陳航 伍廷亮 晉明超

(1 貴陽學(xué)院；2 貴州省土木工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)示范中心；3 中鐵城建集團(tuán)第一工程有限公司)

0 引言

貴州屬典型的“喀斯特”地貌山區(qū)，在水流的侵蝕作用下，地下巖層形成溶洞、地下暗河等地貌，將此類巖溶地質(zhì)作為建筑物地基時(shí)，必須對影響建筑結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定的溶洞進(jìn)行處理。在復(fù)雜巖溶地基中，由于各類溶洞的存在，加上地下水的影響，地基土的承載力與沉降難以達(dá)到建筑所需的要求，導(dǎo)致地表塌陷、地基土產(chǎn)生不均勻沉降等安全事故。實(shí)際工程中，針對復(fù)雜巖溶地基的加固處理方法較多，張健、李術(shù)才等[1]采用注漿技術(shù)成功處理覆蓋型巖溶地基中的裂隙、充填型淺部溶洞及土洞，相比樁基礎(chǔ)與大面積深部溶洞處理方法，施工效益更加明顯；姜燕、楊光華等[2]采用筏板下的多樁型復(fù)合地基處理方法對高層建筑復(fù)雜巖溶地基進(jìn)行處理，通過理論計(jì)算與實(shí)際觀測表明，該處理方法具有較好的效果；劉同江[3]采用洞砟回填方法處理巨型溶洞，通過沉降觀測表明，溶洞填筑體效果良好，基本不受上部動(dòng)荷載的影響。

本文結(jié)合貴陽市某高層建筑復(fù)雜巖溶地基下伏大型溶洞的地質(zhì)特點(diǎn)，采用回填注漿法對該地基進(jìn)行加固處理，與樁基礎(chǔ)處理方法對比分析，回填注漿處理法施工速度快，經(jīng)濟(jì)效益高，處理后地基可滿足建筑物的承載和沉降要求，為此類巖溶地基的處理應(yīng)用提供了較好的參考。

1 工程概況

貴陽市某城區(qū)棚戶改造項(xiàng)目127 號地塊A 區(qū)規(guī)劃建設(shè)了5 棟高層建筑，結(jié)構(gòu)均采用部分框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其中A1 棟、A3 棟、A4 棟、A5 棟為地下負(fù)2 層，地上17 層；A2 棟為地下負(fù)3 層，地上17 層；5 棟建筑中的負(fù)二層、負(fù)三層均屬地下工程，層高均為3.9m，負(fù)一層為地上工程，層高為6m?！?.00 標(biāo)高1102，地下室負(fù)3 層標(biāo)高為1088.2，負(fù)2 層標(biāo)高為1092.1，負(fù)一層標(biāo)高為1096.0，主樓最大柱荷載為16000KN，建筑對沉降較敏感。建筑基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)為樁基礎(chǔ)和柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，要求基礎(chǔ)置于中分化巖層，樁基礎(chǔ)采用人工挖孔樁施工，嵌巖深度不小于0.5m。

2 場區(qū)地質(zhì)情況

建設(shè)場區(qū)地質(zhì)鉆勘位置采用一柱一孔，場區(qū)巖土從上至下分布為雜填土(Q4ml)、紅粘土層(Q4el+dl)、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、中風(fēng)化灰?guī)r，由于場地地勢較高，地下水主要分布在紅黏土層以上土層中，局部巖層含裂隙水。場區(qū)的灰?guī)r屬可溶性碳酸鹽類巖石，巖溶較發(fā)育，溶洞規(guī)模不一，部分形態(tài)呈串珠狀，洞徑0.6m～29.6m，部分最大洞徑29.6m，造成地基持力層不均勻，基礎(chǔ)穩(wěn)定性難以得到保證。溶洞多數(shù)為可塑性粘土全充填，少數(shù)為空洞，巖溶發(fā)育率為18.5%，溶洞深度最高達(dá)29.6m，淺層溶洞在地下室開挖后，大部分被挖除。在A3 棟、A4 棟和A5 棟的裙樓交界處的地下室底板以下10m 深度范圍，存在一大型溶洞，溶洞內(nèi)蜿蜒曲折，長度約60m，高度5m～12m，寬度5m～10m，溶洞底部除沉積一層較厚的淤泥外，無明顯水流滲入，進(jìn)一步釬探發(fā)現(xiàn)，溶洞底板下超過7m 厚度為中風(fēng)化灰?guī)r，可作為樁基礎(chǔ)的持力層。

