陳 戰(zhàn) 雄

(廣州市縱橫集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458)

1 概述

在廣東省等沿海地區(qū)，可溶性巖石尤其灰?guī)r分布較為普遍，灰?guī)r巖體由于受構(gòu)造改造及影響，巖體普遍發(fā)育節(jié)理、裂隙，為地下水的流動(dòng)提供了良好通道，因此，伴隨節(jié)理、裂隙或斷層的發(fā)育，灰?guī)r等可溶性巖類普遍發(fā)育不同規(guī)模的溶洞、溶槽、溶溝及溶蝕裂隙等，甚至形成地下河。在沖積平原區(qū)，以隱伏性巖溶為主，上覆土層普遍較厚，地下水普遍較豐富。上覆土層的分布往往使巖溶水具有一定的承壓性，因此，具有一定厚度的第四系覆蓋的巖溶發(fā)育區(qū)的地質(zhì)環(huán)境較為脆弱，一旦其地下水發(fā)生改變，極易引起地面塌陷，危及周邊的生產(chǎn)、生活、建筑物或本身的建設(shè)工程。

在隱伏型巖溶發(fā)育區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)工程施工時(shí)，由于施工較易改變地下水的現(xiàn)狀，從而觸發(fā)地面塌陷事故的現(xiàn)象較為普遍。如廣東肇慶大橋、江肇高速的西江特大橋、武廣高鐵跨廣佛高速公路、廣梧高速、廣清擴(kuò)建、韶贛高速等項(xiàng)目在建設(shè)、施工過程中均出現(xiàn)大量的地面塌陷事故，另外，廣州的金沙洲、高明等地區(qū)的市政道路施工引起舊路面的塌陷事故，規(guī)模大小不一，引起周邊民房的開裂、路面的塌陷，直接影響周邊居民的生產(chǎn)、生活安全。

根據(jù)上述工程所處的地區(qū)的巖溶發(fā)育程度、地形地貌、地下水分布情況及工程地質(zhì)條件等因素進(jìn)行總結(jié)分析，發(fā)生地面塌陷事故的工點(diǎn)主要具有如下的特點(diǎn)：主要分布于沖積平原區(qū)，地下水較豐富，上覆第四系覆蓋層較厚且普遍分布有砂性土層，鉆孔揭露的溶洞見洞率較高，在工程施工時(shí)，均導(dǎo)致大量的地面塌陷事故。本文研究所依托的工程案例與上述工程所處的建設(shè)條件相似，根據(jù)工程類比法，筆者結(jié)合以往的工程實(shí)踐、前人的研究成果，通過本工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工及管理過程中的體會(huì)、實(shí)踐進(jìn)行歸納總結(jié)，以期能為后期工程實(shí)施提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，降低工程施工的風(fēng)險(xiǎn)，更好地實(shí)現(xiàn)防范風(fēng)險(xiǎn)措施的經(jīng)濟(jì)合理性平衡。

2 地面塌陷危險(xiǎn)性預(yù)判

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[1]～[3]和工程實(shí)踐，在工程建設(shè)過程中發(fā)生地面塌陷事故的工程普遍具有如下3個(gè)基本建設(shè)條件：

1)從地貌上，工程所處的區(qū)域普遍為沖積平原、谷地、洼地或河流階地等，地下水普遍較豐富，流動(dòng)性較好，這是觸發(fā)地面塌陷的活躍因素。

2)基底巖體普遍為灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、砂巖或頁巖、芒硝、大理巖等可溶性巖石，節(jié)理裂隙普遍較發(fā)育，造成巖體地面起伏較大或巖體內(nèi)分布溶洞，這是地面塌陷的客觀要素。

3)普遍為隱伏型溶蝕區(qū)，可溶性巖體之上普遍覆蓋一定厚度的第四系沖洪積層，這是發(fā)生地面塌陷的物質(zhì)基礎(chǔ)。

當(dāng)在具有上述3個(gè)基本建設(shè)條件的地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，由于工程施工過程中揭露了相對(duì)封閉的巖溶水系統(tǒng)時(shí)，易引發(fā)地下水流向、流速及流量的改變，從而觸發(fā)地面塌陷。

