廣州白云機(jī)場(chǎng)指廊基礎(chǔ)工程溶土洞處理方法分析

周紅衛(wèi) 周 游 齊從月 王火華 龔文韜 范國(guó)強(qiáng) 陳 楊

中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074

1 工程概況

1.1 工程建設(shè)概況

廣州白云機(jī)場(chǎng)指廊擴(kuò)建工程項(xiàng)目位于T1航站樓與T2航站樓中間，指廊的建成將連通T1、T2航站樓，未來(lái)原T1和T2航站樓將連接成一個(gè)整體，組成白云機(jī)場(chǎng)第一航站區(qū)，施工完成后，白云機(jī)場(chǎng)將成為我國(guó)民航單體航站樓建筑面積最大的機(jī)場(chǎng)。本標(biāo)段負(fù)責(zé)實(shí)施的T1、T2航站樓中間指廊部分的基礎(chǔ)工程，主要樁基礎(chǔ)類型為沖孔灌注樁。

1.2 工程地質(zhì)概況

本場(chǎng)地上部第四系覆蓋土層主要有：第四系包括全新統(tǒng)和全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)，其下缺失中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)。全新統(tǒng)由人工填土、海陸交互項(xiàng)淤泥土層組成，全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)由沖積-洪積粉質(zhì)黏土、砂層以及殘積土層組成。下伏基巖為白堊系百足山組粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等?；讕r石上存在豐富的地下水。

本工程樁施工所處位置為巖溶豐富區(qū)域，場(chǎng)地內(nèi)存在土洞和溶洞。根據(jù)初期勘察報(bào)告顯示，指廊區(qū)域的69個(gè)轉(zhuǎn)孔中，共10孔揭露土洞，層厚3.00～12.40 m，平均厚度7.01 m，層頂埋深20.90～36.80 m（標(biāo)高－21.63～－5.93 m），層底埋深28.20～42.20 m（標(biāo)高－27.99～－13.54 m），主要為無(wú)填充土洞，土洞見洞率14.5%；共15孔揭露溶洞，層厚0.30～13.30 m，平均厚度3.32 m，層頂埋深23.70～46.60 m（標(biāo)高－31.20～－9.29 m），層底埋深24.60～52.90 m（標(biāo)高－37.20～－10.30 m），主要為無(wú)充填溶洞，溶洞見洞率21.7%。

1.3 溶土洞處理目的

由于場(chǎng)地上的土洞、溶洞尺寸較大，少數(shù)土洞埋藏較淺，土洞溶洞組合類型復(fù)雜，本標(biāo)段在該場(chǎng)地環(huán)境下施工沖孔灌樁，沖孔產(chǎn)生的沖擊波極易導(dǎo)致樁孔坍孔，甚至導(dǎo)致場(chǎng)地發(fā)生局部塌陷。本標(biāo)段距離航站樓T1、T2、停機(jī)坪較近，施工場(chǎng)地塌陷不僅造成機(jī)械損壞及人員傷亡，而且可能造成機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪地面塌陷而影響機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)[1-2]。因此提前對(duì)溶洞、土洞進(jìn)行處理，保證樁基礎(chǔ)工程施工安全及質(zhì)量。

2 溶洞、土洞情況

本標(biāo)段通過(guò)超前鉆詳細(xì)勘察后，發(fā)現(xiàn)土洞接近400個(gè)，多以無(wú)充填、漏水、巖面漏水的為主。最大的土洞高度尺寸為19.3 m，無(wú)填充，有明顯漏水。

本標(biāo)段發(fā)現(xiàn)溶洞接近1 000個(gè)，場(chǎng)地內(nèi)3/4溶洞以半填充、填充物以黏性土的溶洞為主，有漏水。1/4的溶洞為無(wú)充填、漏水的溶洞。本標(biāo)段溶洞形式包括單一溶洞/土洞，數(shù)個(gè)溶洞串洞，土洞與溶洞串洞，溶洞最大尺寸為20.9 m，洞內(nèi)存在半填充的黏性土，有漏水現(xiàn)象。

在施工過(guò)程中，地勘資料未揭示有溶洞，但其相鄰樁揭示出中型以上溶洞的，或者在鉆機(jī)沖孔施工時(shí)出現(xiàn)了泥漿液面突降。

本標(biāo)段依據(jù)超前鉆地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)建立三維可視化模型，通過(guò)BIM軟件建立了溶洞、土洞可視化模型，對(duì)溶洞、土洞的大小、分布情況，溶洞、土洞邊緣位置進(jìn)行初步估計(jì)，確定了溶洞、土洞處的填充物預(yù)估量，并保證了施工機(jī)具在溶洞、土洞施工過(guò)程的安全可控，達(dá)到了事前預(yù)判，事中把控的效果。

