高層建筑樁基巖溶處理施工技術(shù)研究

廖廣超

（中煤江南建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司佛山分公司 廣東佛山 528226）

0 引言

巖溶是指水對可溶巖進(jìn)行溶蝕并伴有沉積的綜合地質(zhì)作用，以及由此產(chǎn)生的各種地質(zhì)現(xiàn)象的總稱，又稱喀斯特［1］。據(jù)統(tǒng)計，廣東省碳酸鹽巖占全省陸地面積16%，約2.9 萬km2［2］。在巖溶地區(qū)施工時，易發(fā)生施工人員和設(shè)備掉入溶洞、地下暗河或巖溶水涌出致人傷亡等工程事故，尤其是進(jìn)行高層建筑樁基施工時，必須先進(jìn)行巖溶處理。

在多年的工程實踐過程中，國內(nèi)外學(xué)者在公路、鐵路隧道以及城市地鐵隧道巖溶處理技術(shù)方面積累了大量的經(jīng)驗。蔣進(jìn)波［3］通過對公路隧道巖溶形態(tài)及發(fā)育條件的分析，結(jié)合實際工程介紹了隧道巖溶處治技術(shù)；李強等人［4］分析了鐵路橋梁樁基不同發(fā)育形態(tài)巖溶的不同處理技術(shù)；袁福銀等人［5］則就某軌道交通暗挖巖溶隧道突水、突泥事故給出了臨時及長期處理措施；周全［6］針對廣佛環(huán)線明挖基坑遇到的巖溶提出了“先探后灌，探灌結(jié)合”的處置措施。邱旭等人［7］通過劃分高、低風(fēng)險區(qū)對徐州地鐵1 號線巖溶進(jìn)行了處理范圍與工程造價間的平衡；朱玉軍［8］介紹了膜袋袖閥管處治技術(shù)在高速公路路基巖溶處理中的應(yīng)用；林振華［9］以云桂鐵路隧道巖溶施工為載體，通過所揭示巖溶形態(tài)及所處位置的特點，介紹了不同工況下巖溶處理的方法。

相較于公路、鐵路乃至城市地鐵隧道，高層建筑巖溶處理面廣而集中，且周邊環(huán)境錯綜復(fù)雜，地表沉降、水位控制等指標(biāo)要求極為嚴(yán)苛。其他工程的巖溶處理經(jīng)驗雖可為高層建筑樁基巖溶處理提供一定的借鑒，但完全照搬顯然不可取。本文依托具體工程實踐，系統(tǒng)闡述高層建筑地塊溶洞處理成套技術(shù)，以期為后續(xù)同類工程提供參考。

1 工程概況

荔灣區(qū)大坦沙島規(guī)劃居住項目位于廣州市荔灣區(qū)大坦沙橋中路以東，東海南路以南范圍內(nèi)。場地東側(cè)及東北側(cè)為某住宅小區(qū)，距離珠江僅180 m，南側(cè)和西側(cè)為規(guī)劃道路。基坑支護(hù)周長為450 m，長約160 m，寬約60 m，大致呈狹長不規(guī)則梯形，如圖1 所示。擬建3 棟33 層住宅塔樓（高度約100 m）及配套裙樓，塔樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，擬采用灌注樁基礎(chǔ)，有效樁長約15～35 m，樁端入穩(wěn)定微風(fēng)化巖層0.5 m。

圖1 場地位置及周邊環(huán)境Fig.1 Site Location and Surrounding Environment

根據(jù)勘察報告揭示共404個鉆孔揭露泥灰?guī)r和石灰?guī)r，其中363 個鉆孔揭露溶洞，見洞率89.6%，單孔揭露溶洞1～7個，共揭露大小溶洞909個，屬于巖溶強發(fā)育場地。進(jìn)一步針對揭露溶洞充填情況、溶洞洞高、溶洞層數(shù)、溶洞標(biāo)高4 個方面進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

