高壓旋噴樁加固巖溶空洞軟弱地基施工技術*

楊燕中，商 治，宗 雷，楊 濤

(1．中鐵置業(廣州)有限公司，廣東 廣州 510540；2.西安工程大學城市規劃與市政工程學院，陜西 西安 710048)

0 引言

巖溶地貌是一種地質現象，危害性、處理難度較大，具有基巖不平整、土洞和溶洞分布復雜、地下水滲透、地基穩定性較差和承載力不足等問題。據統計，我國巖溶區面積約3.44×106m2[1]。巖溶發育地區地質災害頻繁發生，嚴重影響各類土建工程的安全，如福建龍巖石粉廠地基塌陷[2]、廣西吉利村房屋地基塌陷[3]及浙江黃衢高速公路路面塌陷[4]等。

高壓旋噴樁地基處理技術可改善土體應力狀態，在高壓噴射過程中，場地土體被高壓噴射流切削破壞，土體和水泥漿液在噴射壓力作用下攪拌混合，形成一種特殊的水泥-土骨架結構，以提高地基承載力。隨著城市建設的快速發展，高壓旋噴樁加固技術在軟弱地基處理、截水防滲、抗液化及基坑(邊坡)防護等方面被廣泛應用[5-7]，并形成系統的施工工藝[8-9]。劉澄赤等[10]采用MJS工法超長高壓旋噴樁加固上海瑞虹新城10號地塊超深土層，用以提高地基強度、剛度及滲透性能。安鵬等[11]采用有限元研究高壓旋噴樁對耳墻式橋臺的加固效果。朱德良等[12]采用高壓旋噴樁處理建筑垃圾雜填土地基，結果表明，高壓旋噴樁可顯著提高深厚建筑垃圾雜填土地基承載力。

國內學者針對高壓旋噴樁加固技術開展了大量研究工作，但關于高壓旋噴樁加固處理巖溶空洞軟弱地基，仍未形成較完整的施工指導理論[13-15]。

1 典型巖溶發育場地的地質環境條件

1.1 工程概況

工程擬建于廣州市白云區江高鎮，場地位于廣花公路西側，江府路以北約400m，主要由37，38，39，40號地塊組成(見圖1)。39號地塊位于項目東北部，紅線用地面積18 901.4m2，計劃建4棟高層住宅(高17，31層各2棟)、4棟1層商業樓，并配備1棟1層配電房。高層住宅采用剪力墻結構，估算荷載為300，500kN/m2。室外地坪設計標高為12.900m，工程對差異沉降敏感，工程重要性等級為二級。

圖1 擬建場地

根據鉆探及現場巖性鑒定，結合室內土工試驗及現場標準貫入試驗成果，鉆探深度內場地地層可劃分為人工填土層(Qml)、第四系沖洪積層(Qal+pl)及石炭系大理巖(C)。

場地分布的沖洪積中砂②2、粗砂②4、礫砂②6、礫砂②8為強透水層，水力性質為孔隙潛水，含水層分布穩定，總厚度較大，水量豐富，其補給來源為大氣降水及鄰區地下水的側向滲流；深部基巖為大理巖，巖溶極其發育，孔隙潛水與巖溶水聯系密切，水量豐富，其補給來源為上層地下水的越流補給。

1.2 巖土工程分析評價

1)場地適宜性 根據廣州市區域地質資料及區域穩定性相關資料，場地位于廣花盆地江村復向斜軸部，場地深部基巖為石炭系大理巖，場地及附近無全新活動性斷裂構造。詳細勘探結果顯示，土洞和溶洞見孔率為80.6%，遠高于評估報告反映的數值，部分地段洞體大，連通性好，不良地質作用強烈發育，存在巖溶塌陷等地質災害隱患，場地穩定性和場地適宜性均較差。

2)地下水影響 場地淺層地下水主要分布于第四系沖洪積中砂②2、粗砂②4、礫砂②6等土層中，水力性質為孔隙潛水～孔隙微承壓水，水量豐富，勘察期間水位標高約6.000m，年變化幅度1.00m。深層地下水主要分布于石炭系大理巖土洞、溶洞及溶蝕裂隙中，水力性質為巖溶承壓水，水量豐富，水位標高約5.000m，年變化幅度0.50m。

3)地震效應 根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》(2016年版)[16]，該項目場地抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第1組。使用單孔波速法(檢層法)對選定的3個鉆孔進行波速測試，得到場地20m深度范圍內的等效剪切波速分別為178，186，177m/s。據此可判斷場地土為中軟土，建筑場地類別為Ⅱ～Ⅲ 類。依據《建筑抗震設計規范》[16]和GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》[17]，場地地震動峰值加速度為(0.10～0.125)g，場地基本地震動加速度反應譜特征周期為0.35～0.45s，場地不良地質作用(巖溶)強烈發育，地震或地質環境改變時可能發生地陷等地質災害，屬建筑抗震危險地段。

