韶鋼廠區巖溶地層地基處理措施

李新明

1 概述

韶鋼廠區位于韶關市曲江區,馬壩鎮的東北方位,占地約10 km2。本區為低山丘陵地帶,地質條件復雜,下伏灰巖巖溶發育。韶鋼近年來的基建工程大重型化,對地基的要求越來越高,充分認識本區巖溶地層特征及不良地質現象,采取適宜的地基處理措施,對韶鋼的基建技改有重大的技術經濟價值。

2 巖溶地層特征及不良地質現象

2.1 巖溶地層特征

本區的地質單元為山間盆地向低洼平地過渡地帶,地層的巖性特征由上至下分述如下:

①人工堆積及耕植土層(Qml+pd)。雜填土,厚度不一,巖性差異性較大。耕植土層,灰黑,黃褐色,植物根系發育,厚度小于7 m,多見于本區盆地的中心地帶。該土層未經人工處理,一般不宜作建(構)筑物的天然地基。②第四系殘積、坡積、沖積層(Qel+dl+al)。三者交疊沉積,巖性主要為黃褐色、褐紅色黏土,亞黏土、輕亞黏土,局部地帶含礫。濕度,由高地往低洼平地增大,可劃為次生紅黏土。多為可塑、硬塑態。在低洼平地地帶中下層有土洞分布,基巖面附近有軟塑、流塑的軟弱黏土層分布。本土層中的可塑、硬塑層固結性、均質性較好,在本區廣泛分布,承載力特征值為150 kPa～280 kPa,是本區建(構)筑物良好的地基持力層。③中上石炭統石灰巖(C2+3)。石灰巖為淺灰白色。致密堅硬,性脆,微裂隙發育,并為方解石及少量氧化鐵所充填而呈網紋狀,巖溶發育。本區的高地能見到有石灰巖的出露。基巖的灰巖面多微風化,完整基巖則致密堅硬,巨厚層狀。灰巖承載特征值為大于4 000 kPa。灰巖是本區重大建(構)筑物基礎主要的持力層。

2.2 不良地質現象

1)軟弱土層的發育情況。在低洼平地地帶,與基巖面接觸的黏土層附近,有軟塑、流塑的軟弱黏土層分布,層厚1 m～2 m。軟土的成因是,碳酸鹽類巖石在濕熱氣候條件下經風化后,殘、坡積所形成的一種微帶紅色、土質細膩的黏土。由于下伏灰巖巖溶發育,地下水(承壓水)長期對土體的滲透、浸泡作用,使土體呈稀軟或軟塑狀態。軟弱土的厚度與基巖面的形態及地下水密切相關,基巖面低凹,其下巖溶水豐富,軟土的厚度就大,反之就小。本區的軟土層主要分布于低洼平地地帶。在原料場、高爐區、轉爐區、煉軋區等場地均有發育。在局部,中間土層中有呈透鏡體出現。2)土洞的發育情況。土洞多發育于靠近基巖的黏土層中,常與溶洞相伴生。土洞的成因是,基巖中的裂隙發育,連通性好,形成地下水通道。本區的土洞多發育于低洼平地地帶,在原料場、高爐區、轉爐區、煉軋區等場地的勘察中均有發現,土洞絕大多數被充填或半充填,充填物為黃褐色含礫、砂的黏性土類和灰白色灰粉混小塊巖屑,呈軟塑、可塑狀態。3)巖溶的發育情況。該區巖溶普遍發育,包括巖面起伏、溶隙和溶洞的形態。溶洞多發育在低洼平地地帶的原料場、高爐區、煉軋區及轉爐區等主要車間等場地勘察中,統計得出,鉆孔的見洞率為33%～65%。溶洞高小于1 m的約占49.3%,大于2 m的占22.3%,最大洞高為18.6 m(煉軋廠詳勘中揭露)。溶洞頂板厚一般為1 m左右,小可達0.2 m。本區溶洞主要分布在地表以下20 m～60 m的基巖中,溶洞裂隙連通性較好,在做抽水試驗過程中發生過地表沉陷的現象。

3 鋼廠基建工程建(構)筑物特點和地基處理措施

3.1 大型鋼廠基建工程建(構)筑物特點

3.1.1 高爐主體工程特征

1)豎向荷載大。一座3 000 m3級的高爐,其中爐本體部分高度達105 m。連同基礎自重和填土重量,傳到地基上的豎向力達500 000 kN以上,地基單位面積承受的荷載達 300 kN/m2～400 kN/m2。出鐵場的單柱荷載也可達20 000 kN,基礎埋深達3 m～4 m。2)在沉降控制方面。高爐基礎沉降量過大往往導致上部結構的破壞,影響生產運行。設計中要仔細進行地基的變形計算,特別是當在軟土地基上建設大型高爐時。