⑴ 揭露溶洞以全充填和半充填為主；占比約70%，空洞占比約30%。溶洞充填物多為流塑～軟塑狀粉質(zhì)粘土，局部為可塑～硬塑粉質(zhì)粘土，多夾強～中風(fēng)化巖塊。

⑵ 溶洞洞高較小，洞高為0～2 m 溶洞占比68.04%，洞高為2～5 m 溶洞占比24.24%，大于5 m 的溶洞占比約7%。

⑶溶洞層數(shù)多為1～2層，占比56.2%，揭露3～5層溶洞鉆孔占比約0.22%，進(jìn)行樁基施工時應(yīng)核對柱狀圖，嵌巖樁確定進(jìn)入中、微風(fēng)化完整基巖后方可作為持力層。

⑷溶洞主要集中在標(biāo)高-40～（-10）m，在此標(biāo)高范圍內(nèi)揭露溶洞幾乎占比100%，其中又以標(biāo)高-30～（-20）m占比最多，約60%。

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，當(dāng)持力層以上土層或樁端以下5 m范圍內(nèi)遇有溶洞時，應(yīng)先進(jìn)行巖溶治理或采用鋼套筒等有效施工措施以保障灌注樁基礎(chǔ)安全、順利施工。

2 溶洞處理

根據(jù)溶洞的分布特點、發(fā)育情況、溶洞洞高、漏水、溶洞串聯(lián)、見洞率情況等特點，按施工時間分類，可分為施工前預(yù)處理、施工中處理和施工后處理3 種情況，本項目由于巖溶強發(fā)育特點，以施工前預(yù)處理為主。

首先依據(jù)溶洞洞高、填充狀態(tài)、串珠狀態(tài)及溶洞間的夾層厚度等指標(biāo)，將場地劃分為巖溶發(fā)育區(qū)、巖溶較發(fā)育區(qū)和巖溶弱發(fā)育區(qū)。并針對不同的分區(qū)區(qū)別處理。

2.1 巖溶分區(qū)

⑴巖溶發(fā)育區(qū)：即溶洞洞高大于2 m且洞內(nèi)無充填物（水不算充填物）；溶洞內(nèi)有充填物，但洞高大于3 m；為發(fā)育的串珠狀溶洞，且上部第一、二層洞間的夾層厚度小于5 m的溶洞。

通過以上條件篩選出296 個孔，其揭露的巖溶地層反映其巖溶的發(fā)育程度劇烈，屬于本文關(guān)于“巖溶發(fā)育區(qū)”的定義，其平面范圍詳見圖2。其中：

圖2 場地不同巖溶發(fā)育分區(qū)Fig.2 Different Karst Development Zones of the Site

①3個塔樓基本位于巖溶發(fā)育區(qū)，應(yīng)優(yōu)先對溶洞進(jìn)行預(yù)處理；

②巖溶發(fā)育區(qū)的首個溶洞頂板厚度大于5 m 的鉆孔為35 個，占該區(qū)域鉆孔數(shù)約11.8%，而該區(qū)域首個溶洞頂板厚度小于5 m 的鉆孔占該區(qū)域鉆孔數(shù)約88.2%；

③巖溶發(fā)育區(qū)255 個超前鉆孔揭露的溶洞數(shù)量超過2 個，存在串珠狀溶洞，占該區(qū)域鉆孔數(shù)約86.1%，可見該區(qū)域巖溶發(fā)育錯綜復(fù)雜，縱向溶洞發(fā)育且各種填充狀態(tài)均有分布。

⑵溶洞較發(fā)育區(qū)：即溶洞洞高小于2 m且無充填物（水不算充填物）；洞高在2～3 m 之間，半充填或全充填；有串珠狀溶洞，但第一、二層溶洞之間夾層厚度大于5 m的溶洞。

同樣，通過以上條件篩選出40 個鉆孔，其揭露的巖溶地層反映其巖溶的發(fā)育程度較為劇烈，屬于本文關(guān)于“巖溶較發(fā)育區(qū)”的定義，其平面范圍詳見圖2。其中：

