喀斯特強發(fā)育地質(zhì)條件下的地基處理

祝東明 李志強 王 強

中鐵建工集團有限公司廣州分公司 廣東 廣州 511400

1 背景工程概況

廣州棠溪火車站地下工程屬于深基坑明挖結(jié)構，占地面積80 000 m2，土石方總量186萬 m3。據(jù)詳勘及地質(zhì)超前鉆揭露存在部分溶洞，局部地段軟土發(fā)育，工程地質(zhì)較差，且地表廣泛分布厚度不均的飽和粉細砂層。詳勘總共揭露溶洞133個，見洞率約57.87%，揭露2層以上溶洞的鉆孔36個，喀斯特發(fā)育程度為強發(fā)育。133個揭露溶洞中全填充溶洞26個，占全部溶洞的19.54%；半填充溶洞66個，占全部溶洞的49.62%；無填充溶洞41個，占全部溶洞的30.84%。平均洞高3.9 m，最高27.2 m，溶洞平均填充率63.4%。

2 喀斯特地基處理問題分析

1）背景工程溶洞屬于強發(fā)育狀態(tài)，有全填充、半填充、未填充等多種形態(tài)，且溶洞潛在量多達地層的50%以上，處理工程量大。其中，較大溶洞以及串珠狀溶洞無法有效預揭露，處理方式的選擇制約著工程進展的速度，并決定著溶洞處理的經(jīng)濟造價。

2）較大溶洞以及串珠狀溶洞的范圍邊界不易確定，勘探和處理的難度大，其勘探的準確與否以及處理的效果極大地決定著后期地下連續(xù)墻及基礎等實體工程質(zhì)量的好壞。

3）在如此大規(guī)模的地下工程中，如何保證溶洞處理后效果檢驗的準確性并滿足工程進度要求，是一個需要考慮的重點問題。

3 喀斯特地基處理方法分析

3.1 喀斯特處理原則

在開始考慮喀斯特處理方法之初，制定喀斯特處理方案時，應主要遵循以下原則。

1）喀斯特處理應結(jié)合基礎結(jié)構（或筏板結(jié)構）、地下連續(xù)墻等圍護結(jié)構、主體結(jié)構的詳細特點，并應考慮施工期地下水位、地層的不透水層特性、涌水突泥風險等多方面因素。

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2）降低地基承載力、影響工程施工、影響施工機械設備使用以及影響工程實體安全的喀斯特均應納入到喀斯特處理的考慮范圍內(nèi)。

3）影響范圍內(nèi)的未填充、半填充和全填充溶洞，應根據(jù)填充物性質(zhì)、所處結(jié)構部位、地耐力和周邊環(huán)境等情況，制定具體的探邊、處理措施和效果驗證標準。

3.2 喀斯特處理范圍及方式

在滿足施工需求和地基承載力等設計要求的基礎上，應結(jié)合土層中是否有穩(wěn)定透水層及透水層厚度確定喀斯特處理范圍。一般情況下可參考以下標準執(zhí)行。

3.2.1 地下連續(xù)墻及基樁周邊溶洞

對地下連續(xù)墻及基樁周邊3 m以內(nèi)、底部5 m以上范圍內(nèi)的溶洞應進行處理。若地下連續(xù)墻及基樁周邊及底部為粉細砂、砂層或其他中/強透水層時，溶洞處理范圍應根據(jù)實際情況適當增大。

3.2.2 基坑內(nèi)溶洞

不管是初勘、詳勘，抑或是補勘發(fā)現(xiàn)的溶洞，都應處理；不管是大溶洞、小溶洞，還是半填充、全填充溶洞，均應全部處理。

1）對位于基坑底部以下的溶洞，當基坑底部為灰?guī)r地層時，若在中等-微風化灰?guī)r或穩(wěn)定隔水層周邊5 m范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)有高度不小于5 m的喀斯特，則應自基坑底部全部進行填充加固處理。

2）對位于基坑底部以上的溶洞，僅對影響地下連續(xù)墻和基樁施工的溶洞進行處理。對基坑開挖范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的高度不小于5 m的大型溶洞應進行填充處理，于淺層發(fā)現(xiàn)的喀斯特可不進行加固處理。有影響施工機械等安全施工的淺層溶洞時，可對地基進行換填處理。

3）對底板筏板下發(fā)現(xiàn)的串珠狀溶洞、溶蝕凹槽和破碎帶等特殊地質(zhì)，應根據(jù)其埋藏深度、地下水位情況綜合判斷是采用填充加固處理還是采用地基換填處理。

3.3 喀斯特處理方法

總體上可先采用加密鉆孔勘探和探邊確定溶洞大致范圍，再進行喀斯特處理。對于探邊施工，當探及大型溶洞，易引起地面塌陷風險時，應采取邊注漿加固邊探邊的處理方法。溶洞一般采用先成孔、后埋入注漿管，而后再注漿充填的處理方法。

基坑內(nèi)部應根據(jù)一定的探測密度隨機確定鉆孔，每100 m2范圍內(nèi)不宜小于5鉆。當發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大溶洞時，應繼續(xù)以3 m×2 m間距鉆孔探邊，直至找到溶洞邊界。

對地下連續(xù)墻等圍護結(jié)構和基樁周圍溶洞進行探測時，應根據(jù)其幾何規(guī)格確定。6 m幅寬的地下連續(xù)墻宜采用“一墻兩鉆”的探測密度，1 m樁徑的基礎宜采用“一樁一鉆”的探測密度。

