巖溶地區(qū)樁基施工地面塌陷分析及處理

賴(lài)光東

（中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

巖溶是我國(guó)較為常見(jiàn)的一種不良地質(zhì)，受地層巖性、區(qū)域構(gòu)造和水文地質(zhì)等影響，通常會(huì)伴隨有溶槽、溶溝、土洞以及溶洞等現(xiàn)象。而這些現(xiàn)象往往也是房屋建筑樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中重要的不確定性因素，需要足夠的工程經(jīng)驗(yàn)及合理的方式方法去應(yīng)對(duì)和處理，也是建筑工程五方責(zé)任主體相關(guān)人員所關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。在城市化進(jìn)程中，國(guó)內(nèi)不少專(zhuān)家學(xué)者對(duì)巖溶產(chǎn)生地面塌陷的處理積累了不少的經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)施工遇到的地面塌陷等問(wèn)題的影響因素、形成機(jī)制和防治措施進(jìn)行綜合闡述和分析，為以后遇到類(lèi)似問(wèn)題的工程技術(shù)人員提供參考。

1 地面塌陷的影響因素

1.1 地下水位下降

在人工成孔施工過(guò)程中，遇到地下水位較高時(shí)，一般采用抽排的方式處理地下水。但地下水的抽排改變了地下水的賦存條件，隨著樁基礎(chǔ)孔內(nèi)的地下水位下降，其周?chē)l件變化，地下水流速增加，從而水流對(duì)周?chē)馏w的沖刷和搬運(yùn)能力也隨之提高[1]。在水的潛蝕作用下，樁基礎(chǔ)周?chē)赡苄纬尚碌目涨?，新的空腔與溶槽或者溶洞相連后，則會(huì)引發(fā)地面的塌陷。

1.2 爆破施工

在完整或較完整的巖溶地區(qū)，人工成孔灌注樁施工會(huì)采用爆破方式進(jìn)行成孔施工。在爆破振動(dòng)力作用下，巖溶裂隙會(huì)更加開(kāi)放，地下水滲透性增強(qiáng)，潛蝕作用加強(qiáng)，同時(shí)振動(dòng)也增加了土體的附加應(yīng)力，打破土洞的應(yīng)力平衡，從而引起塌孔或地面塌陷。

1.3 泥漿護(hù)壁施工

機(jī)械成孔通常會(huì)采用旋挖成孔或者沖孔的方式進(jìn)行，為保證成孔質(zhì)量，一般采用泥漿護(hù)壁或者鋼護(hù)筒護(hù)壁。采用泥漿護(hù)壁的時(shí)候，如施工過(guò)程中控制不當(dāng)，則會(huì)產(chǎn)生漏漿現(xiàn)象，類(lèi)似抽排地下水的影響，泥漿漏漿同樣會(huì)引起地下水的水力條件發(fā)生改變，泥漿下滲產(chǎn)生的較大水流沖擊壓力或者真空吸蝕會(huì)導(dǎo)致土洞坍塌，從而引起地面沉降或者塌陷[2]。

另外，在旋挖和沖擊成孔的機(jī)械振動(dòng)力的影響下，也加劇了地面的沉降或者塌陷速率。

2 地面塌陷的形成機(jī)制

2.1 自重作用

巖溶地區(qū)上覆土層在地下水的影響下，因水的上浮力影響，在沒(méi)有樁基成孔施工的擾動(dòng)作用時(shí)，巖土層中的土洞達(dá)到平衡狀態(tài)。而樁基施工需要對(duì)地下水抽排，致使地下水位下降，浮力降低，土體自重荷載加大，打破了原有的土洞平衡，導(dǎo)致土洞頂板巖土體的自然下落，引起地面塌陷。

2.2 真空吸力作用

原位狀態(tài)下的土洞一般有較好的密閉性。地下水位上升時(shí)，其內(nèi)空腔氣體受壓，對(duì)空腔周?chē)鷰r土體產(chǎn)生向外的壓力，對(duì)于土洞的穩(wěn)定性起到有利作用。地下水位下降時(shí)，土洞內(nèi)空腔氣體向外巖土體壓力逐步降低，土洞形成了半真空或者真空狀態(tài)。在外界氣壓作用下，土洞則會(huì)失去平衡和穩(wěn)定狀態(tài)，引發(fā)地面的塌陷。

另外，當(dāng)樁基礎(chǔ)穿越巖溶孔洞時(shí)，巖溶孔洞內(nèi)的水頭壓力下降，而孔外地下水水頭壓力不變，此時(shí)便會(huì)在孔洞處形成較高的壓力差，致使地下水穿過(guò)孔壁往孔洞流入，且形成較大的沖擊水壓力。泥漿因?yàn)樽陨砻芏却螅鲃?dòng)速度大，即出現(xiàn)一定范圍的真空負(fù)壓力，導(dǎo)致地面形成塌陷。