①該區(qū)域的分布較為零散，主要集中在項目場地東南角位置，屬于巖溶發(fā)育區(qū)和弱發(fā)育區(qū)的交界處；

②巖溶較發(fā)育區(qū)的首個溶洞頂板厚度大于5 m的鉆孔為10 個，占該區(qū)域鉆孔數(shù)約25.0%，而該區(qū)域首個溶洞頂板厚度小于5 m的鉆孔占該區(qū)域鉆孔數(shù)約75.0%；

③巖溶較發(fā)育區(qū)有15個超前鉆孔揭露的溶洞數(shù)量超過2 個，存在串珠狀溶洞，占該區(qū)域鉆孔數(shù)約37.5%，揭露的溶洞全填充及半填充狀態(tài)的孔約22個，填充率達(dá)到55%。

⑶巖溶弱發(fā)育區(qū)：即溶洞洞高小于2 m，并有充填物（水不算充填物），無串珠狀溶洞。由于超前鉆也不能百分百揭露樁孔內(nèi)所有溶洞，所以未發(fā)現(xiàn)溶洞的超前鉆也暫歸到弱發(fā)育類。

通過以上條件篩選出27個鉆孔（不含非溶洞孔數(shù)量），其揭露的巖溶地層反映其巖溶的發(fā)育程度較弱，屬于本文關(guān)于“巖溶弱發(fā)育區(qū)”的定義和條件，其平面范圍詳見圖2。其中：

①該區(qū)域的巖溶分布主要集中在項目東南位置及西側(cè)基坑邊。

②巖溶發(fā)育區(qū)的首個溶洞頂板厚度大于5 m 的鉆孔有5 個，占該區(qū)域鉆孔數(shù)約18.5%，而該區(qū)域首個溶洞頂板厚度小于5 m 的鉆孔占該區(qū)域鉆孔數(shù)約81.5%。由于頂板厚度相對較薄，需要注意樁基礎(chǔ)施工時頂板塌陷的風(fēng)險。

進(jìn)一步整體分析圖2可知：

①大溶洞、串珠狀溶洞且洞與洞之間的穩(wěn)定層薄的溶洞，基本貫徹場地南北方向，且主要位于塔樓區(qū)域，因此，塔樓樁基礎(chǔ)施工前應(yīng)先對巖溶進(jìn)行預(yù)處理；

②場地東南側(cè)溶洞發(fā)育相對較弱；

③場地北側(cè)、西北側(cè)、東北側(cè)的基坑邊巖溶發(fā)育，施工支護(hù)樁時需做好應(yīng)急預(yù)案；

④場地塔樓區(qū)域溶洞發(fā)育劇烈，不僅需要在工程樁基礎(chǔ)施工前對溶洞進(jìn)行預(yù)處理，同時在預(yù)處理過程中還要注意地面塌陷發(fā)生的可能性，做好應(yīng)急預(yù)案和保護(hù)措施。

2.2 預(yù)處理技術(shù)

溶洞發(fā)育區(qū)還可進(jìn)一步分為高密度發(fā)育區(qū)和零星狀發(fā)育區(qū)的處理。高密度發(fā)育區(qū)處理方式可采用點處理和面處理相結(jié)合的處理方法，零星狀發(fā)育區(qū)的處理可采用點處理。

所謂點處理即是針對已揭露的溶洞進(jìn)行針對性處理；所謂面處理即除需對已探明的溶洞進(jìn)行預(yù)處理外，對尚未探明的潛在溶洞及巖土界面也需一并進(jìn)行處理，以消除因鉆孔數(shù)量不足而未揭露的溶洞對施工樁基礎(chǔ)時造成安全隱患。對于面處理，主要是針對高風(fēng)險區(qū)且風(fēng)險損失非常嚴(yán)重的情況下采用，當(dāng)溶洞見洞率大于50%或分類定義為溶洞發(fā)育區(qū)時，可考慮采用面處理方式。

