廣州白云機場指廊基礎工程溶土洞處理方法分析

周紅衛 周 游 齊從月 王火華 龔文韜 范國強 陳 楊

中建三局第三建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074

1 工程概況

1.1 工程建設概況

廣州白云機場指廊擴建工程項目位于T1航站樓與T2航站樓中間，指廊的建成將連通T1、T2航站樓，未來原T1和T2航站樓將連接成一個整體，組成白云機場第一航站區，施工完成后，白云機場將成為我國民航單體航站樓建筑面積最大的機場。本標段負責實施的T1、T2航站樓中間指廊部分的基礎工程，主要樁基礎類型為沖孔灌注樁。

1.2 工程地質概況

本場地上部第四系覆蓋土層主要有：第四系包括全新統和全新統、上更新統，其下缺失中更新統和下更新統。全新統由人工填土、海陸交互項淤泥土層組成，全新統、上更新統由沖積-洪積粉質黏土、砂層以及殘積土層組成。下伏基巖為白堊系百足山組粉砂巖、泥質粉砂巖等。基底巖石上存在豐富的地下水。

本工程樁施工所處位置為巖溶豐富區域，場地內存在土洞和溶洞。根據初期勘察報告顯示，指廊區域的69個轉孔中，共10孔揭露土洞，層厚3.00～12.40 m，平均厚度7.01 m，層頂埋深20.90～36.80 m（標高－21.63～－5.93 m），層底埋深28.20～42.20 m（標高－27.99～－13.54 m），主要為無填充土洞，土洞見洞率14.5%；共15孔揭露溶洞，層厚0.30～13.30 m，平均厚度3.32 m，層頂埋深23.70～46.60 m（標高－31.20～－9.29 m），層底埋深24.60～52.90 m（標高－37.20～－10.30 m），主要為無充填溶洞，溶洞見洞率21.7%。

1.3 溶土洞處理目的

由于場地上的土洞、溶洞尺寸較大，少數土洞埋藏較淺，土洞溶洞組合類型復雜，本標段在該場地環境下施工沖孔灌樁，沖孔產生的沖擊波極易導致樁孔坍孔，甚至導致場地發生局部塌陷。本標段距離航站樓T1、T2、停機坪較近，施工場地塌陷不僅造成機械損壞及人員傷亡，而且可能造成機場停機坪地面塌陷而影響機場運營[1-2]。因此提前對溶洞、土洞進行處理，保證樁基礎工程施工安全及質量。

2 溶洞、土洞情況

本標段通過超前鉆詳細勘察后，發現土洞接近400個，多以無充填、漏水、巖面漏水的為主。最大的土洞高度尺寸為19.3 m，無填充，有明顯漏水。

本標段發現溶洞接近1 000個，場地內3/4溶洞以半填充、填充物以黏性土的溶洞為主，有漏水。1/4的溶洞為無充填、漏水的溶洞。本標段溶洞形式包括單一溶洞/土洞，數個溶洞串洞，土洞與溶洞串洞，溶洞最大尺寸為20.9 m，洞內存在半填充的黏性土，有漏水現象。

在施工過程中，地勘資料未揭示有溶洞，但其相鄰樁揭示出中型以上溶洞的，或者在鉆機沖孔施工時出現了泥漿液面突降。

本標段依據超前鉆地質鉆探數據建立三維可視化模型，通過BIM軟件建立了溶洞、土洞可視化模型，對溶洞、土洞的大小、分布情況，溶洞、土洞邊緣位置進行初步估計，確定了溶洞、土洞處的填充物預估量，并保證了施工機具在溶洞、土洞施工過程的安全可控，達到了事前預判，事中把控的效果。

3 土洞、溶洞的預處理方法

對土洞、溶洞的預處理首先是避免地面坍塌，降低施工過程的安全風險。其次是改善溶洞、土洞區域的地基承載力，最后減少地下水對溶洞、土洞的影響。參考相關文獻及技術資料，溶洞、土洞預處理的方法有以下3種：采用材料回填法、鋼護筒法、壓力注漿法填充[3-6]。