2.3 潛蝕作用

樁基礎(chǔ)人工成孔施工地下水位較高時(shí)，一般要考慮地下水的降排水，地下水降排水形成較為強(qiáng)烈的徑流通道，且此類(lèi)排水沒(méi)有反濾層的控制，大量的原狀土洞或溶洞中充填的流塑狀土顆粒等在水被排出時(shí)被集中帶走，擴(kuò)大并通暢了巖溶區(qū)域的現(xiàn)狀裂隙，并與巖溶原狀土洞或空腔聯(lián)通，引發(fā)地面塌陷。同時(shí)，巖溶孔洞與周?chē)严锻ǖ赖拇蜷_(kāi)形成了地下較大范圍地下水的流通，地下水的往復(fù)循環(huán)流動(dòng)范圍越來(lái)越大，巖溶孔洞上層覆蓋層即被侵蝕的程度越大，形成潛蝕效應(yīng)，繼而逐步發(fā)展成為新的土洞，從而引起地面沉降與地面塌陷。另外，在土層與基巖、溶洞、溶隙接觸部位往往存在蠕曲狀潛蝕通道，當(dāng)?shù)叵滤辉诨鶐r界面處產(chǎn)生較大幅度波動(dòng)或在上覆松散層中有垂向水流運(yùn)動(dòng)時(shí)，將加大潛蝕搬運(yùn)能力，使溶洞充填物大量流失，在蠕曲狀潛蝕通道的基礎(chǔ)上逐漸形成雛形拱狀隱伏土洞并不斷向上擴(kuò)展，當(dāng)土洞上部士層自重壓力接近土洞的極限抗壓、抗剪強(qiáng)度時(shí)，在張應(yīng)力作用下產(chǎn)生地面沉降或開(kāi)裂[3]。當(dāng)土層自重壓力超過(guò)土洞體的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力環(huán)擴(kuò)展到地面，拱形土洞崩落、凹陷，形成地面塌陷。

地下水位較低時(shí)，樁基礎(chǔ)穿越砂土層、砂礫層等易透水性土層，護(hù)壁泥漿容易滲透進(jìn)入此類(lèi)地層，對(duì)其造成潛蝕效應(yīng)，形成新的土洞，導(dǎo)致鉆孔周?chē)馏w的抗剪強(qiáng)度降低，并在護(hù)壁泥漿的影響下，發(fā)生沉降或者剪切破壞，鉆孔孔壁和土洞失穩(wěn)破壞，形成地面塌陷。

2.4 振動(dòng)作用

振動(dòng)作用主要根據(jù)施工方式不同，主要有人工成孔施工時(shí)爆破作用產(chǎn)生的振動(dòng)作用，以及機(jī)械成孔施工時(shí)的大型機(jī)械對(duì)巖土體的振動(dòng)作用。

爆破振動(dòng)作用使巖體產(chǎn)生松動(dòng)破壞，節(jié)理裂隙寬度加大，地下水的流向路徑被打通，地下水對(duì)巖土體的侵蝕作用加強(qiáng)。另外，爆破產(chǎn)生的沖擊波使水流流速加大，地下水沿著增寬的巖體裂隙通道迅速流動(dòng)，導(dǎo)致了土洞周?chē)膸r土體產(chǎn)生剪切破壞，從而導(dǎo)致土洞失穩(wěn)。隨著溶洞中水氣壓力的快速消散，地下水快速回流，產(chǎn)生負(fù)壓引起真空吸蝕作用，使土洞進(jìn)一步破壞產(chǎn)生塌陷。在旋挖和沖擊成孔機(jī)械振動(dòng)的影響下，也加劇了地面的沉降或塌陷速率[4]。

2.5 滲流作用

處于高位狀態(tài)時(shí)的地下水或者承壓水從孔壁往鉆孔內(nèi)滲透，降低泥漿濃度，引發(fā)由孔壁滲透處自下而上的泥漿護(hù)壁效果的破壞，致使沿樁孔的地面塌陷。此外，巖溶承壓含水層對(duì)鉆孔內(nèi)的補(bǔ)水也改變了巖溶孔洞內(nèi)自身的承壓水的狀態(tài)，也是誘發(fā)地面塌陷的因素之一。