3 場區(qū)地基處理方案

針對本工程中的大型溶洞地基處理方案，初步提出采用樁土復(fù)合地基、深樁基礎(chǔ)、回填注漿三種方法進(jìn)行處理。由于地基中溶洞跨度大，頂板厚度不足，采用樁土復(fù)合地基加以處理時(shí)，樁體必須穿過溶洞置于底板下中風(fēng)化巖層上，相對于采用深樁基礎(chǔ)處理而言，樁土復(fù)合地基增加的樁體數(shù)量多，經(jīng)濟(jì)成本大，本案例不作考慮，僅對深樁基礎(chǔ)處理法與回填注漿法進(jìn)行對比分析。

3.1 地基處理方案選擇

經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，整個(gè)溶洞范圍內(nèi)的深樁基礎(chǔ)直徑采用φ1.6m，樁基礎(chǔ)須穿過溶洞置于底板下中風(fēng)化巖層中，嵌入深度不小于50㎝。施工時(shí)先采用沖擊鉆機(jī)擊穿溶洞頂板成孔，以樁孔中心為圓心，采用水磨鉆工藝在半徑為2.4m 的圓弧上均勻鉆4 個(gè)φ1.0m 的卸料孔，在半徑為4.0m 的圓弧上均勻鉆15 個(gè)φ0.5m 的混凝土帷幕孔，孔位布置如圖1 所示。樁基礎(chǔ)位置的溶洞空腔回填前，先通過帷幕孔灌注C15 碎石混凝土至溶洞頂板位置，在回填范圍四周形成堅(jiān)實(shí)的圍擋結(jié)構(gòu)，帷幕強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，通過4 個(gè)卸料孔及樁孔向溶洞內(nèi)回填水泥石，水泥石采用水泥、碎石、黏土以1:2:3 的配比混合拌制而成，碎石最大粒徑不大于30cm，回填時(shí)邊回填邊夯實(shí)填料。

溶洞空腔回填完畢后，采用單管跟進(jìn)施工方法施作洞內(nèi)樁基礎(chǔ)，單管一般采用2cm 的鋼板卷軋形成，其直徑比鋼護(hù)筒直徑小10cm，鋼護(hù)管下沉至溶洞底板后，鉆機(jī)應(yīng)繼續(xù)沖擊底板確保樁端嵌入中風(fēng)化巖層中足夠的深度。

3.2 回填注漿處理方案

回填注漿法是在溶洞中填充材料的同時(shí)注入水泥漿液或水泥漿和水玻璃的混合液[4]，在無填充大型溶洞的處理方案中具有施工快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其回填材料可采用碎石、毛石混凝土、素混凝土等。采用碎石回填時(shí)，碎石應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬，粒徑不大于30mm，分層回填至洞內(nèi)并分層夯實(shí)；毛石混凝土回填時(shí)，一般采用低標(biāo)號C15 或C20 混凝土與強(qiáng)度不低于MU20 的毛石料分層回填至洞內(nèi)，可有效節(jié)約混凝土用量，且堅(jiān)實(shí)的毛石混凝土可直接作為基礎(chǔ)的持力層；素混凝土回填時(shí)，采用低標(biāo)號的C15 或C20 混凝土充填溶洞，當(dāng)基礎(chǔ)持力層下伏小型溶洞、滲水型溶洞時(shí)，可采用該法回填，回填材料中可加入早強(qiáng)劑、抗?jié)B劑改善填料特性。