3.1.2 轉爐、煉軋工程特點

大型轉爐、煉軋廠除具有上部荷載重,形體大,高聳的特點外,還有基坑深度大。1)主廠房塔樓高約 60 m,單柱荷重達50 000 kN,轉爐達10 000 kN,基礎底面積達 15 m×15 m。混鐵爐達17 000 kN,基礎底面積達17 m×17 m。旋流沉淀池深達-24 m。煙囪高60 m。2)煉軋磨錕間基礎開挖深達-30 m。

3.1.3 原料場工程特點

與上述工程相比,原料場工程特點是,荷載不很大,但卻是大面堆載,地基附加應力同樣可以影響達地面15 m以下的深度,處理不好,影響使用,費用巨大。

3.2 地基處理措施

3.2.1 巖溶的處理

1)對洞口較小的洞隙,宜先采用鑲補、嵌塞,用塊石、碎石、黏土或毛石混凝土等填實,或用鋼筋混凝土板梁法跨越等方法處理。2)對洞口較大的洞隙,宜先采用梁、板、拱等結構跨越。跨越結構應有可靠的支撐面。梁式結構在巖石上的長度應大于梁高的1.6倍。也可采用漿砌片石堵塞措施。3)對規模較大的洞隙,可采用洞底支撐或調整柱距等方法處理。為了增加頂板巖體的穩定性,可用石砌柱或鋼筋混凝土柱支撐。采用此法應重點查明洞底以下的穩定性。4)溶洞不作處理的情況:a.溶洞被密實的沉積物填滿,承載力大于150 kPa,且無被水沖蝕的可能性。b.洞體較小,基礎尺寸大于洞的平面尺寸,并有足夠的支撐長度。c.基巖微風化,洞體頂板厚度大于洞跨度。

3.2.2 土洞的處理

1)地下水處理,韶鋼在2000年之前居民飲用水采自地下灰巖水,因為抽取地下水,本區時有出現地面深陷發生。2000年我們建議停抽地下水之后,至2009年,有統計的塌陷只有一次,于2002年發生在轉爐施工區域。據后來調查分析,可能是轉爐樁基施工,擾動地下水位引起地面塌陷。2)挖填處理,對地下水形成的土洞或塌陷,可先挖除軟土,然后用塊石作反濾層,面層用黏土夯實。2003年,5號高爐辦公樓西樓梯口出現一個約2 m直徑塌陷,深約3 m,當時即用毛石混凝土回填,至今穩定。3)灌砂處理,用于深層,較大的土洞,施工時在土洞頂板鉆兩個鉆孔,其中一個作出氣孔,灌砂同時沖水,直到出氣孔冒砂為止。也可用C10混凝土壓力灌注。4)墊層處理,基礎底下用碎石加厚墊層,減小土洞頂板的附加應力,降低沉降量。

3.2.3 軟土層的處理

1)深層攪拌處理,利用水泥漿作固化劑,采用深層攪拌機在地基深部使軟土和固化劑充分拌和,利用固化劑和軟土發生一系列物理、化學反應,使之凝結成具有整體性、水穩性好和較高強度的水泥加固體,與天然地基形成復合地基。此法在韶鋼原料取樣棧橋工程、新焦化廠貯煤罐區得到運用,項目均已投入使用,效果良好。2)高壓旋噴處理,利用高壓旋噴設備把水泥漿與周圍土體強制混合,待膠結硬化后成為樁體。該法曾用于轉爐塔樓樁間土的復合地基、板坯庫場地處理,效果良好。

4 結語

韶鋼廠區巖溶地層,巖溶、土洞和軟土層相互伴生,相互成因。建設大型鋼鐵項目,總圖布置在滿足項目工藝要求的前提下,盡可能避開巖溶發育地段,對工程存在安全隱患的不良地質現象應作分析、評價,結合工程特點、重要性、施工工藝等確定是否處理,如何處理。進行地基處理時,應把地基、基礎、上部結構整體考慮,巖溶地層復雜多變,地基處理要因地制宜,對復雜巖溶地基的處理需綜合運用多種處理方法,以取得最佳的技術和經濟效果,韶鋼廠區巖溶地層的處理措施是值得推廣運用的。

[1]杜恒儉,陳華慧,曹伯勛.地緣學及第四紀地質學[M].北京:地質出版社,1981:142-166.

[2]《工程地質手冊》編寫委員會.工程地質手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1992:930-935.

[3]《地基處理手冊》編寫委員會.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1993.

[4]曹賢發.桂林巖溶地基巖土工程勘察及處理[J].山西建筑,2009,35(9):124-125.