以石灰?guī)r作為天然地基的筏板基礎在超高層建筑中的應用

苗 亮，許 磊

(湖北省城建設計院股份有限公司，武漢 430051)

0 引言

武漢市位于中國中部地區(qū)，作為長江經濟帶核心城市和國家中心城市，近些年發(fā)展迅猛、日新月異。在高速的城市化進程中，隨之帶來的問題越來越棘手，其中由廣泛分布的可溶性碳酸鹽巖導致的巖溶問題尤為突出，成了一個不可回避、必須解決的難題。羅小杰[1-2]對武漢地區(qū)的巖溶發(fā)育情況、分布規(guī)律、成因機制等做了系列研究，對可溶性碳酸鹽層的種類、地質年代、空間分布規(guī)律、巖溶類型及充填物有了較為全面、系統(tǒng)的了解。在類似的擬建場地上，樁基礎是基礎形式的首選，尤其是鉆(沖)孔灌注樁基礎[3-6]，其屬于非擠土樁，具有施工噪音小、對周邊環(huán)境影響小、單樁承載力高、可穿透溶洞進入完整基巖的優(yōu)點，在武漢地區(qū)有較為廣泛的應用。

但是武漢地區(qū)的可溶性碳酸鹽巖分布范圍非常廣泛且埋藏深淺不一，當某擬建建筑物采用多層地下室時，很可能地下室底板直接位于可溶性碳酸鹽巖之上。在這種情況下，基礎形式如果仍采用鉆孔灌注樁就顯得不太合理。

本文通過一個具體案例，對武漢地區(qū)超高層建筑(大于200m)采用石灰?guī)r作為天然地基的可行性進行研究與論證。

1 項目介紹

1.1 工程概況

洪山村城中村改造開發(fā)用地K2地塊(誠功大廈)項目主樓為45層超高層建筑，地下室為4層，建筑物總面積約132 000m2，地下室建筑面積約40 000m2。工程重要性等級為一級，場地等級為二級，地基等級為一級，設計使用年限為50年。場地土類型為中軟土，場地類別屬Ⅱ類。建筑物特征見表1。

建筑物特征 表1

1.2 場地巖土工程條件

1.2.1 地理位置及地形地貌

擬建場地位于武漢市洪山區(qū)雄楚大道與書城路交匯處西南角，北臨雄楚大道，東接書城路，見圖1。場地地勢較平坦，勘探點地面高程在21.67～22.52m之間，地貌單元屬長江Ⅲ級階地。

圖1 建筑物總平面圖

1.2.2 場區(qū)地質構造

武漢市位于淮陽山字形構造南弧西翼，區(qū)內大地構造跨及揚子準地臺和秦嶺褶皺系兩個一級構造單元，以襄樊-廣濟深大斷層為界，中南部屬揚子準地臺的四級構造單元武漢臺褶束，北部為秦嶺褶皺系的四級構造單元新洲凹陷南沿，主要受控于燕山期構造運動，表現(xiàn)為一系列走向近東西至北西西的線形褶皺，以及北西、北西西、北東和近東西的正斷層、逆斷層及逆掩斷層。

本項目場區(qū)位于王家店倒轉背斜之北翼、青菱壓扭性斷裂與五通口-湯遜湖壓扭性斷裂之間。本區(qū)現(xiàn)代構造運動呈現(xiàn)緩慢下降性質，新構造運動升降幅度不大，是一個相對穩(wěn)定地帶。

1.2.3 巖土層分布情況

根據(jù)巖土工程詳細勘察報告，建筑場地內地層情況如下：第①-1層雜填土(Qml)，第①-2層素填土(Qml+l)，第②層粉質黏土(Q4al+pl)，第③層粉質黏土(Q2al+pl)，第④層含角礫粉質黏土(Q2al+pl)，第⑤-1層紅黏土(Qel)，第⑤-2層紅黏土(Qel)，第⑥層石灰?guī)r(T1d)，第⑥a層破碎石灰?guī)r(T1d)，第⑥b層溶洞。典型石灰?guī)r巖芯、溶洞充填物及工程地質剖面圖見圖2、圖3和圖4。

