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摘 要：本文详细阐述了超高层办公楼在溶洞地区的基础设计过程及设计要点。
关键词：超高层；石灰岩岩溶；基础选型；基础优化设计
Abstract: This paper describes in detail the high-rise office building foundation design process and design key points in Karst regions.
Key words: high-rise; karst; foundation; foundation design
中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：
一、工程概况
本工程位于广州市桂花岗机场路西侧，总建筑面积78240m2（其中地上64604m2，地下13635 m2），地上部分为1栋35层的超高层塔楼，地下部分设3层地下室。地面以上结构总高度为149.80米，地面以下埋深14.70米，建筑物塔楼南北长约43.80米，东西宽约47.70米。结构主体采用钢框架—钢筋混凝土核心筒结构体系，属于钢－混凝土混合结构的高层建筑。主塔楼单柱最大竖向轴力为：52658KN（设计值），核心筒剪力墙总竖向轴力为：731879KN，地下室单柱最大水浮力为：4540KN（标准值）。本建筑物的地基变形允许值为：2mm。
二、地质概况
本工程场地地形较平坦，属溶蚀洼地地貌单元。根据勘察分析，地基土层从上至下主要分为人工填土层、冲、坡积成因的粉质粘土、残积粘土和石炭系微风化石灰岩。a)场地内未发现断裂构造踪迹，场地是稳定的，场地土类型为中软土，场地类别为Ⅱ类，如选用合适的基础型式，适宜兴建本工程超高层建筑。b)石灰岩岩溶发育，土洞、溶洞、溶槽、石芽、鹰觜岩等岩溶形态极其复杂；溶洞高1～12米），溶洞和土洞分布无序，属覆盖型岩溶区。c)在场地内分布3条暗河和巨型溶蚀沟槽，高差达20多米。d)地下水补给、迳流和排泄条件复杂，溶岩水量丰富，单井抽水量达到800 m3/日。复杂的地基条件给基础设计和基坑支护设计及施工带来巨大的困难。相邻的机场路立交桩基础施工，曾出现大方量坍孔和跑浆事故。
三、基础选型
根据场地岩土工程条件，结合建筑工程特征，在保证安全、经济的前提下，经综合研究，确定基础设计总体原则如下：a)石灰岩埋藏浅且岩体完整的地段，采用天然地基基础，并对基坑底下一定深度范围内的溶洞进行灌浆处理，防止地基失稳。b)对微风化岩埋深大且溶洞发育的地段，采用冲孔灌注桩基础，要求冲孔桩选用具有连续厚度达5米以上（或3倍桩径厚度）的微风化岩层作桩端持力层。
四、基础设计
1.第一阶段：基础施工图设计
在本工程的施工图设计阶段，根据《地质详勘报告》对本工程的基础部分进行了第一次的施工图深度设计。由于本工程为超高层钢—混凝土结构，地下室埋藏较深，且地质条件复杂，故其基础设计具有：基础承载荷载大，对地基不均匀沉降敏感，地下室基础需考虑地下水浮力的不良影响等特点。经计算，本工程主塔楼单柱柱脚轴力为：26902KN~52658KN（设计值），非塔楼单柱柱脚最大轴力为：10373KN（设计值）。根据详勘阶段勘察报告建议，并结合工程的计算结果，本工程主要采用冲孔灌注桩基础形式，冲孔桩直径为1000～1800mm，冲孔灌注桩单桩竖向承载力特征值可按广东省标准《建筑地基基础设计规范》(DBJ15-31-2003)第10.2.4条规定计算。
Ra =Rsa+Rra+Rpa
=μ∑qsali+upC2frshr+C1frpAP
