巖溶強發育地質條件下溶洞預處理技術應用

黎光軍 ，黃開明 （內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010）

1 工程概況

在溶洞不良地質條件施工時，出于安全質量方面的考慮，在地基與基礎施工過程中需要進行溶洞處理措施，選擇一套既有利于地基基礎施工的安全質量，又可控制施工成本的處理措施是項目實施的重難點。本文以廣州市白云區石井鎮溶洞區域的一個典型項目為例，來介紹分析溶洞預處理施工技術在地基與基礎施工中的應用。

石豐路保障性住房建筑產業化項目施工總承包（標段二）項目位于廣州市白云區石井鎮石豐路地段，項目由5棟高層住宅、配套裙樓、2層地下室組成。項目總建筑面積約128838.1m2，其中地下室38983.1m2。塔樓結構形式為剪力墻結構，層數為31層/32層，最高建筑高度94.9m，基礎形式為樁筏基礎，樁為沖孔灌注樁，共有663根樁，樁身混凝土等級為C30，樁型為端承樁，樁端支承巖為微風化石灰巖、微風化砂巖或礫巖，樁端嵌入持力層0.5m～1m。采用的樁徑D為0.8m、1.0m、1.2m，部分工程樁兼作抗拔樁，共分成5種樁型。

項目效果圖及樁基礎平面布置圖如下。

2 項目地質情況

2.1 不良地質情況

根據《石豐路保障性住房項目（1區）超前鉆勘察報告》：本場地下伏基巖為灰巖，主要的主要不良地質為巖溶，640個超前鉆孔中有292個鉆孔發育有溶洞，部分鉆孔發育有二層及其以上的溶洞，根據超前鉆報告統計，共有505個溶洞，巖溶見洞隙率為45.6%，線巖溶率=28.8%（溶洞隙長度/可溶巖長度×100%），溶洞洞高0.10～21.50m，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）第6.6.2條表6.6.2，場地巖溶發育程度為巖溶強發育。

根據《石豐路保障性住房項目（1區）超前鉆勘察報告》，所探明的溶洞頂部的土層普遍為：雜填土、粉質粘土、中粗砂、中風化巖/微風化巖。

2.2 溶洞統計表

根據《石豐路保障性住房項目（1區）超前鉆勘察報告》，所探明的溶洞總數為292個鉆孔，其溶洞頂部的土層普遍為：雜填土、粉質粘土、中粗砂、中風化巖/微風化巖。根據鉆孔柱狀圖，對每個溶洞的頂部距離底板結構的厚度進行數據分析如下表。

序號 厚度 個數占溶洞總數（292個）的百分比 備注1 5m及以下 29 10.0% 最小為0.09m 2 5～10m 207 70.9% /3 10～15m 53 18.1% /4 15m及以上 3 1% 最大為20.01m 5平均值為：8.0m。6眾數為：5m～7m區間。

根據溶洞頂部的土層情況，溶洞主要依靠溶洞頂部的中風化/微風化巖層結構進行受力。我們把溶洞頂部承受上部荷載的中風化/微風化巖層結構定義成“殼體”。

根據鉆孔柱狀圖，對每個溶洞的殼體厚度進行數據分析如下表。

序號 厚度 個數 占溶洞總數（292個）的百分比 備注1 0.5m及以下 112 38.4% 最小為0.1m 2 0.5～1m 51 17.5% /3 1～2m 60 20.5% /4 2～3m 30 10.3% /5 3m及以上 39 13.3% 最大為6.4m 6平均值為：1.36m。7眾數為：0.1～0.5m區間。