本標段分別使用了材料回填法、鋼護筒法、壓力注漿法對場地內的溶洞、土洞進行了預處理。已經處理的最大的土洞為20.9 m，最小的土洞為19.3 m。土洞、溶洞的預處理原則為首先避免地面坍塌，降低施工過程的安全風險，其次是改善溶洞、土洞區域的地基承載力，最后減少地下水對溶洞、土洞的影響。

4 溶土洞處理方法及經濟性比較

4.1 回填法

4.1.1 使用范圍及施工方法

本標段的所有類型的土洞、溶洞采用回填法進行了處理。回填法施工時出現3種特殊情況：頂板較薄溶洞、大型溶洞和土洞、土洞和溶洞相互串聯。

1）頂板較薄的溶洞施工，首先沖孔至溶洞頂板頂0.5～1.0 m處，到達上述位置后完成1～2次輕錘，使溶洞頂板壁達到擊穿的臨界狀態，沖擊過程中，沖孔樁錘繩應保持收緊狀態，防止溶洞突然擊穿而引起掉錘。填充料分層填入樁孔，回填完成后以“小沖程、慢速沖擊”壓穿溶洞頂板。整個回填過程應觀察泥漿液面下降情況，當泥漿液面無下降時，樁孔進行重新成孔。

2）本標段的大型溶洞以半充填黏性土、漏水的溶洞為主，大型土洞多數是無充填、洞內漏水的土洞。上述大型溶洞、土洞處理首先應沖孔至土洞或溶洞頂0.5～1.0 m處，充料向樁孔內按一定的比例分層回填，并用沖擊錘頭“小沖程、慢速沖擊”將材料壓入洞內完成首次填充。若遇到溶洞頂板壁較厚的大型溶洞，溶洞頂板錘擊可以用“大沖程沖擊，慢速循環”，整個錘擊過程應將沖孔樁錘收緊，防止掉錘。整個回填過程應觀察泥漿液面下降情況，做好填充料補充與沖擊配合。填充料填入孔內應迅速壓密并堵住洞內漏水口，防止填充料經漏水孔流走。當泥漿液面無下降時，重新對樁孔進行成孔。

3）對于土洞、溶洞結合的類型，整根沖孔樁在預處理過程應調整樁錘下落垂直度，土洞內應填滿相應的填充料才能進行沖孔，嚴禁未填滿前開始進行溶洞錘擊。

多個串聯溶洞用沖擊鉆頭“大沖程、快速沖擊”，擊穿1個溶洞頂板巖層，填充完成1個溶洞。施工時若出現1次擊破2個溶洞，需及時做好填充料補充，防止坍孔。

4.1.2 填充材料

填充料的塊石、黏土和水泥的比例要根據土（溶）洞充填物種類及填充程度來具體確定。在本標段的鉆孔樁的施工中，經過施工總結，不同的土（溶）洞回填物的組成體積比如表1所示。

表1 溶洞土洞填充材料的混合比例

1）當土洞、溶洞為小型、半充填時（溶洞或土洞高度≤1 m），可采用拋填黏土＋片石的方式，重復充填交替進行填充，同時補充護壁泥漿。根據施工數據，土洞較小時最大拋填總量23 m3，最大拋填次數5次，最小拋填總量4 m3，最小拋填次數1次，平均拋填次數3次，每次拋入量平均值為4.6 m3，平均值為15 m3。根據數據XB019、XA124、XB217總拋入量超過平均值1.2～1.5倍，超前鉆柱狀圖中沒有上述3個樁位存在溶土洞，但XB019相鄰樁位XA024有7 m溶洞，XA212相鄰樁位XA124有10 m溶洞，XB127相鄰樁位XB220有10 m土洞、6 m溶洞。該樁位在施工過程中存在明顯的坍孔跡象，通過4～5次的片石回填有明顯的處理效果。超過3次改用拋填片石＋黏土＋水泥的方法施工。

