江賽雄， 鄢明章， 胡思遠， 趙婷婷

(1 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司， 成都 610021；2 西南交通大學土木工程學院， 成都 610031；3 成都建工第五建筑工程有限公司， 成都 610031)

0 概述

我國是喀斯特地貌分布面積最廣的國家，多見于云南、貴州、廣西等地。由于國家電力規(guī)劃布局及地區(qū)資源差異，貴州是擁有火力發(fā)電廠最多的省份,且經(jīng)常不可避免地需要將廠址選在復雜隱伏巖溶發(fā)育地區(qū)。火力發(fā)電廠場地面積大、建(構(gòu))筑物種類多、工藝設備荷載重、動力荷載多，當其建設在復雜隱伏巖溶場地上時，地基處理不當可能造成基礎沉降變形及地基失穩(wěn)等情況，危害結(jié)構(gòu)安全。如果簡單采用大開挖換填、注漿或樁基處理，則會導致工程造價高、工期長，并可能造成施工困難。

近年來，國內(nèi)外專家學者對復雜隱伏巖溶場地下的工程地基處理及震害進行了較多研究[1-5]。Waltham等[6]通過載荷試驗及沉降觀測，探討了大跨度溶洞洞室的力學破壞模型，結(jié)果表明，溶洞頂板大于70%洞寬是結(jié)構(gòu)安全厚度；Hsieh等[7]通過對巖溶場地地層中空洞上方基礎進行模擬試驗及理論分析，提出了確定溶洞上方地基承載力的方法；姜燕等[8]對巖溶地區(qū)場地進行了土載荷板試驗、夯擴樁復合地基載荷試驗、沖孔樁復合地基載荷試驗，根據(jù)試驗結(jié)果對某高層建筑進行了地基處理，結(jié)果表明，該地基處理方案能有效減輕巖洞坍塌及差異沉降風險，經(jīng)濟性優(yōu)良；張俊萌等[9]采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法對無錫世貿(mào)中心主樓下超深層巖溶地基受力和變形進行了研究，監(jiān)測結(jié)果表明，采用灌漿處理后的樁筏基礎對調(diào)節(jié)差異沉降產(chǎn)生了較大作用；何聲等[10]采用土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的方法，研究了一些巖溶地區(qū)特殊地質(zhì)條件對上部結(jié)構(gòu)地震反應的影響，研究表明，巖溶中土洞發(fā)育會使土層對地震波的放大效應增強，特別是土洞水平分布時，巖溶地基上部結(jié)構(gòu)框架位移及剪力更大；鄒新軍等[11]采用ADINA軟件對位于深度逾百米的串珠狀巖溶地區(qū)橋梁群樁基礎進行了有限元數(shù)值分析，結(jié)果表明，在該巖溶地區(qū)采用短摩擦樁+樁端壓漿的處理方案能有效降低施工難度、控制沉降，且能增加樁基礎整體穩(wěn)定性。

目前，我國涉及巖溶場地地基設計的規(guī)范主要有《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011)[12]和《巖溶地區(qū)建筑地基基礎技術(shù)標準》(GB/T 51238—2018)[13]?！督ㄖ鼗A設計規(guī)范》(GB 50007—2011)對巖溶場地建筑避讓及相關(guān)穩(wěn)定性影響提出了一些基本要求，并未提及具體處理措施。而《巖溶地區(qū)建筑地基基礎技術(shù)標準》(GB/T 51238—2018)對巖溶場地的勘察及常用的巖溶地基處理措施有較詳細規(guī)定。但在實際工程設計中，遇到的巖溶問題復雜多變，具有一定的不可預見性，因此需要更多的工程實踐來驗證地基處理方式的科學性及合理性。

安龍煤電化一體化產(chǎn)業(yè)基地熱電聯(lián)產(chǎn)動力車間項目(簡稱安龍電廠)坐落在中等-強烈發(fā)育隱伏巖溶場地上，廠區(qū)場平后全景圖如圖1所示，主廠房封頂后全景圖如圖2所示。其地質(zhì)情況復雜多變，具有石芽、溶洞、土洞、孤石等多種巖土形態(tài)，巖面起伏大、巖溶分布不規(guī)則。主廠房區(qū)域的地基處理及基礎設計方案是本工程的設計難點。本文在對相關(guān)地質(zhì)資料進行研究分析的基礎上，總結(jié)出該工程復雜隱伏巖溶地基處理技術(shù)措施和方法，探討復雜隱伏巖溶場地地基處理及基礎方案選擇的合理性，最后為復雜隱伏巖溶地區(qū)基礎設計提一些建議，研究成果可為類似工程提供參考和借鑒。