本工程中溶洞處理范圍僅考慮建筑基礎(chǔ)布置區(qū)域，由于現(xiàn)場施工空間的限制，將溶洞進(jìn)行分區(qū)處理，對場地開闊且能提供較好的開挖操作區(qū)域，采用挖除溶洞頂板再進(jìn)行灌注混凝土回填施工；對場區(qū)狹窄不便于進(jìn)行開挖操作的區(qū)域，采用頂板鉆孔回填碎石施工，并通過注漿充填縫隙，達(dá)到加固處理的目的。

3.2.1 溶洞頂板挖除區(qū)域回填處理

圖1 溶洞樁基礎(chǔ)處填料孔布置圖

如圖2 所示，采用機(jī)械挖除溶洞左側(cè)區(qū)域的頂板，形成一個(gè)長約9m、寬約6m、高約2m 的溶洞口，通過人工配合機(jī)械清理溶洞底板沉積的軟土層，再進(jìn)行回填施工。

圖2 溶洞區(qū)域處理平面示意圖

⑴灌注混凝土回填

在溶洞發(fā)育區(qū)立模澆筑C15 混凝土至溶洞頂板位置，形成堅(jiān)實(shí)的回填下臥層?；炷翝仓捎秒p排鋼管架立模澆筑，如圖3，鋼管架立桿縱向間距取100mm，橫向間距取900mm，橫桿間距取1000mm，剪刀撐間距1000mm，豎向鋼管采用φ48.6×3.6mm 扣件式鋼管，鋼管高度采用頂絲和方木調(diào)整，確保鋼管架與溶洞內(nèi)壁緊扣。鋼管架外側(cè)立2cm 厚木模板，并用鐵絲與鋼管架綁牢。

混凝土回填采用分層澆筑，分層厚度不大于50cm，澆筑間隔時(shí)間不小于30min，底層混凝土澆筑由低處向高處澆筑，邊澆筑邊振搗，混凝土澆筑至溶洞頂板地緣時(shí)，停止?jié)仓炷?，并采取蓄水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

⑵毛石混凝土回填

在C15 混凝土回填頂面，采用C15 毛石混凝土回填至負(fù)二層地下室底板下2m 處，作為建筑基礎(chǔ)的持力層?；靥蠲蠌?qiáng)度不低于MU20，粒徑控制在10cm～50cm，石料表面應(yīng)干凈無污泥?；靥顣r(shí)先在底部澆筑15cm 混凝土，再鋪筑毛石，毛石應(yīng)排列整齊，大面向下，間距控制在20cm～30cm，毛石埋入混凝土一半深度時(shí)，灌注混凝土填滿毛石縫隙，然后逐層澆筑毛石混凝土直至負(fù)二層底板下2m 處，每層澆筑厚度不大于50cm，并確保最后一層毛石頂面混凝土厚度不小于10cm。整個(gè)回填過程中應(yīng)嚴(yán)格控制回填石料質(zhì)量，回填毛石料體積不得超過回填區(qū)的1/3。

3.2.2 溶洞頂板未挖除區(qū)域注漿處理

溶洞頂板未挖除區(qū)域，沿基礎(chǔ)中心線均勻布置3 個(gè)卸料孔，布置間距8m，現(xiàn)場采取水磨鉆擊穿頂板成孔，卸料孔直徑1.2m，以卸料孔為中心作半徑為2.0m 的圓，在其上均勻布置5 個(gè)直徑為90mm 的注漿孔。

⑴碎石回填

回填碎石材料粒徑控制在5cm～30cm，碎石強(qiáng)度不低于MU20，首層填料采用20cm～30cm 大粒徑碎石回填，投石應(yīng)均勻，厚度控制在40cm 左右，回填完畢后采用5cm～10cm 小粒徑碎石填充縫隙，若碎石回填縫隙仍較大，可投入中粗砂進(jìn)一步填充縫隙，回填過程中同時(shí)下放注漿管，每回填一層注漿一層，如此循環(huán)回填至卸料孔底部以下1m 高度后停止回填。

