廣清城際鐵路清遠站商業開發項目巖溶發育特征及工程措施

萬小樂

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

目前，多采用物探與鉆探相結合的方法進行巖溶地質勘察[4]。王喜遷等利用高密度電法，對土洞、溶洞等進行探測，取得了較好的結果[5]。唐毅結合南廣鐵路實例，研究了電測深法在巖溶探測中的測試效果，認為其測試結果可為巖溶處理提供依據[6]。但物探技術對于深部巖溶地質性狀的探測具有局限性：當建筑采用樁基礎時，物探無法準確查明樁基礎持力層的詳細地質信息，會給后續的鉆探工作帶來偏差。此外，巖溶區的樁基設計往往機械套用規范公式，缺乏與實際地質情況的聯系，導致設計結果存在風險或者過于保守。因此，以下將通過在擬建場地的巖溶地質施工勘察，對覆蓋型巖溶區的施工勘察布孔、巖溶發育程度分區、樁基選型、嵌巖樁入巖深度和巖溶樁基施工措施等問題進行分析和總結。

2 工程及工程地質概況

2.1 工程概況

擬建工程位于廣東省清遠市清城區，分布于在建廣清城際清遠站東西兩側，包括地上商業中心、地下停車庫、站前廣場、地面停車場、出租車場站、公交首末站及綠化景觀等工程。本項目總用地面積為49 986 m2，總建筑面積為96 958 m2，建筑高度24 m，分為A、B 兩棟建筑，均采用框架結構體系。

2.2 工程地質概況

工程場地位于清遠沖積平原區，地形整體平坦開闊，起伏較小，除正在施工的清遠站基坑底面高程為10 m左右外，其它地段地面高程為13.8～17.7 m。

工程場地上覆第四系沖洪積地層；下伏泥盆系上統粉砂巖、炭質頁巖、炭質灰巖。巖層傾向為290°～240°，傾角為8°～15°或接近水平。根據區域地質資料與鉆孔揭露情況，擬建工程場地未見斷裂等地質構造(典型地質剖面見圖1)。選用微風化炭質灰巖層作為樁基持力層，該巖層為隱晶質結構，中厚層狀構造，節理裂隙較發育，巖質堅硬。根據巖石試驗結果，微風化炭質灰巖飽和單軸抗壓強度最小值為7.12 MPa，最大值為54.83 MPa，平均值為27.99 MPa；干燥單軸抗壓強度最小值為14.6 MPa，最大值為58.9 MPa，平均值為36.6 MPa。

圖1 工程場地典型地質剖面

受施工活動影響，擬建工程場地幾乎未見地表水，僅局部區域見殘留水塘痕跡。

工程場地范圍內地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和巖溶水。松散巖類孔隙水以第四系孔隙潛水為主，主要賦存于第四系沖洪積層砂類土層中，以地表水、大氣降水補給為主，具有明顯的季節變化特征。巖溶水主要賦存于泥盆系天子嶺組炭質灰巖地層中，以接受大氣降水和地表入滲補給為主，少量來自相鄰含水層側向、垂直補給，水量較豐富。

(1)a.is obviously used between strangers,while(1)b.is colloquial and is often heard between intimate friends.

勘察期間，測得地下水穩定水位埋深1.2～2.6 m(高程為7.2～15.8 m)，根據地區水文地質資料，場地地下水穩定水位變化幅度可按1～2 m考慮。

3 巖溶發育特征

3.1 施工勘察布孔原則

圖2 超前鉆布孔原則

根據詳勘掌握的擬建工程場地巖溶發育情況，場地巖溶為弱-中等發育，主要分布在場地東北及西北，其表現形式以溶洞為主。施工勘察布孔如圖2所示。根據詳勘成果，將場地初步劃分為摩擦樁區域和嵌巖樁區域。摩擦樁區域內的每個樁基承臺范圍內至少布置1個鉆孔，如圖2中承臺P-B19；嵌巖樁區域則執行每個承臺一樁一孔的布孔原則，如圖2中承臺P-4；對于摩擦樁區域與嵌巖樁區域交界處，由于基巖面起伏較大，故鉆孔應加密布置。

