高壓旋噴樁加固巖溶空洞軟弱地基施工技術(shù)*

楊燕中，商 治，宗 雷，楊 濤

(1．中鐵置業(yè)(廣州)有限公司，廣東 廣州 510540；2.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

巖溶地貌是一種地質(zhì)現(xiàn)象，危害性、處理難度較大，具有基巖不平整、土洞和溶洞分布復(fù)雜、地下水滲透、地基穩(wěn)定性較差和承載力不足等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)巖溶區(qū)面積約3.44×106m2[1]。巖溶發(fā)育地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響各類土建工程的安全，如福建龍巖石粉廠地基塌陷[2]、廣西吉利村房屋地基塌陷[3]及浙江黃衢高速公路路面塌陷[4]等。

高壓旋噴樁地基處理技術(shù)可改善土體應(yīng)力狀態(tài)，在高壓噴射過(guò)程中，場(chǎng)地土體被高壓噴射流切削破壞，土體和水泥漿液在噴射壓力作用下攪拌混合，形成一種特殊的水泥-土骨架結(jié)構(gòu)，以提高地基承載力。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，高壓旋噴樁加固技術(shù)在軟弱地基處理、截水防滲、抗液化及基坑(邊坡)防護(hù)等方面被廣泛應(yīng)用[5-7]，并形成系統(tǒng)的施工工藝[8-9]。劉澄赤等[10]采用MJS工法超長(zhǎng)高壓旋噴樁加固上海瑞虹新城10號(hào)地塊超深土層，用以提高地基強(qiáng)度、剛度及滲透性能。安鵬等[11]采用有限元研究高壓旋噴樁對(duì)耳墻式橋臺(tái)的加固效果。朱德良等[12]采用高壓旋噴樁處理建筑垃圾雜填土地基，結(jié)果表明，高壓旋噴樁可顯著提高深厚建筑垃圾雜填土地基承載力。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)高壓旋噴樁加固技術(shù)開(kāi)展了大量研究工作，但關(guān)于高壓旋噴樁加固處理巖溶空洞軟弱地基，仍未形成較完整的施工指導(dǎo)理論[13-15]。

1 典型巖溶發(fā)育場(chǎng)地的地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 工程概況

工程擬建于廣州市白云區(qū)江高鎮(zhèn)，場(chǎng)地位于廣花公路西側(cè)，江府路以北約400m，主要由37，38，39，40號(hào)地塊組成(見(jiàn)圖1)。39號(hào)地塊位于項(xiàng)目東北部，紅線用地面積18 901.4m2，計(jì)劃建4棟高層住宅(高17，31層各2棟)、4棟1層商業(yè)樓，并配備1棟1層配電房。高層住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)，估算荷載為300，500kN/m2。室外地坪設(shè)計(jì)標(biāo)高為12.900m，工程對(duì)差異沉降敏感，工程重要性等級(jí)為二級(jí)。

圖1 擬建場(chǎng)地

根據(jù)鉆探及現(xiàn)場(chǎng)巖性鑒定，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果，鉆探深度內(nèi)場(chǎng)地地層可劃分為人工填土層(Qml)、第四系沖洪積層(Qal+pl)及石炭系大理巖(C)。

場(chǎng)地分布的沖洪積中砂②2、粗砂②4、礫砂②6、礫砂②8為強(qiáng)透水層，水力性質(zhì)為孔隙潛水，含水層分布穩(wěn)定，總厚度較大，水量豐富，其補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水及鄰區(qū)地下水的側(cè)向滲流；深部基巖為大理巖，巖溶極其發(fā)育，孔隙潛水與巖溶水聯(lián)系密切，水量豐富，其補(bǔ)給來(lái)源為上層地下水的越流補(bǔ)給。

1.2 巖土工程分析評(píng)價(jià)

1)場(chǎng)地適宜性 根據(jù)廣州市區(qū)域地質(zhì)資料及區(qū)域穩(wěn)定性相關(guān)資料，場(chǎng)地位于廣花盆地江村復(fù)向斜軸部，場(chǎng)地深部基巖為石炭系大理巖，場(chǎng)地及附近無(wú)全新活動(dòng)性斷裂構(gòu)造。詳細(xì)勘探結(jié)果顯示，土洞和溶洞見(jiàn)孔率為80.6%，遠(yuǎn)高于評(píng)估報(bào)告反映的數(shù)值，部分地段洞體大，連通性好，不良地質(zhì)作用強(qiáng)烈發(fā)育，存在巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害隱患，場(chǎng)地穩(wěn)定性和場(chǎng)地適宜性均較差。