2）中型土洞處理方案（1 m＜溶洞高度≤3 m的單層溶洞，漿面突降3 m以上）。根據已有數據，拋填總量最大值140 m3，最大拋填次數7次，最小值11.8 m3，最小拋填次數2次。平均拋填次數4次，拋填總量平均值為74 m3，每次拋填數量23 m3。XB050、XB069、XB026、XB083、XB128拋填總量超過平均值1.5～1.9倍，上述4個溶洞為半充填中粗砂，漏水溶洞，溶洞高度在1～2 m范圍內，但它們周圍4個樁位單孔均出現超過10 m的溶洞。在拋填次數較多的情況下，此類溶洞不應繼續采用黃土＋片石拋填的方式。

3）大型溶洞處理方案（3 m＜H≤10 m的單層溶洞或串珠狀溶洞，或漿面突降10 m以上）。根據已有數據，最大拋填次數9次，最大拋填總量875 m3，最小拋填總量109 m3，最小拋填次數5次。平均拋填次數7次，平均每次拋填80 m3，平均拋填總量435 m3。超過8次回填無效后選擇其他處理方式。超過平均填充量的樁XB126、XA054、XA020、XB059均存在超過10 m的超大溶洞或土洞，且相鄰樁位存在中型溶洞、土洞，類型主要為半填充或無填充的漏水溶洞，填充物以淤泥土為主。最大填充量的3個樁孔分別為XA100、XB224、XB206。通過實際數據，拋填次數在7次時，能有效處理溶土洞帶來的漏漿問題。

4.1.3 施工要點

施工現場溶洞、土洞數量多且類型復雜。在施工過程中，地勘資料未完全揭示溶洞而相鄰樁揭示出中型以上溶洞。此時采取處理措施時應結合三維可視化模型對周圍樁位的溶洞進行分析，從而選擇合適的填充料，達到精準把控的目的。

回填過程中，如果孔內小范圍的漏漿，首先應調整填充料配比，將水泥漿的比例略微增加；施工時可能擊穿相鄰溶洞頂板而出現中型或大型溶洞，以塊石、黏土、水泥7∶2∶1進行回填灌注。

如果孔內泥漿液面多次出現突降3 m以上，此類溶洞屬于漏水情況嚴重的溶洞，且與其他未探明的溶洞發生了串聯。此類情況的處理方法主要是水泥漿比例應調大，加快回填速度止住漏水口。整個預處理施工過程中容易出現卡鉆、掉鉆現象，回填錘擊過程應監視泥漿液面下降情況，全程控制好樁錘的沖程和松緊程度。

4.2 鋼護筒法主要處理對象范圍及施工要點

本標段鋼護筒主要用于土洞高度超過8 m，土洞離地面較近的情況，該方法適用于多個溶洞串洞的處理。

施工前，放置短鋼護筒對孔口護壁，短鋼護筒需比樁孔空間大50～80 cm，保證長護筒能有足夠的下放空間。沖孔后至土洞頂0.5 m處，下放長鋼護筒，長鋼護筒的直徑比樁徑大5～15 cm，同時下放。在土（溶）洞被打穿之前，先向孔內采用一定的比例填充料進行處理。此處理方法主要保證施工過程場地地面安全，防止沖孔過程場地塌陷。同時封堵土洞，防止土洞漏漿。

長護筒在制作過程中，鋼筒與鋼筒之間的焊縫必須堅固，成型質量較好，整個護筒的垂直度應嚴格控制。在鋼護筒下沉過程中，應嚴格控制其平面位置的偏差和垂直度。必要的話，可以根據現場的實際情況制作或拼裝1個導向架，否則，容易引起偏樁或斜孔。

4.3 壓力注漿法

4.3.1 主要處理對象及施工方法

壓力注漿法主要用于本標段對11個溶洞對拋填較難處理的靠近機場運營區域的15 m以上串珠狀溶洞及土洞、溶洞結合的類型。

1）采用在地面攪拌后灌注充填與壓密注漿相結合的方法。具體來說：對于無充填的溶洞，采用重力灌漿液配合壓密注漿的方法；對于半充填的溶洞，采用壓密注漿法。

2）在壓力注漿前，根據“外圍封邊＋內部填充”的原則，確定了土洞、溶洞的外圍邊界，以內以重力填灌漿，外部壓力注漿的方式處理。使用鉆孔及布置呈梅花形的鉆孔，孔徑100 mm，以2 m為擴大范圍尋找溶洞邊界，鉆孔至洞體底板圍巖（基巖至洞體底板，土洞至洞底以下0.5 m）。本次處理的土洞、溶洞結合的類型，采用PVC套管在中心孔填充，外側用PVC花管注漿，花管為在溶洞段每500 mm沿著管壁鉆開9個直徑為6 mm的孔。

