在采空區(qū)條件下的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和地基處理實(shí)例分析

謝 琳，郭典塔

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

1 采空區(qū)的分布特點(diǎn)及存在的問(wèn)題

我國(guó)煤礦采空區(qū)分布較廣［1］，屬于隱蔽、復(fù)雜、地表變形范圍大、容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的不良地質(zhì)場(chǎng)地，廣州市的煤礦區(qū)主要分布在黃石路一帶。采空區(qū)地表的不均勻下沉和水平變形、垮塌等災(zāi)害給工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了較為嚴(yán)重的安全隱患。由地表移動(dòng)和變形引起的地面塌陷、滑坡和崩塌等次生災(zāi)害也時(shí)有發(fā)生，大面積煤礦采空區(qū)垮落甚至可能誘發(fā)地震，嚴(yán)重危害工程安全。

采空區(qū)的存在，打破了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得上覆巖土體在自重作用下冒落、塌陷，自下而上形成橫向“三帶”即冒落帶、裂隙帶和整體移動(dòng)帶（彎沉帶），變形波及地表從而形成下沉盆地，這就使得該采空區(qū)的承載能力大大降低，并且在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到穩(wěn)定，導(dǎo)致途經(jīng)該采空區(qū)的路基或地基存在很大的隱患。再加上在建筑物荷載的作用下，有可能使原本處于相對(duì)平衡狀態(tài)的冒裂帶巖體重新“活化”，使冒裂帶巖體再壓密，地下殘留空洞再冒落，導(dǎo)致地表產(chǎn)生附加移動(dòng)和變形，進(jìn)而使新建建筑物沉降、局部開(kāi)裂、傾斜、直至倒塌。

因此，研究如何有效地對(duì)采空區(qū)進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)、采取怎樣的處理措施以及研究礦區(qū)的地表沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)問(wèn)題，對(duì)于地表環(huán)境保護(hù)和資源有效利用有著巨大的意義。

2 工程概況及地質(zhì)條件

某項(xiàng)目位于廣州市白云區(qū)機(jī)場(chǎng)路西側(cè)，黃石路北側(cè)，規(guī)劃用地面積433 262.83 m2，總建筑面積442 331.3 m2，擬建9 棟34 層，1 棟18 層高層住宅及小學(xué)、幼兒園、垃圾站等配套設(shè)施，6 棟公共租賃房。本項(xiàng)目設(shè)置地下室2 層，項(xiàng)目工期要求十分嚴(yán)格。共布置詳細(xì)勘察鉆孔162 個(gè)，其中技術(shù)孔65 個(gè)，鑒別孔97 個(gè)。本項(xiàng)目工程重要性等級(jí)為一級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度為一級(jí)，地基等級(jí)為一級(jí)，巖土工程勘察等級(jí)為甲級(jí)。

2.1 地形地貌及周邊環(huán)境

場(chǎng)地原始地貌形態(tài)屬珠江三角洲沖洪積平原，擬建場(chǎng)地原為廠房，地形起伏不大，局部為建筑垃圾及生活垃圾、廢金屬堆填，鉆探過(guò)程中以及鉆探完成后仍有大量土方及工廠、生活垃圾運(yùn)至該場(chǎng)地堆放，造成局部土方堆填較高。

2.2 區(qū)域地質(zhì)

對(duì)照廣州市基巖地質(zhì)圖，該區(qū)域位于廣從斷裂以西，新市-嘉禾斷裂組以東區(qū)域，距場(chǎng)地約5.5 km 基巖為石炭系下統(tǒng)大塘階石蹬子組灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖，測(cè)水組炭質(zhì)頁(yè)巖夾泥灰?guī)r及煤，梓門(mén)橋組泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖。場(chǎng)地地下水主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。

2.3 巖土地層構(gòu)成及特征

根據(jù)鉆探揭露的地質(zhì)資料，將場(chǎng)地內(nèi)土巖層按成因類型，自上而下劃為：人工填土層；沖洪積層、風(fēng)化殘積層、基巖：泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，炭質(zhì)灰?guī)r。典型地質(zhì)剖面如圖1 所示。大面積的采空區(qū)/采煤區(qū)對(duì)樁基礎(chǔ)施工、基坑開(kāi)挖、地基處理的不利影響極大，同時(shí)在施工期間及竣工后可能誘發(fā)地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)工程設(shè)計(jì)施工及后期投入使用極為不利［2-4］。

