巖溶強發(fā)育地質(zhì)條件下溶洞預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用

黎光軍 ，黃開明 （內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 工程概況

在溶洞不良地質(zhì)條件施工時，出于安全質(zhì)量方面的考慮，在地基與基礎(chǔ)施工過程中需要進行溶洞處理措施，選擇一套既有利于地基基礎(chǔ)施工的安全質(zhì)量，又可控制施工成本的處理措施是項目實施的重難點。本文以廣州市白云區(qū)石井鎮(zhèn)溶洞區(qū)域的一個典型項目為例，來介紹分析溶洞預(yù)處理施工技術(shù)在地基與基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用。

石豐路保障性住房建筑產(chǎn)業(yè)化項目施工總承包（標段二）項目位于廣州市白云區(qū)石井鎮(zhèn)石豐路地段，項目由5棟高層住宅、配套裙樓、2層地下室組成。項目總建筑面積約128838.1m2，其中地下室38983.1m2。塔樓結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，層數(shù)為31層/32層，最高建筑高度94.9m，基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)，樁為沖孔灌注樁，共有663根樁，樁身混凝土等級為C30，樁型為端承樁，樁端支承巖為微風(fēng)化石灰?guī)r、微風(fēng)化砂巖或礫巖，樁端嵌入持力層0.5m～1m。采用的樁徑D為0.8m、1.0m、1.2m，部分工程樁兼作抗拔樁，共分成5種樁型。

項目效果圖及樁基礎(chǔ)平面布置圖如下。

2 項目地質(zhì)情況

2.1 不良地質(zhì)情況

根據(jù)《石豐路保障性住房項目（1區(qū)）超前鉆勘察報告》：本場地下伏基巖為灰?guī)r，主要的主要不良地質(zhì)為巖溶，640個超前鉆孔中有292個鉆孔發(fā)育有溶洞，部分鉆孔發(fā)育有二層及其以上的溶洞，根據(jù)超前鉆報告統(tǒng)計，共有505個溶洞，巖溶見洞隙率為45.6%，線巖溶率=28.8%（溶洞隙長度/可溶巖長度×100%），溶洞洞高0.10～21.50m，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）第6.6.2條表6.6.2，場地巖溶發(fā)育程度為巖溶強發(fā)育。

根據(jù)《石豐路保障性住房項目（1區(qū)）超前鉆勘察報告》，所探明的溶洞頂部的土層普遍為：雜填土、粉質(zhì)粘土、中粗砂、中風(fēng)化巖/微風(fēng)化巖。

2.2 溶洞統(tǒng)計表

根據(jù)《石豐路保障性住房項目（1區(qū)）超前鉆勘察報告》，所探明的溶洞總數(shù)為292個鉆孔，其溶洞頂部的土層普遍為：雜填土、粉質(zhì)粘土、中粗砂、中風(fēng)化巖/微風(fēng)化巖。根據(jù)鉆孔柱狀圖，對每個溶洞的頂部距離底板結(jié)構(gòu)的厚度進行數(shù)據(jù)分析如下表。

序號 厚度 個數(shù)占溶洞總數(shù)（292個）的百分比 備注1 5m及以下 29 10.0% 最小為0.09m 2 5～10m 207 70.9% /3 10～15m 53 18.1% /4 15m及以上 3 1% 最大為20.01m 5平均值為：8.0m。6眾數(shù)為：5m～7m區(qū)間。

根據(jù)溶洞頂部的土層情況，溶洞主要依靠溶洞頂部的中風(fēng)化/微風(fēng)化巖層結(jié)構(gòu)進行受力。我們把溶洞頂部承受上部荷載的中風(fēng)化/微風(fēng)化巖層結(jié)構(gòu)定義成“殼體”。

根據(jù)鉆孔柱狀圖，對每個溶洞的殼體厚度進行數(shù)據(jù)分析如下表。

序號 厚度 個數(shù) 占溶洞總數(shù)（292個）的百分比 備注1 0.5m及以下 112 38.4% 最小為0.1m 2 0.5～1m 51 17.5% /3 1～2m 60 20.5% /4 2～3m 30 10.3% /5 3m及以上 39 13.3% 最大為6.4m 6平均值為：1.36m。7眾數(shù)為：0.1～0.5m區(qū)間。