2.6 遷移作用

在軟塑狀或流塑狀的土體中，樁基礎(chǔ)成孔過(guò)程中，土體會(huì)由土洞區(qū)域向鉆孔區(qū)域轉(zhuǎn)移流動(dòng)，原狀土洞慢慢塌陷消失引發(fā)樁基礎(chǔ)護(hù)壁破壞，進(jìn)而導(dǎo)致地面沉降與塌陷。

3 勘察對(duì)防治地面塌陷的作用

勘察對(duì)巖溶區(qū)域的調(diào)查分析至關(guān)重要。在場(chǎng)地勘察施工時(shí)，應(yīng)對(duì)場(chǎng)地地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造的分布情況和特征、巖土物理力學(xué)性質(zhì)、地下水的賦存條件、地下水的徑流方向和大小、各巖土層之間的水力聯(lián)系進(jìn)行調(diào)查分析，具體調(diào)查土洞、溶洞、溶槽等不良地質(zhì)條件的空間分布、填充情況、周?chē)h(huán)境及埋藏條件以及下伏基巖的節(jié)理裂隙發(fā)育情況，持力層的承載力條件和特征，給設(shè)計(jì)單位和施工單位提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，以便對(duì)土洞、溶洞、溶槽等不良地質(zhì)條件的施工工藝和方法提前作出預(yù)判和提出預(yù)案。

4 地面塌陷的防治措施

4.1 合理調(diào)整施工工序

樁基礎(chǔ)一般為跳孔施工，地下水位較高時(shí)，施工排水能夠臨時(shí)解決孔內(nèi)水的問(wèn)題，但在巖溶地區(qū)有誘發(fā)地面塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，對(duì)周邊建筑物（構(gòu)筑物）的地基也會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降等不良影響，威脅到周邊建筑物（構(gòu)筑物）的地基整體穩(wěn)定性和安全。樁基礎(chǔ)施工之前應(yīng)認(rèn)真查閱場(chǎng)地勘察資料提供的地層數(shù)據(jù)、巖溶區(qū)域空間位置。對(duì)常規(guī)的樁基礎(chǔ)施工工序結(jié)合勘察報(bào)告提供的巖溶區(qū)域和地下水賦存條件進(jìn)行調(diào)整，對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)受地下水影響較小和巖溶不發(fā)育情況的區(qū)域先施工，而后進(jìn)行巖溶發(fā)育和地下水富藏區(qū)域的樁基礎(chǔ)施工。

4.2 局部注漿處理

對(duì)于地下水埋深較淺的樁基礎(chǔ)施工，結(jié)合勘察報(bào)告提供的地下水位高程，在出水口涌水量大或者含泥量高的情況下，說(shuō)明巖溶裂隙水與該地層有較好的水力聯(lián)系，可在已開(kāi)挖的樁孔底部進(jìn)行注漿施工（見(jiàn)圖1），注漿深度控制在勘察報(bào)告提供的巖溶或土洞區(qū)域底部約2~3m處[5]。注漿材料可選用標(biāo)號(hào)為M30的水泥凈漿或水泥砂漿，注漿過(guò)程中出現(xiàn)漏漿嚴(yán)重時(shí)，可考慮摻入3‰左右的膨脹劑或者采用間歇性注漿，以保證注漿效果。必要時(shí)還可以考慮采用備用的大量水泥直接填充巖溶空隙和土洞空腔，使之完全充填，然后使用重錘擊打，使得填充的水泥、原狀的土體和水充分融合形成水泥土漿液，待水泥土漿液凝結(jié)達(dá)到一定強(qiáng)度后，樁孔周?chē)纬煞€(wěn)定的水泥土護(hù)壁層，再進(jìn)行該層深度以下的樁基礎(chǔ)成孔施工。

圖1 注漿施工示意圖

4.3 合理優(yōu)化泥漿配比

樁基礎(chǔ)機(jī)械成孔時(shí)，結(jié)合場(chǎng)地地層條件和以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)泥漿池的泥漿配比進(jìn)行合理優(yōu)化。一方面，控制泥漿所選用黏聚力程度高的黏土；另一方面，適當(dāng)加入少量外加劑，比如：堿粉，氫氧化鈉等，含量不超過(guò)4‰，調(diào)節(jié)泥漿的黏稠程度。降低松散地層透水性，防止孔內(nèi)水向外擴(kuò)散，保證護(hù)壁泥漿不產(chǎn)生或少產(chǎn)生漏漿現(xiàn)象，防止塌孔。如遇到成孔過(guò)程中護(hù)壁泥漿快速消失的情況時(shí)，可先在樁基礎(chǔ)施工該處標(biāo)高時(shí)，在現(xiàn)狀樁底鉆小孔延伸至溶洞或土洞的底部處，并重新調(diào)配泥漿，加大泥漿黏稠度，待泥漿濃度與土洞、溶洞平衡后再進(jìn)行該處標(biāo)高以下的樁基礎(chǔ)成孔施工。