4)地基 場地大部分地段分布雜填土，主要成分為黏土，含碎磚、碎石、混凝土塊等硬雜質，土質均勻性、工程性質較差，欠固結，具有高壓縮性。其下為沖洪積粗砂、礫砂與粉質黏土交互層，粗砂、礫砂層厚度較大，多為中密～密實狀。粉質黏土層厚度相對較小，多為可塑狀，淺部為可塑～硬塑狀，工程性質一般，深部近基巖部分地段分布含礫粉質黏土，硬塑狀，工程性質較好。第四系沖洪積粉質黏土及砂層工程性質一般～較好，地基均勻性一般，能滿足多層建筑物對地基強度及變形指標的要求。

場地深部巖層為石炭系大理巖，為可溶性巖石，土洞、溶洞發育較普遍，洞內多為浮泥充填，洞內巖溶地下水具有微承壓性，土洞和溶洞規模、埋深變化大，連通性好，穩定基巖巖面起伏較大。

綜上所述，場地深部基巖地基屬不均勻地基，存在巖溶塌陷等地質災害隱患，擬建高層住宅及重要建筑物分布地段須對土洞、溶洞進行特殊處理(深層地基處理)。

2 高壓旋噴固結體配合比設計及室內試驗

2.1 場地原狀土室內試驗

1)室內土工試驗參數統計

原狀土樣室內土工試驗結果如表1所示。

表1 原狀土樣試驗結果

2)原狀土樣掃描電鏡分析

原狀土樣掃描電鏡如圖2所示。由圖2可知，高倍數下土顆粒表面非常粗糙，呈層狀分布，整體性較差，受力后存在進一步分解的可能，低倍數下的宏觀表現為顆粒松散不密實。

圖2 掃描電鏡結果

2.2 高壓旋噴固結體配合比

本工程高壓旋噴樁的設計技術參數為：水泥漿液采用P·O42.5R級水泥；水灰比為1∶1；原狀土密度為1.865g/cm3；樁徑為800mm；不同養護條件下，高壓旋噴固結體28d無側限抗壓強度應≥2.5MPa。

為保證高壓旋噴樁復合地基施工質量，按照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設計規程》[18]，制作70.7mm×70.7mm×70.7mm高壓旋噴固結體試塊，其配合比如表2所示。

表2 高壓旋噴固結體配合比

2.3 高壓旋噴固結體無側限抗壓強度試驗

對高壓旋噴固結體進行無側限抗壓強度試驗，A，B，C，D組各進行6次，得到高壓旋噴固結體28d無側限抗壓平均強度分別為3.03，3.59，4.50，5.73MPa。同一養護條件，高壓旋噴固結體28d無側限抗壓強度隨每延米膠凝材料用量的增加而增大；同一每延米膠凝材料用量條件下，水中養護的高壓旋噴固結體28d無側限抗壓強度偏低。由此可知，高壓旋噴樁復合地基的加固設計與施工均需考慮地下水的影響，對依托工程39號地塊塔樓范圍土洞和溶洞進行處理時，選用每延米35%膠凝材料用量配合比設計。

2.4 高壓旋噴固結體掃描電鏡分析

采用掃描電鏡分析高壓旋噴固結體的微觀結構形態，C組試塊掃描電鏡結果如圖3所示。

圖3 C組試塊掃描電鏡結果

由圖3可知，高壓旋噴固結體顆粒間空隙較大，空隙數量較多且分布均勻，呈蜂窩狀，整體看起來不密實。顆粒間雖有很多空隙，但黏結較緊密。相比于原狀土，以不同膠凝材料用量調制的高壓旋噴固結體微觀結構更緊密，外部膠凝材料可增加原狀土結構表面細微顆粒和絲狀或網狀結構連接，起連接和膠結原狀土體的作用，且這種作用隨著水泥量的增多而愈發明顯。