3 土洞、溶洞的預(yù)處理方法

對(duì)土洞、溶洞的預(yù)處理首先是避免地面坍塌，降低施工過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)。其次是改善溶洞、土洞區(qū)域的地基承載力，最后減少地下水對(duì)溶洞、土洞的影響。參考相關(guān)文獻(xiàn)及技術(shù)資料，溶洞、土洞預(yù)處理的方法有以下3種：采用材料回填法、鋼護(hù)筒法、壓力注漿法填充[3-6]。

本標(biāo)段分別使用了材料回填法、鋼護(hù)筒法、壓力注漿法對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的溶洞、土洞進(jìn)行了預(yù)處理。已經(jīng)處理的最大的土洞為20.9 m，最小的土洞為19.3 m。土洞、溶洞的預(yù)處理原則為首先避免地面坍塌，降低施工過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)，其次是改善溶洞、土洞區(qū)域的地基承載力，最后減少地下水對(duì)溶洞、土洞的影響。

4 溶土洞處理方法及經(jīng)濟(jì)性比較

4.1 回填法

4.1.1 使用范圍及施工方法

本標(biāo)段的所有類型的土洞、溶洞采用回填法進(jìn)行了處理。回填法施工時(shí)出現(xiàn)3種特殊情況：頂板較薄溶洞、大型溶洞和土洞、土洞和溶洞相互串聯(lián)。

1）頂板較薄的溶洞施工，首先沖孔至溶洞頂板頂0.5～1.0 m處，到達(dá)上述位置后完成1～2次輕錘，使溶洞頂板壁達(dá)到擊穿的臨界狀態(tài)，沖擊過(guò)程中，沖孔樁錘繩應(yīng)保持收緊狀態(tài)，防止溶洞突然擊穿而引起掉錘。填充料分層填入樁孔，回填完成后以“小沖程、慢速?zèng)_擊”壓穿溶洞頂板。整個(gè)回填過(guò)程應(yīng)觀察泥漿液面下降情況，當(dāng)泥漿液面無(wú)下降時(shí)，樁孔進(jìn)行重新成孔。

2）本標(biāo)段的大型溶洞以半充填黏性土、漏水的溶洞為主，大型土洞多數(shù)是無(wú)充填、洞內(nèi)漏水的土洞。上述大型溶洞、土洞處理首先應(yīng)沖孔至土洞或溶洞頂0.5～1.0 m處，充料向樁孔內(nèi)按一定的比例分層回填，并用沖擊錘頭“小沖程、慢速?zèng)_擊”將材料壓入洞內(nèi)完成首次填充。若遇到溶洞頂板壁較厚的大型溶洞，溶洞頂板錘擊可以用“大沖程沖擊，慢速循環(huán)”，整個(gè)錘擊過(guò)程應(yīng)將沖孔樁錘收緊，防止掉錘。整個(gè)回填過(guò)程應(yīng)觀察泥漿液面下降情況，做好填充料補(bǔ)充與沖擊配合。填充料填入孔內(nèi)應(yīng)迅速壓密并堵住洞內(nèi)漏水口，防止填充料經(jīng)漏水孔流走。當(dāng)泥漿液面無(wú)下降時(shí)，重新對(duì)樁孔進(jìn)行成孔。

3）對(duì)于土洞、溶洞結(jié)合的類型，整根沖孔樁在預(yù)處理過(guò)程應(yīng)調(diào)整樁錘下落垂直度，土洞內(nèi)應(yīng)填滿相應(yīng)的填充料才能進(jìn)行沖孔，嚴(yán)禁未填滿前開始進(jìn)行溶洞錘擊。

多個(gè)串聯(lián)溶洞用沖擊鉆頭“大沖程、快速?zèng)_擊”，擊穿1個(gè)溶洞頂板巖層，填充完成1個(gè)溶洞。施工時(shí)若出現(xiàn)1次擊破2個(gè)溶洞，需及時(shí)做好填充料補(bǔ)充，防止坍孔。

4.1.2 填充材料

填充料的塊石、黏土和水泥的比例要根據(jù)土（溶）洞充填物種類及填充程度來(lái)具體確定。在本標(biāo)段的鉆孔樁的施工中，經(jīng)過(guò)施工總結(jié)，不同的土（溶）洞回填物的組成體積比如表1所示。