2.3 溶洞分布圖

根據(jù)《石豐路保障性住房項目（1區(qū)）超前鉆勘察報告》，對每一個鉆孔是否存在溶洞的情況進行繪制溶洞分布圖，如下圖示。

溶洞分布圖

2.4 溶洞分類

通過對溶洞內(nèi)是否存在填充物、填充物的填充量、溶洞的豎向分布狀態(tài)，將溶洞分為以下4種類型：全充填溶洞、半充填溶洞、無充填溶洞、串珠狀溶洞。

有充填物的溶洞，其主要充填物為流塑性/軟塑性粉質(zhì)粘土及砂粒。

全充填溶洞

半充填溶洞

無充填溶洞

串珠狀溶洞

3 溶洞預(yù)處理設(shè)計方案

3.1 溶洞對地基與基礎(chǔ)施工的影響

3.1.1 影響施工安全

溶洞體量大，局部為空洞，溶洞埋深淺，工程樁施工現(xiàn)場需用大量的大型機械，施工頻繁行走、重壓及震動可能會造成地下大型溶洞的坍塌。

3.1.2 影響工程樁施工安全

工程樁施工過程中，采用泥漿護壁成孔，若遇地下溶洞，當(dāng)穿破洞頂時可能會因水位等水文地質(zhì)條件改變而引起地面塌陷、地面整體下沉陷機等安全事故。

溶洞塌陷示意圖（擊穿溶洞前）

溶洞塌陷示意圖（擊穿溶洞后）

3.1.3 影響基坑支護結(jié)構(gòu)安全性

根據(jù)超前鉆報告，存在部分溶洞與支護結(jié)構(gòu)串通的現(xiàn)象，降低基坑支護的抗水平荷載能力，影響基坑支護安全性。

3.1.4 影響工程樁施工質(zhì)量

工程樁施工過程中，因為溶洞的巖溶裂隙緩慢漏漿，導(dǎo)致混凝土膠凝材料流失影響樁身質(zhì)量。在工程樁澆筑過程中，因為混凝土自重荷載過大，擠壓沖破溶洞外壁，導(dǎo)致混凝土流向溶洞，造成樁頂標高不足，影響樁身質(zhì)量。

3.1.5 溶洞危害工程案例

3.2 溶洞預(yù)處理優(yōu)點

溶洞預(yù)處理意思為在地基與基礎(chǔ)實體結(jié)構(gòu)施工前，對溶洞進行預(yù)處理，處理方法為采用具有一定強度的填充物對溶洞進行填充。

溶洞危害工程案例

溶洞危害工程案例

溶洞危害工程案例

對于樁筏基礎(chǔ)，地基承載力主要由工程樁進行荷載傳遞，溶洞預(yù)處理的填充材料起不到承受荷載的實際作用，填充材料主要作用為填充溶洞空腔，封堵溶洞裂隙防止漏漿。

通過溶洞預(yù)處理，填充溶洞空腔，防止溶洞上部受壓過大，使溶洞頂部巖層壓垮影響施工安全。通過溶洞預(yù)處理，封堵溶洞裂隙，防止漏漿引起泥漿護壁塌孔以及防止工程樁混凝土澆筑后漏漿。

3.3 溶洞預(yù)處理設(shè)計方案

通過項目部各單位探討，最終確定了溶洞預(yù)處理設(shè)計方案，設(shè)計方案總則為：

①根據(jù)超前鉆報告，經(jīng)設(shè)計復(fù)核，滿足樁底持力層厚度以下的溶洞不需要處理；

②根據(jù)超前鉆報告，對于全填充的溶（土）洞可不需處理；

③根據(jù)超前鉆報告，洞高大于或等于3m或空腹高度大于2m的溶洞需要進行灌砂、灌砂漿或素混凝土等預(yù)處理；

④根據(jù)超前鉆報告，洞高大于1m且小于3m或空腹高度大于1m且小于等于2m的溶洞采用注漿處理；

⑤在施工過程中，遇到不需處理的溶洞或者未探明的溶洞，進行拋填粘土、片石的方式處理；

⑥在基坑土方開挖前進行溶洞預(yù)處理及工程樁施工。

溶洞預(yù)處理僅在工程樁位置設(shè)置灌注孔，灌注孔的設(shè)置原則如下：

①采用注漿法時，在樁身一周設(shè)置3個注漿孔，鉆孔開口孔徑不宜小于110，終孔口徑不宜小于90mm；

②采用灌注砂/砂漿/混凝土?xí)r，在樁身一周設(shè)置3個注漿孔，樁中心設(shè)置1個排氣孔，鉆孔開口孔徑不宜小于150，終孔口徑不宜小于110mm。

其余設(shè)計參數(shù)通過現(xiàn)場試驗進行確定。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用

