福建三明永嘉天地建筑場地巖溶地質特征及穩(wěn)定性評價

吳江發(fā)

(福建省閩西地質大隊, 三明, 365000)

巖溶又稱喀斯特，是指水對石灰?guī)r、白云巖等可溶性巖石進行長期溶蝕等作用而形成的各種特殊地貌形態(tài)和水文地質現(xiàn)象的統(tǒng)稱[1]。在福建境內(nèi)的三明、龍巖地區(qū)分布較廣泛的巖溶場地，其土洞、溶洞的發(fā)育程度，會對擬建場地造成較大危害，如地面塌陷、樁基承載力不足、樁基選型、樁基施工偏樁、漏漿及入巖難以判定等問題[2，3]。因此，在建筑施工前，針對場地查明巖溶發(fā)育特征，能夠一定程度上揭露巖溶本質并避免工程損失。以三明永嘉天地工程為例，基于鉆探、抽水試驗等工程地質詳勘對場地全充填、半充填、空洞巖溶發(fā)育特征及樁基作用下穩(wěn)定性進行評價分析，并提出施工治理措施。

1 工程概況

三明永嘉天地征地面積為60 497.26 m2，實際用地面積為43 883.89 m2，建筑占地面積為19 747 m2，總建筑面積為167 598 m2，其中地下建筑面積為45 000 m2。高層共7幢(1#～7#樓)，最大單柱荷載為12 000 kN，低層(1層,含永輝超市)共5幢，最大單柱荷載為6 000 kN。場地地下室1～2層，地下2層地下室底板標高為128.30 m，主要分布在5#、6#、7#樓。場地前后進行2次鉆探，共施工鉆孔為158個，其中控制孔為65個，一般孔為61個，基坑孔為32個。

2 場區(qū)地質概況

2.1 場地地質條件

場地位于三明斷陷盆地內(nèi)，根據(jù)場地勘察鉆探揭露，場地巖土層按成因類型、力學性能不同可分為填土層、沖洪積層、殘積土層、強風化層及中風化石灰?guī)r層組成，其中石灰?guī)r鉆孔揭露巖芯較多溶蝕裂隙，為巖溶地質。 場地東側東霞新村附近有區(qū)域性北東向南平—永安大斷裂構造帶穿過，受其影響，使場地內(nèi)基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖性復雜多變。場地內(nèi)石灰?guī)r為二疊紀棲霞組石灰?guī)r，屬碳酸鹽巖類，地下水補給源主要為大氣降水、地表河水及周邊基巖裂隙水的側向補給?？辈炱陂g地下水位標高為123.55～127.90 m，2條河水面標高為125.00～126.00 m，經(jīng)對HK15孔對卵石潛水含水層抽水試驗(屬潛水非完整井抽水)，計算卵石層滲透系數(shù)為19.65 m/d(k>10)，約0.227 cm/s，屬強透水層，影響半徑(R)為166.79 m。因此，場地與東牙溪(距離40 m)、沙溪河(距離100～130 m)水力聯(lián)系較為密切，而且水位受季節(jié)性影響變幅較大，該段沙溪河中間有基巖出露，所以對石灰?guī)r的侵蝕作用較強，因此擬建場地內(nèi)巖溶較發(fā)育。

場地內(nèi)揭露石灰?guī)r鉆孔有82個，其中有47個鉆孔揭露溶洞共計145個，含126個為全充填溶洞，2個為半充填溶洞(GK4孔)，17個為空洞(圖1～3),其中溶洞主要發(fā)育在5#、6#、7#樓(即北側緊鄰江濱路段)。巖溶發(fā)育率為0.04%～43.94%，鉆孔見洞隙率為30%～64%，相鄰鉆孔間存在臨空面且基巖面高差大于5 m，串珠狀豎向溶洞發(fā)育深度超過20 m，該場地巖溶為強烈發(fā)育地段[4]，場地巖溶發(fā)育深度為18.50～77.90 m，主要以淺覆蓋型巖溶為主(為小型溶洞，全充填)，其次為深覆蓋型巖溶，局部為埋藏型巖溶。但大溶洞主要分布在深覆蓋型巖溶(即埋藏深度大于30 m)，淺部溶洞洞徑相對較小，密實度相 對更好；空洞埋深均大于29 m，主要為深覆蓋型，分布在5#、6#、7#樓附近。其中充填溶洞揭露洞豎向深度為0.2～26.9 m，成分主要以黏性土、中粗砂、角礫充填為主，空洞的高度為0.2～6.1 m。3種類型溶洞鉆孔典型代表是HK15孔(6個全填充溶洞、1個空洞)，HK4孔(2個空洞)，GK4孔(2個半填充溶洞)其中GK代表一期高層一般孔，HK代表2期高層控制孔，ZK代表一期矮層控制孔，JK代表基坑孔，以上3個鉆孔分別分布在5#樓、6#樓、7#樓，HK15孔空洞頂覆蓋層為30.7 m，HK4孔較大空洞覆蓋層32.2 m，GK4孔較大半填充溶洞覆蓋層為54.1 m。