圖2 石灰?guī)r巖芯照片

圖3 溶洞充填物照片

圖4 典型的工程地質剖面圖

1.2.4 巖土層承載力特征值

根據(jù)《洪山村城中村改造開發(fā)用地K2地塊(誠功大廈)巖土工程勘察報告》可知，按照現(xiàn)行國家規(guī)范及地方規(guī)程、標準等，采用標準貫入試驗、靜力觸探試驗、室內土工試驗、巖石飽和單軸抗壓試驗、點荷載試驗等資料并結合《建筑地基基礎技術規(guī)范》(DB42/242—2014)[7]確定場地各巖土層的力學強度指標，提出各巖土層工程設計參數(shù)建議值詳見表2。

1.3 巖溶發(fā)育情況

第⑥層石灰?guī)r在該場地均有分布。根據(jù)勘察報告，鉆孔見洞率高達80%，第⑥層石灰?guī)r在本場地屬巖溶強發(fā)育，發(fā)現(xiàn)有大小不等的多個溶洞、串珠狀連續(xù)小溶洞及溶孔、溶槽等溶蝕現(xiàn)象，最大單個溶洞高可達3.0m，串珠狀連續(xù)小溶洞累計高可達6.4m，溶洞由可塑～硬塑黏性土充填或半充填，局部為軟塑黏性土，勘察期間勘探孔均不返水，偶見掉鉆。

各巖土層承載力特征值及壓縮模量 表2

第⑥a層破碎石灰?guī)r為第⑥層石灰?guī)r的夾層，在該場地主樓及其周邊以及場地西北角有分布。節(jié)理裂隙較發(fā)育，鉆孔均無返水。該層鉆進過程中速度時快時慢，巖芯破碎，有溶孔、溶槽等溶蝕現(xiàn)象，無掉鉆及柱狀黏性土采取，綜合判斷為裂隙十分發(fā)育，未見較大溶洞，但應存在串珠狀連續(xù)小溶洞。其巖溶發(fā)育情況需通過施工勘察進一步查明。

從勘察深度及范圍來看，本場地第⑥層石灰?guī)r屬于巖溶強發(fā)育，第⑥a層破碎石灰?guī)r屬于第⑥層石灰?guī)r的夾層，可綜合判定擬建場地整體屬于巖溶強發(fā)育地段。

1.4 水文地質條件

本項目場地地下水類型主要為上層滯水及巖溶裂隙水。上層滯水賦存于上部雜填土中，地下水位主要受氣候因素影響，大氣降水、地表排水為其主要補給來源，勘察期間測得場地上層滯水靜止水位為地面下0.3～2.2m。巖溶裂隙水賦存于下部石灰?guī)r的溶洞及巖石裂隙內，具有承壓性，勘察期間K50號孔測得其承壓水位為地面下5.83m(高程16.39m)。

2 基礎形式

2.1 基礎設計方案

擬建物設有4層地下室，基底絕對標高-0.30～0.70m，地下室基礎底大部分直接位于第⑥層石灰?guī)r之上，局部位于第⑤-1層紅黏土、第⑤-2層紅黏土及溶洞充填物之上。主樓核心筒下地基反力約1 800kN/m3，主樓整體地基平均反力約1 050kN/m3。

從石灰?guī)r強度考慮，擬建筑物存在采用天然地基的可能。但擬建主樓為超高層建筑，荷載大且場地屬于巖溶強發(fā)育地段，巖溶洞隙眾多，根據(jù)《建筑地基基礎技術規(guī)范》(DB42/242—2014)[7]第9.3.2條，地基基礎設計等級為甲級、乙級的建筑主體宜避開巖溶強發(fā)育地段。

