溶巖地層樁基施工誘發(fā)既有建筑沉降病害處治案例分析

朱國(guó)鵬,楊 樺,唐 波,王曉春

(1.浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310012；2.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目及周邊環(huán)境概況

浙江某危舊房改造工程項(xiàng)目地處地質(zhì)極其復(fù)雜的區(qū)域,總用地面積為9 097 m2,擬建3幢18層及1幢11層住宅樓,全場(chǎng)設(shè)一層地下室,總建筑面積37 747.67 m2。本工程場(chǎng)地北側(cè)為小溪,距圍護(hù)樁中心線約11～16 m；東側(cè)為城市道路；西側(cè)為購(gòu)物廣場(chǎng),距圍護(hù)樁中心線約12 m；南側(cè)臨擬建1#樓為老舊小區(qū)A樓既有建筑,該建筑為7F磚混結(jié)構(gòu),淺基礎(chǔ),距圍護(hù)樁中心線約12 m；南臨擬建2#樓為一幢3～5 F磚混結(jié)構(gòu),淺基礎(chǔ),距圍護(hù)樁中心線約10 m,但緊臨圍護(hù)樁外側(cè)商鋪工程樁。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)詳細(xì)勘察及巖溶勘察報(bào)告,本工程場(chǎng)地內(nèi)地表填土層以下淺部主要為沖積相的黏性土、圓礫和含礫粉質(zhì)黏土層,下臥基巖巖性為灰?guī)r,灰?guī)r巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,根據(jù)一樁一勘報(bào)告,樁基遇洞率達(dá)73%,最大溶洞深34 m,并有較多串珠溶洞,見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 地下溶洞三維成像圖

圖2 地下串珠溶洞剖面

各層地質(zhì)情況如下：

① 層雜填土：雜色,松散,稍濕。層厚0.70～9.20 m,全場(chǎng)分布。

②-2層粉質(zhì)黏土：灰黃色,可塑,中等壓縮性,層厚0.7～8.6 m。全場(chǎng)分布。

③層圓礫：灰色,稍密—中密,飽和。一般粒徑5～50 mm,母巖成分主要以凝灰?guī)r、泥巖為主,余為粗細(xì)砂充填。層厚1.2～18.6 m,全場(chǎng)分布。

④層粉質(zhì)黏土：含礫砂,灰褐色,軟—可塑,中等壓縮性。層厚2.7～30.0 m,局部分布。

⑤-3中風(fēng)化灰?guī)r：青灰、灰白色,巖芯呈短柱狀,裂隙較為發(fā)育,錘不易擊碎,擊聲清脆,干鉆較難鉆進(jìn),局部可見(jiàn)溶蝕現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為溶槽和溶洞,部分區(qū)域分布不規(guī)則溶洞,飽和單軸抗壓強(qiáng)度50.7 MPa,屬較硬巖。

⑤-0溶洞：巖溶主要在灰?guī)r頂面發(fā)育,以淺部溶蝕溝槽為主。在斷層及巖性接觸帶附近,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,串珠狀發(fā)育溶洞,發(fā)育深度較大。巖溶豎向、側(cè)向溶蝕交替出現(xiàn),條帶狀分布特點(diǎn)較明顯,以垂直溶蝕為主。各類巖溶現(xiàn)象大部分被流、軟塑狀黏性土充填,局部夾少量碎石。

場(chǎng)地地下水類型主要為潛水、微承壓水以及碳酸鹽類巖溶水三大類。

1)潛水 受大氣降水和地表水補(bǔ)給,以蒸發(fā)方式和向附近河流側(cè)向徑流排泄為主,水位年變幅約1.5～2.0 m?？辈炱陂g水位標(biāo)高80.89～82.48 m。

2)微承壓水 微承壓水分布于場(chǎng)地下部第四系沖洪積、沖積圓礫層中。水頭高程為78～82 m,涌水量為10～20 m3/h,對(duì)基坑施工有一定影響?？梢疸@孔樁孔壁坍塌,必要時(shí)采取相應(yīng)護(hù)壁措施。