表1 溶洞土洞填充材料的混合比例

1）當(dāng)土洞、溶洞為小型、半充填時(shí)（溶洞或土洞高度≤1 m），可采用拋填黏土＋片石的方式，重復(fù)充填交替進(jìn)行填充，同時(shí)補(bǔ)充護(hù)壁泥漿。根據(jù)施工數(shù)據(jù)，土洞較小時(shí)最大拋填總量23 m3，最大拋填次數(shù)5次，最小拋填總量4 m3，最小拋填次數(shù)1次，平均拋填次數(shù)3次，每次拋入量平均值為4.6 m3，平均值為15 m3。根據(jù)數(shù)據(jù)XB019、XA124、XB217總拋入量超過(guò)平均值1.2～1.5倍，超前鉆柱狀圖中沒有上述3個(gè)樁位存在溶土洞，但XB019相鄰樁位XA024有7 m溶洞，XA212相鄰樁位XA124有10 m溶洞，XB127相鄰樁位XB220有10 m土洞、6 m溶洞。該樁位在施工過(guò)程中存在明顯的坍孔跡象，通過(guò)4～5次的片石回填有明顯的處理效果。超過(guò)3次改用拋填片石＋黏土＋水泥的方法施工。

2）中型土洞處理方案（1 m＜溶洞高度≤3 m的單層溶洞，漿面突降3 m以上）。根據(jù)已有數(shù)據(jù)，拋填總量最大值140 m3，最大拋填次數(shù)7次，最小值11.8 m3，最小拋填次數(shù)2次。平均拋填次數(shù)4次，拋填總量平均值為74 m3，每次拋填數(shù)量23 m3。XB050、XB069、XB026、XB083、XB128拋填總量超過(guò)平均值1.5～1.9倍，上述4個(gè)溶洞為半充填中粗砂，漏水溶洞，溶洞高度在1～2 m范圍內(nèi)，但它們周圍4個(gè)樁位單孔均出現(xiàn)超過(guò)10 m的溶洞。在拋填次數(shù)較多的情況下，此類溶洞不應(yīng)繼續(xù)采用黃土＋片石拋填的方式。

3）大型溶洞處理方案（3 m＜H≤10 m的單層溶洞或串珠狀溶洞，或漿面突降10 m以上）。根據(jù)已有數(shù)據(jù)，最大拋填次數(shù)9次，最大拋填總量875 m3，最小拋填總量109 m3，最小拋填次數(shù)5次。平均拋填次數(shù)7次，平均每次拋填80 m3，平均拋填總量435 m3。超過(guò)8次回填無(wú)效后選擇其他處理方式。超過(guò)平均填充量的樁XB126、XA054、XA020、XB059均存在超過(guò)10 m的超大溶洞或土洞，且相鄰樁位存在中型溶洞、土洞，類型主要為半填充或無(wú)填充的漏水溶洞，填充物以淤泥土為主。最大填充量的3個(gè)樁孔分別為XA100、XB224、XB206。通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)，拋填次數(shù)在7次時(shí)，能有效處理溶土洞帶來(lái)的漏漿問(wèn)題。

4.1.3 施工要點(diǎn)

施工現(xiàn)場(chǎng)溶洞、土洞數(shù)量多且類型復(fù)雜。在施工過(guò)程中，地勘資料未完全揭示溶洞而相鄰樁揭示出中型以上溶洞。此時(shí)采取處理措施時(shí)應(yīng)結(jié)合三維可視化模型對(duì)周圍樁位的溶洞進(jìn)行分析，從而選擇合適的填充料，達(dá)到精準(zhǔn)把控的目的。

回填過(guò)程中，如果孔內(nèi)小范圍的漏漿，首先應(yīng)調(diào)整填充料配比，將水泥漿的比例略微增加；施工時(shí)可能擊穿相鄰溶洞頂板而出現(xiàn)中型或大型溶洞，以塊石、黏土、水泥7∶2∶1進(jìn)行回填灌注。

如果孔內(nèi)泥漿液面多次出現(xiàn)突降3 m以上，此類溶洞屬于漏水情況嚴(yán)重的溶洞，且與其他未探明的溶洞發(fā)生了串聯(lián)。此類情況的處理方法主要是水泥漿比例應(yīng)調(diào)大，加快回填速度止住漏水口。整個(gè)預(yù)處理施工過(guò)程中容易出現(xiàn)卡鉆、掉鉆現(xiàn)象，回填錘擊過(guò)程應(yīng)監(jiān)視泥漿液面下降情況，全程控制好樁錘的沖程和松緊程度。

