某深基坑溶洞處理措施研究

羅 偉

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430072)

1 概述

某地鐵車站基坑深度17.26 m(盾構(gòu)井段19.65 m)。擬建車站位于斷陷盆地北部邊緣地帶Ⅰ級階地。據(jù)鉆孔揭露,車站范圍內(nèi)巖石溶蝕嚴(yán)重,呈溶隙、溶溝及溶洞。該區(qū)屬隱伏巖溶區(qū),可溶巖基本被覆蓋,鉆孔見洞率約為82%。溶洞埋深：5.20～24.00 m；洞高：0.90～21.60 m,高度小于2.00 m約為40%,2.0～5.0 m約30%,大于5.00 m約為30%,最大溶洞高度21.60 m。這些溶洞將嚴(yán)重影響基坑穩(wěn)定,給工程施工帶來較大風(fēng)險(xiǎn),因此必須對溶洞進(jìn)行處理,保證工程安全順利實(shí)施[4-5]。

2 溶洞危害分析

溶洞對深基坑安全影響主要有以下幾個(gè)方面[3]：

(1)溶洞易形成貫通,與附近河流形成水力聯(lián)系,一旦基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔水失效,易導(dǎo)致基坑失穩(wěn)；

(2)溶洞部位承載力差,易使深基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；

(3)溶洞區(qū)巖板承載力不足,易被樁基頂穿從而導(dǎo)致基坑路面系統(tǒng)崩塌；

(4)溶洞區(qū)巖體承載力差,易引起主體結(jié)構(gòu)不均勻沉降,給車站安全運(yùn)營帶來隱患。

3 溶洞處理范圍

3.1 溶洞分類

溶洞按其內(nèi)填充物的特性分為以下3類[4-5]：

全空溶洞：溶洞內(nèi)無任何填充物或者絕大部分空間被地下水充填；

部分填充溶洞：溶洞內(nèi)部分被淤泥或其他力學(xué)性質(zhì)較差巖土填充；

完全填充溶洞：溶洞被粉土、黏土或其他力學(xué)性質(zhì)較好的巖土填充。

3.2 溶洞處理范圍

(1)基坑周邊：沿連續(xù)墻四周2 m的范圍內(nèi)布置地質(zhì)鉆孔,鉆孔深度按以下原則雙控：深入連續(xù)墻底部以下不小于3 m；深入基坑底以下不小于10 m,取以上兩個(gè)深度值較大的一個(gè)作為鉆孔深度的控制值。見圖1、圖2。

(2)格構(gòu)柱：在距格構(gòu)柱中心2 m距離的位置,成梅花形布置4個(gè)探孔,鉆孔深度為深入格構(gòu)柱樁底以下10 m。見圖3、圖4。

(3)除去以上基坑周邊和格構(gòu)柱探孔范圍,在基坑內(nèi)則采用4 m×4 m梅花形布置探孔,探孔與格構(gòu)柱探孔及基坑周邊區(qū)域的探孔不重復(fù)布置,鉆孔深度為深入基坑底以下10 m。

圖1 連續(xù)墻周邊溶洞處理鉆孔布置剖面(單位：mm)

圖2 連續(xù)墻周邊溶洞處理鉆孔布置

圖3 臨時(shí)立柱周邊溶洞處理鉆孔布置剖面(單位：mm)

圖4 臨時(shí)立柱周邊溶洞處理鉆孔布置

4 溶洞處理措施

4.1 處理工藝的選擇[6-8]

施工工藝對注漿效果有很大的影響,每種施工工藝都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性,在進(jìn)行注漿設(shè)計(jì)時(shí),要綜合考慮地基土特性、注漿目的、注漿范圍和注漿漿液等因素,對施工工藝加以明確。施工工藝的選擇帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性,見表1。

從表1可以看出,本工程擬采用袖閥管注漿法進(jìn)行溶洞處理。

表1 注漿工藝的適用情況

4.2 注漿壓力的確定[9-12]

注漿的最大容許注漿壓力推薦采用注漿試驗(yàn)曲線確定,即在注漿試驗(yàn)過程中,逐步提高注漿壓力,求得壓力和流量關(guān)系曲線(圖5),當(dāng)壓力升到某一數(shù)值時(shí),注漿流量突然增大,表明地層已產(chǎn)生劈裂,因而把這一壓力值作為確定最大容許注漿壓力的依據(jù)。