3)碳酸鹽類巖溶水 主要賦存于中風(fēng)化灰?guī)r層中,覆蓋型巖溶構(gòu)造富水性不均一,主要受巖溶發(fā)育程度制約,在有利構(gòu)造部位水量較為豐富,一般水量中等或貧乏,涌水量100～1 000 t/d?？傮w上此含水層對(duì)基坑施工影響較小,對(duì)樁基施工影響較大。

1.3 樁基及基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)概況

1.3.1 工程樁設(shè)計(jì)概況

工程樁設(shè)計(jì)采用灌注樁基礎(chǔ),設(shè)計(jì)總樁數(shù)326根,其中ZH1型承壓樁,樁徑800 mm,共計(jì)220根；ZH2型承壓樁,樁徑1 000 mm,共計(jì)85根；ZH3型抗拔樁兼承壓樁,樁徑800 mm,共計(jì)21根。設(shè)計(jì)樁端持力層為⑤-3中風(fēng)化灰?guī)r層,有效樁長(zhǎng)按穿透溶洞進(jìn)入穩(wěn)定中風(fēng)化灰?guī)r層不小于1 m控制,且樁底以下5 m范圍無(wú)溶洞。

1.3.2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)概況

基坑?xùn)|側(cè)設(shè)計(jì)開挖深度6.85 m,其余區(qū)域設(shè)計(jì)開挖深度5.85 m,設(shè)計(jì)采用φ800@600咬合樁排樁支護(hù)+一道鋼筋混凝土支撐,局部雙排樁懸臂支護(hù)。

2 施工過(guò)程及狀況

2.1 樁基施工情況

1)基坑圍護(hù)樁于2018年6月18日開始施工,采用振動(dòng)機(jī)械下12 m深套管、旋挖成孔工藝,至2018年8月9日施工完畢,共計(jì)563根樁。

2)工程樁于2018年10月13日開始施工,采用泥漿護(hù)壁、沖擊成孔工藝, 2018年10月28日,1#樓202#樁成樁過(guò)程中,基坑圍護(hù)外側(cè)距離該樁約10 m 處發(fā)生溶洞塌陷(圖3、圖4),并對(duì)塌陷溶洞進(jìn)行了處理。期間由于臨近溶洞塌陷的南側(cè)既有建筑A樓發(fā)生不均勻沉降, 2019年1月3日起暫停施工,樁基共計(jì)完成204根,遇洞率67%,已完成工程樁分布情況見(jiàn)圖5。

圖3 溶洞塌陷位置示意

圖4 溶洞塌陷現(xiàn)場(chǎng)照片

圖5 工程現(xiàn)場(chǎng)情況平面

2.2 沉降觀測(cè)概況

根據(jù)第三方基坑監(jiān)測(cè)資料,對(duì)本工程周邊既有建筑物共布置18個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn),其中臨近202#樁坍塌的西南側(cè)既有建筑A樓測(cè)點(diǎn)編號(hào)為CJ1～CJ6,建筑物沉降觀測(cè)自2018年6月29日起,截至2019年4月15日,各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 西南側(cè)既有建筑A樓累計(jì)沉降

周邊3幢既有建筑在本工程各對(duì)應(yīng)區(qū)域樁基施工四個(gè)階段沉降變化發(fā)展趨勢(shì)基本一致：

1)圍護(hù)樁施工階段各建筑臨基坑側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在該階段沉降量迅速增加,沉降速率為0.23～0.40 mm/d,其累計(jì)沉降約占總沉降量的50%～60%。

2)圍護(hù)樁施工結(jié)束至工程樁施工前的間歇期各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率迅速收斂至穩(wěn)定狀態(tài)。