2.3 溶洞分布圖

根據《石豐路保障性住房項目（1區）超前鉆勘察報告》，對每一個鉆孔是否存在溶洞的情況進行繪制溶洞分布圖，如下圖示。

溶洞分布圖

2.4 溶洞分類

通過對溶洞內是否存在填充物、填充物的填充量、溶洞的豎向分布狀態，將溶洞分為以下4種類型：全充填溶洞、半充填溶洞、無充填溶洞、串珠狀溶洞。

有充填物的溶洞，其主要充填物為流塑性/軟塑性粉質粘土及砂粒。

全充填溶洞

半充填溶洞

無充填溶洞

串珠狀溶洞

3 溶洞預處理設計方案

3.1 溶洞對地基與基礎施工的影響

3.1.1 影響施工安全

溶洞體量大，局部為空洞，溶洞埋深淺，工程樁施工現場需用大量的大型機械，施工頻繁行走、重壓及震動可能會造成地下大型溶洞的坍塌。

3.1.2 影響工程樁施工安全

工程樁施工過程中，采用泥漿護壁成孔，若遇地下溶洞，當穿破洞頂時可能會因水位等水文地質條件改變而引起地面塌陷、地面整體下沉陷機等安全事故。

溶洞塌陷示意圖（擊穿溶洞前）

溶洞塌陷示意圖（擊穿溶洞后）

3.1.3 影響基坑支護結構安全性

根據超前鉆報告，存在部分溶洞與支護結構串通的現象，降低基坑支護的抗水平荷載能力，影響基坑支護安全性。

3.1.4 影響工程樁施工質量

工程樁施工過程中，因為溶洞的巖溶裂隙緩慢漏漿，導致混凝土膠凝材料流失影響樁身質量。在工程樁澆筑過程中，因為混凝土自重荷載過大，擠壓沖破溶洞外壁，導致混凝土流向溶洞，造成樁頂標高不足，影響樁身質量。

3.1.5 溶洞危害工程案例

3.2 溶洞預處理優點

溶洞預處理意思為在地基與基礎實體結構施工前，對溶洞進行預處理，處理方法為采用具有一定強度的填充物對溶洞進行填充。

溶洞危害工程案例

溶洞危害工程案例

溶洞危害工程案例

對于樁筏基礎，地基承載力主要由工程樁進行荷載傳遞，溶洞預處理的填充材料起不到承受荷載的實際作用，填充材料主要作用為填充溶洞空腔，封堵溶洞裂隙防止漏漿。

通過溶洞預處理，填充溶洞空腔，防止溶洞上部受壓過大，使溶洞頂部巖層壓垮影響施工安全。通過溶洞預處理，封堵溶洞裂隙，防止漏漿引起泥漿護壁塌孔以及防止工程樁混凝土澆筑后漏漿。

3.3 溶洞預處理設計方案

通過項目部各單位探討，最終確定了溶洞預處理設計方案，設計方案總則為：

①根據超前鉆報告，經設計復核，滿足樁底持力層厚度以下的溶洞不需要處理；

②根據超前鉆報告，對于全填充的溶（土）洞可不需處理；

③根據超前鉆報告，洞高大于或等于3m或空腹高度大于2m的溶洞需要進行灌砂、灌砂漿或素混凝土等預處理；

④根據超前鉆報告，洞高大于1m且小于3m或空腹高度大于1m且小于等于2m的溶洞采用注漿處理；

⑤在施工過程中，遇到不需處理的溶洞或者未探明的溶洞，進行拋填粘土、片石的方式處理；

⑥在基坑土方開挖前進行溶洞預處理及工程樁施工。

溶洞預處理僅在工程樁位置設置灌注孔，灌注孔的設置原則如下：

①采用注漿法時，在樁身一周設置3個注漿孔，鉆孔開口孔徑不宜小于110，終孔口徑不宜小于90mm；

②采用灌注砂/砂漿/混凝土時，在樁身一周設置3個注漿孔，樁中心設置1個排氣孔，鉆孔開口孔徑不宜小于150，終孔口徑不宜小于110mm。

其余設計參數通過現場試驗進行確定。

4 BIM技術應用

4.1 建模步驟

Revit場地命令建溶洞模型是以超前鉆數據中溶洞頂高程和溶洞底高程分別建立2個同一原點的地表模型，完成后兩模型鏈接一起，形成溶洞三維模型，具體步驟如下。

①處理超前鉆數據。將超前鉆鉆孔數據按溶洞頂高程和溶洞底高程分成2個表格，對于一個鉆孔探出多個溶洞的，我們先假設其為單個溶洞，僅保留最頂溶洞頂高程和最底溶洞底高程，并計算所有溶洞的平均高程，形成包含坐標和高程的txt文件。