微风化石灰岩岩石单轴极限抗压强度可取25MPa，冲桩型折减后系数C1可取0.3，C2可取0.02。
最大单桩竖向承载力特征值为：16900KN，冲孔桩设计情况具体见下表：
桩 表表3
主塔楼单柱下采用两桩及三桩承台，非塔楼柱下基础采用单柱单桩（桩为抗拔桩，可抵消地下水浮力）。另外，由于核心筒剪力墙的基础底部已经大范围揭露微风化岩持力层，故将该部分基础设为筏板基础，筏板厚度为：3000mm。上述基础均以微风化石灰岩为持力层，微风化岩天然湿度单轴抗压强度frp=25Mpa，取端阻力特征值qpa=7500Kpa。为确保成基础施工质量，应进行施工勘察(桩位超前钻探)，以准确查明桩端底（3倍桩径）持力层的变化，以保证建筑物的安全与稳定。
2.第二阶段：补充施工阶段的钻探以及对已查明的溶洞及土洞的进行扩孔灌浆。
在结构工程桩及支护钻（冲）孔桩施工前，应先进行补充钻探，以查明钻（冲）桩桩身周围及桩底一定深度范围内溶土洞分布情况。补充钻孔兼做后期注浆孔。
a．钻孔平面布置要求：
1、对基坑内部结构工程桩，采用一桩一孔进行补充钻探；
2、对基坑外侧支护结构桩，采用两桩一孔进行补充钻探；
3、在核心筒承台边线2米外按每2米一孔进行补充钻探；
b. 补充钻探深度控制标准：
1、坑内钻孔至基坑底以下5米，核心筒承台内的钻孔钻至垫层底以下5米。补充钻探可与工程桩超前钻探合并进行，并按两者中深度要求较大者确定终孔深度；
2、基坑外侧钻孔至基坑底以下10米深度，钻孔设计深度约24米。
3、核心筒承台边线2米处应钻孔至基坑底以下10米深度，深度约24米。
按以上标准钻至设计深度为溶洞时，需继续加深钻孔直至溶洞底以下0.5米。
c. 取芯要求：自地面开始连续取芯，钻探深度范围遇溶土洞时，记录溶土洞顶底埋深、充填物特征。
对已查明的溶洞及土洞的进行扩孔灌浆，具体做法如下：
a．扩孔灌浆要求：
原则上，溶洞洞高大于或等于1.5m的无充填或半充填溶洞，应在原补充勘察钻孔孔位扩孔，灌注M10水泥砂浆；洞高大于4m的，可先灌注一定量的砂浆（建议约15m3，供施工参考，施工单位应提出可靠施工组织措施，下同）后灌注C15素混凝土。对灌注砂浆的孔位，如单孔灌注量超过30m3（供参考）未见稳定，可改灌素混凝土。
b. 清孔灌浆要求：
对全充填溶洞，对原补充勘察钻孔清孔至孔底后，采用花管灌注水泥浆（可适当掺入适量粉细砂），先稀（水灰比0.8~1.0）后浓（水灰比0.5~0.6），以浓浆为主。当单孔灌注水泥用量较大（基坑内建议20t，基坑围护桩建议15t）时，应采用水玻璃双液注浆止水。
c. 扩孔参数
扩孔孔深应达到最下一层溶洞底；终孔口径不宜小于130mm，开孔口径可选用150或170mm；采用钢套管护孔，便于插入孔径不小于89mm注浆钢管。
3.第三阶段：基础优化设计
进入工程的施工阶段后，根据本《施工勘察报告》（超前钻探报告），对本工程的基础及桩端终孔深度进行第一次设计优化。本次基础设计优化的主要目的为：将现有的桩基础施工桩长进行优化并确定桩端终孔深度；把部分持力层埋藏较浅（与基坑底标高接近）的桩基础调整为天然地基独立基础。设计人员本着以客户利益优先的态度，以及科学、客观的原则，经过反复研究，并与岩土工程师的多次沟通和讨论后，最终把基础优化工作顺利完成。现把该次基础优化結果列举如下：（1）将部分基础持力层埋藏较浅的冲孔桩基础改为天然柱下独立基础，需要抗浮设计的天然基础采用抗拔锚杆抗浮。经过调整后，共有26个柱下桩基础调整为柱下天然基础，共减少冲孔桩数39根。（2）对未作调整的原桩基础拟定桩端终孔深度（先对首批施工的工程桩共21根拟定了终孔深度）。（3）为减少核心筒基础的基坑开挖深度，将核心筒部位的筏板基础厚度由原3000mm优化为2500mm。通过本次基础设计优化，大大降低了甲方在基础部分的工程造价,以及缩短了施工单位的基础施工周期。在完成本次基础优化设计后，由甲方牵头，组织了施工单位、监理单位，并聘请了有关专家对基础优化设计结果进行了分析、研究并召开评审会议，对该优化设计方案进行评审。最终经过多方论证，此基础设计优化方案获得了甲方及其专家顾问的肯定。