4.1 建模步驟

Revit場地命令建溶洞模型是以超前鉆數(shù)據(jù)中溶洞頂高程和溶洞底高程分別建立2個同一原點的地表模型，完成后兩模型鏈接一起，形成溶洞三維模型，具體步驟如下。

①處理超前鉆數(shù)據(jù)。將超前鉆鉆孔數(shù)據(jù)按溶洞頂高程和溶洞底高程分成2個表格，對于一個鉆孔探出多個溶洞的，我們先假設(shè)其為單個溶洞，僅保留最頂溶洞頂高程和最底溶洞底高程，并計算所有溶洞的平均高程，形成包含坐標和高程的txt文件。

②以場地命令分別繪制溶洞上下表面模型。依次按照鉆孔位置輸入高程點，亦可以導(dǎo)入txt文件快速建立模型。為了使溶洞模型更貼近其真實形態(tài)，其中無溶洞鉆孔一律以溶洞平均高程為高程點輸入。建模前注意保證2個模型的原點一致。

建立溶洞表面模型

③以原點對原點方式鏈接2個模型，形成溶洞模型。

溶洞模型立面

溶洞與樁基及底板三維效果圖

溶洞內(nèi)部透視圖

④建立樁基和防水底板的結(jié)構(gòu)模型，與溶洞模型鏈接，注意相對標高與絕對高程的轉(zhuǎn)換。

4.2 BIM模型輔助估算溶洞體積

4.2.1 模型計算溶洞體積方法

分別對溶洞上表面和下表面2個模型在相同的區(qū)域范圍內(nèi)做建筑地坪，建筑地坪范圍要囊括所有溶洞區(qū)域，深度要在在溶洞最低點下方。輔以平整區(qū)域、明細表命令分別計算挖方量（Revit計算挖填方量的步驟可參考相關(guān)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資料）。

式中：V——溶洞模型體積；

V1——上表面挖方量；

V2——下表面挖方量。

4.2.2 估算溶洞體積

如果鉆孔均只探出一個溶洞，那么通過模型計算的溶洞體積是很接近實際體積的，但實際上存在很多一孔多洞的情況。因此，我們要對模型計算的溶洞體積修正，因溶洞在地下的發(fā)展情況不可預(yù)測，根據(jù)有限的勘探數(shù)據(jù)，擬定以溶洞之間土層厚度占溶洞區(qū)域總厚度的比值，進行扣減修正。

扣減系數(shù)計算示意圖

扣減系數(shù)：i=∑h/∑H

式中：i——扣減系數(shù)；

∑h——所有超前鉆鉆孔中溶洞之間土層厚度總和，一孔一洞的可不計；

∑H——所有超前鉆鉆孔最頂溶洞頂?shù)阶畹兹芏吹拙嚯x總和。

溶洞估算體積：Ve=V×(1-i)

經(jīng)計算，溶洞體積如下表2所示。

溶洞體積估算值能相對準確的反映溶洞的體量，不僅能再優(yōu)化細化工期進度，還可以測算溶洞處理的成本費用，讓溶洞處理“不可控”變成“可控”。

4.3 BIM模型綜合模擬讓溶洞處理方案明朗化

在溶洞模型尚未建立前，對溶洞的相對形狀、分布以及與樁基底板的位置關(guān)系均無清晰明確的認識，底板與大體積溶洞的相對位置關(guān)系不明確，選擇處理方案也不確定，生產(chǎn)投入和計劃安排等均要隨方案調(diào)整。

通過溶洞模型很顯然可以看出，溶洞體量大、溶洞埋深淺，即便按設(shè)計最長樁長15m，尚有很多樁樁端處于溶洞層，不論是大開挖后打樁，還是直接在原土層上打樁，均無法滿足施工安全和樁基施工質(zhì)量，必須先對溶洞進行處理。

表2

溶洞豎向分布圖

溶洞與樁基、底板豎向位置關(guān)系圖

正是通過溶洞模型鏈接樁基及底板模型，直觀展示溶洞與結(jié)構(gòu)的豎向位置關(guān)系，最終確定了在大開挖前對已經(jīng)探明的溶洞預(yù)先鉆孔注漿的處理方案。

5 溶洞預(yù)處理效果現(xiàn)場試驗過程

5.1 灌砂法試驗

根據(jù)業(yè)主下發(fā)施工圖紙，對溶洞預(yù)處理對溶洞洞高大于或者等于3m或空腹高度大于2m的溶洞需要進行灌砂、灌砂漿或素水泥漿預(yù)處理。項目部根據(jù)圖紙要對，先對上述溶洞類型進行灌砂試驗。

