某深基坑溶洞處理措施研究

羅 偉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430072)

1 概述

某地鐵車站基坑深度17.26 m(盾構井段19.65 m)。擬建車站位于斷陷盆地北部邊緣地帶Ⅰ級階地。據鉆孔揭露,車站范圍內巖石溶蝕嚴重,呈溶隙、溶溝及溶洞。該區屬隱伏巖溶區,可溶巖基本被覆蓋,鉆孔見洞率約為82%。溶洞埋深：5.20～24.00 m；洞高：0.90～21.60 m,高度小于2.00 m約為40%,2.0～5.0 m約30%,大于5.00 m約為30%,最大溶洞高度21.60 m。這些溶洞將嚴重影響基坑穩定,給工程施工帶來較大風險,因此必須對溶洞進行處理,保證工程安全順利實施[4-5]。

2 溶洞危害分析

溶洞對深基坑安全影響主要有以下幾個方面[3]：

(1)溶洞易形成貫通,與附近河流形成水力聯系,一旦基坑圍護結構隔水失效,易導致基坑失穩；

(2)溶洞部位承載力差,易使深基坑內支撐結構失穩；

(3)溶洞區巖板承載力不足,易被樁基頂穿從而導致基坑路面系統崩塌；

(4)溶洞區巖體承載力差,易引起主體結構不均勻沉降,給車站安全運營帶來隱患。

3 溶洞處理范圍

3.1 溶洞分類

溶洞按其內填充物的特性分為以下3類[4-5]：

全空溶洞：溶洞內無任何填充物或者絕大部分空間被地下水充填；

部分填充溶洞：溶洞內部分被淤泥或其他力學性質較差巖土填充；

完全填充溶洞：溶洞被粉土、黏土或其他力學性質較好的巖土填充。

3.2 溶洞處理范圍

(1)基坑周邊：沿連續墻四周2 m的范圍內布置地質鉆孔,鉆孔深度按以下原則雙控：深入連續墻底部以下不小于3 m；深入基坑底以下不小于10 m,取以上兩個深度值較大的一個作為鉆孔深度的控制值。見圖1、圖2。

(2)格構柱：在距格構柱中心2 m距離的位置,成梅花形布置4個探孔,鉆孔深度為深入格構柱樁底以下10 m。見圖3、圖4。

(3)除去以上基坑周邊和格構柱探孔范圍,在基坑內則采用4 m×4 m梅花形布置探孔,探孔與格構柱探孔及基坑周邊區域的探孔不重復布置,鉆孔深度為深入基坑底以下10 m。

圖1 連續墻周邊溶洞處理鉆孔布置剖面(單位：mm)

圖2 連續墻周邊溶洞處理鉆孔布置

圖3 臨時立柱周邊溶洞處理鉆孔布置剖面(單位：mm)

圖4 臨時立柱周邊溶洞處理鉆孔布置

4 溶洞處理措施

4.1 處理工藝的選擇[6-8]

施工工藝對注漿效果有很大的影響,每種施工工藝都有其優點和局限性,在進行注漿設計時,要綜合考慮地基土特性、注漿目的、注漿范圍和注漿漿液等因素,對施工工藝加以明確。施工工藝的選擇帶有一定的經驗性,見表1。

從表1可以看出,本工程擬采用袖閥管注漿法進行溶洞處理。

表1 注漿工藝的適用情況

4.2 注漿壓力的確定[9-12]

注漿的最大容許注漿壓力推薦采用注漿試驗曲線確定,即在注漿試驗過程中,逐步提高注漿壓力,求得壓力和流量關系曲線(圖5),當壓力升到某一數值時,注漿流量突然增大,表明地層已產生劈裂,因而把這一壓力值作為確定最大容許注漿壓力的依據。