4.第四阶段：基础进一步优化设计
经过第一阶段基础设计优化后，施工单位开始了支护桩及第一批工程桩的施工。经过一段时间的施工摸索，施工单位发现部分工程桩的冲孔成桩难度较大。主要原因为要冲越多层的石灰岩溶洞以获得稳定的持力层岩体，而石灰岩层的岩面起伏较大且岩质坚硬，所以造成施工难度较大。出现该情况后，我设计方考虑到甲方要求的工程施工周期非常紧张，以及施工场地面积较小，难以安排多台桩冲孔机械同时施工，故对现阶段的基础设计进行第二次优化，以保证基础施工周期不影响整个施工进度计划的推进。本次优化设计的手段主要通过：再次对基础的桩端终孔深度进行优化，并在确保工程安全的前提下适当将部分桩基础再调整为天然独立基础。该基础优化要求必须对本工程的岩土地质情况非常熟悉，有足够的把握去判断持力层岩土的发育状况以及其稳定性等物理指标。因此，在基础优化的过程中，积极与岩土专业配合，将其专业的意见及判断运用于设计内，从而可以较准确地判断出持力层岩体的物理状况，这使基础优化的可靠度大大提高。最终通过第三阶段的基础设计优化，进一步减少了冲孔桩施工数量（经统计共减少冲孔桩数17根），普遍桩端终孔深度减少，从而再次大大降低了施工难度及节省了施工周期。
五、结束语
在本工程的整个基础设计过程中，设计人员始终本着科学、客观的工作态度，坚持以满足设计规范、尊重客观事实为原则，尽最大努力及限度地对基础进行设计并优化。其设计的效果也非常显著，在为甲方节约了可观的工程造价的同时，也为施工单位最大限度地缩短了施工周期。为本工程下阶段的主体结构施工打下良好、坚实的基础。
关键词：超高层；石灰岩岩溶；基础选型；基础优化设计
Abstract: This paper describes in detail the high-rise office building foundation design process and design key points in Karst regions.
Key words: high-rise; karst; foundation; foundation design
中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：
一、工程概况
本工程位于广州市桂花岗机场路西侧，总建筑面积78240m2（其中地上64604m2，地下13635 m2），地上部分为1栋35层的超高层塔楼，地下部分设3层地下室。地面以上结构总高度为149.80米，地面以下埋深14.70米，建筑物塔楼南北长约43.80米，东西宽约47.70米。结构主体采用钢框架—钢筋混凝土核心筒结构体系，属于钢－混凝土混合结构的高层建筑。主塔楼单柱最大竖向轴力为：52658KN（设计值），核心筒剪力墙总竖向轴力为：731879KN，地下室单柱最大水浮力为：4540KN（标准值）。本建筑物的地基变形允许值为：2mm。
二、地质概况
本工程场地地形较平坦，属溶蚀洼地地貌单元。根据勘察分析，地基土层从上至下主要分为人工填土层、冲、坡积成因的粉质粘土、残积粘土和石炭系微风化石灰岩。a)场地内未发现断裂构造踪迹，场地是稳定的，场地土类型为中软土，场地类别为Ⅱ类，如选用合适的基础型式，适宜兴建本工程超高层建筑。b)石灰岩岩溶发育，土洞、溶洞、溶槽、石芽、鹰觜岩等岩溶形态极其复杂；溶洞高1～12米），溶洞和土洞分布无序，属覆盖型岩溶区。c)在场地内分布3条暗河和巨型溶蚀沟槽，高差达20多米。d)地下水补给、迳流和排泄条件复杂，溶岩水量丰富，单井抽水量达到800 m3/日。复杂的地基条件给基础设计和基坑支护设计及施工带来巨大的困难。相邻的机场路立交桩基础施工，曾出现大方量坍孔和跑浆事故。