2)地下水影響 場(chǎng)地淺層地下水主要分布于第四系沖洪積中砂②2、粗砂②4、礫砂②6等土層中，水力性質(zhì)為孔隙潛水～孔隙微承壓水，水量豐富，勘察期間水位標(biāo)高約6.000m，年變化幅度1.00m。深層地下水主要分布于石炭系大理巖土洞、溶洞及溶蝕裂隙中，水力性質(zhì)為巖溶承壓水，水量豐富，水位標(biāo)高約5.000m，年變化幅度0.50m。

3)地震效應(yīng) 根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)[16]，該項(xiàng)目場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第1組。使用單孔波速法(檢層法)對(duì)選定的3個(gè)鉆孔進(jìn)行波速測(cè)試，得到場(chǎng)地20m深度范圍內(nèi)的等效剪切波速分別為178，186，177m/s。據(jù)此可判斷場(chǎng)地土為中軟土，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ～Ⅲ 類。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]和GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[17]，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為(0.10～0.125)g，場(chǎng)地基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35～0.45s，場(chǎng)地不良地質(zhì)作用(巖溶)強(qiáng)烈發(fā)育，地震或地質(zhì)環(huán)境改變時(shí)可能發(fā)生地陷等地質(zhì)災(zāi)害，屬建筑抗震危險(xiǎn)地段。

4)地基 場(chǎng)地大部分地段分布雜填土，主要成分為黏土，含碎磚、碎石、混凝土塊等硬雜質(zhì)，土質(zhì)均勻性、工程性質(zhì)較差，欠固結(jié)，具有高壓縮性。其下為沖洪積粗砂、礫砂與粉質(zhì)黏土交互層，粗砂、礫砂層厚度較大，多為中密～密實(shí)狀。粉質(zhì)黏土層厚度相對(duì)較小，多為可塑狀，淺部為可塑～硬塑狀，工程性質(zhì)一般，深部近基巖部分地段分布含礫粉質(zhì)黏土，硬塑狀，工程性質(zhì)較好。第四系沖洪積粉質(zhì)黏土及砂層工程性質(zhì)一般～較好，地基均勻性一般，能滿足多層建筑物對(duì)地基強(qiáng)度及變形指標(biāo)的要求。

場(chǎng)地深部巖層為石炭系大理巖，為可溶性巖石，土洞、溶洞發(fā)育較普遍，洞內(nèi)多為浮泥充填，洞內(nèi)巖溶地下水具有微承壓性，土洞和溶洞規(guī)模、埋深變化大，連通性好，穩(wěn)定基巖巖面起伏較大。

綜上所述，場(chǎng)地深部基巖地基屬不均勻地基，存在巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害隱患，擬建高層住宅及重要建筑物分布地段須對(duì)土洞、溶洞進(jìn)行特殊處理(深層地基處理)。

2 高壓旋噴固結(jié)體配合比設(shè)計(jì)及室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 場(chǎng)地原狀土室內(nèi)試驗(yàn)

1)室內(nèi)土工試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

原狀土樣室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 原狀土樣試驗(yàn)結(jié)果

2)原狀土樣掃描電鏡分析

原狀土樣掃描電鏡如圖2所示。由圖2可知，高倍數(shù)下土顆粒表面非常粗糙，呈層狀分布，整體性較差，受力后存在進(jìn)一步分解的可能，低倍數(shù)下的宏觀表現(xiàn)為顆粒松散不密實(shí)。

圖2 掃描電鏡結(jié)果

2.2 高壓旋噴固結(jié)體配合比

本工程高壓旋噴樁的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)為：水泥漿液采用P·O42.5R級(jí)水泥；水灰比為1∶1；原狀土密度為1.865g/cm3；樁徑為800mm；不同養(yǎng)護(hù)條件下，高壓旋噴固結(jié)體28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥2.5MPa。

為保證高壓旋噴樁復(fù)合地基施工質(zhì)量，按照J(rèn)GJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[18]，制作70.7mm×70.7mm×70.7mm高壓旋噴固結(jié)體試塊，其配合比如表2所示。