圖1 典型地質(zhì)剖面Fig.1 The Typical of Geological Profile

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 工程基本情況

①本工程開(kāi)挖深度5.4～10.3 m，支護(hù)周長(zhǎng)約為1 870 m。②本工程場(chǎng)地砂層分布廣泛，普遍厚度較大，且多位于基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)；砂層直接與風(fēng)化巖層接觸，風(fēng)化巖層較破碎，地下水量較豐富，水文地質(zhì)條件復(fù)雜；下覆基巖為為炭質(zhì)灰?guī)r，巖層較破碎，局部夾有煤層、溶（土）洞、采空區(qū)/采煤區(qū)。煤層松散破碎，承載力低，采空區(qū)/采煤區(qū)僅局部充填。③本工程周邊環(huán)境復(fù)雜：基坑西南側(cè)地下室邊線距5 層天然基礎(chǔ)樓房群最近約5.0 m，距管樁基礎(chǔ)廠房最近約5.1 m。本工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工必須保證周?chē)ㄖ锛昂佑康陌踩?/p>

3.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)原則

在廣泛調(diào)查、剖析同區(qū)域類似工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上［5-11］，對(duì)場(chǎng)地環(huán)境條件及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)分析，精心設(shè)計(jì)，對(duì)主體部分進(jìn)行了多方案分析比較，對(duì)難點(diǎn)部分進(jìn)行詳細(xì)分析研究，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案根據(jù)各剖面實(shí)際情況和特點(diǎn)分別采用排樁+預(yù)應(yīng)力錨索或鋼筋混凝土內(nèi)支撐、復(fù)合型噴錨、一～二級(jí)放坡并結(jié)合大直徑水泥攪拌樁止水等多種組合形式的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了因地制宜、安全可行、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、保護(hù)環(huán)境的目的。

3.3 基坑止水方案合理選擇

場(chǎng)地距離蜆坑河約20.0 m，砂層分布廣泛，普遍厚度較大，且多位于基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)；砂層直接與風(fēng)化巖層接觸，地下水量豐富。規(guī)模極大，周邊環(huán)境復(fù)雜，止水是關(guān)鍵也是難點(diǎn)。基坑支護(hù)主要采用φ1 000 mm@750 mm 大直徑攪拌樁進(jìn)行止水，對(duì)于砂層直接與風(fēng)化巖層接觸區(qū)域，另采用雙管旋噴樁進(jìn)行樁間旋噴，該方案止水效果優(yōu)良，確保了施工安全、提高了工作效率。

3.4 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)

基坑西南側(cè)地下室邊線距5 層天然基礎(chǔ)樓房群最近約5.0 m，距管樁基礎(chǔ)廠房最近約5.1 m。且局部區(qū)域松散填土層及砂層較厚。在該區(qū)域選擇采用樁錨、樁撐支護(hù)。同時(shí)，對(duì)周邊環(huán)境布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，確保周邊建構(gòu)筑物的安全。施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)若干點(diǎn)建筑沉降速率過(guò)快，立即在支護(hù)結(jié)構(gòu)與建筑物之間，采用多排袖筏管注漿加固地層，并通過(guò)回灌井回升地下水位，以減小基坑開(kāi)挖引起的建筑物的變形沉降，最終將周?chē)ㄖ锏淖冃纬两悼刂圃谠试S范圍內(nèi)。

基坑支護(hù)典型剖面如圖2所示。

圖2 典型支護(hù)剖面Fig.2 The Typical of the Retaining and Protection for Excavations （mm）

4 采空區(qū)地基處理

采空區(qū)主要為先人在石炭系地層中存在的煤層進(jìn)行采煤活動(dòng)所殘留的痕跡。根據(jù)超前鉆和詳勘鉆孔揭露，采空區(qū)頂面埋深為3.00～47.10 m，標(biāo)高5.88～（-37.81）m，底 面 埋 深5.40～52.40 m，標(biāo) 高3.92～（-43.11）m；縱向分布有1～4層，層間距0.8～14.0 m。煤層頂面埋深1.10～42.80 m，標(biāo)高8.20～34.31 m，煤層底面埋深1.90～44.50 m，標(biāo)高7.40～（-36.01）m；煤層厚度0.50～6.50 m。煤層與采空區(qū)的分布基本一致。采空區(qū)多為半充填及充填狀態(tài)，充填物多為碎石、煤渣、碎木及砂粒；鉆進(jìn)較快、自由掉鉆、漏水。說(shuō)明采空區(qū)多為空洞或充填松散物，透水性好。分布在建筑范圍，深淺不一，由于開(kāi)采活動(dòng)對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，對(duì)地基土（巖）的力學(xué)性質(zhì)影響很大，應(yīng)進(jìn)行充填加固處理。

4.1 加固目的

采空區(qū)經(jīng)加固后應(yīng)滿足以下要求：①場(chǎng)地在建筑物建成后，在使用年限內(nèi)不發(fā)生沉陷等地質(zhì)災(zāi)害；②可滿足基坑開(kāi)挖、地基處理以及基礎(chǔ)施工等正常安全操作；③位于基礎(chǔ)持力層下方的采空區(qū)，其承載力可滿足作為地基基礎(chǔ)持力層的要求。

