杭州南湖地区桩基穿越溶洞设计与分析

张 朕 磊

(上海建筑设计研究院有限公司,上海 200041)

1 工程概况

本项目为阿里巴巴达摩小镇的一期启动项目，主要集“生产+实验研发”于一体，打造成交互性、体验性、生态性的智慧办公研发园区。场地位于杭州市余杭区南湖科学中心片区，距离西溪园区10 km、杭州市区34 km。基地东、北两侧跨路临南湖，南侧为102省道及杭瑞高速。项目总建筑面积约48万m2，地下1层，建筑面积约为19万m2。地上建筑功能分为通用生产办公用房、行政办公用房(地上5层，建筑高度约24 m)以及附属配套生活服务(地上1层～2层，建筑高度约为7 m～12 m)等。建筑总体效果图详见图1。

结构体系均采用钢筋混凝土框架结构，属于丙类建筑(标准设防类)，抗震设防烈度为6度(0.05g)，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45 s。

2 场地地基土情况分析

根据外业勘探、室内土工试验成果，并结合场地土成因类型及附近勘察资料综合分析。本工程场地范围内覆盖层厚度约为30 m～35 m，下伏基岩为构造角砾岩(场地北侧)、灰岩和砂岩(场地南侧)，工程地质土层主要计算参数详见表1。

场地表层填土较厚，堆积时间较久。②1层粉质粘土以前作为农田使用，后被用作鱼塘，局部的开挖或回填对②1层粉质粘土产生较大的扰动。①03层为塘泥，该区域鱼塘被平整后堆填了①02层素填土，后被用作林场至今。表层填土现状大部分为软塑状态或流塑状态。其厚度较大，成分复杂，土质不均，结构松散，且局部含有块石。

场地分布的软土主要为①03层塘泥及③层淤泥质粉质粘土，为湖相沉积层，具高含水量、低强度、高压缩性、高灵敏性等特点，厚度变化大。

场地范围内存在两种岩体，东北部为地层交界带，岩体较破碎，多为强风化状岩体，且厚度较大，最大深度28.80 m时仍未见较好的中等风化岩体。西南部为震旦系灰岩，为可溶性岩。现场详勘时，305个勘探点中有148个勘探点探明有灰岩分布，其中39个勘探点揭示溶洞，揭露的溶洞最大高度为6.60，最小高度为0.30 m，钻孔见溶率约为26.35%。南侧灰岩主要为泥晶质结构，成分以方解石为主。岩石矿物晶体小，含有泥质、砂质等非可溶性岩层，裂隙连通性差，受区域地质构造影响较小，节理裂隙稍发育。但与其紧密相连的上部第四系土层为⑥1层圆砾、⑥2层圆砾、⑥3层砾砂夹粘性土等强透水层，其含水量较大、透水性较好，较易形成集中径流，加强了岩溶水的溶蚀能力，相应溶孔、溶洞等进一步发育且连通形成地下洞穴系统的速度较快。

表1 工程地质土层主要计算参数

3 桩基设计与分析

结合上部结构自重及场地土情况，本项目地基基础采用桩基+筏板形式。由于场地上部填土厚度较大，且存在软塑或流塑性泥塘等软土。若采用PHC管桩，则现场施工时容易引起偏桩、挤桩、上浮等现象，施工质量无法保证。最终桩型经多维度比对后，确定采用混凝土钻孔灌注桩，桩径800 mm，桩端采用后注浆工艺提高单桩承载力。

经计算，当持力层选为⑥2层圆砾时，桩长为20 m左右，单桩承载力约为2 000 kN。考虑最低水位-4.5 m后，室外区域每柱下须布置3根桩，单体区域每柱下须布置4根～5根桩。该方案无需穿越溶洞，勘探孔孔深可减小，勘探工作量较小。工程桩施工时，施工难度较低，每孔无需超前钻探。但根据地勘剖面显示，局部熔岩顶部离预估桩顶标高距离仅4.97 m，对桩端受力有影响。若存在溶洞及溶洞直径过大(一般情况溶洞直径不小于3 m时)，在桩与溶洞间土层不厚的情况下及在长期压力下桩端会产生松动而导致土层塌陷。同时该桩型需桩端后注浆，注浆压力会对持力土层产生附加压力，在溶洞上土层较薄的情况下会对持力土层的稳定性产生不利影响，也会存在浆液通过土层空隙流入溶洞的风险。若下部溶洞连通，则注浆量难以估算。