設計單位提出了兩套地基基礎設計方案。

方案一，采用天然筏板基礎以第⑥層石灰?guī)r為基礎持力層，需采用素混凝土對局部第⑤-1層紅黏土、第⑤-2層紅黏土及基底下揭露的溶洞充填物進行換填處理，并采用有效可靠的加固措施(如注漿加固)對第⑥層石灰?guī)r中的溶洞、裂隙進行加固處理，以保證基礎的穩(wěn)定性。

方案二，如經進一步勘察，溶洞、裂隙、孔隙在石灰?guī)r中所占比例較大，采用筏板基礎，不能滿足基礎穩(wěn)定性的要求，或沒有效果良好可靠的溶洞、裂隙加固處理措施，建議主樓可采用樁筏基礎，樁基采用鉆(沖)孔灌注樁，以第⑥層石灰?guī)r為樁基持力層。鑒于主樓為超高層建筑，建議樁基應穿過第⑥a層破碎石灰?guī)r，樁端進入下部較好的第⑥層石灰?guī)r，保證樁端以下持力層厚度滿足規(guī)范要求。

鑒于場地的實際情況，采用天然地基方案筏板基礎應經過專項論證，專項論證通過后方可實施。

2.2 專項論證

由于場地地質條件復雜，建筑物荷載大，建設單位邀請有關專家對該項目地基基礎方案進行專項論證。

2.2.1 專項論證意見一

主樓基底絕對標高-0.30～0.70m，除部分地段外均已進入第⑥層石灰?guī)r，該層巖石承載力高；根據(jù)巖土工程勘察報告，場地巖溶屬強發(fā)育，但溶洞均由可塑～硬塑黏性土充填或半充填，整個場地第⑥層石灰?guī)r巖面相對較平緩；雖然第⑥a層破碎石灰?guī)r裂隙較發(fā)育，但骨架強度依然較高，亦能滿足上部荷載的要求。結合武漢市巖溶發(fā)育的區(qū)域特征、場地的實際地質條件和建筑物的具體情況，主樓采用天然地基筏板基礎，以第⑥層石灰?guī)r作為基礎持力層的方案是可行的。

2.2.2 專項論證意見二

主樓采用筏板基礎，對主樓的基礎設計及施工應采取以下措施：

(1)對主樓進行補充勘察，在主樓基礎范圍內按3.0m×3.0m方格網間距布置勘探孔，以進一步查明基礎底面以下10.0m深度范圍內巖溶發(fā)育、溶洞分布情況，如遇異常情況應加密鉆孔。同時以補充勘探孔兼做注漿孔，對基礎底面以下一定深度范圍內石灰?guī)r中巖溶洞隙進行注漿(水泥漿)處理。

(2)對局部基礎底面未入巖地段應超挖至石灰?guī)r，采用C15素混凝土回填；對基礎底面以下已經揭露的溶洞應清除填充物，采用C15素混凝土灌填。

(3)在滿足措施(1)和(2)的情況下，筏板基礎的剛度和配筋可適當加強。

3 注漿加固方案

由專家意見可知，應對巖溶發(fā)育區(qū)采取注漿加固措施。本次注漿的主要目的是對主樓場地巖溶及裂隙進行充填，從而阻斷巖溶發(fā)育的通道，保證建筑物在其設計壽命周期內巖溶的發(fā)育不會危害到建筑主體安全[8-10]。同時，注漿也對土體和巖體起到擠密加固的作用，提高了承載力。

3.1 注漿孔布置

根據(jù)專家論證意見和設計要求，巖溶注漿孔在主樓基礎范圍內按3.0m×3.0m方格網布置，并超出基礎范圍一排孔，注漿孔進入石灰?guī)r10.0m。為保證注漿施工順利進行和注漿質量，應減少鉆孔施工與注漿施工的相互干擾，擬分三批進行鉆孔、注漿施工，整個場地注漿量為2 000t。

3.2 先導孔鉆進(探采結合)