4.2 鋼護(hù)筒法主要處理對(duì)象范圍及施工要點(diǎn)

本標(biāo)段鋼護(hù)筒主要用于土洞高度超過(guò)8 m，土洞離地面較近的情況，該方法適用于多個(gè)溶洞串洞的處理。

施工前，放置短鋼護(hù)筒對(duì)孔口護(hù)壁，短鋼護(hù)筒需比樁孔空間大50～80 cm，保證長(zhǎng)護(hù)筒能有足夠的下放空間。沖孔后至土洞頂0.5 m處，下放長(zhǎng)鋼護(hù)筒，長(zhǎng)鋼護(hù)筒的直徑比樁徑大5～15 cm，同時(shí)下放。在土（溶）洞被打穿之前，先向孔內(nèi)采用一定的比例填充料進(jìn)行處理。此處理方法主要保證施工過(guò)程場(chǎng)地地面安全，防止沖孔過(guò)程場(chǎng)地塌陷。同時(shí)封堵土洞，防止土洞漏漿。

長(zhǎng)護(hù)筒在制作過(guò)程中，鋼筒與鋼筒之間的焊縫必須堅(jiān)固，成型質(zhì)量較好，整個(gè)護(hù)筒的垂直度應(yīng)嚴(yán)格控制。在鋼護(hù)筒下沉過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制其平面位置的偏差和垂直度。必要的話，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況制作或拼裝1個(gè)導(dǎo)向架，否則，容易引起偏樁或斜孔。

4.3 壓力注漿法

4.3.1 主要處理對(duì)象及施工方法

壓力注漿法主要用于本標(biāo)段對(duì)11個(gè)溶洞對(duì)拋填較難處理的靠近機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)區(qū)域的15 m以上串珠狀溶洞及土洞、溶洞結(jié)合的類型。

1）采用在地面攪拌后灌注充填與壓密注漿相結(jié)合的方法。具體來(lái)說(shuō)：對(duì)于無(wú)充填的溶洞，采用重力灌漿液配合壓密注漿的方法；對(duì)于半充填的溶洞，采用壓密注漿法。

2）在壓力注漿前，根據(jù)“外圍封邊＋內(nèi)部填充”的原則，確定了土洞、溶洞的外圍邊界，以內(nèi)以重力填灌漿，外部壓力注漿的方式處理。使用鉆孔及布置呈梅花形的鉆孔，孔徑100 mm，以2 m為擴(kuò)大范圍尋找溶洞邊界，鉆孔至洞體底板圍巖（基巖至洞體底板，土洞至洞底以下0.5 m）。本次處理的土洞、溶洞結(jié)合的類型，采用PVC套管在中心孔填充，外側(cè)用PVC花管注漿，花管為在溶洞段每500 mm沿著管壁鉆開9個(gè)直徑為6 mm的孔。

3）注漿施工時(shí)，連續(xù)向溶洞、土洞內(nèi)充填灌漿直至孔口冒漿為完成特征，由于PVC管較細(xì)，壓力灌漿的過(guò)程容易被溶洞內(nèi)的碎巖等填充物堵塞，應(yīng)在地面上設(shè)置3個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)地面出現(xiàn)輕微裂縫和抬升時(shí)作為拔升或停止灌漿的時(shí)刻。終灌標(biāo)準(zhǔn)：達(dá)到設(shè)計(jì)壓力2 MPa，注不進(jìn)或相鄰孔冒漿、串漿為止，穩(wěn)壓15 min后終灌。灌漿必須及時(shí)降低泵送壓力和注漿量。壓密注漿采用“間歇定量分序注漿法”進(jìn)行，每孔每次定量注漿10～15 m3，間隔時(shí)間不少于12 h。壓密注漿壓力1.0～2.0 MPa。

4.3.2 注漿材料

重力填灌漿液為M15自拌水泥砂漿；壓力注漿的填充料中，主要為純水泥漿。壓力注漿材料主要用水灰比為1∶1的水泥漿。

根據(jù)壓力注漿數(shù)據(jù)，注漿液采用純水泥漿42.5R，水灰比1∶1，拋填總量最大值642 m3，最小值208 m3，平均注漿總量425 m3。試樁1、2、10灌注總量超過(guò)平均值1.2～1.5倍，上述4個(gè)溶洞為半充填中粗砂，漏水溶洞，溶洞高度在1～2 m范圍內(nèi)，但它們周圍4個(gè)樁位單孔均出現(xiàn)超過(guò)10 m的溶洞。