3)工程樁施工階段各對(duì)應(yīng)區(qū)域沉降速率再次增加,剔除受202#樁溶洞坍塌影響范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),其余測(cè)點(diǎn)該階段沉降量大致為3～6 mm,無(wú)明顯差異沉降發(fā)生,沉降速率小于圍護(hù)樁施工期間。

4)2018年10月28日,1#樓202#樁施工時(shí)發(fā)生溶洞坍塌,臨近的既有建筑A樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ2(距離約20 m)及CJ3(距離約15 m)沉降速率急速增加,一個(gè)月內(nèi)沉降量分別增加約14 mm及18 mm,但其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均未發(fā)生較明顯異常反應(yīng),推測(cè)該溶洞坍塌影響范圍不大于25 m。

5)暫停工階段,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率逐漸趨于平緩,約60%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率小于0.02 mm/d。

2.3 既有建筑A樓鑒定及勘察情況

既有建筑A樓為7層磚混結(jié)構(gòu),條形淺基礎(chǔ),建筑面積約3 900 m2。2018年10月28日,202#樁施工過(guò)程中發(fā)生溶洞塌陷后,該樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ2(距離約20 m)及CJ3(距離約15 m)沉降速率迅速增加。委托第三方單位對(duì)該樓進(jìn)行房屋安全鑒定,鑒定情況如下：

1)房屋樓、屋面形式均為預(yù)制板,采用磚墻承重體系,承重墻采用240 mm厚燒結(jié)實(shí)心磚,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽檢查看,各層樓梯間墻體砌筑形式均為實(shí)砌。

2)房屋架空層高2.1 m,1～5F層高3.0 m,6F層高3.8 m(含隔熱層)。

3)房屋墻體局部受潮,局部抹灰空鼓,墻體砌筑砂漿輕微粉化。屋面防水設(shè)施局部已老化損壞,屋面板底存在滲漏痕跡。

4)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及復(fù)核計(jì)算,房屋各層承重墻體承載力復(fù)算結(jié)果均未超出《危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)(JGJ 125—2016)》[1]中對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)限值的要求。

5)各測(cè)點(diǎn)傾斜率均未超出《危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)(JGJ 125—2016)》中危險(xiǎn)點(diǎn)限值。

6)房屋存在不均勻沉降,但目前沉降速率尚未超出《危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)(JGJ 125—2016)》中危險(xiǎn)點(diǎn)限值。

7)房屋目前危險(xiǎn)性評(píng)級(jí)為B級(jí),結(jié)構(gòu)承載力能滿足正常使用要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溶洞塌陷情況推測(cè)既有建筑A樓及周圍區(qū)域與施工區(qū)域的地下溶洞貫通,立即委托第三方采用高精度瞬變電磁法[2]、微動(dòng)探測(cè)法、探地雷達(dá)法、跨孔地震波層析成像法等方法對(duì)該樓及附近區(qū)域地下巖溶發(fā)育情況進(jìn)行綜合勘察,勘察結(jié)果如下：

1)該樓南側(cè)中風(fēng)化灰?guī)r面埋深一般在11～14 m,北側(cè)一般在16～20 m；有效探測(cè)范圍內(nèi),巖溶發(fā)育深度一般在地面以下15～40 m 深度,基本為黏土和碎石填充。

2)巖溶發(fā)育區(qū)1、2、4均有向北側(cè)延伸的趨勢(shì),結(jié)合北側(cè)基坑內(nèi)的鉆孔資料,推測(cè)2、4區(qū)的巖溶與北側(cè)基坑聯(lián)通(圖5)。

2.4 既有建筑A樓沉降原因綜合分析

根據(jù)施工情況分析、地質(zhì)勘察、沉降數(shù)據(jù)等綜合分析,判斷周邊既有建筑物沉降原因如下：

1)施工振動(dòng) 主要為圍護(hù)樁施工振動(dòng)機(jī)械下鋼套管及工程樁沖擊成孔所產(chǎn)生的振動(dòng)等,振動(dòng)因素消除后其沉降收斂速度較快。