圖1 廠區(qū)場平后全景圖

圖2 主廠房封頂后全景圖

1 工程概況及主要地質(zhì)問題

1.1 工程概況

安龍電廠建設2×350MW超臨界CFB燃煤發(fā)電機組，同步建設煙氣脫硫、脫銷裝置。安龍電廠位于貴州省安龍縣普坪鎮(zhèn)魯溝塘村，50年超越概率10%的地震動峰值加速度為79cm/s2(0.081g)，基本地震動加速度反應譜特征周期為0.40s，對應的地震基本烈度為6度。

主廠房區(qū)域主要由汽機房、除氧煤倉間、集控樓及鍋爐房組成。其中汽機房、除氧煤倉間和鍋爐房三列式布置，除氧煤倉間采用單跨框架結(jié)構(gòu)，集控樓位于兩個鍋爐房之間。汽機房寬27.0m，長142.2m，高31.0m；除氧煤倉間寬10.0m，長161.45m，高46.5m；集控樓寬20.0m，長42.0m，高18.6m；鍋爐房寬49.9m，長47.6m，最高層高約61.5m。主廠房區(qū)域室內(nèi)正負零標高相當于絕對標高1 228.6m。主廠房區(qū)域場地建筑物布置見圖3，該區(qū)域地質(zhì)鉆孔布置圖見圖4。

圖3 主廠房區(qū)域平面布置圖

圖4 地質(zhì)鉆孔布置圖

廠區(qū)原始地貌為低中山構(gòu)造剝蝕、溶丘洼地，主要表現(xiàn)為溶蝕槽谷、殘丘及多條溝槽縱橫等微地貌形態(tài)。主廠房區(qū)域地表平整，為典型的復雜隱伏巖溶場地。鉆孔揭露場地內(nèi)主要巖土層參數(shù)見表1。

場地巖層分布及主要力學參數(shù) 表1

1.2 主要地質(zhì)問題

地質(zhì)勘察資料顯示，主廠房區(qū)域場地地下水埋藏較深，地基處理可不考慮地下水的影響，其下隱伏巖溶以較小型或較大型填充型溶洞為主，局部為空洞，平均鉆孔遇洞率21.2%，局部地段達到了57.9%，其中汽機房東西兩側(cè)巖溶強烈至極強烈發(fā)育，洞內(nèi)有可塑狀紅黏土、軟塑狀紅黏土及混碎石紅黏土充填，白云巖面起伏劇烈，巖土力學性質(zhì)差異明顯。

在主廠房區(qū)域中部存在東北向展布的破碎溶蝕帶，溶蝕白云巖面起伏劇烈，帶內(nèi)巖層產(chǎn)狀紊亂，呈風化程度不均勻的碎塊狀，強風化白云巖巖層和中風化白云巖巖層垂直向交替分布，破碎溶蝕帶與兩側(cè)巖層接觸部位填充厚度不等的紅黏土。主廠房區(qū)域其余部分巖溶以弱至中等發(fā)育為主。巖溶發(fā)育程度分布圖見圖5，場地巖層揭露實景圖見圖6。

圖5 主廠區(qū)巖溶發(fā)育程度分布圖

圖6 場地巖層實景圖

本工程主廠房區(qū)域主要建(構(gòu))筑物位于復雜隱伏性巖溶場地之上，地基處理難度相當大。若單純采用天然基礎，由于地層巖性的不均勻分布，有發(fā)生基礎差異沉降的風險；而若采用樁基，場地中風化白云巖質(zhì)地堅硬，樁端不易穿過溶洞；此外，由于現(xiàn)場條件限制，不宜采用大規(guī)模開挖換填措施。因此，對主廠房區(qū)域地基采用何種處理措施和基礎形式，應逐個分析，綜合判斷。

2 地基處理研究

2.1 跨越法

在1#鍋爐房中部有水平相鄰的三個短柱，其位置見圖7。巖土勘察及施工勘察資料顯示，短柱1和短柱2下分布有一深度和平面尺寸不規(guī)則的填充型溶洞，溶洞洞室左小右大。白云巖面起伏劇烈，短柱1和短柱2下方巖層為中風化白云巖，相鄰短柱3下方巖層為強風化白云巖。巖溶平面分布及豎向發(fā)育圖見圖7和圖8。