4.4 鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工

針對(duì)巖溶發(fā)育地區(qū)的樁基礎(chǔ)施工，還可以采用鋼護(hù)筒成孔跟進(jìn)至完整巖層的工藝[1]。首先，采用旋挖鉆機(jī)引孔，孔徑控制在比鋼護(hù)筒直徑大10cm，鉆進(jìn)至巖層1m處，在第一節(jié)鋼護(hù)筒孔口處安裝覆蓋層限位設(shè)備，并固定在第一節(jié)鋼護(hù)筒上。接入第二節(jié)覆蓋層跟進(jìn)第二節(jié)鋼護(hù)筒，以此類(lèi)推。覆蓋層鋼護(hù)筒及時(shí)跟進(jìn)，可控制成孔過(guò)程中的塌孔以及誘發(fā)的孔周地面的塌陷和沉降。

4.5 黏土+碎石/片石填充處理

當(dāng)遇巖溶空腔較大時(shí)，在樁基礎(chǔ)成孔之前則須提前準(zhǔn)備與巖溶空腔體積相當(dāng)?shù)酿ね?、碎石和片石等材料，用適當(dāng)大小的編織袋裝好。在成孔施工過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)漏漿量突然增大時(shí)，向孔內(nèi)投入事先準(zhǔn)備好的袋裝黏土、碎石和片石等材料，并采用重錘壓入，使填充材料充分充填巖溶空腔。碎石和片石在填充材料中起到了骨架作用，而黏土顆粒小，可充分充填進(jìn)碎石和片石的孔隙中。黏土本身有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，可讓孔壁有一定的自穩(wěn)性。填充料不能一次充填完成時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況分層多次回填完成，每層高度可控制在1.5~2.0m，各層填充完成后均采用重錘擠壓成型。反復(fù)進(jìn)行上述填充過(guò)程，直至填充材料的高度應(yīng)大于當(dāng)前鉆進(jìn)孔底標(biāo)高以上約0.5m。待填充處理完成后再進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工該處標(biāo)高以下的成孔施工。

4.6 混凝土填充處理

當(dāng)遇地下水位較高，巖溶或土洞發(fā)育情況復(fù)雜不便采用黏土+碎石/片石填充處理時(shí)，在成孔施工至巖溶頂板后，不清底，直接用水下灌注商品混凝土的方式，對(duì)巖溶或土洞空腔進(jìn)行填充處理，混凝土強(qiáng)度可為C15，灌注過(guò)程中及時(shí)關(guān)注灌注高度，使灌注混凝土向巖溶或土洞空腔周?chē)M量擴(kuò)散充填，混凝土澆筑標(biāo)高控制在當(dāng)前鉆進(jìn)孔底標(biāo)高以上約0.5m為宜。灌注混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，灌注混凝土在樁孔四周形成周?chē)鷩o(hù)，然后再進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工該處標(biāo)高以下的成孔施工。灌注混凝土能有效阻止溶洞內(nèi)原狀填充物或者其他不良性狀土體進(jìn)入孔內(nèi)以及樁孔的泥漿漏漿。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)施工遇到的地面塌陷問(wèn)題是樁基礎(chǔ)施工時(shí)遇到的一種“特殊”現(xiàn)象，也是工程施工過(guò)程中的難點(diǎn)工程。樁基礎(chǔ)施工引發(fā)的地面塌陷不僅與地下水賦存條件、巖溶發(fā)育條件、空間特征有關(guān)，更與現(xiàn)狀樁基礎(chǔ)施工工藝息息相關(guān)，樁基礎(chǔ)人工成孔和機(jī)械成孔作業(yè)條件不同，對(duì)導(dǎo)致地面塌陷的成因、機(jī)制都各有不同。樁基礎(chǔ)施工引發(fā)的地面塌陷的防治原則主要要嚴(yán)格控制勘察質(zhì)量，多種勘察手段結(jié)合，探明地下水賦存條件以及溶洞或土洞等不良地質(zhì)的發(fā)育情況和賦存特征。樁基礎(chǔ)施工引發(fā)的地面塌陷的防治措施主要有六種：合理調(diào)整施工工序、局部注漿處理、合理優(yōu)化泥漿配比、黏土+碎石/片石填充處理、鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工以及混凝土填充處理等，實(shí)際施工中應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際條件合理選用治理措施，預(yù)防或者治理樁基礎(chǔ)施工的地面塌陷問(wèn)題。