圖5 注漿壓力與注漿流量關(guān)系曲線

在試驗(yàn)前需預(yù)定一個(gè)試驗(yàn)壓力值時(shí),可以根據(jù)以下注漿的經(jīng)驗(yàn)公式確定

[Pe]=βγT+cKλh

式中 [Pe]——容許注漿壓力；

T——注漿覆蓋層厚度，m；

K——與注漿方式有關(guān)的系數(shù),自上而下注漿時(shí)K=0.8,自下而上時(shí)K=0.6；

λ——與地層性質(zhì)有關(guān)的系數(shù),可在0.5～1.5選擇。結(jié)構(gòu)疏松、滲透系數(shù)強(qiáng)的地層取低值,反之取高值；

h——注漿段到地面深度；

β——系數(shù),在1～3選擇；

γ——地面以下,注漿段以上土層的重度。

如采用水泥-水玻璃雙液快凝漿液,則注漿壓力宜小于1 MPa。在保證可注入的前提下應(yīng)盡量減小注漿壓力,漿液流量也不宜過大,一般控制在10～20 L/min。

4.3 溶洞處理措施

根據(jù)以上的探孔布置進(jìn)行基坑范圍內(nèi)的溶洞探測。當(dāng)探孔揭示底板以下超過10 m范圍未出現(xiàn)溶洞,則該探孔所在的位置灌注1∶1水泥漿,注漿壓力控制在1.0 MPa；若在探孔范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)較為軟弱的土層,如地基承載力較低的淤泥質(zhì)土?xí)r,采用雙管高壓旋噴進(jìn)行加固,要求加固后的土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥1.0 MPa。

對于空洞、半填充,全填充性溶洞,則進(jìn)行如下處理。

(1)全空溶洞：在探孔區(qū)域探測到全空溶洞且空洞內(nèi)含巖溶水較少時(shí)(巖溶水較少時(shí)則表明該處的巖溶水一般不具備連通性),先抽出巖溶水向溶洞內(nèi)充填細(xì)砂,或填充粒徑較小的砂石,填充時(shí)采取壓力吹灌的方式。當(dāng)填料達(dá)到孔洞高度的1/3時(shí),進(jìn)行1次注漿,漿液采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.2 MPa；待加固體達(dá)到一定強(qiáng)度后繼續(xù)進(jìn)行吹灌充填,當(dāng)填料達(dá)到孔洞高度的2/3時(shí),進(jìn)行1次注漿,漿液采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.3 MPa；待加固體達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行吹灌充填,填滿整個(gè)空洞范圍,然后進(jìn)行注漿,注漿壓力可以適當(dāng)加大,但應(yīng)控制在0.5 MPa以內(nèi)。

(2)部分填充溶洞：在探孔區(qū)域探測到部分填充溶洞時(shí),向溶洞內(nèi)填充細(xì)砂,或填充粒徑較小的砂石料,填充時(shí)采取壓力吹灌的方式,然后進(jìn)行注漿加固,注漿采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.3 MPa。

(3)完全填充溶洞：在探孔區(qū)域探測到完全填充溶洞時(shí),直接向溶洞內(nèi)灌注1∶1水泥漿,注漿壓力控制在0.5 MPa以內(nèi)。

(4)對于大量巖溶水填充的溶洞：首先對該溶洞的巖溶水進(jìn)行抽排,抽排的同時(shí)注意觀測水位的變化,若水位變化較快,則表明該溶洞內(nèi)的水不具備連通性,此時(shí)將溶洞內(nèi)的巖溶水抽排干凈之后,以全空溶洞的處理方式進(jìn)行處理；若抽水過程中水位變化較慢或不變化,則表明該溶洞內(nèi)的巖溶水與地下其他水系具有水力聯(lián)系(但在無干擾時(shí)不具備流動(dòng)性),此時(shí)應(yīng)立即停止抽排,并擴(kuò)大探孔的范圍,即在既有探孔周邊1～2 m增加探孔,并經(jīng)過以上探孔向溶洞內(nèi)灌填粒徑較大的石料,然后進(jìn)行注漿加固,加固采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.1 MPa以內(nèi),待加固體形成一定結(jié)石體后,重復(fù)以上步驟,注漿壓力隨著空洞內(nèi)結(jié)石體增加可適當(dāng)提高,但最大不應(yīng)超過0.3 MPa,注漿時(shí)應(yīng)使多個(gè)探孔做到同步注漿。

(5)以上各種處理方式中,最后階段均應(yīng)進(jìn)行一次壓密注漿,注漿采用1∶1水泥漿,注漿壓力控制在0.5 MPa以內(nèi)。

4.4 溶洞處理的材料

(1)注漿管：φ80 mm無縫鋼管。

(2)水泥：P32.5普通硅酸鹽水泥,水泥漿液水灰比為:0.8∶1～1∶1。

(3)水玻璃：38～43 Be′,模數(shù)2.4～3.0。

水泥水玻璃雙液漿中,水玻璃要進(jìn)行水灰比、水玻璃濃度、CS體積比的現(xiàn)場試驗(yàn),以確定水泥水玻璃漿液的凝膠結(jié)時(shí)間、結(jié)石體強(qiáng)度。加固后進(jìn)行抽芯檢驗(yàn),要求無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥1.0 MPa。

5 注漿施工工藝及注意事項(xiàng)