2)穿越溶洞影響 沖擊成孔穿越巖溶頂板后,護(hù)壁泥漿突然漏失,造成地下水動(dòng)力條件的改變而誘發(fā)。

3)巖溶塌陷 巖溶塌陷引發(fā)影響范圍內(nèi)臨近建筑物沉降變形。

3 后續(xù)基坑施工減少對(duì)既有建筑物影響處理

3.1 處理目的及方案思路

根據(jù)對(duì)既有建筑物A樓安全性鑒定情況,該樓結(jié)構(gòu)承載力能滿足正常使用要求,不均勻沉降主要由臨近建筑物的地下巖溶塌陷引起,其余正常穿越溶洞施工的工程樁,其引起的沉降及差異沉降尚屬可控范圍。因此制定的處理方法、目的及思路如下：

處理目的：保護(hù)周邊環(huán)境安全,減小后續(xù)工程樁施工對(duì)既有建筑A樓沉降變形的不利影響。

處理思路：防水土流失隔離保護(hù)與樁孔巖溶防塌陷預(yù)處理結(jié)合。

3.2 對(duì)既有建筑物A樓隔離保護(hù)方案

根據(jù)物探勘察結(jié)果,既有建筑物A樓北側(cè)部分地下巖溶與擬建1#樓存在貫通,考慮1#樓尚有17根遇巖溶工程樁尚未施工,且前期已受巖溶塌陷土體擾動(dòng)等因素影響,建議在擬建1#樓與既有建筑物A樓之間進(jìn)行鉆孔止水帷幕灌漿防水土流失隔離保護(hù)處理,按照一定間距系統(tǒng)布置鉆孔進(jìn)行充填、滲透、擠劈灌注,形成一道類似于地下連續(xù)墻、三軸水泥攪拌樁的封閉隔離體,切斷兩者間的地下水力聯(lián)系,以期其對(duì)兩者水力具有有效隔離效果,控制周邊建筑沉降,同時(shí)降低對(duì)后期樁基施工的不利影響。

3.2.1 鉆孔布置

根據(jù)既有建筑物A樓巖溶物探及補(bǔ)勘結(jié)果,綜合考慮未施工工程樁分布及202#樁巖溶塌陷擾動(dòng)影響范圍,確定隔離注漿鉆孔布置如下：

1)布孔位置：鉆孔布置于用地紅線以內(nèi)、基坑圍護(hù)樁外側(cè),與既有建筑物A樓平行向布置。

2)布孔范圍：既有建筑物A樓東、西側(cè)跨度范圍內(nèi)。

3)布孔方式：1#樓工程樁未施工區(qū)域及 202#樁塌陷擾動(dòng)影響區(qū)內(nèi),鉆孔呈雙排布置,外排鉆孔間距1 m,內(nèi)排間距 1.5 m,排間距 1.5 m。其余呈單排布置,鉆孔間距1 m。共計(jì)布置注漿鉆孔73孔。見(jiàn)圖7。

圖7 1#樓灌漿隔離孔位布置示意

4)布孔深度：隔離保護(hù)注漿處理以上部松軟覆蓋層及土巖接觸帶為主,鉆孔孔深以進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r1 m 為終孔原則。如進(jìn)基巖1 m 內(nèi)鉆穿巖溶,則對(duì)所遇第1個(gè)溶洞空腔進(jìn)行灌漿處理,預(yù)計(jì)平均孔深在20～25 m范圍內(nèi)。