普遍認(rèn)為觸發(fā)地面塌陷的原因主要有如下三方面：

1)溶洞普遍為相對(duì)封閉的體系，體系內(nèi)具有一定的承壓性，工程建設(shè)一旦揭露溶洞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地下水位急劇下降，空間上，原地下水分布范圍出現(xiàn)了低壓，瞬間誘導(dǎo)的能量對(duì)覆蓋層土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，從而導(dǎo)致地面塌陷。

2)在巖溶上覆含水層為飽和的砂性土層時(shí)，在施工的擾動(dòng)下，地下水的流向發(fā)生突變或垂直方向滲透壓力迅速增大，土層會(huì)發(fā)生液化，水伴隨液化砂性土?xí)查g流向溶腔中，從而觸發(fā)地面塌陷。

3)當(dāng)巖溶上覆土層為飽和的軟粘土層或淤泥層時(shí)，由于地下水的迅速下降，導(dǎo)致上覆土層由具有浮力的總應(yīng)力突然轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力，導(dǎo)致地面的塌陷。

因此，在工程建設(shè)過程中出現(xiàn)的地面塌陷，往往與工程所處的地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)，多數(shù)的地面塌陷均是從地下水的改變開始，如樁基施工時(shí)，先出現(xiàn)泥漿的突然流失，隨即發(fā)生地面塌陷。

鑒于地面塌陷往往危及周邊居民、重要構(gòu)造物及工程建設(shè)自身的安全，一旦發(fā)生地面塌陷，普遍造成較大以上的安全事故，產(chǎn)生嚴(yán)重的損失，后期處理費(fèi)用相應(yīng)較大；而預(yù)防地面塌陷的費(fèi)用與采取的溶洞預(yù)處理措施相對(duì)應(yīng)，措施越強(qiáng)所需的費(fèi)用越高，相應(yīng)地，出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)幾率就會(huì)降低，如何達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)及投入費(fèi)用的平衡，從工程勘察、設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域可能觸發(fā)地面塌陷的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)掌握的工程建設(shè)基本條件對(duì)觸發(fā)地面塌陷的事故的可能性進(jìn)行預(yù)判，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)采取相應(yīng)的處理措施，可合理控制工程造價(jià)，降低工程事故的風(fēng)險(xiǎn)。

3 工程實(shí)例[4，5]

3.1 概況

匯僑新城西區(qū)地下室基坑支護(hù)工程位于廣州市白云區(qū)新市棠樂路與佳園街交界處西北側(cè)。本項(xiàng)目擬建三棟13層～15層建筑，地下1層，筏板基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)型式，設(shè)計(jì)相對(duì)標(biāo)高±0.00相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高+8.50 m，場地現(xiàn)地面絕對(duì)標(biāo)高為+7.90 m～+8.10 m，基坑開挖相對(duì)標(biāo)高為-5.90 m～-6.60 m，基坑深度為5.30 m～6.00 m，分11個(gè)區(qū)段支護(hù)，周長共304 m，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)。擬建項(xiàng)目周邊建筑及路網(wǎng)密集，北側(cè)為同小區(qū)已建好住宅樓，距離本項(xiàng)目基坑開挖邊線6.0 m；東側(cè)為已建好規(guī)劃路及低層建筑，道路邊線及建筑離基坑邊線約分別為4.5 m，10.5 m；南側(cè)為已建好規(guī)劃路及低層建筑，道路邊線及建筑離基坑邊線約分別為10.0 m，15.5 m；西側(cè)為小區(qū)內(nèi)道路及小學(xué)，道路及教學(xué)樓離基坑邊線分別為1.5 m，30.0 m。擬建基坑及塔樓平面圖詳見圖1。

3.2 水文地質(zhì)條件

場區(qū)位于珠江三角洲沖積平原區(qū)，場區(qū)地面平坦，地下水豐富，勘察揭露的地下水埋深為4.47 m～5.21 m，平均4.80 m。第四系砂性土層及基巖巖溶為主要的賦水層，地下水豐富，砂性土層及巖溶水均連通性較好。地下水位的變化與地下水的賦存形式及排泄、補(bǔ)給方式關(guān)系密切，每年的4月～9月為本區(qū)的雨季，大氣降水豐富，水位抬升，而在冬季因降水減少地下水位隨之下降。根據(jù)水文地質(zhì)資料，地下水位變化較大，穩(wěn)定水位年變幅一般為2.0 m～3.0 m。