5.1 注漿鉆孔施工控制

(1)注漿前先進(jìn)行30%先導(dǎo)勘探孔的鉆探,先導(dǎo)孔施工完畢后進(jìn)行注漿孔的鉆探和注漿施工；

(2)土層采用干鉆,巖層采用水鉆；土層采用φ108 mm鉆頭鉆進(jìn),巖層基巖面以下0.5 m為φ110 mm鉆頭鉆進(jìn),其下采用φ91 mm鉆頭?？孜灰苿?dòng)不超過0.5 m,垂直偏差小于1%。

(3)套管應(yīng)下至基巖面以下0.5 m,嵌入基巖并用水泥砂漿固結(jié),待水泥砂漿初凝后繼續(xù)巖層鉆進(jìn)。

(4)鉆孔深度為進(jìn)入巖層深度不得小于5.0 m,并應(yīng)確保鉆到溶洞底板以下不小于1.0 m。鉆至設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行清孔,保證鉆孔底部的沉渣小于0.2 m,清水沖洗時(shí)間不小于30 min。

5.2 注漿技術(shù)要求及施工控制

(1)注漿的順序?yàn)橄葍蓚?cè)后中間跳孔注漿的順序。

(2)注漿前每孔做好注水試驗(yàn),根據(jù)鉆孔的地質(zhì)情況和注水試驗(yàn)的情況采用不同的注漿漿液和措施。注漿后選取5%的注漿孔清孔后做注水試驗(yàn),對前后2次注水試驗(yàn)的資料整理,對比單位吸水量,若未達(dá)到設(shè)計(jì)要求(注漿后的單位吸水量小于注漿前的單位吸水量3%～5%,且不存在明顯漏水現(xiàn)象),說明該孔注漿不合格,應(yīng)繼續(xù)清孔注漿,直到注水試驗(yàn)合格。

(3)注漿前準(zhǔn)備及注漿工藝選用

①注漿前,應(yīng)分析注漿孔的地層及巖溶和裂隙情況,并根據(jù)地層情況初步選定注漿方案(如注漿孔地層中存在空洞,應(yīng)先考慮填灌砂或水泥砂漿；全充填溶洞或裂隙應(yīng)先用單液注漿等)。

②注漿施工工藝選用的順序一般為：填灌砂或水泥砂漿→雙液注漿(或單液注漿)→補(bǔ)償壓密注漿。

③注漿工藝在實(shí)際注漿施工操作中應(yīng)靈活選用,每種工藝(如灌砂,單、雙液注漿)根據(jù)注漿情況可能多次間隔反復(fù)使用,以達(dá)到既滿足質(zhì)量要求又節(jié)約注漿材料的目的。

④注漿終孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

流量控制：注漿孔口壓力維持在0.2～0.5 MPa,吸漿量不大于40 L/min,維持30 min；

壓力控制：注漿鉆孔基巖完整,或多次注漿,孔口壓力超過1.5 MPa時(shí)；

范圍控制：冒漿點(diǎn)已出注漿范圍外3～5 m時(shí)；

漿量控制：單孔注漿量達(dá)到平均注漿量1.5～2.0倍,且進(jìn)漿量明顯減少時(shí),當(dāng)達(dá)不到上述結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)清孔再次注漿。

⑤封孔：注漿結(jié)束拔出套管后,用M7.5號水泥砂漿封孔,封孔時(shí)必須邊灌邊插搗,確?？變?nèi)密實(shí)。嚴(yán)禁不封孔或假封孔,以致人為形成豎向水力通道,加重路基巖溶病害。

注漿施工工藝施工流程見圖6。

圖6 灌漿施工工藝

5.3 施工注意事項(xiàng)

(1)進(jìn)行不同水灰比的小樣配比試驗(yàn),確定0.8∶1～1∶1的材料用量,便于施工工藝控制。

(2)施工時(shí)因受水文地質(zhì)條件的影響,應(yīng)及時(shí)調(diào)整漿液配比。

(3)注漿過程中嚴(yán)格按照試驗(yàn)配比控制水泥漿比例,避免對注漿質(zhì)量產(chǎn)生影響。

(4)針對地下溶洞,嚴(yán)格執(zhí)行先探后施工的原則。

(5)施工過程中必須對含有巖溶水的溶洞進(jìn)行填充與壓漿處理,隔斷地下巖溶水的水力聯(lián)系,避免溶洞中的巖溶水與周邊建筑物下部的巖溶水形成連通,從而因基坑降水導(dǎo)致坑外建筑物的地基沉降,進(jìn)而導(dǎo)致建筑物的破壞,引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

6 結(jié)語

溶洞問題一直是困擾工程建設(shè)的重大問題,尤其對深基坑穩(wěn)定性有著重大影響,溶洞處理的精髓在于探灌結(jié)合,只有對溶洞分布形態(tài)、發(fā)育規(guī)律作出準(zhǔn)確預(yù)測,宏觀把握整個(gè)施工場區(qū)巖溶情況,才能采取針對、有效的處理措施。

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