②以場地命令分別繪制溶洞上下表面模型。依次按照鉆孔位置輸入高程點，亦可以導入txt文件快速建立模型。為了使溶洞模型更貼近其真實形態，其中無溶洞鉆孔一律以溶洞平均高程為高程點輸入。建模前注意保證2個模型的原點一致。

建立溶洞表面模型

③以原點對原點方式鏈接2個模型，形成溶洞模型。

溶洞模型立面

溶洞與樁基及底板三維效果圖

溶洞內部透視圖

④建立樁基和防水底板的結構模型，與溶洞模型鏈接，注意相對標高與絕對高程的轉換。

4.2 BIM模型輔助估算溶洞體積

4.2.1 模型計算溶洞體積方法

分別對溶洞上表面和下表面2個模型在相同的區域范圍內做建筑地坪，建筑地坪范圍要囊括所有溶洞區域，深度要在在溶洞最低點下方。輔以平整區域、明細表命令分別計算挖方量（Revit計算挖填方量的步驟可參考相關網絡學習資料）。

式中：V——溶洞模型體積；

V1——上表面挖方量；

V2——下表面挖方量。

4.2.2 估算溶洞體積

如果鉆孔均只探出一個溶洞，那么通過模型計算的溶洞體積是很接近實際體積的，但實際上存在很多一孔多洞的情況。因此，我們要對模型計算的溶洞體積修正，因溶洞在地下的發展情況不可預測，根據有限的勘探數據，擬定以溶洞之間土層厚度占溶洞區域總厚度的比值，進行扣減修正。

扣減系數計算示意圖

扣減系數：i=∑h/∑H

式中：i——扣減系數；

∑h——所有超前鉆鉆孔中溶洞之間土層厚度總和，一孔一洞的可不計；

∑H——所有超前鉆鉆孔最頂溶洞頂到最底溶洞底距離總和。

溶洞估算體積：Ve=V×(1-i)

經計算，溶洞體積如下表2所示。

溶洞體積估算值能相對準確的反映溶洞的體量，不僅能再優化細化工期進度，還可以測算溶洞處理的成本費用，讓溶洞處理“不可控”變成“可控”。

4.3 BIM模型綜合模擬讓溶洞處理方案明朗化

在溶洞模型尚未建立前，對溶洞的相對形狀、分布以及與樁基底板的位置關系均無清晰明確的認識，底板與大體積溶洞的相對位置關系不明確，選擇處理方案也不確定，生產投入和計劃安排等均要隨方案調整。

通過溶洞模型很顯然可以看出，溶洞體量大、溶洞埋深淺，即便按設計最長樁長15m，尚有很多樁樁端處于溶洞層，不論是大開挖后打樁，還是直接在原土層上打樁，均無法滿足施工安全和樁基施工質量，必須先對溶洞進行處理。

表2

溶洞豎向分布圖

溶洞與樁基、底板豎向位置關系圖

正是通過溶洞模型鏈接樁基及底板模型，直觀展示溶洞與結構的豎向位置關系，最終確定了在大開挖前對已經探明的溶洞預先鉆孔注漿的處理方案。

5 溶洞預處理效果現場試驗過程

5.1 灌砂法試驗

根據業主下發施工圖紙，對溶洞預處理對溶洞洞高大于或者等于3m或空腹高度大于2m的溶洞需要進行灌砂、灌砂漿或素水泥漿預處理。項目部根據圖紙要對，先對上述溶洞類型進行灌砂試驗。