4.2 加固充填材料

水泥凈漿、水泥砂漿、素混凝土、水玻璃、粉煤灰、砂、碎石、磚渣。根據(jù)采空區(qū)所處位置、對(duì)建筑物基礎(chǔ)的作用和影響不同，采用不同的填充料和充填方法。

一般部位采用充填砂石或磚渣碎石，適當(dāng)灌注水泥漿充填?；A(chǔ)持力層重要部位，主要充填水泥砂漿或素混凝土，必要時(shí)增加壓力灌漿處理，確保加固體的強(qiáng)度和密實(shí)度。

4.3 加固范圍

平面上應(yīng)覆蓋建筑（包地上或地下）投影范圍外擴(kuò)6.0 m，且不少于基礎(chǔ)下方持力層受力深度擴(kuò)散范圍；豎向應(yīng)不小于地基基礎(chǔ)持力層深度的要求。

4.4 步驟和工序要求

步驟：①圍堵，在場(chǎng)地外擴(kuò)范圍采空區(qū)的圍堵；②大洞的粗骨料初步充填，擠於抽排；③大洞二次低標(biāo)號(hào)水泥砂漿充填，小洞低標(biāo)號(hào)砂漿充填；④單洞壓密注漿，豎向多層采空區(qū)分層袖閥管壓密注漿；⑤檢測(cè)補(bǔ)漿。

工序要求：①先外后內(nèi)，即先在外圍對(duì)采空區(qū)進(jìn)行圍堵，后對(duì)中間的采空區(qū)進(jìn)行充填或灌漿處理；②先大后小，即先對(duì)體積較大的采空區(qū)進(jìn)行填充或灌漿處理，后對(duì)較小的采空區(qū)填充或灌漿處理；③先粗后細(xì)，即先充填粗骨料，后充填細(xì)填料；④先上后下，即對(duì)多層采空區(qū)進(jìn)行處理時(shí)，采取先處理上層，后處理下層的順序進(jìn)行。

4.5 工法和工藝

⑴大體積采空區(qū)（空洞）：采用加大直徑的鉆孔作為充填通道，可采用旋挖樁機(jī)成孔后進(jìn)行粗骨料的填充施工。補(bǔ)漿時(shí)輔助較小鉆孔的壓漿，或袖閥管注漿處理。

⑵小體積采空區(qū)（空洞）：可采用較小直徑的鉆孔或利用超前鉆孔進(jìn)行灌注砂漿或純水泥漿施工。

采空區(qū)處理平面及大樣如圖3、圖4所示。

圖3 采空區(qū)處理平面Fig.3 The Treatment Plan of Goaf （mm）

圖4 采空區(qū)處理大樣Fig.4 The Detailed of Goaf Treatment （mm）

采空區(qū)、采煤區(qū)處理方案針對(duì)性強(qiáng)、安全可行、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、保護(hù)環(huán)境。

根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)已揭露的采空區(qū)、采煤區(qū)的不同洞高、充填及連通情況，針對(duì)性提出“先隔后填、先粗后細(xì)、先下后上”的處理方法：①對(duì)于大洞，采用先回填粗骨料，后雙液注漿進(jìn)行場(chǎng)地內(nèi)外連通隔斷，場(chǎng)地內(nèi)大洞內(nèi)采用先回填粗骨料、再填充低標(biāo)號(hào)水泥砂漿、最后進(jìn)行壓密注漿的方式進(jìn)行加固處理；②對(duì)于一般采空區(qū)/采煤區(qū)，采用雙液注漿與采空區(qū)填充物結(jié)合隔斷場(chǎng)地內(nèi)外連通，再采用先填充低標(biāo)號(hào)水泥砂漿，后進(jìn)行水泥凈漿壓密注漿進(jìn)行加固處理；③對(duì)于場(chǎng)地內(nèi)的多層采空區(qū)，采用袖閥管壓密注漿。該方法達(dá)到了安全可行、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、保護(hù)環(huán)境的效果。

5 實(shí)施效果及創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

⑴水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)存在一定厚度的淤泥（質(zhì)土）和較厚砂層，部分區(qū)域砂層直接和巖層接觸；場(chǎng)地鄰近蜆坑河，地下水十分豐富，充分考慮軟弱和透水地層的分布位置以及深淺、厚薄變化的情況，采用大直徑攪拌樁止水，對(duì)于砂層直接和巖層接觸區(qū)域，采用雙管旋噴樁進(jìn)行樁間止水，確保了止水效果并又節(jié)省了投資。

⑵根據(jù)鉆孔資料細(xì)致分區(qū)，控制支護(hù)樁的嵌固深度，對(duì)坡頂有放坡空間區(qū)域，將支護(hù)樁壓頂梁面降低到現(xiàn)地面下-2.0 m，以減小支護(hù)樁的費(fèi)用。