圖7 鍋爐房基礎溶洞平面發(fā)育圖

圖8 鍋爐房基礎溶洞豎向發(fā)育圖

由鍋爐廠提供的鍋爐房柱腳荷載資料可知，短柱1，2，3的柱腳荷載均為恒荷載起控制作用，其中短柱2的柱腳荷載最大，恒荷載達到了22 200kN，短柱1柱腳恒荷載為8 000kN，短柱3柱腳恒荷載為9 000kN。結(jié)合本工程巖土特性，按巖溶常規(guī)處理設計方法，短柱3下的基礎采用獨立基礎，以強風化白云巖為持力層；短柱1和短柱2由于軸間距較近，其下的基礎采用整體式底板基礎，基礎范圍內(nèi)無巖溶部分及溶洞洞室頂距基底大于5m的范圍以中風化白云巖為持力層，若基底標高未到中風化白云巖，則采用C15素混凝土換填至基底，對于溶洞洞室頂距基底小于5m或溶洞洞高大于2m的區(qū)域，考慮采用樁基，樁基穿透溶洞洞室，進入中風化白云巖深度不小于1.5倍樁徑。但是在施工過程中，施工單位反映場地內(nèi)中風化白云巖巖質(zhì)堅硬，沉樁困難，若按此方案繼續(xù)施工，會影響工程不能按期完成，施工單位及業(yè)主希望對基礎設計方案進行調(diào)整優(yōu)化。

綜上所述，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，JC-1基礎方案設計中已經(jīng)不能再采用樁基。為此，設計人員對地質(zhì)勘測資料、施工勘察資料進行了更深入研究，提出一種新的設計思路：將JC-1和JC-2基礎合并，做成整體式小型筏板基礎，對基底范圍內(nèi)不能作為基礎持力層的部分，即溶洞洞室頂距基底小于5m或溶洞洞高大于2m區(qū)域，采用筏板基礎直接跨越巖溶洞室。

在基礎計算時，持力層假定分為三類：短柱1范圍內(nèi)不受溶洞影響部分為中風化白云巖；短柱2受溶洞影響部分基底下為懸空；短柱3范圍內(nèi)持力層為強風化白云巖。采用PKPM(V4.1)對該小型筏板基礎進行建模計算，計算模型選用彈性地基梁板模型。當持力層為強風化白云巖時，基床系數(shù)K取350 000；當持力層為中風化白云巖時，基床系數(shù)K取500 000。計算結(jié)果顯示，在荷載標準組合下，該筏板基礎基底平均反力為227kPa，最大反力為289kPa。此外，考慮到中風化白云巖和強風化白云巖巖性的差異，特別對該筏板基礎沉降及其與周邊基礎的差異沉降進行了分析。

同時，在短柱1和短柱2四周一定范圍內(nèi)的筏板底部鋪設一層雙向附加鋼筋，以減輕溶洞發(fā)育對基礎安全的影響。該基礎設計及施工結(jié)果表明，此基礎設計方案能滿足規(guī)范要求，各項指標優(yōu)良，具備可行性，在優(yōu)化工程造價的同時也解決了現(xiàn)場施工進度問題。

2.2 樁基法與填充法

短柱a和短柱b為除氧煤倉間主要框架柱，其位置見圖9，受其上煤斗及除氧器荷載的影響，短柱內(nèi)力較大。前期地質(zhì)資料顯示：該區(qū)域基巖面起伏較大，基巖面以中風化白云巖為主，從短柱a向短柱b方向由淺至深，深度從3m到8m不等。短柱a和短柱b在深度中部偏上位置揭示有兩處局部強風化白云巖，根據(jù)周邊孔點資料判斷，基礎下可能有小規(guī)模溶洞發(fā)育。基礎地質(zhì)情況示意圖及現(xiàn)場開挖圖分別見圖9和圖10。