灌砂試驗中，灌入量不足1m3。換試驗點試驗后結果依舊失敗。溶洞灌砂法預處理方法不可行。

5.2 泵送砂漿試驗

在進行灌砂法試驗不成功以后，項目繼續對洞高較大的半、無充填溶洞進行泵送水泥砂漿法預處理。為了增加試驗的成功幾率，試驗選用了流動性較大的M10砂漿俗稱“潤管砂漿”。

泵送砂漿試驗

此次泵送砂漿試驗中：對一個洞高為3m的無充填溶洞僅泵送了1.5m3水泥砂漿后，便開始出現地面翻漿、無法繼續灌漿。換試驗點試驗后結果仍不能達到預期效果。

5.3 泵送水泥漿

經過多次進行灌砂法、泵送水泥砂漿法試驗的經驗總結。我單位最終選用了灌注水泥砂漿的方法進行溶洞預處理。水泥漿水灰比為先注漿時先稀（水灰比0.8～1.0）、后濃（水灰比 0.5～0.6）。

5.4 雙液漿配合比試驗

由于項目地處巖溶強發育的溶洞地帶，在進行水泥漿注漿的過程中，可能會出現灌注的素水泥漿方量不可控的情況。在單孔素水泥漿灌注到20m3時開始加入水玻璃進行封堵。在通過現場多種配合比試驗以后，最終確定水玻璃與素水泥漿的配合比為雙液漿的最佳配合比（體積比）為水玻璃（16波美度）∶水泥漿（水灰比為0.7）等于1∶14。

配合比調試過程

6 施工過程控制

6.1 布孔形式

對需要進行注水泥漿預處理溶洞采用花管注漿，花管的分布形式如下圖。

6.2 機械選擇

鉆機采用XY-100型鉆機，注漿孔用110～150mm鉆頭泥漿護壁鉆進，一邊施工一邊根據芯樣判定溶洞變化趨勢，并且做好鉆孔施工記錄。

6.3 花管安裝

鉆孔后安裝花管，導管進入溶洞底以上0.3～0.5m或進入溶洞頂板以下0.3～0.5m，并高出地表面約50cm，防止導管掉入孔內，在地面上用管卡卡住豎向注漿管，并將管口與地泵輸送管連接。

6.4 注漿壓力

注漿材料為素水泥漿，水泥采用R32.5普通硅酸鹽水泥，注漿時先稀（水灰比0.8～1.0）、后濃（水灰比0.5～0.6），以濃漿為主，注漿壓力 0.5MPa，直至灌注至注漿壓力，穩壓30min。

6.5 雙液漿注漿要求

注漿管地面接頭采用雙進單出口形式接頭，單液注漿時關掉其中一個接頭開關，雙液注漿時則2個打開。注漿壓力2.0～3.0MPa，雙液注漿時2個接頭注漿壓力一致，達到注漿壓力時，關掉水玻璃接頭開關，改成單液注素水泥漿，穩壓30min。

7 溶洞預處理效果

通過溶洞預處理效果檢測，從已經經過預處理的樁位抽取5%進行鉆芯檢測，通過檢測芯樣顯示，原有溶洞空腔已被填充物填充，采芯率達到85%，預處理施工效果明顯。

項目通過先進行了溶洞預處理，然后進行工程樁施工，經過預處理的工程樁施工記錄，施工過程中避免了溶洞漏漿的情況，并且工程樁充盈系數明顯降低。

8 總結

項目通過對溶洞進行了溶洞預處理，進行了溶洞空腔填充以及溶洞縫隙封堵，避免了溶洞漏漿塌孔的安全質量隱患。注漿孔/灌注孔設置在樁身范圍內，目的為加強樁身的注漿效果，為工程樁施工過程中的泥漿護壁形成可靠的保障。對注漿/灌注方量的控制，以及注漿時間的間隔控制，有效減少注漿/灌注材料的流失，使施工成本可控。