⑶合理確定錨索標(biāo)高，確保錨索開(kāi)孔避開(kāi)砂層，下部錨索無(wú)法避開(kāi)砂層則采用套管超前跟進(jìn)，以確保成孔過(guò)程中不出現(xiàn)涌水涌砂問(wèn)題，保證地面沉降變形控制在合理范圍內(nèi)。

⑷各地塊基坑周邊環(huán)境不同、開(kāi)挖深度和地質(zhì)條件也有差異，通過(guò)靈活運(yùn)用樁錨、樁撐、放坡、土釘墻多種支護(hù)手段實(shí)現(xiàn)各支護(hù)區(qū)段和不同支護(hù)型式之間平順過(guò)渡，確保了支護(hù)體系的安全、經(jīng)濟(jì)和施工便利性。

⑸對(duì)于基坑外近距離存在既有建構(gòu)筑物、同時(shí)又有砂層直接和巖層接觸的區(qū)域，地下連續(xù)墻方案原是相對(duì)安全的支護(hù)及止水方案，但考慮到該方案造價(jià)較高，經(jīng)過(guò)縝密考慮比較后，選用樁錨、樁撐支護(hù)，選用大直徑攪拌樁及雙管旋噴樁進(jìn)行樁外、樁間止水。該方案在施工過(guò)程中出現(xiàn)坑外地下水位下降，且鄰近建筑物變形沉降速率過(guò)快等現(xiàn)象。通過(guò)采用多排袖筏管注漿加固地層，并通過(guò)回灌井恢復(fù)地下水位，減小了基坑開(kāi)挖引起的建筑物的變形沉降速率，最終將周?chē)ㄖ锏淖冃纬两悼刂圃谠试S范圍內(nèi)。直至竣工，該支護(hù)及止水方案造價(jià)仍低于地下連續(xù)墻方案。

⑹基坑支護(hù)設(shè)計(jì)大部分區(qū)域采用樁錨、放坡、土釘?shù)戎ёo(hù)形式，可為土方開(kāi)挖、基礎(chǔ)施工及地下室施工提供了極為有利的空間，與同類工程相比工期約提前100 d，為實(shí)現(xiàn)居民順利回遷和引進(jìn)人才安居入住大大爭(zhēng)取了時(shí)間。

⑺ 實(shí)施過(guò)程中，基坑和周邊建筑物安全穩(wěn)定，變形量均小于允許值，基坑周邊止水效果良好，受到業(yè)主、監(jiān)理和施工單位的好評(píng)，達(dá)到了安全、可靠、縮短工期的目的。基坑開(kāi)挖到底的現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 加固處理完后現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 The Site after Goaf Treatmen

5.2 采空區(qū)處理設(shè)計(jì)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

本場(chǎng)地內(nèi)存在大面積的采空區(qū)、采煤區(qū)，根據(jù)不同洞高、充填及連通情況，針對(duì)性提出“先隔后填、先粗后細(xì)、先下后上”的處理方法：對(duì)于大洞，采用先回填粗骨料，后雙液注漿進(jìn)行場(chǎng)地內(nèi)外連通隔斷，場(chǎng)地內(nèi)大洞內(nèi)采用先引孔回填粗骨料、再填充低標(biāo)號(hào)水泥砂漿、最后進(jìn)行壓密注漿的方式進(jìn)行加固處理；對(duì)于一般采空區(qū)、采煤區(qū)，采用雙液注漿與采空區(qū)填充物結(jié)合隔斷場(chǎng)地內(nèi)外連通，再采用先填充低標(biāo)號(hào)水泥砂漿，后進(jìn)行水泥凈漿壓密注漿進(jìn)行加固處理。對(duì)于場(chǎng)地內(nèi)的多層采空區(qū)，采用袖閥管壓密注漿。該方案保證工程樁順利成孔、成樁至設(shè)計(jì)要求的持力層，對(duì)樁周提供足夠的樁側(cè)支撐力；滿足基坑開(kāi)挖、地基處理以及基礎(chǔ)施工等正常安全操作需求；同時(shí)還保證了場(chǎng)地在施工期間及建筑建成后使用年限內(nèi)不發(fā)生沉陷等地質(zhì)災(zāi)害。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，在采區(qū)空地下條件下進(jìn)行巖土工程勘察、基坑支護(hù)和地基處理的施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，地質(zhì)條件變化多樣，工程建設(shè)的相關(guān)管理者應(yīng)當(dāng)在結(jié)合所在地工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)上，按照一定的要求和理念進(jìn)行巖土工程勘察、基坑支護(hù)工程和地基處理的施工，根據(jù)特定的工程要求和條件進(jìn)行綜合考慮，做出安全可靠經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的整體設(shè)計(jì)施工方案。