注漿孔采用鉆探方法，鉆探設備采用XY-100型或XY-150型鉆機，采用套管支護鉆進，用φ110套管下至穩(wěn)定地層頂面，并用φ11巖芯鉆具鉆至巖面下0.3m以上，巖層采用巖芯鉆具φ91鉆進。

3.3 鉆孔編錄

每臺鉆機由地質專業(yè)技術人員對巖土進行分層，所有鉆孔上部第四系土層不作要求，但須對深度進行準確核對；將重點放在下部石灰?guī)r中，下部石灰?guī)r應保證巖芯采取率和控制回次進尺，應詳細記錄基巖面埋深、裂隙發(fā)育情況、巖石質量指標RQD值、巖溶發(fā)育情況(溶洞頂?shù)装迓裆?、充填物?，同時應將鉆進過程中的漏漿、返水、卡鉆、埋鉆、掉鉆、鉆進速度等情況描述清楚。

3.4 注漿孔施工

鉆探結束后，必須經監(jiān)理單位及建設單位驗收合格，所有鉆孔終孔后應校正孔深并確保注漿管能安放到位。注漿管達到預定深度后，清理干凈孔內巖芯或土體，用泥漿護壁鉆進工藝并進行孔內清水沖洗。

根據(jù)設計要求，從可行性、經濟性角度考慮，注漿管采用PPR材質，管徑φ40，封水球止于巖面，管長應少于巖面下鉆孔深度0.5m，前端0.5m應開眼，呈梅花型布設，并用橡膠環(huán)封孔止回。漿管采用熱熔焊接，承壓力應大于1.5MPa。

巖面封孔應將膠球放置于巖面后，應往孔內倒細砂約20kg，再放置注漿管到砂面進行注漿，注漿量不少于膠球以上5m范圍。

現(xiàn)場前期注漿漿液配合比按水灰比1∶1進行試驗性壓漿，如出現(xiàn)漿量大不能提高壓力或出漿量小則壓力過高，應調整水灰比。

注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際情況及時調整注漿量和漿液濃度。注漿過程中若出現(xiàn)大量跑漿時，應采用間歇式注漿或減小泵量措施，阻止?jié){液大量流失。

3.5 注漿結束標準

1)注漿孔口壓力維持在1.5MPa，吸漿量小于40L/min，維持20～30min；2)冒漿點出現(xiàn)在注漿范圍外，即3m以外；3)若出現(xiàn)大量漿液灌入后，不出壓力值的情況，則應分時間段壓漿，即每次間隔3～5h后再次壓漿。

4 注漿質量檢測

巖溶注漿加固屬于隱蔽工程的一種，對其注漿質量的控制一直是業(yè)內的難題之一。為了確保注漿質量達到要求，本項目共采用了3種監(jiān)測、檢測手段對注漿效果進行質量控制。

4.1 施工監(jiān)測

注漿過程中不同地段、不同地貌的巖土體，會呈現(xiàn)出不同的現(xiàn)象，有些現(xiàn)象會從側面反映出注漿效果的好壞程度。如施工場地旁有一水塘，水塘常年無水，即使用清水將其注滿也會很快滲漏直至干涸。在注漿施工過程中發(fā)現(xiàn)，水塘底部大部分被冒出的漿液所封閉，將其注滿水后基本不會發(fā)生滲漏的現(xiàn)象，這在一定程度上反映出注漿效果良好。

4.2 鉆孔抽芯檢測

在注漿施工結束28d后，進行鉆孔抽芯檢測。根據(jù)設計要求，檢測孔數(shù)為注漿孔數(shù)的5%～10%，檢測孔深度為基巖面至最下部溶洞底板的深度，檢測孔重點布置在巖溶較發(fā)育、注漿量較大、注漿質量稍差的地段。通過孔內取芯直觀了解和判斷溶洞內的漿液充填情況，并結合鉆探過程中循環(huán)液的漏失情況及孔壁的穩(wěn)定性等評價注漿質量。