3.3 工程地質(zhì)條件

人工填土：灰、灰白、灰黃色，主要由粘性土、碎石及混凝土塊、磚塊等組成，呈松散狀或稍經(jīng)壓實(shí)狀。

粉質(zhì)粘土：灰黃、灰白色，稍濕，可塑，以粘粒和粉粒為主，局部含較多粉細(xì)砂粒，切面較光滑，粘性好。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：深灰、灰黑色，飽和，流塑，稍具臭味，局部不均勻夾薄層粉細(xì)砂。

中粗砂：淺灰、灰白，黃灰色，飽和，稍密，顆粒分選性一般，含較多粉細(xì)砂粒，少量粉粘粒。

礫砂：黃灰、灰白色，灰黃色，飽和，中密為主，局部密實(shí)，含少量粘粒。

粉質(zhì)粘土：灰黃、褐紅、褐黃色，稍濕，可塑～硬塑，以粘、粉粒為主，粘性較好。

微風(fēng)化灰?guī)r：灰、灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，巖石風(fēng)化裂隙稍發(fā)育，巖芯呈長柱狀，巖質(zhì)較硬，敲聲較脆，不易擊碎，巖質(zhì)總體較硬。

各巖土層分布的基本特征見圖2。

4 巖溶發(fā)育特征分析

根據(jù)基坑、塔樓地質(zhì)資料分析，該區(qū)域的灰?guī)r面起伏較大，普遍為2 m～8 m，局部達(dá)15 m，根據(jù)各鉆孔揭露情況的統(tǒng)計(jì)分析，鉆孔揭露溶洞發(fā)現(xiàn)率達(dá)50%，個(gè)別呈串珠狀，頂板普遍較薄，溶洞的垂直高度普遍達(dá)5 m～14 m溶洞普遍充填軟粘土或松散狀粉細(xì)砂，揭露土洞的發(fā)現(xiàn)率達(dá)30%，土洞上部普遍為礫砂層，土洞無充填物，垂直高度普遍達(dá)2.5 m～6.0 m，說明該區(qū)域的灰?guī)r溶隙、溶槽發(fā)育，溶洞、土洞特別發(fā)育，溶洞強(qiáng)烈發(fā)育帶普遍位于灰?guī)r的上部，與上覆土層連通性較好，局部砂性土流失已發(fā)展為土洞，說明上覆土層穩(wěn)定性較差。

5 施工擾動(dòng)導(dǎo)致地面塌陷危險(xiǎn)性分析

鑒于該區(qū)地處三角洲沖積平原，地表水系發(fā)育，地下水豐富且埋藏淺，上部砂性土層分布廣泛且分布厚度較穩(wěn)定，巖溶特別發(fā)育，溶槽及溶洞均發(fā)育于基底與上覆土層交界面附近，無論上層砂性土還是基巖巖溶均為地下水提供良好的連通通道，導(dǎo)致地下水連通性好，地表水補(bǔ)充充分，且具有一定的流動(dòng)性。上覆砂性土普遍較厚，約占第四系沖積層總厚度的50%以上，且大部分位于下部，與灰?guī)r巖面直接接觸，按上述地面易塌陷區(qū)域判斷條件，該區(qū)域若存在施工作業(yè)活動(dòng)時(shí)，措施不當(dāng)，將極易導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷。

綜合施工場地周邊為運(yùn)營的市政道路、管線、高層地下室、民房及學(xué)校，已建成的建筑物復(fù)雜，人員密集，一旦發(fā)生地面塌陷，極易引發(fā)安全事故，因此，預(yù)判該區(qū)域?qū)偈┕じ唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，根據(jù)工程類比，該項(xiàng)目在進(jìn)行基坑開挖及排水、樁基施工時(shí)，需對(duì)隱伏型巖溶采取較強(qiáng)的、針對(duì)性的預(yù)處理，防范觸發(fā)周邊的地面塌陷。

6 溶洞處理措施及對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)階段工程建設(shè)領(lǐng)域工藝較成熟、應(yīng)用較廣泛的溶洞處理措施，歸納起來主要有如下幾種：拋填法，止水帷幕，鋼護(hù)筒支護(hù)，預(yù)注漿處理或上述兩種、多種方法相結(jié)合的混合處理法等，但不同的措施所需投入的費(fèi)用差異較大，預(yù)處理的效果應(yīng)相應(yīng)不同。因此，根據(jù)預(yù)判結(jié)果，對(duì)觸發(fā)地面塌陷的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同，采取相對(duì)應(yīng)的措施既可降低事故發(fā)生的概率，又可節(jié)約投資成本。