表2 高壓旋噴固結(jié)體配合比

2.3 高壓旋噴固結(jié)體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)高壓旋噴固結(jié)體進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，A，B，C，D組各進(jìn)行6次，得到高壓旋噴固結(jié)體28d無(wú)側(cè)限抗壓平均強(qiáng)度分別為3.03，3.59，4.50，5.73MPa。同一養(yǎng)護(hù)條件，高壓旋噴固結(jié)體28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨每延米膠凝材料用量的增加而增大；同一每延米膠凝材料用量條件下，水中養(yǎng)護(hù)的高壓旋噴固結(jié)體28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度偏低。由此可知，高壓旋噴樁復(fù)合地基的加固設(shè)計(jì)與施工均需考慮地下水的影響，對(duì)依托工程39號(hào)地塊塔樓范圍土洞和溶洞進(jìn)行處理時(shí)，選用每延米35%膠凝材料用量配合比設(shè)計(jì)。

2.4 高壓旋噴固結(jié)體掃描電鏡分析

采用掃描電鏡分析高壓旋噴固結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，C組試塊掃描電鏡結(jié)果如圖3所示。

圖3 C組試塊掃描電鏡結(jié)果

由圖3可知，高壓旋噴固結(jié)體顆粒間空隙較大，空隙數(shù)量較多且分布均勻，呈蜂窩狀，整體看起來(lái)不密實(shí)。顆粒間雖有很多空隙，但黏結(jié)較緊密。相比于原狀土，以不同膠凝材料用量調(diào)制的高壓旋噴固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)更緊密，外部膠凝材料可增加原狀土結(jié)構(gòu)表面細(xì)微顆粒和絲狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連接，起連接和膠結(jié)原狀土體的作用，且這種作用隨著水泥量的增多而愈發(fā)明顯。

3 高壓旋噴樁加固處理巖溶空洞軟弱地基施工技術(shù)

3.1 方案設(shè)計(jì)

本次軟弱地基僅處理塔樓底板及附近溶洞和土洞連通區(qū)域。39號(hào)地塊軟弱地基處理總體布置如圖4所示，剖面典型地質(zhì)處理如圖5所示，單個(gè)孔位旋噴處理如圖6所示。

圖4 39號(hào)地塊軟弱地基總體布置

圖5 剖面典型地質(zhì)處理

圖6 單個(gè)孔位旋噴處理

運(yùn)用高壓旋噴技術(shù)處理巖溶空洞軟弱地基時(shí)，需注意以下內(nèi)容：①施工前結(jié)合詳勘報(bào)告和設(shè)計(jì)圖紙，詳細(xì)查明并確定場(chǎng)地溶洞和土洞的分布情況；②施工高壓旋噴樁前應(yīng)先用地質(zhì)鉆機(jī)引孔并復(fù)核地層情況；③旋噴樁樁頂超過(guò)土洞或溶洞洞頂厚度應(yīng)≥1.0m，樁底進(jìn)入巖層深度應(yīng)≥1.0m，樁底進(jìn)入溶洞底應(yīng)≥1.0m；④旋噴樁應(yīng)結(jié)合引孔反饋的地層情況確定，施工中根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況調(diào)整樁深；⑤先施工封閉圈，再施工封閉圈內(nèi)，最后施工封閉圈外；⑥當(dāng)引孔未發(fā)現(xiàn)土洞和溶洞時(shí)，該孔位無(wú)須進(jìn)行旋噴加固處理；⑦若土洞和溶洞內(nèi)有浮泥充填，旋噴加固處理時(shí)，應(yīng)定噴直至洞內(nèi)被水泥漿填滿，旋噴提升速度應(yīng)≤10cm/min。

根據(jù)設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制要求，先進(jìn)行塔樓周圍止水帷幕引孔，再進(jìn)行塔樓區(qū)內(nèi)引孔。止水帷幕引孔間距為0.6m，場(chǎng)地內(nèi)砂層較厚，施工過(guò)程中可能出現(xiàn)穿孔或塌孔，因此間隔2個(gè)孔進(jìn)行一序列引孔施工。止水帷幕第1序列引孔順序?yàn)閅1-Y4-Y7-Y10-Y13-Y16-Y19-Y22(見(jiàn)圖7)，第2序列為Y2-Y5-Y8-Y11-Y14-Y17-Y20-Y23，第3序列為Y3-Y6-Y9-Y12-Y15-Y18-Y21-Y24。止水帷幕引孔完成后，即可進(jìn)行高壓旋噴樁施工，待止水帷幕封閉圈注漿處理完成后，進(jìn)行塔樓區(qū)域注漿處理。

圖7 第1序列引孔順序

止水帷幕引孔和注漿施工的同時(shí)，可進(jìn)行塔樓區(qū)域引孔。塔樓區(qū)域孔位按間距1.6m×1.6m布置，如圖8所示。先用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行陰影部分孔位引孔，按1，3，5，7的順序，間隔1個(gè)孔位；再用多功能鉆機(jī)進(jìn)行其他孔位的引孔施工，這樣能更清楚地判斷場(chǎng)地內(nèi)土洞和溶洞的發(fā)育情況。