圖5 注漿壓力與注漿流量關系曲線

在試驗前需預定一個試驗壓力值時,可以根據以下注漿的經驗公式確定

[Pe]=βγT+cKλh

式中 [Pe]——容許注漿壓力；

T——注漿覆蓋層厚度，m；

K——與注漿方式有關的系數,自上而下注漿時K=0.8,自下而上時K=0.6；

λ——與地層性質有關的系數,可在0.5～1.5選擇。結構疏松、滲透系數強的地層取低值,反之取高值；

h——注漿段到地面深度；

β——系數,在1～3選擇；

γ——地面以下,注漿段以上土層的重度。

如采用水泥-水玻璃雙液快凝漿液,則注漿壓力宜小于1 MPa。在保證可注入的前提下應盡量減小注漿壓力,漿液流量也不宜過大,一般控制在10～20 L/min。

4.3 溶洞處理措施

根據以上的探孔布置進行基坑范圍內的溶洞探測。當探孔揭示底板以下超過10 m范圍未出現溶洞,則該探孔所在的位置灌注1∶1水泥漿,注漿壓力控制在1.0 MPa；若在探孔范圍內發現較為軟弱的土層,如地基承載力較低的淤泥質土時,采用雙管高壓旋噴進行加固,要求加固后的土體無側限抗壓強度qu≥1.0 MPa。

對于空洞、半填充,全填充性溶洞,則進行如下處理。

(1)全空溶洞：在探孔區域探測到全空溶洞且空洞內含巖溶水較少時(巖溶水較少時則表明該處的巖溶水一般不具備連通性),先抽出巖溶水向溶洞內充填細砂,或填充粒徑較小的砂石,填充時采取壓力吹灌的方式。當填料達到孔洞高度的1/3時,進行1次注漿,漿液采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.2 MPa；待加固體達到一定強度后繼續進行吹灌充填,當填料達到孔洞高度的2/3時,進行1次注漿,漿液采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.3 MPa；待加固體達到一定強度后再進行吹灌充填,填滿整個空洞范圍,然后進行注漿,注漿壓力可以適當加大,但應控制在0.5 MPa以內。

(2)部分填充溶洞：在探孔區域探測到部分填充溶洞時,向溶洞內填充細砂,或填充粒徑較小的砂石料,填充時采取壓力吹灌的方式,然后進行注漿加固,注漿采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.3 MPa。

(3)完全填充溶洞：在探孔區域探測到完全填充溶洞時,直接向溶洞內灌注1∶1水泥漿,注漿壓力控制在0.5 MPa以內。

(4)對于大量巖溶水填充的溶洞：首先對該溶洞的巖溶水進行抽排,抽排的同時注意觀測水位的變化,若水位變化較快,則表明該溶洞內的水不具備連通性,此時將溶洞內的巖溶水抽排干凈之后,以全空溶洞的處理方式進行處理；若抽水過程中水位變化較慢或不變化,則表明該溶洞內的巖溶水與地下其他水系具有水力聯系(但在無干擾時不具備流動性),此時應立即停止抽排,并擴大探孔的范圍,即在既有探孔周邊1～2 m增加探孔,并經過以上探孔向溶洞內灌填粒徑較大的石料,然后進行注漿加固,加固采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.1 MPa以內,待加固體形成一定結石體后,重復以上步驟,注漿壓力隨著空洞內結石體增加可適當提高,但最大不應超過0.3 MPa,注漿時應使多個探孔做到同步注漿。

(5)以上各種處理方式中,最后階段均應進行一次壓密注漿,注漿采用1∶1水泥漿,注漿壓力控制在0.5 MPa以內。

4.4 溶洞處理的材料

(1)注漿管：φ80 mm無縫鋼管。

(2)水泥：P32.5普通硅酸鹽水泥,水泥漿液水灰比為:0.8∶1～1∶1。

(3)水玻璃：38～43 Be′,模數2.4～3.0。

水泥水玻璃雙液漿中,水玻璃要進行水灰比、水玻璃濃度、CS體積比的現場試驗,以確定水泥水玻璃漿液的凝膠結時間、結石體強度。加固后進行抽芯檢驗,要求無側限抗壓強度qu≥1.0 MPa。