鉆孔應深入穩定微風化基巖面以下不小于5 m，若遇溶洞，應繼續加深直至進入相對穩定巖層5 m以上。此外，對于摩擦樁和嵌巖樁區域交界處的承臺，由于附近基巖面起伏較大，地質條件復雜，鉆孔應加深至穩定基巖面以下8～10 m。

3.2 巖溶發育情況

根據工程前期的現場地質調查，擬建場區內地表并未發現有巖溶塌陷、洼地、漏斗等現象發育；根據詳勘的鉆探成果，場地內泥盆系天子嶺組炭質灰巖中節理、裂隙較為發育，存在有呈隱伏形態的溶隙和溶洞發育(部分溶洞分布統計情況見表1)。

表1 溶洞分布情況(部分) m

注：編號XKZJ為詳勘孔。

本次完成的詳勘孔和超前鉆共計659孔，其中揭露溶洞鉆孔為63個，見洞率為9.56%。在平面發育特征方面，鉆孔揭露溶洞頂板埋深10.8～35.8 m，底板埋深9.1～38.4 m。場地內部分地區基巖面起伏較大，相鄰鉆孔基巖面最大高差可達26.5 m，總體呈現出蝶形的隱伏巖溶洼地地貌。這種基巖面形態主要有兩類成因：①場地內部分灰巖巖體較破碎，節理裂隙相互貫通交叉，隨著地下水溶蝕的擴大和加深，最終發展形成。②溶洞頂板崩塌形成。在垂直發育特征發面，對揭露溶洞的63個鉆孔進行分析，揭露單層溶洞的鉆孔有31個，揭露串珠狀溶洞的鉆孔有32個，單孔揭露最多溶洞個數為4個。溶洞多數無充填，少數為半充填和全充填，充填物一般為流-軟塑粉質黏土及淤泥質土等。根據工程地質手冊中對巖溶發育程度的劃分[8]，該場地內的巖溶發育程度為微-中等。

3.3 場地巖溶發育程度分區

根據鉆探揭露出的場地巖溶發育情況，場地分區如圖3所示，各區域內巖溶發育特征見表2。

圖3 場地巖溶分區

區號布置鉆孔/個見洞孔數/個線巖溶率/%最多溶洞層數/層基巖埋深/m溶洞高度/m頂板厚度/mⅠ190395.5339.1～42.80.9～6.20.4～3.9Ⅱ21530.0419.8～33.90.7～1.50～0.5Ⅲ271415.2149.2～58.81.8～15.70.1～9.2Ⅳ22770.08116.1～470.3～3.80.4～5.6

(1)對于Ⅱ區和Ⅳ區，只有零星的鉆孔揭露有溶洞發育，鉆孔線巖溶率低于1%，溶洞均為單個出現，洞體較小，為巖溶弱發育。區內灰巖為中厚層狀，構造不發育，覆蓋層較厚，屬于巖溶發育的穩定區，地基的整體穩定性較好，僅需對有溶洞的區域進行處理并加強監測預防即可。

(2)而對于Ⅰ區和Ⅲ區，鉆孔線巖溶率較高(尤其是Ⅲ區更是達到了15.21%)，且揭露出的溶洞很多都呈串珠狀形態。其中，Ⅰ區揭露串珠狀溶洞的鉆孔有16個，溶洞最多層數為3層；Ⅲ區揭露串珠狀溶洞的鉆孔有14個，溶洞最多層數為4層，溶洞之間存在連通的可能性，且多數為無充填，表明Ⅰ區和Ⅲ區巖溶發育程度為強發育，地基的整體穩定性較差，屬于巖溶不穩定區域，需采取合適的方法對巖溶進行專門處理。

4 工程措施

場地覆蓋層較厚(10～15 m)，部分區域分布有軟塑狀淤泥質粉質黏土，工程性質較差，下伏泥盆系上統粉砂巖、炭質頁巖、炭質灰巖等，地層層序較多，厚度分布差異大，均勻性較差，場地巖溶為弱-中等發育，故建筑區域宜采用樁基礎形式。