圖2 三明永嘉天地代表孔石灰?guī)r區(qū)地質剖面圖Fig.2 Geological section of the limestone area of the representing holes in Yongjia Tiandi area of Sanming city1—雜填土；2—素填土；3—細砂；4—卵石；5—殘積砂質黏性土；6—殘積礫質黏性土；7—石灰?guī)r；8—空洞；9—充填溶洞；10—地下水；11—整平標高線；12—地下室底板標高

圖3 三明永嘉天地代表孔石灰?guī)r區(qū)柱狀圖Fig.3 Columnar chartin of the limestone area of the representing holes in Yongjia Tiandi area of Sanming city

2.2 巖溶基本特征

根據(jù)鉆孔柱狀圖分層厚度可以估算巖溶填充及空洞體積，估算洞體體積按球計算公式而得，鉆孔揭露厚度作為圓球直徑，例如，經(jīng)計算HK15孔5.9 m分層全填充溶洞體積為4/3×π×(5.9/2)3=107.48 m3，HK4孔6.1 m分層厚空洞體積為4/3×π×(6.1/2)3=118.79 m3，代表孔相關參數(shù)特征值(表1)。

表1 三明永嘉天地代表孔溶洞分布特征及相關參數(shù)

3 巖溶發(fā)展趨勢及穩(wěn)定性分析

3.1 巖溶發(fā)展趨勢

場區(qū)內(nèi)石灰?guī)r質純，屬可溶性碳酸鹽類巖層，受附近區(qū)域構造影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，相對較易風化；勘察期間為枯水期，測得地下水穩(wěn)定水位埋深為6.1～11.4 m，地下水位標高為123.55～127.90 m，地下水位變幅為0.5～2.0 m，而三明東牙溪常水位變幅0.5～2.0 m，近3～5 a內(nèi)東牙溪最高水位標高為128.50 m，說明場地內(nèi)地下水位變幅較大，與東牙溪水位有水力連接，受地下水滲流影響，溶洞易受地下水侵蝕和溶蝕作用加強，溶蝕速度會加快，巖溶溶蝕率為89.68 mm/1 000 a[5]。

3.2 巖溶穩(wěn)定性分析

3.2.1 自然狀態(tài)下巖溶穩(wěn)定性分析

根據(jù)規(guī)范[6]溶洞穩(wěn)定性按自行填塞洞體所需厚度的經(jīng)驗計算公式：

H=H0/(K-1)。

式中H0為塌落前洞體的最大高度(m)，K為巖石松散(漲余)系數(shù)，石灰?guī)rK取1.2。比如HK4孔空洞，H0=6.1 m，K=1.2，H=30.50 m，小于洞頂覆蓋層厚度為32.2 m，則不易產(chǎn)生地面塌陷。GK4孔半充填孔洞，H0=5.8 m，K=1.08(按巖土層厚度加權平均值估算)，H=72.50 m，大于洞頂覆蓋層厚度54.1 m，可能產(chǎn)生巖溶地面塌陷。

根據(jù)上述計算方式，對場地內(nèi)揭露半充填和空洞14個鉆孔中的19個溶洞進行計算，計算結果有13個鉆孔揭露半充填和空洞屬于較穩(wěn)定狀態(tài)，1個鉆孔屬于不穩(wěn)定狀態(tài)(7#樓GK4)，可能產(chǎn)生巖溶地面塌陷，需對該地段溶洞采取相應的治理措施。

3.2.2 樁基作用下巖溶穩(wěn)定性分析

在場地內(nèi)含有較多串珠狀溶洞，洞徑局部較大，采取樁基礎時，持力層選在空洞或半充填及全充填溶洞上方，受上部樁基荷載影響，易加劇洞體進一步發(fā)展擴大趨勢，使石灰?guī)r頂板厚度變薄甚至開裂，并產(chǎn)生頂板塌陷，從而引發(fā)地面塌陷或樁基下沉現(xiàn)象。

如HK4孔H為30.50 m小于32.2 m，空洞上部基巖厚度為7 m，樁端持力層若在空洞上方，則基巖頂板存在塌陷可能，導致樁端下沉。

因此，在樁基作用下巖溶可能產(chǎn)生樁端下沉，應在樁基施工時對場地溶洞采取相應的治理措施。

4 巖溶施工治理措施及成效

4.1 巖溶施工治理措施

4.1.1 基礎形式選型

該小區(qū)高層建筑荷載大(針對5#～7#樓敘述)，根據(jù)地質勘察報告，場地內(nèi)中風化石灰?guī)r埋藏深度局部較淺(埋深14.2 m)，局部存在相鄰基巖面大于45°情況，存在串珠狀溶洞及空洞，基巖面起伏變化大。建議采取小直徑鉆孔灌注樁+筏板基礎。