圖3 混凝土澆筑模板立面布置示意圖

圖4 溶洞頂板卸料孔及注漿孔布置平面圖

⑵注漿填充

采用φ100mm 的鋼管做注漿管，管底部50㎝范圍內(nèi)按10cm 間距布置梅花孔，管埋入填料時(shí)，管端距離填料底層應(yīng)有5cm 左右間隙。注漿材料采用水泥漿，水泥采用強(qiáng)度為32.5 的普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在0.75～0.85 之間，可根據(jù)試驗(yàn)摻入一定量的粉煤灰，增加漿液的流動(dòng)性。注漿壓力控制在0.3～0.5MPa，注漿量10～15L/min，注漿時(shí)注漿壓力應(yīng)緩慢增加，隨時(shí)觀察注漿量與壓力變化，若注漿量突然增大，注漿壓力變化較小，應(yīng)查明是否漏漿，若注漿量變小，而注漿壓力增大，應(yīng)查明是否發(fā)生堵管，或漿液已經(jīng)完全充滿縫隙。停止注漿標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)注漿效果加以判定，當(dāng)注漿液冒出填料表面后，采用0.3MPa 的壓力穩(wěn)壓30min，注漿量無增加時(shí)，則可進(jìn)行下一層填料的注漿。注漿管注完一層后應(yīng)提出洞口，采用清水沖洗后再埋入下一層填料中，防止?jié){液凝固堵管，

⑶素混凝土封頂

在溶洞頂板下的1m 范圍內(nèi)，為了減小填料回填時(shí)頂板與填料之間的間隙，有效增加回填碎石層對頂板的支撐作用，采用C15 素混凝土通過卸料孔進(jìn)行回填，回填混凝土的流動(dòng)性應(yīng)適當(dāng)提高，分層回填后采用長直鋼釬通過卸料孔、注漿孔對混凝土進(jìn)行搗實(shí)，直至3 個(gè)卸料孔中出現(xiàn)50cm 左右的混凝土柱，且振搗后柱面不出現(xiàn)下沉，則可停止灌注混凝土。

圖5 回填注漿處理溶洞立面效果圖

3.3 經(jīng)濟(jì)成本對比分析

3.3.1 樁基礎(chǔ)成本分析

按建筑基礎(chǔ)布置設(shè)計(jì)圖，溶洞區(qū)共布有16 個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)，基底位于建筑結(jié)構(gòu)負(fù)二層下2m 位置。樁基礎(chǔ)長度從負(fù)二層下2m 處起算，根據(jù)地勘柱狀圖，其到溶洞頂板表面巖層的平均距離取為5m，溶洞頂板平均厚度取為3m，溶洞空腔平均高度取為8.5m，樁端嵌入中風(fēng)化巖層深度取為0.5m。根據(jù)樁基礎(chǔ)處理方案，有如下工程量：

⑴樁體工程量

單樁長度：l=5+3+8.5+0.5=17m

總樁長度：L=16×17=272m

表1 樁基礎(chǔ)處理成本計(jì)算

3.3.2 回填注漿成本分析

根據(jù)溶洞分區(qū)處理方案，分別對開挖回填區(qū)與未開挖回填區(qū)進(jìn)行成本計(jì)算，開挖區(qū)長度23.5m，平均寬度8m，未開挖區(qū)長度36.5m，平均寬度9m，成本計(jì)算如下：

表2 回填注漿處理成本計(jì)算

4 結(jié)語

針對山區(qū)建筑地基下伏無充填型大溶洞的處理方案，相比深樁基礎(chǔ)處理方案，回填注漿法對大型無充填溶洞的處理施工技術(shù)簡單，施工速度快，經(jīng)濟(jì)成本低，可作為一項(xiàng)有效的地基加固方法在山區(qū)無充填型大溶洞處理中應(yīng)用。