3.2.2 注漿工藝選擇

本工程場(chǎng)地上覆土層主要為填土、稍密狀圓礫及含礫粉質(zhì)黏土等,下部巖溶基本為流塑狀粉質(zhì)黏土半充填,前期勘察鉆探過(guò)程中,鉆孔漏漿較嚴(yán)重?？紤]常規(guī)的充填及劈裂灌漿工藝存在的劈裂跑漿與壓力受限等技術(shù)問(wèn)題,為確保防滲加固灌漿隔離處理[3]的有效性,采用一種自上而下、鉆灌一體沖擠灌漿工藝。該工藝是一種較為新型的灌漿工法,該工藝鉆孔采用一種特制的螺旋管或長(zhǎng)圓管組成的高壓沖擠灌漿鉆具,用灌漿液作為鉆孔沖洗液,簡(jiǎn)便快捷、漿材可控,灌漿均一、經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

自上而下鉆孔灌漿遇到溶洞后,先對(duì)溶洞空腔進(jìn)行控制性充填灌漿,而后分段對(duì)溶洞軟弱充填物進(jìn)行鉆灌一體沖擠灌漿[4]。

3.2.3 漿液材料與配比

1)上部覆蓋層鉆灌一體采用水泥穩(wěn)定漿液,其配比性能見(jiàn)表1。水泥采用強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5MPa的普通硅酸鹽水泥,漿液中可摻入速凝劑、減水劑、穩(wěn)定劑等外加劑,最優(yōu)摻加量通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)確定。

表1 覆蓋層水泥穩(wěn)定漿液配比性能

2)溶洞充填擠密與沖擠灌漿處理材料采用一種水下不分散膏狀漿液,其配比性能見(jiàn)表2，它的基本特征是膏漿的剪切屈服強(qiáng)度值大于其本身重力的影響。水下不分散膏漿具有良好的抗水流沖釋性能和自堆積性能,適用于特別松散架空的巖土體或巖溶充填灌漿,采用速凝水泥膏漿有利于動(dòng)水條件下縮短和控制膏漿的凝結(jié)時(shí)間,節(jié)省灌漿材料和時(shí)間。

表2 溶洞水下不分散膏狀漿液配比性能

3.2.4 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

鉆灌一體沖擠灌漿工藝流程如下：鉆灌開孔→安放孔口管→安裝孔口封閉器→下入與連接沖擠鉆灌機(jī)具→ 覆蓋層采用水泥穩(wěn)定漿液自上而下鉆灌一體沖擠灌漿→入巖1 m→如遇巖溶采用水泥膏漿充填擠密與沖擠灌漿[5]→全孔處理結(jié)束后自下而上回填灌漿。

灌漿施工步驟：

1)鉆孔順序總體上由西向東,先灌注覆蓋層較厚的部位,遇溶洞優(yōu)先進(jìn)行充填灌漿。

2)灌漿孔造孔采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔工藝,減少對(duì)地下巖層的擾動(dòng)。

3)根據(jù)鉆灌孔規(guī)格配置密封高壓沖擠灌漿頭,鉆灌采用灌漿液作為沖洗液, 通過(guò)灌漿泵向孔底進(jìn)行脈沖式壓漿[6],在密封高壓沖擠灌漿頭作用下,進(jìn)行鉆灌一體,自上而下對(duì)地層進(jìn)行高壓沖擠灌漿,灌漿液同時(shí)兼顧排渣與鉆孔護(hù)壁。

4)鉆灌速度為10～20 cm/min,灌漿有效壓力控制在1.5 MPa；單孔灌漿結(jié)束后,進(jìn)行孔內(nèi)充填封孔灌漿,遇孔內(nèi)承壓水時(shí),采用孔口屏漿和閉漿處理。遇松散或架空地層鉆灌難以起壓時(shí),原位采用濃漿或膏漿進(jìn)行充填與低壓擠密灌注,起壓后再按照步驟3進(jìn)行鉆灌一體、自上而下、高壓沖擠灌漿。

5)灌漿液為普通水泥漿液或水泥黏土穩(wěn)定漿液；水泥黏土穩(wěn)定漿液的水固質(zhì)量比為0.7∶1～1∶1,且漿液析水率小于5%的普通水泥漿液或水泥黏土漿液。