当持力层选为中风化灰岩或强风化角砾岩时，桩基需穿越溶洞进入稳定基岩，桩长约为30 m，单桩承载力可提高至5 000 kN。考虑最低水位的有利作用后，室外区一柱一桩，单体区域每柱下须布置2根桩。该方案综合造价最经济，桩数及承台数较少。由于桩基穿越溶洞，桩端持力层较稳定，且为嵌岩桩，后期主体结构几乎无沉降，有利于控制超长、超大地下室的裂缝开展以及精密实验室的微振动控制。但穿越溶洞施工较难，对设备及施工队伍的要求较高，需结合当地地勘单位经验，施工措施费较高。且灰岩区每桩施工前必须超前钻以探明溶洞情况，若溶洞存在葫芦串等复杂情况，相应的设计及施工处理有不确定的因素。

相关方案经济性对比详见表2(灌注桩按1 700元/m3，水泥按400元/t考虑)。

表2 桩基方案经济性对比

4 桩基处于溶洞上方的危险性分析

1)对于灰岩溶洞区域可以通过加密加深勘探孔点，以测得溶洞在钻孔小范围的垂直高度，还可以探测到地下水位情况、溶洞填充物情况、溶洞的泥浆流失情况等，但钻孔仅为点勘察，以点的溶蚀情况推断面的溶蚀发育程度有很大的难度(仅能定性分析)，对溶洞的宽度、溶度的空间及形状很难准确判断，大量的项目表明孔与孔水平距离很近，其溶洞发育情况差异很大。若遇到溶洞有连通情况，则场地土层情况就较复杂，存在一定风险。

2)个别勘探孔点测得20 m桩长的桩端持力层距离溶洞顶较近，深度小于地基土变形计算深度，对主体结构后期沉降有影响，存在安全隐患。通常建议桩端至溶洞顶最小距离不宜小于10 m以上。

3)由于20 m桩长采用桩端后注浆，若施工过程中对土体产生扰动，产生土层中裂隙，注浆量会随之加大，增加注浆成本。

4)桩基施工过程中对土层产生扰动，容易引起塌孔，更有甚者容易引起场地塌陷。后续施工处理较为繁琐，费用较多。

5)一旦揭穿覆盖层与溶洞的连接通道时，泥浆会突然流失，导致岩溶网地下室水位急剧下降，岩溶腔内有压水面转为无压，其中水面以上空间出现了低气压即真空(或负压)，此瞬间诱导出的能量对覆盖层内部结构产生强烈而迅速的液化、旋吸、淘空和搬运等破坏作用造成塌陷。

6)在施工成桩过程的严重扰动作用下，在地下水的渗流方向突变、垂直方向渗透动水压力迅速增加的时候，土层会突然液化，水伴随土体瞬间流向下部岩溶裂隙通道或空洞中而产生地面塌陷。

5 结语

综合考虑上述利弊且经专家评审会论证，最终一致决定采用桩基穿越溶洞方案。为防止桩基施工过程中塌孔事故发生，桩基施工过程中可设置钢护筒，贯穿上部覆盖土层到达岩面。另可根据基岩溶洞发育规模采用钢护筒(控制钢护筒直径不小于桩径+100 mm，护筒壁厚不小于4 mm)，防止水土流入护筒内引起坍塌。

根据现场工前试桩实际情况反馈，采用反循环成孔并结合设置钢护筒的施工工艺可有效确保桩基穿越溶洞的安全性及施工质量。相关工前试桩经现场堆载试验及检测后，均能满足设计及相关规范的要求，单桩极限承载力高达14 400 kN，为本工程后续工程桩设计提供了有效的参考依据。

注：感谢浙江省建筑设计研究院刘总、杭州市建筑设计研究院倪总以及杭州红楼集团严总对本工程桩基设计提出的宝贵指导意见。