3 高壓旋噴樁加固處理巖溶空洞軟弱地基施工技術

3.1 方案設計

本次軟弱地基僅處理塔樓底板及附近溶洞和土洞連通區域。39號地塊軟弱地基處理總體布置如圖4所示，剖面典型地質處理如圖5所示，單個孔位旋噴處理如圖6所示。

圖4 39號地塊軟弱地基總體布置

圖5 剖面典型地質處理

圖6 單個孔位旋噴處理

運用高壓旋噴技術處理巖溶空洞軟弱地基時，需注意以下內容：①施工前結合詳勘報告和設計圖紙，詳細查明并確定場地溶洞和土洞的分布情況；②施工高壓旋噴樁前應先用地質鉆機引孔并復核地層情況；③旋噴樁樁頂超過土洞或溶洞洞頂厚度應≥1.0m，樁底進入巖層深度應≥1.0m，樁底進入溶洞底應≥1.0m；④旋噴樁應結合引孔反饋的地層情況確定，施工中根據實際地質情況調整樁深；⑤先施工封閉圈，再施工封閉圈內，最后施工封閉圈外；⑥當引孔未發現土洞和溶洞時，該孔位無須進行旋噴加固處理；⑦若土洞和溶洞內有浮泥充填，旋噴加固處理時，應定噴直至洞內被水泥漿填滿，旋噴提升速度應≤10cm/min。

根據設計及質量控制要求，先進行塔樓周圍止水帷幕引孔，再進行塔樓區內引孔。止水帷幕引孔間距為0.6m，場地內砂層較厚，施工過程中可能出現穿孔或塌孔，因此間隔2個孔進行一序列引孔施工。止水帷幕第1序列引孔順序為Y1-Y4-Y7-Y10-Y13-Y16-Y19-Y22(見圖7)，第2序列為Y2-Y5-Y8-Y11-Y14-Y17-Y20-Y23，第3序列為Y3-Y6-Y9-Y12-Y15-Y18-Y21-Y24。止水帷幕引孔完成后，即可進行高壓旋噴樁施工，待止水帷幕封閉圈注漿處理完成后，進行塔樓區域注漿處理。

圖7 第1序列引孔順序

止水帷幕引孔和注漿施工的同時，可進行塔樓區域引孔。塔樓區域孔位按間距1.6m×1.6m布置，如圖8所示。先用地質鉆機進行陰影部分孔位引孔，按1，3，5，7的順序，間隔1個孔位；再用多功能鉆機進行其他孔位的引孔施工，這樣能更清楚地判斷場地內土洞和溶洞的發育情況。

圖8 塔樓區域孔位

引孔完成后，進行高壓旋噴注漿。根據引孔揭露的土洞和溶洞發育情況注漿，先處理土洞和溶洞埋深較大的孔，再處理淺孔，先處理土洞和溶洞發育空間較大的孔，再處理發育空間較小的孔，注漿也應隔孔跳注。旋噴注漿處理施工工藝流程如圖9所示。

圖9 旋噴注漿處理施工工藝流程

3.2 高壓旋噴樁施工

采用二重管法(簡稱“雙管”)進行高壓旋噴樁施工，注漿管同時將高壓水泥漿和空氣2種介質噴射流橫向噴射出，沖擊破壞待加固土體，在高壓水泥漿液和外圈環繞氣流的共同作用下，破壞土體的能量顯著增大，最終在土中形成較大固結體。加固處理具體施工步驟為：①設備檢查維修與調試；②鉆機就位鉆孔；③插管和試噴；④高壓旋噴注漿；⑤廢棄漿液處理；⑥沖洗機具；⑦移動旋噴機具至下一孔位。高壓旋噴樁加固地基如圖10所示。

圖10 高壓旋噴樁加固地基

3.3 加固處理效果檢驗

3.3.1水泥漿液固結體檢驗

高壓旋噴樁施工過程中，使用水泥漿液澆筑2組(每組15個)尺寸規格為70.7mm×70.7mm×70.7mm的水泥漿液固結體試塊，分別檢驗養護3，28d試塊的抗壓強度。15個養護3d試塊的抗壓強度值分別為17.09，17.56，18.25，14.78，16.54，17.89，19.23，19.71，16.83，13.97，19.04，14.80，18.88，16.77，18.69MPa，平均值為17.34MPa，變異系數為0.100；15個養護28d試塊的抗壓強度值分別為40.60，47.18，38.89，41.90，39.06，39.69，48.62，47.04，42.40，50.18，38.92，43.89，43.19，47.91，48.28MPa，平均值為43.85MPa，變異系數為0.092。由上述水泥漿液固結體抗壓強度試驗結果可知，水泥漿液質量滿足≥2.5MPa的設計要求。