面處理的方法包括水泥土墩法和巖面注漿法兩種，其中水泥土墩可以由攪拌樁或旋噴樁形成，但由于本項目巖面埋深較廣較深，大直徑攪拌樁鉆桿長度受限，因此不適用于本場地。巖面注漿法則是對巖面與上覆粘土層之間的那一層長期受水軟化的軟弱夾層進(jìn)行注漿加固，它的目的不是充填溶洞本身，而是通過注漿，對巖面及上覆土層進(jìn)行加固，對巖面附近的土洞和裂縫進(jìn)行填充，截斷封堵第四系砂、土漏入溶洞的通路，同樣截斷和封堵巖溶水不斷對上覆土層的侵蝕，確保上覆土層的穩(wěn)定。

本項目采用巖面注漿法加固巖面以上地層，以形成封閉。加固厚度為5.0 m，按2.5 m 間距梅花形布置注漿管，套殼料全孔填充固管24 h 以上進(jìn)行袖閥管注漿。每孔注漿按不少于3 次進(jìn)行分批注漿，注漿量不少于200 kg/m 的水泥，或終灌壓力值為0.8～1.0 MPa。注漿范圍如圖3所示。

圖3 巖面注漿處理范圍Fig.3 Rock Surface Grouting Treatment Scope

在上述巖面注漿面處理后，進(jìn)一步依據(jù)溶洞填充情況采用袖閥管注漿進(jìn)行溶洞點處理。對于洞體大于3 m的無填充溶洞可采用泵送水泥砂漿或袖閥管注水泥漿填充，也可采用先高壓風(fēng)投砂石（石粉或碎石）填充空洞，再采用注水泥漿膠結(jié)加固。對于小于3 m的無填充溶洞，可采用袖閥管注水泥漿填充。對于無法注水泥砂漿的溶洞，采用袖閥管注漿補充。

同樣，對于半填充溶洞采用袖閥管注水泥漿進(jìn)行處理。對于洞體小于1 m 的溶洞或全填充的溶洞，因洞體內(nèi)的充填物一般較為松軟，強度低，所以如果為提高其強度，可采用普通花管或袖閥管壓力注漿，注漿管鉆孔孔徑50～100 mm，花管或袖閥管在溶洞以上部分采用“盲管”，不設(shè)出漿口，注漿管進(jìn)入溶洞底部，注漿壓力從低到高，反復(fù)壓漿。注漿材料周邊孔為純水泥漿+速凝劑，中央孔為純水泥漿。注漿壓力和注漿量為周邊孔以相對小壓力（0.2～1.0 MPa），中間孔壓力0.8～2.0 MPa，多次（3～4次）注漿。