后期基礎施工時，原先考慮施工周期及成本問題，采用PHC預應力管樁+筏板基礎，經(jīng)現(xiàn)場錘擊或靜壓試樁時，全部管樁進入到中風化石灰?guī)r頂板立即產(chǎn)生斷樁、滑樁情況，造成設計重大變更及施工工期拖延。

4.1.2 樁基施工措施

(1)后期專家論證方案建議采取小直徑時(600 mm)鉆孔灌注群樁基礎和筏板基礎結合，對存在串珠狀溶洞及空洞，基巖面起伏變化大，建議在樁端下有3～5 m厚度中風化石灰?guī)r層，對下臥層溶洞(設計樁端以下5 m范圍內(nèi))采用鉆孔灌注水泥砂漿、混凝土等方式堵填洞隙，防止樁端下沉，并且應先施工長樁，后施工短樁。

(2)對于自然狀態(tài)下易產(chǎn)生頂板塌陷的空溶洞及半充填溶洞(7#樓GK4)，采用填塞法進行地基處理，前40 m采用素混凝土護壁，施工鉆進至40 m后，往鉆孔內(nèi)回填中-微風化大塊石，用水泥砂漿、混凝土等方式堵填洞隙，并且采用鋼護筒護壁措施。

(3)對于不易產(chǎn)生頂板塌陷的場地小直徑空溶洞、半充填溶洞及全充填溶洞，采取中-微風化大塊石回填+素混凝土護壁措施；對局部大直徑溶洞采取水泥砂漿、混凝土等方式堵填洞隙，用水泥砂漿、混凝土及大塊石等方式堵填洞隙，部分易塌段采用鋼護筒護壁措施。

(4)建筑物基坑或附近的地下水宜疏不宜堵，采用排水隧洞、排水管道等進行疏導，以防止水流通道堵塞，造成場地和地基季節(jié)性淹沒。同時加強地面滲水的截流、防滲、堵漏等疏導排泄措施，地表水盡可能采用全封閉，防止地表水滲入，減弱或停止因水流而使土洞產(chǎn)生潛蝕、發(fā)育和發(fā)展。

4.2 治理效果分析

(1)采取小直徑鉆孔灌注群樁基礎，保證樁端下有3～5 m厚度中風化石灰?guī)r層，且對下臥層溶洞采用鉆孔灌注水泥砂漿、混凝土等方式堵填洞隙后，能夠滿足設計要求。

(2)對巖溶發(fā)育明顯的5#樓中HK15孔與GK15孔之間施工，根據(jù)施工記錄，該樁實際孔深為36.77 m(原地面標高為133.58 m樁埋深為41.60 m，設計樁頂標高為123.88 m)，理論混凝土量約為14.14m3，實際混凝土量為132.00 m3，參照上述HK15孔資料，與理論計算全填充溶洞體積為107.48 m3誤差較小。施工至預計空洞標高附近，采用鋼護筒護壁，用中-微風化花崗巖大塊石回填及混凝土等方式堵填洞隙。后順利成樁，低應變檢測滿足設計要求。

(3)其7#樓場地沖(鉆)孔灌注樁樁基進行低應變檢測，檢測115根，其中Ⅰ類樁94根占81.7%，Ⅱ類樁21根占18.3%，Ⅲ類樁0根；7#樓抽檢3根單樁(樁徑700 mm，樁長19.33～57.4 m)豎向抗壓極限承載力檢測值均為6 400 kN，特征值均為3 200 kN，抽檢1根單樁(樁徑700 mm，樁長25.23 m)豎向抗拔極限承載力檢測值為1 360 kN，特征值為680 kN，均滿足設計要求。通過以上檢測說明場地巖溶治理效果較為成功，達到預期目的。

5 結論

(1)場地內(nèi)巖溶發(fā)育，含全充填、半充填、空洞三種類型，與外界水力聯(lián)系密切，溶蝕強烈，具擴大趨勢。

(2)場地內(nèi)巖溶自身多處穩(wěn)定狀態(tài)，不易產(chǎn)生地面塌陷；樁基施工荷載作用下易引發(fā)塌陷或樁端下沉危害。

(3)基巖淺埋區(qū)巖溶發(fā)育地段，可采取小直徑鉆孔灌注群樁基礎；采用填塞法地基處理及鋼管護壁，可有效保障成樁，檢測驗證綜合治理成效顯著。