3）注漿施工時，連續向溶洞、土洞內充填灌漿直至孔口冒漿為完成特征，由于PVC管較細，壓力灌漿的過程容易被溶洞內的碎巖等填充物堵塞，應在地面上設置3個沉降觀測點，發現地面出現輕微裂縫和抬升時作為拔升或停止灌漿的時刻。終灌標準：達到設計壓力2 MPa，注不進或相鄰孔冒漿、串漿為止，穩壓15 min后終灌。灌漿必須及時降低泵送壓力和注漿量。壓密注漿采用“間歇定量分序注漿法”進行，每孔每次定量注漿10～15 m3，間隔時間不少于12 h。壓密注漿壓力1.0～2.0 MPa。

4.3.2 注漿材料

重力填灌漿液為M15自拌水泥砂漿；壓力注漿的填充料中，主要為純水泥漿。壓力注漿材料主要用水灰比為1∶1的水泥漿。

根據壓力注漿數據，注漿液采用純水泥漿42.5R，水灰比1∶1，拋填總量最大值642 m3，最小值208 m3，平均注漿總量425 m3。試樁1、2、10灌注總量超過平均值1.2～1.5倍，上述4個溶洞為半充填中粗砂，漏水溶洞，溶洞高度在1～2 m范圍內，但它們周圍4個樁位單孔均出現超過10 m的溶洞。

4.4 處理效果的對比

本標段溶洞以半充填溶洞為主，無充填溶洞數量較多，但大多數溶洞漏水、串洞。溶洞處理的主要原則是保證充填材料能在溶洞內發生固結，并逐漸積累至風化巖面。本標段使用了3種溶洞、土洞的處理方法，經過處理后，樁孔內無明顯漏漿，沖孔樁二次清孔后沉渣質量合格。回填法將水泥、膨潤土、片石灌入溶洞、土洞，既堵住洞內流通缺口，又保證了材料在溶洞內快速形成強度，與地下巖面共同受力，不出現軟弱夾層，增加了地基承載力。特別是無填充且頂板較薄的溶洞使用回填法，相比于壓力注漿法，其施工效果較好，處理時間較短，填充材料的成本較低。

鋼護筒法處理相比其他2種處理方式而言更適合尺寸較大且離地面較近的土洞。由于土洞距離地面較近，設置鋼護筒的方式可以明顯防止因沖擊破壞造成土洞大面積坍塌，同時鋼護筒離地面較近，提高了護筒的回收率。深層的溶洞、土洞若使用鋼護筒法，其處理時間較長，需要嚴格把控鋼護筒接頭焊接質量及鋼護筒垂直度。

半填充溶洞采用普通壓力注漿＋灌注注漿技術的方式確實能起到快速凝結，高效填充及增強承載力的作用，且預處理工作結束后才開始進行沖孔樁基施工，保證了場地的安全。本標段的漏水溶洞的數量較多，溶洞形式復雜，開注漿孔確定溶洞邊緣時間較長，邊緣難以確定，在壓力注漿下填充漿液在地下多個溶洞內串流，造成漿液的浪費。溶洞上下串洞數量較多，若因大面積地布置注漿鉆孔口，導致串洞連通，該技術將加重溶洞處理難度，加長溶洞處理過程。

5 結語

廣州白云國際機場指廊區域樁基礎施工發現了大量的溶洞、土洞。本標段使用了回填法、鋼護筒、壓力注漿處理方法對溶洞、土洞進行了處理。

對比3種方法處理后的效果發現，回填法對處理各種類型的溶洞、土洞，整個處理過程工藝簡便、施工成本合理。本標段使用回填物比例和充填次數能有效地處理溶洞、土洞，該施工經驗可給類似存在溶土洞發育地區的施工提供參考。

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