為類橢圓形，長軸440米，短軸350米，深度達100米。礦坑上寬下窄，坡度較陡，邊坡角度約為80~90度。其中冰雪世界12米平台環梁基礎位於雪樂園橢圓型礦坑周邊坑壁上，用於承載16米平台板及上部結構荷載。在進行基礎地質勘測過程中，發現一共9個環梁基礎下方分布有溶洞，溶洞情況各不相同，為保證結構安全，考慮在環梁基礎切割至底標高之後，對溶洞進行加固處理。

圖8 長沙湘江歡樂城坑生態修複利用工程—冰雪世界工程效果圖

長沙湘江歡樂城礦坑消防道路及桐溪路人行過街地下通道工程

該工法已成功套用於長沙市湘江歡樂城礦坑消防道路及桐溪路人行過街地下通道工程。

圖9 長沙湘江歡樂城礦坑消防道路及桐溪路人行過街地下通道工程

榮譽表彰

2021年11月5日，湖南省住房和城鄉建設廳以湘建科〔2021〕206號檔案發布《關於公布湖南省2020年度工程建設省級工法名單的通知》，《岩壁基礎溶洞微型鋼管樁施工工法》被評定為湖南省2020年度工程建設省級工法。