圖8 塔樓區(qū)域孔位

引孔完成后，進(jìn)行高壓旋噴注漿。根據(jù)引孔揭露的土洞和溶洞發(fā)育情況注漿，先處理土洞和溶洞埋深較大的孔，再處理淺孔，先處理土洞和溶洞發(fā)育空間較大的孔，再處理發(fā)育空間較小的孔，注漿也應(yīng)隔孔跳注。旋噴注漿處理施工工藝流程如圖9所示。

圖9 旋噴注漿處理施工工藝流程

3.2 高壓旋噴樁施工

采用二重管法(簡(jiǎn)稱“雙管”)進(jìn)行高壓旋噴樁施工，注漿管同時(shí)將高壓水泥漿和空氣2種介質(zhì)噴射流橫向噴射出，沖擊破壞待加固土體，在高壓水泥漿液和外圈環(huán)繞氣流的共同作用下，破壞土體的能量顯著增大，最終在土中形成較大固結(jié)體。加固處理具體施工步驟為：①設(shè)備檢查維修與調(diào)試；②鉆機(jī)就位鉆孔；③插管和試噴；④高壓旋噴注漿；⑤廢棄漿液處理；⑥沖洗機(jī)具；⑦移動(dòng)旋噴機(jī)具至下一孔位。高壓旋噴樁加固地基如圖10所示。

圖10 高壓旋噴樁加固地基

3.3 加固處理效果檢驗(yàn)

3.3.1水泥漿液固結(jié)體檢驗(yàn)

高壓旋噴樁施工過(guò)程中，使用水泥漿液澆筑2組(每組15個(gè))尺寸規(guī)格為70.7mm×70.7mm×70.7mm的水泥漿液固結(jié)體試塊，分別檢驗(yàn)養(yǎng)護(hù)3，28d試塊的抗壓強(qiáng)度。15個(gè)養(yǎng)護(hù)3d試塊的抗壓強(qiáng)度值分別為17.09，17.56，18.25，14.78，16.54，17.89，19.23，19.71，16.83，13.97，19.04，14.80，18.88，16.77，18.69MPa，平均值為17.34MPa，變異系數(shù)為0.100；15個(gè)養(yǎng)護(hù)28d試塊的抗壓強(qiáng)度值分別為40.60，47.18，38.89，41.90，39.06，39.69，48.62，47.04，42.40，50.18，38.92，43.89，43.19，47.91，48.28MPa，平均值為43.85MPa，變異系數(shù)為0.092。由上述水泥漿液固結(jié)體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥漿液質(zhì)量滿足≥2.5MPa的設(shè)計(jì)要求。

3.3.2鉆孔取芯檢驗(yàn)

對(duì)39號(hào)地塊地基處理關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯，檢驗(yàn)取芯率。取芯率是指累積完整取芯長(zhǎng)度與鉆孔深度的比值，代表鉆芯的完整度。檢測(cè)取芯率的目的是檢查旋噴樁注漿處理后土洞和溶洞的處理效果、填充物填充情況、填充物密實(shí)度及鉆孔泥漿是否漏失。軟弱地基加固前后取芯率對(duì)比結(jié)果如表3所示。由表3可知，經(jīng)高壓旋噴樁處理過(guò)的地基關(guān)鍵區(qū)域的取芯率明顯提高，土洞及溶洞發(fā)育加固區(qū)域的取芯率均>90%，說(shuō)明經(jīng)高壓旋噴樁加固處理后，地基的完整性、穩(wěn)定性及連續(xù)性均顯著提高。

表3 加固前后取芯率對(duì)比

ZS112-1加固前后芯樣對(duì)比如圖11所示。由圖11可知，加固前芯樣松散、破碎、夾泥、完整性差；經(jīng)高壓旋噴樁加固處理后，芯樣表面明顯可見(jiàn)水泥漿脈包裹，破碎巖塊與水泥漿液有效膠結(jié)，形成致密結(jié)石體，巖層連續(xù)性、完整性顯著增強(qiáng)。

圖11 ZS112-1加固前后芯樣對(duì)比

3.3.3土常規(guī)試驗(yàn)檢驗(yàn)