根據(jù)溶洞的各種處理方法的特點(diǎn)及效果分析，各自均有其優(yōu)勢，亦有相應(yīng)的局限性。現(xiàn)將各種溶洞處理方法的優(yōu)、缺點(diǎn)列表說明，以供同行借鑒，見表1。

表1 各種溶洞處理措施的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析表

7 本工程巖溶處理措施的應(yīng)用及效果分析

針對(duì)本項(xiàng)目的溶洞處理問題，項(xiàng)目從勘察、設(shè)計(jì)及施工階段均作為重點(diǎn)問題開展研究，有針對(duì)性地對(duì)溶洞進(jìn)行預(yù)處理設(shè)計(jì)和施工。

1)要重視勘察成果的準(zhǔn)確性。

在勘察階段，有目的收集了周邊幾幢高層建筑的勘察成果、變更設(shè)計(jì)、事故原因分析及處理措施，并詳細(xì)分析研究，有針對(duì)性地開展勘察工作，確?？辈斐晒目煽啃约搬槍?duì)性，提高可能觸發(fā)地面塌陷事故預(yù)判的可靠性，這是基礎(chǔ)。根據(jù)勘察成果，掌握了場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜性，基巖為可溶性灰?guī)r，單個(gè)溶洞體積大且連通性良好，基巖巖面起伏較大，鉆孔的見洞率高，反映場地所處的基巖溶蝕性強(qiáng)、巖溶極發(fā)育；場區(qū)處理三角洲平原區(qū)，地下水極豐富，流動(dòng)性強(qiáng)；場區(qū)廣泛分布砂性土層，且分布巨厚，大部分與灰?guī)r接觸，普遍發(fā)育較大的土洞，說明溶洞與上覆土層有連通。因此，經(jīng)綜合分析，項(xiàng)目所處的區(qū)域具備了施工觸發(fā)地面塌陷的基本條件，屬極易塌陷區(qū)。

2)要重視對(duì)周邊環(huán)境的危害性。

該項(xiàng)目周邊密集分布有學(xué)校、高層建筑及居民樓、市政道路及設(shè)施，危害人群眾多；同時(shí)，亦危及施工階段自身的作業(yè)機(jī)械設(shè)備及人員，一旦發(fā)生地面塌陷，均有可能導(dǎo)致較大的安全事故，損失較大，社會(huì)影響較大。

3)要重視自身施工作業(yè)的特點(diǎn)及地面塌陷的危害范圍。

鑒于本項(xiàng)目主要為基坑工程、高層建筑，無論是基坑支護(hù)樁、高層建筑的樁基施工，還是基坑開挖過程中的抽水作業(yè)，均極易觸發(fā)地下水的流速、流量及方向，是導(dǎo)致地面塌陷的最活躍因素之一。鑒于各建筑物或本項(xiàng)目的施工作業(yè)人員、機(jī)械設(shè)備均處于地面塌陷的影響區(qū)域內(nèi)。因此，該項(xiàng)目可預(yù)判為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

4)要重視設(shè)計(jì)措施的針對(duì)性及經(jīng)濟(jì)合理性。

鑒于項(xiàng)目所處區(qū)域?qū)贅O易塌陷區(qū)及高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，因此，在設(shè)計(jì)階段要重點(diǎn)考慮可靠的預(yù)處理措施，將施工觸發(fā)地面塌陷的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。本工程巖溶處理主要考慮預(yù)處理措施為主，結(jié)合揭露的溶洞進(jìn)行局部的個(gè)別處理；基坑止水與溶洞預(yù)處理相結(jié)合的方案，大幅度降低投資及提高溶洞預(yù)處理的可靠性?；又ёo(hù)方案采用外層止水帷幕+鉆(沖)孔樁懸臂支護(hù)方案，鉆(沖)孔灌注樁1 000 mm@1 200 mm，樁身混凝土標(biāo)號(hào)為C30；止水帷幕采用φ800 mm@550 mm大直徑攪拌樁止水，局部砂層與灰?guī)r接觸區(qū)段增加φ600 mm@1 200 mm旋噴樁樁間止水，具體設(shè)計(jì)斷面見圖3,塔樓筏板基礎(chǔ)采用鉆(沖)孔灌注樁，樁徑為1 000 mm。