圖9 基底地質(zhì)情況示意圖

圖10 現(xiàn)場開挖圖

綜上所述，短柱a和短柱b范圍內(nèi)地質(zhì)情況復雜多變，采用單一的樁基或天然基礎可能導致結(jié)構(gòu)安全風險較大，施工也有一定困難。首先考慮將兩短柱基礎做成聯(lián)合基礎。短柱b范圍內(nèi)基底到基巖面超過5m的部分采用樁基，由于基巖面起伏較大，為規(guī)避樁端應力擴散范圍內(nèi)有溶洞或存在基巖臨空面的不利影響，保證樁基穩(wěn)定，設計時加大了樁端嵌巖深度，嵌巖深度取3倍樁徑，同時對相鄰樁基的樁長差進行了控制。聯(lián)合基礎其他部分以白云巖為持力層，其中，基礎兩側(cè)局部范圍以強風化白云巖為持力層，設計對以強風化白云巖為持力層的范圍進行了嚴格控制，其他部位以中風化白云巖為持力層，超挖部分采用C15素混凝土進行換填。由于現(xiàn)場施工條件不允許新增鉆孔，強風化白云巖下方溶洞發(fā)育具有一定不確定性。為保證結(jié)構(gòu)安全，經(jīng)研究分析后，在基礎設計時，假定基底強風化白云巖部分為懸空，同時建議地質(zhì)專業(yè)設計人員加強基礎驗槽。對基底局部白云巖裂隙，進行泥土清理工作后，再用C15素混凝土填充。在短柱a一定范圍內(nèi)基礎底板板底配置一層雙向附加鋼筋作為輔助措施，盡量減輕溶洞發(fā)育對結(jié)構(gòu)安全的影響。

2.3 大底板基礎綜合處理法

本工程2#基座區(qū)域(汽輪發(fā)電機基座區(qū)域)的地質(zhì)勘查資料顯示：基座范圍內(nèi)中風化白云巖面深度5m左右，無明顯貫穿性巖溶發(fā)育。原設計采用整體大板式基礎，以中風化白云巖為持力層。在開挖施工過程中發(fā)現(xiàn)，基座底板范圍內(nèi)有一溶蝕性淤泥帶，為地質(zhì)鉆孔盲區(qū)，之前的勘察鉆孔并未發(fā)現(xiàn)此淤泥帶。經(jīng)過現(xiàn)場初步探明，淤泥帶深度為7～9m，淤泥層下為較破碎的強風化白云巖?；装宓刭|(zhì)情況示意圖及現(xiàn)場開挖圖見圖11和圖12。

圖11 基座底板地質(zhì)情況示意圖

圖12 基座區(qū)域現(xiàn)場開挖圖

由于原地質(zhì)鉆孔基座范圍內(nèi)僅有5個孔點，且鉆孔并未揭示有大型破碎帶或者淤泥帶，經(jīng)過研究判斷，基座底板范圍內(nèi)應該還有其他巖溶發(fā)育。因此，鑒于基座為大型動力設備基礎，其基礎結(jié)構(gòu)較為重要，建議加密鉆探點，進一步揭示基座底板下的地質(zhì)情況。

加密鉆探點后，經(jīng)鉆探發(fā)現(xiàn)，2#汽輪發(fā)電機基座底板下有不規(guī)則、大小不一的巖溶溶洞發(fā)育，受破碎帶影響，中風化白云巖和強風白云巖互層的情況較明顯。同時，白云巖面深度超過之前預判，基底至中風化白云巖的深度大部分超過了6m，最深超過了15m，且由于淤泥破碎帶深度較深，作業(yè)面太窄，開挖機具無法對淤泥帶進行清底工作，若再采用大開挖換填的方案，則極不經(jīng)濟，也不具備可實施性，基座底板原設計方案已不適用于現(xiàn)場情況。因此，對基座底板基礎進行了方案調(diào)整。經(jīng)過分析計算，底板改為整體式樁筏基礎，樁端需穿過巖溶洞室，樁端持力層為中風化白云巖，由于巖層破碎，白云巖面有陡壁現(xiàn)象，適當加大了嵌巖深度。對部分樁長小于5m的區(qū)域，改用C15素混凝土換填至基底，持力層仍為中風化白云巖，并采用C15素混凝土對基底局部裂隙及直徑小于2m的溶洞進行填充?，F(xiàn)場施工證明，上述設計方案有效解決了基座底板地質(zhì)分布不均的問題，最大程度節(jié)約了工程造價，也確保了基座運行的安全性、穩(wěn)定性。