處理范圍內(nèi)每100m2隨機(jī)選取1個(gè)點(diǎn)取樣進(jìn)行土常規(guī)試驗(yàn)，處理深度段每1.5～2.0m取1件土樣，每點(diǎn)≥6件，要求土樣壓縮模量≥4MPa。某代表性檢測(cè)點(diǎn)土常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，取樣點(diǎn)所有結(jié)果中壓縮模量最小為4.61MPa，均滿足設(shè)計(jì)壓縮模量≥4MPa的要求。

表4 土常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果

3.3.4物探勘察檢驗(yàn)

通過(guò)高密度電法及地震映像法，大致查明巖溶空洞軟弱地基處理前后的地下土洞和溶洞分布情況，以了解巖溶空洞軟弱地基處理效果，為后續(xù)施工奠定基礎(chǔ)。

在場(chǎng)地近東西向(WE)布置12條測(cè)線，總長(zhǎng)約4.386km；近南北向(NS)布置5條測(cè)線，總長(zhǎng)約1.593km。按《江高建設(shè)用地巖溶勘探方案》的要求，采用中海達(dá)RTK(GPS)及GTS-330N型全站儀進(jìn)行測(cè)線位置敷設(shè)，每隔20m放1個(gè)測(cè)量控制樁，其余測(cè)點(diǎn)用測(cè)繩敷設(shè)。

采用地震映像法得到WE12測(cè)線0～382段時(shí)間剖面，如圖12所示。剖面中T1波連續(xù)性好，與鉆孔揭露巖面基本一致；T2波位于T1波之上，T1波組上下出現(xiàn)弧形波組、波組紊亂和波組不連續(xù)等異常，推斷該段范圍巖溶發(fā)育，與鉆孔揭露情況較吻合，地震映像法推測(cè)的巖溶發(fā)育部位可能由單個(gè)溶洞或串珠狀、蜂窩狀溶洞及溶溝溶槽組合而成。

圖12 WE12(0～382段)測(cè)線時(shí)間剖面

根據(jù)高密度電阻率等線圖進(jìn)行異常區(qū)分，將明顯的高低阻分界線劃分為覆蓋層與基巖面的界面，推斷等值線凹陷處或封閉的低阻異常處由巖溶或土洞引起。采用高密度電法得到的NS01線測(cè)量剖面如圖13所示，將NS01線30m深度附近的高、低阻分界線劃分為覆蓋層與基巖面的界限，將等值線凹陷處，如120～132，164～180，248～260，292～304號(hào)點(diǎn)間的低阻異常推斷為由充填巖溶引起，編號(hào)分別為R24-1，R39，R45-1，R45-2。

圖13 NS01線測(cè)量剖面

本次采用地震映像法及高密度電法共完成17條測(cè)線的勘察工作。場(chǎng)地巖溶空洞軟弱地基加固處理前，推斷有159處物探異常，其中土洞發(fā)育區(qū)異常共53處，溶洞發(fā)育區(qū)異常共106處。地基各測(cè)線土洞和溶洞處理狀況如表5，6所示。由表5，6可知，依托工程項(xiàng)目39號(hào)地塊塔樓范圍土洞和溶洞經(jīng)高壓旋噴樁處理后均得以填充，土洞和溶洞填充物的密實(shí)度較高，無(wú)鉆孔泥漿漏失問(wèn)題。

表5 土洞處理狀況

4 結(jié)語(yǔ)

巖溶空洞軟弱地基溶洞、土洞多，分布復(fù)雜、巖面起伏大、地下水多，在巖溶場(chǎng)地的建設(shè)工程若不經(jīng)處理直接施工，易造成地面塌陷等問(wèn)題，對(duì)工程建設(shè)安全產(chǎn)生不利影響，采取合理措施加固巖溶空洞軟弱地基具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

采用高壓旋噴樁對(duì)依托工程39號(hào)地塊塔樓范圍土洞和溶洞進(jìn)行處理，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)、高壓旋噴樁固結(jié)體配合比試驗(yàn)及掃描電鏡分析的微觀試驗(yàn)，獲得可靠的高壓旋噴樁設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，進(jìn)一步解釋了高壓旋噴樁加固機(jī)理及宏觀物理力學(xué)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)變化過(guò)程。根據(jù)工程實(shí)際情況和場(chǎng)地巖溶發(fā)育情況設(shè)計(jì)高壓旋噴樁加固處理方案并施工，采用鉆芯、土常規(guī)試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)加固效果，相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果均證明高壓旋噴樁對(duì)巖溶空洞軟弱地基加固效果良好，地基的完整性、穩(wěn)定性及連續(xù)性均顯著提高，說(shuō)明地基處理方案合理，可為高層建筑復(fù)雜巖溶地基處理提供借鑒。

表6 溶洞處理狀況