對于地下連續(xù)墻，發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大溶洞時，因鄰近外部環(huán)境界限，地下連續(xù)墻外側(cè)2 m范圍內(nèi)應增鉆探邊孔及灌注速凝漿以封鎖溶洞邊界；地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)2 m范圍內(nèi)也應增鉆探邊孔，以3 m×2 m間距探邊，直至找到溶洞邊界。地下連續(xù)墻周圍溶洞探測如圖1所示。

圖1 地下連續(xù)墻周圍溶洞探測

溶洞可采用單種液漿（可為水泥砂漿或水泥漿等）進行注漿填充凝結(jié)處理，大溶洞（一般判別為高度≥5m）可先用低等級細石混凝土或者較高等級水泥砂漿注入，再采用高濃度水泥漿加壓注漿。對于處理時耗費大量注漿材料或注漿量不可控的規(guī)模較大的溶洞，以及地下連續(xù)墻和基樁范圍內(nèi)的較大溶洞，可先在安全限界鉆孔，采用水泥-水玻璃速凝漿控制邊界、封邊，減少注漿的范圍及注漿量。

對于探邊孔，注漿漿液可選用水泥-水玻璃雙液漿，配比建議為水泥∶水∶水玻璃＝1∶1.36∶0.3（質(zhì)量比），水玻璃模數(shù)為2.4～3.4，水泥宜采用42.5R級普通硅酸鹽水泥；對于其余孔，注漿漿液可選用水泥漿或細石混凝土，水泥漿液水灰比宜為0.8～1.2，水泥宜采用42.5R級普通硅酸鹽水泥，細石混凝土宜采用C20普通硅酸鹽混凝土[4]。

注入管道可采用PVC管（管身均勻鉆孔）。注入水泥漿時可選用φ48 mm×4.5 mm規(guī)格的PVC花管；注入水泥砂漿時則可采用φ200 mm×8 mm規(guī)格的PVC管（管身均勻鉆孔）。注漿管應進入喀斯特底部以下不小于0.5 m處。

注漿填充壓力需根據(jù)溶洞的填充密實情況動態(tài)調(diào)整。對于探邊孔，宜以“相對小壓力、多次數(shù)、較大量”控制，注漿壓力宜控制在0.6～0.8 MPa，注漿次數(shù)為3～4次；對于其余孔，注漿速度宜控制在40～60 L/min，注漿壓力宜控制在1.0 MPa內(nèi)，同時注漿壓力應逐步提高。

溶洞處理時需邊注漿邊摸查喀斯特的規(guī)模及驗證處理后的狀態(tài)。可根據(jù)注漿量及注漿孔所檢測到的喀斯特洞徑，初步估算溶洞的規(guī)模，而后再向周邊布設檢查孔驗證。

檢查孔除需注意驗證注漿填充狀況外，還需檢查溶洞的延展情況。若發(fā)現(xiàn)注漿不密實，則需利用檢查孔繼續(xù)填充注漿。

4 喀斯特處理重點及注意事項

應將基坑范圍內(nèi)，尤其是地下連續(xù)墻和基樁范圍內(nèi)的溶洞分布情況、邊界等摸查清楚，以保證地下連續(xù)墻和基樁的成墻、成樁質(zhì)量，減少成墻、成樁過程中處理溶洞的時間，提高施工效率。

施工過程中應提高鉆孔、成孔等機械設備對溶洞及坍孔的適應性，如加大機械設備底座支腿范圍，采取鉆機鉆頭防掉落措施等。

5 溶洞處理效果檢驗

溶洞處理后，主要是檢查溶洞的填充充盈情況及均勻程度。可考慮采用“再次壓密注漿”的方法檢查填充充盈情況，不容易注入則表明充盈情況良好，反之則不佳。均勻程度可采用標貫法測定，標貫值達到堅硬狀為優(yōu)，硬塑狀為合格。

對于一些規(guī)模較大的溶洞，宜以檢驗性鉆孔檢查填充注漿之后的“固結(jié)狀態(tài)”及“固結(jié)強度”。“固結(jié)狀態(tài)”可以按照土層取樣的方式進行。若樣品不破碎、成形、手捏不碎，則表明處理效果較好；若樣品松散、一捏即碎、呈碎塊狀，則表明處理效果不佳。“固結(jié)強度”可采用標貫法評定，標貫值達到堅硬狀為優(yōu)，硬塑狀為合格。檢驗性鉆孔不應少于注漿鉆孔總數(shù)的5%，且不少于3個孔，每孔加固塊取樣試件個數(shù)不少于3件，同時每個溶洞均應檢測一次。

6 結(jié)語

廣州棠溪火車站的地質(zhì)條件復雜，喀斯特強發(fā)育，溶洞見洞率高。在喀斯特先行勘察處理的基礎上，再展開大面積施工，其處理技術可行、經(jīng)濟合理。采用以上處理技術后，整個地下連續(xù)墻和樁基工程順利完成，在確保施工工期的同時，工程質(zhì)量得以保證，工程造價相應降低，為廣州棠溪火車站的順利建設提供了有力保障。本文論述了廣州棠溪火車站地區(qū)強發(fā)育喀斯特的處理方式與方法，可為今后類似的工程施工提供參考依據(jù)。