三、基础选型
根据场地岩土工程条件，结合建筑工程特征，在保证安全、经济的前提下，经综合研究，确定基础设计总体原则如下：a)石灰岩埋藏浅且岩体完整的地段，采用天然地基基础，并对基坑底下一定深度范围内的溶洞进行灌浆处理，防止地基失稳。b)对微风化岩埋深大且溶洞发育的地段，采用冲孔灌注桩基础，要求冲孔桩选用具有连续厚度达5米以上（或3倍桩径厚度）的微风化岩层作桩端持力层。
四、基础设计
1.第一阶段：基础施工图设计
在本工程的施工图设计阶段，根据《地质详勘报告》对本工程的基础部分进行了第一次的施工图深度设计。由于本工程为超高层钢—混凝土结构，地下室埋藏较深，且地质条件复杂，故其基础设计具有：基础承载荷载大，对地基不均匀沉降敏感，地下室基础需考虑地下水浮力的不良影响等特点。经计算，本工程主塔楼单柱柱脚轴力为：26902KN~52658KN（设计值），非塔楼单柱柱脚最大轴力为：10373KN（设计值）。根据详勘阶段勘察报告建议，并结合工程的计算结果，本工程主要采用冲孔灌注桩基础形式，冲孔桩直径为1000～1800mm，冲孔灌注桩单桩竖向承载力特征值可按广东省标准《建筑地基基础设计规范》(DBJ15-31-2003)第10.2.4条规定计算。
Ra =Rsa+Rra+Rpa
=μ∑qsali+upC2frshr+C1frpAP
微风化石灰岩岩石单轴极限抗压强度可取25MPa，冲桩型折减后系数C1可取0.3，C2可取0.02。
最大单桩竖向承载力特征值为：16900KN，冲孔桩设计情况具体见下表：
桩 表表3
主塔楼单柱下采用两桩及三桩承台，非塔楼柱下基础采用单柱单桩（桩为抗拔桩，可抵消地下水浮力）。另外，由于核心筒剪力墙的基础底部已经大范围揭露微风化岩持力层，故将该部分基础设为筏板基础，筏板厚度为：3000mm。上述基础均以微风化石灰岩为持力层，微风化岩天然湿度单轴抗压强度frp=25Mpa，取端阻力特征值qpa=7500Kpa。为确保成基础施工质量，应进行施工勘察(桩位超前钻探)，以准确查明桩端底（3倍桩径）持力层的变化，以保证建筑物的安全与稳定。
2.第二阶段：补充施工阶段的钻探以及对已查明的溶洞及土洞的进行扩孔灌浆。
在结构工程桩及支护钻（冲）孔桩施工前，应先进行补充钻探，以查明钻（冲）桩桩身周围及桩底一定深度范围内溶土洞分布情况。补充钻孔兼做后期注浆孔。
a．钻孔平面布置要求：
1、对基坑内部结构工程桩，采用一桩一孔进行补充钻探；
2、对基坑外侧支护结构桩，采用两桩一孔进行补充钻探；
3、在核心筒承台边线2米外按每2米一孔进行补充钻探；
b. 补充钻探深度控制标准：
1、坑内钻孔至基坑底以下5米，核心筒承台内的钻孔钻至垫层底以下5米。补充钻探可与工程桩超前钻探合并进行，并按两者中深度要求较大者确定终孔深度；
2、基坑外侧钻孔至基坑底以下10米深度，钻孔设计深度约24米。
3、核心筒承台边线2米处应钻孔至基坑底以下10米深度，深度约24米。
按以上标准钻至设计深度为溶洞时，需继续加深钻孔直至溶洞底以下0.5米。
c. 取芯要求：自地面开始连续取芯，钻探深度范围遇溶土洞时，记录溶土洞顶底埋深、充填物特征。
对已查明的溶洞及土洞的进行扩孔灌浆，具体做法如下：
a．扩孔灌浆要求：