灌砂試驗中，灌入量不足1m3。換試驗點試驗后結(jié)果依舊失敗。溶洞灌砂法預(yù)處理方法不可行。

5.2 泵送砂漿試驗

在進行灌砂法試驗不成功以后，項目繼續(xù)對洞高較大的半、無充填溶洞進行泵送水泥砂漿法預(yù)處理。為了增加試驗的成功幾率，試驗選用了流動性較大的M10砂漿俗稱“潤管砂漿”。

泵送砂漿試驗

此次泵送砂漿試驗中：對一個洞高為3m的無充填溶洞僅泵送了1.5m3水泥砂漿后，便開始出現(xiàn)地面翻漿、無法繼續(xù)灌漿。換試驗點試驗后結(jié)果仍不能達到預(yù)期效果。

5.3 泵送水泥漿

經(jīng)過多次進行灌砂法、泵送水泥砂漿法試驗的經(jīng)驗總結(jié)。我單位最終選用了灌注水泥砂漿的方法進行溶洞預(yù)處理。水泥漿水灰比為先注漿時先?。ㄋ冶?.8～1.0）、后濃（水灰比 0.5～0.6）。

5.4 雙液漿配合比試驗

由于項目地處巖溶強發(fā)育的溶洞地帶，在進行水泥漿注漿的過程中，可能會出現(xiàn)灌注的素水泥漿方量不可控的情況。在單孔素水泥漿灌注到20m3時開始加入水玻璃進行封堵。在通過現(xiàn)場多種配合比試驗以后，最終確定水玻璃與素水泥漿的配合比為雙液漿的最佳配合比（體積比）為水玻璃（16波美度）∶水泥漿（水灰比為0.7）等于1∶14。

配合比調(diào)試過程

6 施工過程控制

6.1 布孔形式

對需要進行注水泥漿預(yù)處理溶洞采用花管注漿，花管的分布形式如下圖。

6.2 機械選擇

鉆機采用XY-100型鉆機，注漿孔用110～150mm鉆頭泥漿護壁鉆進，一邊施工一邊根據(jù)芯樣判定溶洞變化趨勢，并且做好鉆孔施工記錄。

6.3 花管安裝

鉆孔后安裝花管，導(dǎo)管進入溶洞底以上0.3～0.5m或進入溶洞頂板以下0.3～0.5m，并高出地表面約50cm，防止導(dǎo)管掉入孔內(nèi)，在地面上用管卡卡住豎向注漿管，并將管口與地泵輸送管連接。

6.4 注漿壓力

注漿材料為素水泥漿，水泥采用R32.5普通硅酸鹽水泥，注漿時先稀（水灰比0.8～1.0）、后濃（水灰比0.5～0.6），以濃漿為主，注漿壓力 0.5MPa，直至灌注至注漿壓力，穩(wěn)壓30min。

6.5 雙液漿注漿要求

注漿管地面接頭采用雙進單出口形式接頭，單液注漿時關(guān)掉其中一個接頭開關(guān)，雙液注漿時則2個打開。注漿壓力2.0～3.0MPa，雙液注漿時2個接頭注漿壓力一致，達到注漿壓力時，關(guān)掉水玻璃接頭開關(guān)，改成單液注素水泥漿，穩(wěn)壓30min。

7 溶洞預(yù)處理效果

通過溶洞預(yù)處理效果檢測，從已經(jīng)經(jīng)過預(yù)處理的樁位抽取5%進行鉆芯檢測，通過檢測芯樣顯示，原有溶洞空腔已被填充物填充，采芯率達到85%，預(yù)處理施工效果明顯。

項目通過先進行了溶洞預(yù)處理，然后進行工程樁施工，經(jīng)過預(yù)處理的工程樁施工記錄，施工過程中避免了溶洞漏漿的情況，并且工程樁充盈系數(shù)明顯降低。

8 總結(jié)

項目通過對溶洞進行了溶洞預(yù)處理，進行了溶洞空腔填充以及溶洞縫隙封堵，避免了溶洞漏漿塌孔的安全質(zhì)量隱患。注漿孔/灌注孔設(shè)置在樁身范圍內(nèi)，目的為加強樁身的注漿效果，為工程樁施工過程中的泥漿護壁形成可靠的保障。對注漿/灌注方量的控制，以及注漿時間的間隔控制，有效減少注漿/灌注材料的流失，使施工成本可控。