從鉆孔取芯可以看出，各檢測孔均在巖溶裂隙、溶洞中發(fā)現(xiàn)水泥充填且基本充滿，其中土層中呈現(xiàn)為劈裂充填，芯樣中水泥呈條帶狀居多，巖層中水泥多呈柱狀充填，局部地段與溶洞充填物混合，取芯照片見圖5。

圖5 檢測孔芯樣照片

本次注漿檢測孔的巖芯取芯率90%以上，溶洞、溶孔和洞隙均被漿液和級配料很好的充填，達到了設計單位的設計要求和預期的效果。

4.3 注水試驗檢測

選取部分具有代表性的注漿孔進行注漿前后的注水試驗比對，按注漿孔數(shù)的5%計算。通過對比注漿孔注漿前后單位長度吸水量，來檢測注漿效果。結果表明，絕大部分注漿孔注漿之后的單位長度吸水量降低了50%以上，小部分注漿孔甚至降低達70%～80%，不存在明顯的漏水現(xiàn)象，說明注漿效果顯著，達到預期。

在全面研究分析以上資料的基礎上，最終確定注漿效果良好、注漿質量合格。

5 沉降觀測

由于武漢地區(qū)巖溶強發(fā)育地段、大于200m的超高層建筑物首次使用以石灰?guī)r作為天然地基的筏板基礎，故該基礎形式的沉降觀測是重中之重。按照《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ 8—2016)和設計要求，應從基礎施工完開始進行沉降觀測，結構每施工兩層進行一次觀測，直至竣工驗收結束且沉降穩(wěn)定為止。沉降觀測點布置圖(沉降觀測點為三角形圖案)、累計沉降量成果、平均沉降速率見圖6、表3和表4。

各觀測點累計沉降量 表3

平均沉降速率 表4

圖6 沉降觀測點位布置圖

根據(jù)觀測結果可知，該建筑各監(jiān)測點沉降量、沉降速率較小，累計沉降量及沉降速率都在規(guī)范允許范圍內，最大累計沉降量為N15點-2.95mm，最小累計沉降量N4點-0.72mm，而相鄰兩點最大沉降差出現(xiàn)在N21，N22點，其差值為1.34mm，沉降差異小，該建筑各部位沉降均勻。

根據(jù)觀測結果可得：1)該建筑物主樓累計沉降、沉降速率較小，且整體沉降均勻；2)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結果顯示，該建筑物屬正常荷載沉降。

6 結論

(1)本項目針對巖溶注漿效果分別進行了現(xiàn)場施工監(jiān)測、鉆孔取芯檢測和注水試驗檢測，通過對現(xiàn)場施工中觀察到的現(xiàn)象、鉆孔取芯率和充填效果、注漿前后注漿孔單位長度吸水量進行判斷可知，本次巖溶注漿加固效果良好，滿足設計要求。

(2)根據(jù)沉降觀測報告可知，建筑物主體14層頂板澆筑已完成，現(xiàn)階段累計沉降較小、沉降速率較緩、整體沉降均勻，屬正常荷載沉降。隨著主樓主體高度和荷載的不斷增加，累計沉降量和沉降速率會有一定的變化，期間沉降觀測會按照規(guī)范和設計要求繼續(xù)進行，直至主樓竣工驗收結束且沉降穩(wěn)定為止。

(3)截止主體結構施工至14層，該項目采用的基礎形式效果良好，現(xiàn)階段地基沉降均勻。結合武漢市巖溶發(fā)育的區(qū)域特征，高度大于200m、荷載大的超高層建筑物，在巖溶強發(fā)育地段采用以石灰?guī)r作為基礎持力層的天然筏板基礎方案是可行的。

致謝：特別感謝湖北省建設工程專家委員會專家組組長、教授級高級工程師袁內鎮(zhèn)的大力支持，使得本項目在武漢地區(qū)首創(chuàng)采用筏板基礎以石灰?guī)r作為天然地基成為可能，進而推動項目順利施工。