6)濃漿為水固質(zhì)量比小于0.5∶1的普通水泥漿液或水泥黏土漿液；膏漿為普通水泥漿液或水泥黏土漿液摻加復(fù)合材料,形成的一種膏狀樣漿體,在溶洞區(qū)與覆蓋層的空洞區(qū)灌漿料摻入細(xì)砂,增強(qiáng)灌漿材料的膠結(jié)強(qiáng)度。

7)覆蓋層鉆孔孔徑89 mm,灌漿漿液配比與性能按表1進(jìn)行,基巖鉆孔孔徑 75 mm,巖溶沖擠灌漿采用漿液配比與性能按表2進(jìn)行。

8)鉆灌過(guò)程中按照表3控制參數(shù)要求調(diào)控脈沖進(jìn)漿壓力與脈沖回漿壓力,通過(guò)進(jìn)漿壓力調(diào)控裝置調(diào)控脈沖進(jìn)漿壓力大于或等于設(shè)計(jì)脈沖進(jìn)漿壓力,通過(guò)回漿壓力調(diào)控裝置調(diào)控脈沖回漿壓力等于設(shè)計(jì)脈沖回漿壓力。

表3 鉆灌一體沖擠灌漿施工技術(shù)參數(shù)控制

9)覆蓋層采用分段鉆灌,每一個(gè)鉆灌段鉆孔完成后繼續(xù)進(jìn)行段內(nèi)上下回轉(zhuǎn)沖擠灌漿；每個(gè)鉆灌段結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)為：鉆灌段沖擠灌漿達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的脈沖進(jìn)漿壓力與脈沖回漿壓力,滿足注入率結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

10)鉆灌一體過(guò)程中遇到溶洞后,先對(duì)溶洞空腔進(jìn)行控制性充填灌漿, 而后分段對(duì)溶洞軟弱充填物進(jìn)行鉆灌一體沖擠灌漿。溶洞灌漿結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)為：溶洞沖擠灌漿達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的脈沖進(jìn)漿壓力與脈沖回漿壓力,滿足注入率結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

11)全孔段鉆灌一體沖擠灌漿結(jié)束后,采用0.5∶1水泥濃漿進(jìn)行全孔段機(jī)械回填灌漿。

3.2.5 隔離灌漿效果驗(yàn)證檢查

1)隔離灌漿結(jié)束后,可采用鉆芯法對(duì)灌漿效果進(jìn)行驗(yàn)證檢查,檢查孔布置在距鉆孔中心 0.5 m 處,共布置總數(shù)的10%作為驗(yàn)證檢查孔。

2)檢查孔鉆孔巖樣采取率>80%,表明灌漿達(dá)到預(yù)期效果。

4 效果與結(jié)論

通過(guò)在既有建筑物A樓與擬建1#樓之間的鉆灌一體沖擠灌漿,設(shè)置了一道防滲、加固灌漿隔離體,切斷兩者間地下水力聯(lián)系,控制周邊建筑沉降,降低對(duì)后期樁基施工不利影響。目前該工程地下樁基和地下工程全部順利完成,通過(guò)對(duì)周邊既有建筑沉降變形觀測(cè),后續(xù)施工變形極小,為整個(gè)項(xiàng)目順利推進(jìn)發(fā)揮了很好的效果。

比較常規(guī)灌漿工藝,鉆灌一體沖擠灌漿工藝應(yīng)用過(guò)程中簡(jiǎn)便快捷、漿材可控、灌漿均一、經(jīng)濟(jì)環(huán)保。在保證本灌漿隔離體在不受到側(cè)向應(yīng)力的情況下,適用于場(chǎng)地狹小且建筑市政設(shè)施密集的區(qū)域,避免了傳統(tǒng)咬合樁和三軸攪拌樁等圍護(hù)體系需要大型機(jī)械及施工工藝受熔巖地層影響較大的施工方法；可有效防止地下水力變化引起的沉降,值得借鑒和推廣。