溶洞點處理的目的為填充溶洞頂板、底板處的薄弱環(huán)節(jié)，使洞內(nèi)充填物與洞外介質(zhì)固結(jié)成為一個整體。

3 巖溶處理效果評價

3.1 地基處理效果檢測

在注漿施工結(jié)束后（＞14 d），委托專業(yè)檢測機構(gòu)對上述溶洞處理采用鉆芯法進(jìn)行了試驗檢測，具體檢測要求如下：

⑴面處理（巖面以上5 m）：砂層實測標(biāo)貫擊數(shù)不小于12擊，粉質(zhì)粘土層實測擊數(shù)不小于10擊。

⑵點處理：溶洞內(nèi)充填物標(biāo)貫擊數(shù)不小于5 擊，溶洞處理后為全充填狀態(tài)時，標(biāo)貫擊數(shù)不小于3擊。

⑶處理后溶洞抽芯檢測的單層溶洞空洞深度不大于1.0 m，兩層溶洞累計空洞深度不大于1.5 m，3 層及以上的溶洞累計空洞深度不大于2.0 m。

采用隨機布置溶洞處理抽芯檢測孔42 個，如圖4所示，抽芯總進(jìn)尺為1 465.05 m，于巖面砂層、黏土層及溶洞充填物進(jìn)行標(biāo)貫試驗136 次。依據(jù)檢測結(jié)果，所有42 個鉆孔巖面以上5 m 砂（土）層標(biāo)貫實測擊數(shù)最小為16 擊，溶洞充填物標(biāo)貫擊數(shù)最小為5 擊，部分鉆孔無空洞，空洞最大洞高為0.9 m，均滿足上述指標(biāo)要求，也即本項目溶洞地基處理達(dá)到了既定目標(biāo)，能夠滿足后續(xù)樁基施工要求。

圖4 溶洞處理檢測鉆孔平面位置Fig.4 Location Plan of Drilling Holes for Testing after Karst Cave Treatment

3.2 樁基承載性狀檢測

巖溶處理不僅提高了樁基地基承載力，也為后續(xù)大型機械設(shè)備進(jìn)場提供了條件。本項目樁基礎(chǔ)采用混凝土灌注樁，設(shè)計樁徑為800 mm和1 000 mm 兩種，共約373根。成樁完工后依據(jù)相關(guān)規(guī)范對基樁進(jìn)行了低應(yīng)變、超聲波檢測試驗，其中低應(yīng)變和聲波透射法合計檢測了272 和81根，在低應(yīng)變檢測結(jié)果中Ⅰ類樁共223 根，占總檢測樁數(shù)81.99%，Ⅱ類樁49 根，占比18.01%，無Ⅲ、Ⅳ類樁。而聲波透射法中Ⅰ類樁為70根，占比86.42%，Ⅱ類樁11 根，占比13.58%，也未見Ⅲ和Ⅳ類樁。從而可以得出現(xiàn)場樁基完整性較好，僅個別樁身稍有缺陷，未見Ⅲ、Ⅳ類樁。

為獲取場地單樁豎向抗壓承載力，還進(jìn)一步進(jìn)行了5根樁的靜載試驗，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 單樁靜載試驗檢測結(jié)果Tab.1 Results of Single Pile Static Load Test

由表1 可知，6 根靜壓樁均達(dá)到了要求最大試驗荷載，且總沉降量不大，樁頂沉降速率達(dá)到相對收斂標(biāo)準(zhǔn)，單樁豎向抗壓承載力達(dá)到了設(shè)計要求?？梢姡瑤r溶處理達(dá)到了既定目標(biāo)，滿足了高層建筑基樁承載要求。

4 結(jié)論

本文以廣州市某高層建筑地塊巖溶處理為工程背景，依據(jù)分區(qū)分塊，區(qū)別對待的原則詳細(xì)闡述了其巖溶點、面處理施工技術(shù)措施，可為后續(xù)相類似工程提供參考，研究獲得的主要結(jié)論包括：

⑴依據(jù)建筑地塊巖溶面廣且深的特點，可將場地劃分為巖溶發(fā)育區(qū)、巖溶較發(fā)育區(qū)和巖溶弱發(fā)育區(qū)3種類別，分區(qū)劃分有利于后續(xù)區(qū)別處理，且在巖溶強發(fā)育場地應(yīng)以施工前預(yù)處理為主。

⑵依據(jù)上述巖溶分區(qū)，對高密度發(fā)育區(qū)采用點-面結(jié)合的處理方法，零星狀發(fā)育區(qū)則采用點處理。其中面處理采用巖面注漿法加固巖面以上地層，以形成封閉。巖面以下則依據(jù)溶洞填充情況采用了袖閥管注漿或泵送水泥砂漿點處理，使洞內(nèi)充填物與洞外介質(zhì)固結(jié)成為一個整體。

⑶依據(jù)溶洞鉆芯法以及后續(xù)樁基施工檢測結(jié)果均顯示采用上述先分區(qū)分塊后點面結(jié)合方法對高層建筑地塊進(jìn)行巖溶處理能夠滿足工程要求，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。