2.4 沉降觀測

根據(jù)《電力工程施工測量技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5445—2010)[14]等相關(guān)規(guī)定，本工程主廠房區(qū)域內(nèi)鍋爐房、除氧煤倉間、汽輪發(fā)電機基座每隔5～10m以及巖溶發(fā)育處都設置了沉降觀測點。經(jīng)過近3年沉降觀測，優(yōu)化后的基礎的絕對沉降值均小于10mm，滿足電力行業(yè)規(guī)定的限值150mm。差異沉降值最大約5mm，均滿足電力行業(yè)規(guī)定的限值：鍋爐房基礎0.005L(27mm，其中L為相鄰柱間距)，除氧煤倉間框架橫向框架0.002L(20mm)、除氧煤倉間縱向框架0.003L(27mm)，汽輪發(fā)電機基礎0.001 5L(9mm)。安龍電廠主廠房正常運行。這表明，對修建在復雜隱伏性巖溶場地上的大型火力發(fā)電廠，本文采取的地基處理措施達到了預期的效果，驗證了本工程地基處理方式的可靠性。

3 復雜隱伏巖溶場地地基處理及設計建議

安龍電廠主廠房區(qū)域主要建(構(gòu))筑物位于復雜隱伏性巖溶場地之上，地基處理難度大，約40%的基礎進行了設計復核或方案更改。筆者在對該工程主廠房區(qū)域地基處理研究的基礎上，結(jié)合巖溶場地工程設計實際情況，提出以下建議：

(1)重視初步勘察及廠址選擇。在可行性研究或者初步設計階段，對有巖溶發(fā)育風險的工程場地一定要加強地質(zhì)勘探，對有條件的工程應盡量避讓巖溶強發(fā)育區(qū)域，當不能規(guī)避時，應將火電廠中重要的建(構(gòu))筑物，如主廠房、煙囪、冷卻塔布置在地質(zhì)條件相對較好的區(qū)域。盡量減少巖溶地基處理風險、難度及工程費用。

(2)加強前期勘察設計工作、重視施工過程中的施工勘察。對巖溶發(fā)育的工程場地，在進行施工圖勘察前，應盡量確定重要建(構(gòu))筑物的柱網(wǎng)，以便有的放矢，提高地質(zhì)勘察報告的準確性。

(3)在巖溶強烈發(fā)育地段，應根據(jù)相關(guān)規(guī)定進行施工勘察,并根據(jù)施工勘察結(jié)果進行動態(tài)設計。對大直徑嵌巖樁及一柱一樁的基礎須逐樁布置勘探點；對地基基礎設計等級為甲級的建筑物,須逐個基礎勘探。當基底或者其相鄰處有較大規(guī)模洞穴或基巖面起伏較大時，應沿基礎軸線或其周邊加密布置勘探點，每個基礎或樁基布置不少于2個勘探點，以便查明巖溶發(fā)育情況。此外，對基坑底部出現(xiàn)的巖溶洞隙須增補鉆孔，以便將洞隙延伸范圍、充填物查清。

(4)在地質(zhì)情況復雜的巖溶發(fā)育地段，對采用樁基的重要建(構(gòu))筑物，如果無法探明基底巖溶發(fā)育情況，樁基承臺應盡量做成4樁承臺，以便其中一根基樁失效，其基礎結(jié)構(gòu)仍然穩(wěn)定可靠。

(5)對基礎底有巖溶溶洞發(fā)育的重要建(構(gòu))筑物，在條件允許的情況下，可將有受巖溶影響風險的基礎與相鄰基礎做拉結(jié)處理，或者采用聯(lián)合整體基礎，以減輕溶洞可能造成的不均勻沉降，增加基礎的可靠性。

(6)填充(注漿)法、跨越法、樁基法等是巖溶場地基礎設計的常用處理方法，在設計過程中，應根據(jù)現(xiàn)場實際情況對地下巖溶發(fā)育情況和趨勢進行研究和判斷。選用合理的設計方案，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，盡量做到不影響工程進度、方便施工、經(jīng)濟性優(yōu)良。

4 結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國巖溶地區(qū)新建工程越來越多，而復雜隱伏巖溶場地的地基處理及基礎設計一直是技術(shù)難題。本文基于實際工程，對所遇到的復雜隱伏巖溶地基處理進行研究，采取了合理、經(jīng)濟、易于施工的處理措施，并提出了針對復雜隱伏巖溶場地的地基處理及基礎設計建議。