為此，對(duì)基坑施工的工序作出如下規(guī)定：場地平整→止水樁施工→鉆(沖)孔灌注樁施工→基坑開挖到底,即在施工鉆孔灌注樁前，應(yīng)先完成止水帷幕的施工，將施工區(qū)域與周邊建筑之間的砂性土層、地下水先進(jìn)行阻隔，并對(duì)基坑壁附近的土洞、溶洞進(jìn)行個(gè)別的預(yù)處理。

對(duì)于洞徑大于2 m的無填充、半填充溶洞，采用高壓預(yù)注混凝土或水泥砂漿進(jìn)行預(yù)充填，再進(jìn)行注水泥漿，洞徑小于2 m的無填充、半填充溶洞，則直接注水泥漿進(jìn)行充填。

在上述基坑止水帷幕的φ800 mm@550 mm大直徑攪拌樁、基坑周壁的土洞、溶洞預(yù)處理施工全部完成后，再開展基坑支護(hù)的鉆(沖)孔灌注樁、基坑開挖及樓房的樁基的施工，隔斷基坑內(nèi)外的地下水、砂性土，形成相對(duì)封閉的區(qū)域，防止基坑開挖及樁基施工觸發(fā)周邊的地面塌陷。

目前，三幢大樓已全部竣工，從實(shí)施效果來看，基坑的支護(hù)樁及大樓的基樁施工均未觸發(fā)基坑周邊的地面塌陷，監(jiān)測結(jié)果表明周邊市政道路及管線未出現(xiàn)任何的變形，周邊已建成的基坑、小學(xué)及民房均未見結(jié)構(gòu)開裂，未產(chǎn)生任何的破壞性爭議，說明溶洞處理方案對(duì)控制地面塌陷的措施得當(dāng)。由于所有樁基的溶洞處理結(jié)合基坑的周邊止水措施一并考慮，與前期實(shí)施的周邊幾幢大樓進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比，本次實(shí)施的基坑及溶洞處治方案最節(jié)省投資，從本案例實(shí)施的效果來看，無疑為類似工程提供較成功的借鑒。

8 結(jié)語

總結(jié)大量的觸發(fā)地面塌陷的工程案例，結(jié)合其產(chǎn)生地面塌陷的地形地貌、地下水、上覆土層特征、巖溶發(fā)育程度等因素，在巖溶區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)過程中，對(duì)預(yù)測其發(fā)生地面塌陷的可能性，結(jié)合擬建工程的周邊環(huán)境、工程施工工藝特點(diǎn)等因素預(yù)測其施工風(fēng)險(xiǎn)。為擬定經(jīng)濟(jì)合理的溶洞處理方案具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意見，對(duì)施工越易觸發(fā)地面塌陷，對(duì)周邊環(huán)境越復(fù)雜，對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)越大的工程，所需采取的溶洞處理措施越強(qiáng)，投入溶洞處理的費(fèi)用越高。

從本工程實(shí)施的條件分析，其所處的地形地貌、地下水、上覆土層特征、巖溶發(fā)育程度等基本建設(shè)條件，基坑開挖、抽水及樁基施工等施工作業(yè)均極易觸發(fā)地面塌陷，勘察設(shè)計(jì)階段預(yù)判為極易塌陷區(qū)域是合適的；項(xiàng)目所處的周邊環(huán)境復(fù)雜、影響的人群眾多，工程自身的人員及機(jī)械設(shè)備亦較多，地面塌陷的影響范圍較廣，因此，綜合預(yù)判為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域是合理的。因此，設(shè)計(jì)階段采用基坑周邊的止水帷幕方案進(jìn)行溶洞處理可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，結(jié)合基坑的止水方案可大幅度節(jié)省溶洞處理費(fèi)用，從實(shí)施的效果來看，大樓樁基、基坑支護(hù)樁基施工均未觸發(fā)地面塌陷，未引起周邊建筑物的變形，均說明溶洞處理達(dá)到預(yù)期的效果和目的，同時(shí)亦節(jié)省總投資費(fèi)用。

從該工程的實(shí)施效果來看，說明對(duì)地面塌陷的預(yù)判是很有必要的，為指導(dǎo)制定溶洞處理方案及節(jié)約投資提供依據(jù)，同時(shí)，亦為類似工程方案提供參考價(jià)值。