5 注漿施工工藝及注意事項

5.1 注漿鉆孔施工控制

(1)注漿前先進行30%先導勘探孔的鉆探,先導孔施工完畢后進行注漿孔的鉆探和注漿施工；

(2)土層采用干鉆,巖層采用水鉆；土層采用φ108 mm鉆頭鉆進,巖層基巖面以下0.5 m為φ110 mm鉆頭鉆進,其下采用φ91 mm鉆頭。孔位移動不超過0.5 m,垂直偏差小于1%。

(3)套管應下至基巖面以下0.5 m,嵌入基巖并用水泥砂漿固結,待水泥砂漿初凝后繼續巖層鉆進。

(4)鉆孔深度為進入巖層深度不得小于5.0 m,并應確保鉆到溶洞底板以下不小于1.0 m。鉆至設計深度后進行清孔,保證鉆孔底部的沉渣小于0.2 m,清水沖洗時間不小于30 min。

5.2 注漿技術要求及施工控制

(1)注漿的順序為先兩側后中間跳孔注漿的順序。

(2)注漿前每孔做好注水試驗,根據鉆孔的地質情況和注水試驗的情況采用不同的注漿漿液和措施。注漿后選取5%的注漿孔清孔后做注水試驗,對前后2次注水試驗的資料整理,對比單位吸水量,若未達到設計要求(注漿后的單位吸水量小于注漿前的單位吸水量3%～5%,且不存在明顯漏水現象),說明該孔注漿不合格,應繼續清孔注漿,直到注水試驗合格。

(3)注漿前準備及注漿工藝選用

①注漿前,應分析注漿孔的地層及巖溶和裂隙情況,并根據地層情況初步選定注漿方案(如注漿孔地層中存在空洞,應先考慮填灌砂或水泥砂漿；全充填溶洞或裂隙應先用單液注漿等)。

②注漿施工工藝選用的順序一般為：填灌砂或水泥砂漿→雙液注漿(或單液注漿)→補償壓密注漿。

③注漿工藝在實際注漿施工操作中應靈活選用,每種工藝(如灌砂,單、雙液注漿)根據注漿情況可能多次間隔反復使用,以達到既滿足質量要求又節約注漿材料的目的。

④注漿終孔結束標準

流量控制：注漿孔口壓力維持在0.2～0.5 MPa,吸漿量不大于40 L/min,維持30 min；

壓力控制：注漿鉆孔基巖完整,或多次注漿,孔口壓力超過1.5 MPa時；

范圍控制：冒漿點已出注漿范圍外3～5 m時；

漿量控制：單孔注漿量達到平均注漿量1.5～2.0倍,且進漿量明顯減少時,當達不到上述結束標準時,應清孔再次注漿。

⑤封孔：注漿結束拔出套管后,用M7.5號水泥砂漿封孔,封孔時必須邊灌邊插搗,確保孔內密實。嚴禁不封孔或假封孔,以致人為形成豎向水力通道,加重路基巖溶病害。

注漿施工工藝施工流程見圖6。

圖6 灌漿施工工藝

5.3 施工注意事項

(1)進行不同水灰比的小樣配比試驗,確定0.8∶1～1∶1的材料用量,便于施工工藝控制。

(2)施工時因受水文地質條件的影響,應及時調整漿液配比。

(3)注漿過程中嚴格按照試驗配比控制水泥漿比例,避免對注漿質量產生影響。

(4)針對地下溶洞,嚴格執行先探后施工的原則。

(5)施工過程中必須對含有巖溶水的溶洞進行填充與壓漿處理,隔斷地下巖溶水的水力聯系,避免溶洞中的巖溶水與周邊建筑物下部的巖溶水形成連通,從而因基坑降水導致坑外建筑物的地基沉降,進而導致建筑物的破壞,引發地質災害。

6 結語

溶洞問題一直是困擾工程建設的重大問題,尤其對深基坑穩定性有著重大影響,溶洞處理的精髓在于探灌結合,只有對溶洞分布形態、發育規律作出準確預測,宏觀把握整個施工場區巖溶情況,才能采取針對、有效的處理措施。

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