4.4 處理效果的對(duì)比

本標(biāo)段溶洞以半充填溶洞為主，無(wú)充填溶洞數(shù)量較多，但大多數(shù)溶洞漏水、串洞。溶洞處理的主要原則是保證充填材料能在溶洞內(nèi)發(fā)生固結(jié)，并逐漸積累至風(fēng)化巖面。本標(biāo)段使用了3種溶洞、土洞的處理方法，經(jīng)過(guò)處理后，樁孔內(nèi)無(wú)明顯漏漿，沖孔樁二次清孔后沉渣質(zhì)量合格?；靥罘▽⑺?、膨潤(rùn)土、片石灌入溶洞、土洞，既堵住洞內(nèi)流通缺口，又保證了材料在溶洞內(nèi)快速形成強(qiáng)度，與地下巖面共同受力，不出現(xiàn)軟弱夾層，增加了地基承載力。特別是無(wú)填充且頂板較薄的溶洞使用回填法，相比于壓力注漿法，其施工效果較好，處理時(shí)間較短，填充材料的成本較低。

鋼護(hù)筒法處理相比其他2種處理方式而言更適合尺寸較大且離地面較近的土洞。由于土洞距離地面較近，設(shè)置鋼護(hù)筒的方式可以明顯防止因沖擊破壞造成土洞大面積坍塌，同時(shí)鋼護(hù)筒離地面較近，提高了護(hù)筒的回收率。深層的溶洞、土洞若使用鋼護(hù)筒法，其處理時(shí)間較長(zhǎng)，需要嚴(yán)格把控鋼護(hù)筒接頭焊接質(zhì)量及鋼護(hù)筒垂直度。

半填充溶洞采用普通壓力注漿＋灌注注漿技術(shù)的方式確實(shí)能起到快速凝結(jié)，高效填充及增強(qiáng)承載力的作用，且預(yù)處理工作結(jié)束后才開始進(jìn)行沖孔樁基施工，保證了場(chǎng)地的安全。本標(biāo)段的漏水溶洞的數(shù)量較多，溶洞形式復(fù)雜，開注漿孔確定溶洞邊緣時(shí)間較長(zhǎng)，邊緣難以確定，在壓力注漿下填充漿液在地下多個(gè)溶洞內(nèi)串流，造成漿液的浪費(fèi)。溶洞上下串洞數(shù)量較多，若因大面積地布置注漿鉆孔口，導(dǎo)致串洞連通，該技術(shù)將加重溶洞處理難度，加長(zhǎng)溶洞處理過(guò)程。

5 結(jié)語(yǔ)

廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)指廊區(qū)域樁基礎(chǔ)施工發(fā)現(xiàn)了大量的溶洞、土洞。本標(biāo)段使用了回填法、鋼護(hù)筒、壓力注漿處理方法對(duì)溶洞、土洞進(jìn)行了處理。

對(duì)比3種方法處理后的效果發(fā)現(xiàn)，回填法對(duì)處理各種類型的溶洞、土洞，整個(gè)處理過(guò)程工藝簡(jiǎn)便、施工成本合理。本標(biāo)段使用回填物比例和充填次數(shù)能有效地處理溶洞、土洞，該施工經(jīng)驗(yàn)可給類似存在溶土洞發(fā)育地區(qū)的施工提供參考。

[1] 丁春林,甘百先,鐘輝虹,等.含土洞、溶洞的機(jī)場(chǎng)滑行道路基穩(wěn)定性評(píng)估[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(8):1329-1333.

[2] 李雙輝.廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)勘察及溶土洞處理建議的幾點(diǎn)體會(huì)[J].西部探礦工程,2006,18(增刊1):134-135.

[3] 王為凱,滕小凱.廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)鉆孔灌注樁施工[J].施工技術(shù),2003,32(1):13-15,27.

[4] 萬(wàn)利民,劉勇,常龍,等.廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)綜合交通樞紐項(xiàng)目基礎(chǔ)工程溶(土)洞處理技術(shù)[J].施工技術(shù),2017,46(14):1-3.

[5] 金雪峰,于彥召,張志華.廣州地鐵某融資項(xiàng)目地下工程溶(土)洞處理及加固技術(shù)[J].施工技術(shù),2019,48(7):38-41.

[6] 張健,李術(shù)才,張乾青,等.覆蓋型巖溶地基注漿處理與效果檢測(cè)分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2017,38(9):167-173.