原则上，溶洞洞高大于或等于1.5m的无充填或半充填溶洞，应在原补充勘察钻孔孔位扩孔，灌注M10水泥砂浆；洞高大于4m的，可先灌注一定量的砂浆（建议约15m3，供施工参考，施工单位应提出可靠施工组织措施，下同）后灌注C15素混凝土。对灌注砂浆的孔位，如单孔灌注量超过30m3（供参考）未见稳定，可改灌素混凝土。
b. 清孔灌浆要求：
对全充填溶洞，对原补充勘察钻孔清孔至孔底后，采用花管灌注水泥浆（可适当掺入适量粉细砂），先稀（水灰比0.8~1.0）后浓（水灰比0.5~0.6），以浓浆为主。当单孔灌注水泥用量较大（基坑内建议20t，基坑围护桩建议15t）时，应采用水玻璃双液注浆止水。
c. 扩孔参数
扩孔孔深应达到最下一层溶洞底；终孔口径不宜小于130mm，开孔口径可选用150或170mm；采用钢套管护孔，便于插入孔径不小于89mm注浆钢管。
3.第三阶段：基础优化设计
进入工程的施工阶段后，根据本《施工勘察报告》（超前钻探报告），对本工程的基础及桩端终孔深度进行第一次设计优化。本次基础设计优化的主要目的为：将现有的桩基础施工桩长进行优化并确定桩端终孔深度；把部分持力层埋藏较浅（与基坑底标高接近）的桩基础调整为天然地基独立基础。设计人员本着以客户利益优先的态度，以及科学、客观的原则，经过反复研究，并与岩土工程师的多次沟通和讨论后，最终把基础优化工作顺利完成。现把该次基础优化結果列举如下：（1）将部分基础持力层埋藏较浅的冲孔桩基础改为天然柱下独立基础，需要抗浮设计的天然基础采用抗拔锚杆抗浮。经过调整后，共有26个柱下桩基础调整为柱下天然基础，共减少冲孔桩数39根。（2）对未作调整的原桩基础拟定桩端终孔深度（先对首批施工的工程桩共21根拟定了终孔深度）。（3）为减少核心筒基础的基坑开挖深度，将核心筒部位的筏板基础厚度由原3000mm优化为2500mm。通过本次基础设计优化，大大降低了甲方在基础部分的工程造价,以及缩短了施工单位的基础施工周期。在完成本次基础优化设计后，由甲方牵头，组织了施工单位、监理单位，并聘请了有关专家对基础优化设计结果进行了分析、研究并召开评审会议，对该优化设计方案进行评审。最终经过多方论证，此基础设计优化方案获得了甲方及其专家顾问的肯定。
4.第四阶段：基础进一步优化设计
经过第一阶段基础设计优化后，施工单位开始了支护桩及第一批工程桩的施工。经过一段时间的施工摸索，施工单位发现部分工程桩的冲孔成桩难度较大。主要原因为要冲越多层的石灰岩溶洞以获得稳定的持力层岩体，而石灰岩层的岩面起伏较大且岩质坚硬，所以造成施工难度较大。出现该情况后，我设计方考虑到甲方要求的工程施工周期非常紧张，以及施工场地面积较小，难以安排多台桩冲孔机械同时施工，故对现阶段的基础设计进行第二次优化，以保证基础施工周期不影响整个施工进度计划的推进。本次优化设计的手段主要通过：再次对基础的桩端终孔深度进行优化，并在确保工程安全的前提下适当将部分桩基础再调整为天然独立基础。该基础优化要求必须对本工程的岩土地质情况非常熟悉，有足够的把握去判断持力层岩土的发育状况以及其稳定性等物理指标。因此，在基础优化的过程中，积极与岩土专业配合，将其专业的意见及判断运用于设计内，从而可以较准确地判断出持力层岩体的物理状况，这使基础优化的可靠度大大提高。最终通过第三阶段的基础设计优化，进一步减少了冲孔桩施工数量（经统计共减少冲孔桩数17根），普遍桩端终孔深度减少，从而再次大大降低了施工难度及节省了施工周期。
五、结束语
在本工程的整个基础设计过程中，设计人员始终本着科学、客观的工作态度，坚持以满足设计规范、尊重客观事实为原则，尽最大努力及限度地对基础进行设计并优化。其设计的效果也非常显著，在为甲方节约了可观的工程造价的同时，也为施工单位最大限度地缩短了施工周期。为本工程下阶段的主体结构施工打下良好、坚实的基础。