4.1 樁基選型

為確定基樁類型，對詳勘和施工勘察成果數據進行整理與分析，繪制場地微風化基巖面高程等值線(見圖4)。

圖4 擬建場地基巖標高等值線(單位：m)

由圖4可知，場區微風化灰巖基巖面起伏較大(高程從-40～10 m)。基巖面埋深較大處為擬建場地的西北和東北部分，該區域基巖埋深普遍在30 m以上，增加了嵌巖樁的施工難度。此外，場區范圍內樁基持力層之上分布著較厚的全風化粉砂巖、頁巖和中風化灰巖層。這些巖層的工程性質較好，能提供較大的端阻力和側摩阻力，若選用嵌巖樁則會造成承載力的浪費，故該區域的樁基可選用摩擦樁。而對于擬建場地內基巖埋深不大的其他區域(比如場地的西南和東南區域)，微風化基巖面的高程基本處于-5～5 m，基樁一般只需要施工6～15 m即可嵌入穩定巖層內，故該區域內的基樁可選用嵌巖樁。

4.2 嵌巖深度

本工程建筑基礎采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為800 mm，單樁承載力特征值為3 000 kN。根據樁基相關規范，當根據巖石單軸抗壓強度確定單樁豎向極限承載力標準值時，可按下列公式計算[9]

Quk=Qsk+Qrk(1)

Quk=u∑qsikli(2)

Qrk=ζrfrkAp(3)

式中Qsk、Qrk——分別為土的總極限側阻力、嵌巖段總極限阻力；

qsik——樁周第i層土的極限側阻力；

frk——巖石飽和單軸抗壓強度標準值；

ζr——嵌巖段側阻和端阻綜合系數。

根據巖土勘察原位試驗和室內試驗，場區內主要土層的巖土參數值如表3所示。

經計算，嵌巖深徑比hdr為1.5，即嵌巖深度為1.2 m時承載力可以滿足設計要求，但這一嵌巖深度只適用于同一承臺下基巖面起伏不大的情況。對于同一承臺下基巖起伏較大的基樁，應考慮同一承臺下基樁受力的均勻性，可以將各基樁長度設計為等長(見圖5)。

表3 主要土層巖土參數值

圖5 基樁嵌巖深度示意

4.3 樁基施工措施

①對于較小的巖溶洞隙，可采用鑲補、嵌塞或梁板拱跨越等方法處理[10]。②對溶洞高度較大且會對樁基施工造成影響的洞穴，以拋填片石、黏土塊填充為主。③當同一基樁深度范圍內發育多層溶洞時，可采取自上而下的順序對溶洞依次進行回填處理[11]。回填法的具體步驟是：先鉆進到溶洞頂板上方，然后采用小沖程鉆機逐漸將頂板擊穿，之后按照少量多次的原則回填夯實，直至鉆孔能夠順利穿過溶洞且滿足強度要求，回填法施工如圖6所示。

圖6 回填法施工示意

在拋填片石黏土等措施難以成孔時，或者為避免鉆孔發生偏斜，可根據需要加長鋼護筒[12]。當溶洞巖體較為破碎，且洞內有軟塑狀黏性土等軟弱填充物時，可采用鉆孔灌注水泥砂漿、水泥漿等處理措施[13-16]。

5 結論

(1)根據巖溶發育情況將場地劃分為4個區域，Ⅱ區和Ⅳ區鉆孔線巖溶率低于1%，構造不發育，覆蓋層較厚，屬于巖溶穩定區；Ⅰ區和Ⅲ區鉆孔線巖溶率較高，溶洞多呈串珠狀發育，溶洞多數無充填，屬于巖溶不穩定區域。

(2)巖溶地區樁基選型、樁基嵌巖深度不能簡單地依據相關規范進行確定，而需結合施工勘察成果進行綜合分析確定。本工程中嵌巖樁入持力層1.5倍樁徑即可滿足承載力要求，但基巖面起伏大的地段需適當加深。

(3)樁基施工時溶洞的處理應根據實際工程地質條件以及巖溶發育特征等，因地制宜地選用合適的方法，主要包括回填法、鋼護筒跟進法、注漿法等。