3.3.2鉆孔取芯檢驗

對39號地塊地基處理關鍵區域進行鉆孔取芯，檢驗取芯率。取芯率是指累積完整取芯長度與鉆孔深度的比值，代表鉆芯的完整度。檢測取芯率的目的是檢查旋噴樁注漿處理后土洞和溶洞的處理效果、填充物填充情況、填充物密實度及鉆孔泥漿是否漏失。軟弱地基加固前后取芯率對比結果如表3所示。由表3可知，經高壓旋噴樁處理過的地基關鍵區域的取芯率明顯提高，土洞及溶洞發育加固區域的取芯率均>90%，說明經高壓旋噴樁加固處理后，地基的完整性、穩定性及連續性均顯著提高。

表3 加固前后取芯率對比

ZS112-1加固前后芯樣對比如圖11所示。由圖11可知，加固前芯樣松散、破碎、夾泥、完整性差；經高壓旋噴樁加固處理后，芯樣表面明顯可見水泥漿脈包裹，破碎巖塊與水泥漿液有效膠結，形成致密結石體，巖層連續性、完整性顯著增強。

圖11 ZS112-1加固前后芯樣對比

3.3.3土常規試驗檢驗

處理范圍內每100m2隨機選取1個點取樣進行土常規試驗，處理深度段每1.5～2.0m取1件土樣，每點≥6件，要求土樣壓縮模量≥4MPa。某代表性檢測點土常規試驗結果如表4所示。由表4可知，取樣點所有結果中壓縮模量最小為4.61MPa，均滿足設計壓縮模量≥4MPa的要求。

表4 土常規試驗結果

3.3.4物探勘察檢驗

通過高密度電法及地震映像法，大致查明巖溶空洞軟弱地基處理前后的地下土洞和溶洞分布情況，以了解巖溶空洞軟弱地基處理效果，為后續施工奠定基礎。

在場地近東西向(WE)布置12條測線，總長約4.386km；近南北向(NS)布置5條測線，總長約1.593km。按《江高建設用地巖溶勘探方案》的要求，采用中海達RTK(GPS)及GTS-330N型全站儀進行測線位置敷設，每隔20m放1個測量控制樁，其余測點用測繩敷設。

采用地震映像法得到WE12測線0～382段時間剖面，如圖12所示。剖面中T1波連續性好，與鉆孔揭露巖面基本一致；T2波位于T1波之上，T1波組上下出現弧形波組、波組紊亂和波組不連續等異常，推斷該段范圍巖溶發育，與鉆孔揭露情況較吻合，地震映像法推測的巖溶發育部位可能由單個溶洞或串珠狀、蜂窩狀溶洞及溶溝溶槽組合而成。

圖12 WE12(0～382段)測線時間剖面

根據高密度電阻率等線圖進行異常區分，將明顯的高低阻分界線劃分為覆蓋層與基巖面的界面，推斷等值線凹陷處或封閉的低阻異常處由巖溶或土洞引起。采用高密度電法得到的NS01線測量剖面如圖13所示，將NS01線30m深度附近的高、低阻分界線劃分為覆蓋層與基巖面的界限，將等值線凹陷處，如120～132，164～180，248～260，292～304號點間的低阻異常推斷為由充填巖溶引起，編號分別為R24-1，R39，R45-1，R45-2。

圖13 NS01線測量剖面

本次采用地震映像法及高密度電法共完成17條測線的勘察工作。場地巖溶空洞軟弱地基加固處理前，推斷有159處物探異常，其中土洞發育區異常共53處，溶洞發育區異常共106處。地基各測線土洞和溶洞處理狀況如表5，6所示。由表5，6可知，依托工程項目39號地塊塔樓范圍土洞和溶洞經高壓旋噴樁處理后均得以填充，土洞和溶洞填充物的密實度較高，無鉆孔泥漿漏失問題。

表5 土洞處理狀況

4 結語

巖溶空洞軟弱地基溶洞、土洞多，分布復雜、巖面起伏大、地下水多，在巖溶場地的建設工程若不經處理直接施工，易造成地面塌陷等問題，對工程建設安全產生不利影響，采取合理措施加固巖溶空洞軟弱地基具有重要的現實意義和理論價值。

采用高壓旋噴樁對依托工程39號地塊塔樓范圍土洞和溶洞進行處理，通過室內土工試驗、高壓旋噴樁固結體配合比試驗及掃描電鏡分析的微觀試驗，獲得可靠的高壓旋噴樁設計技術參數，進一步解釋了高壓旋噴樁加固機理及宏觀物理力學現象對應的微觀結構變化過程。根據工程實際情況和場地巖溶發育情況設計高壓旋噴樁加固處理方案并施工，采用鉆芯、土常規試驗和靜載試驗檢驗加固效果，相關檢驗結果均證明高壓旋噴樁對巖溶空洞軟弱地基加固效果良好，地基的完整性、穩定性及連續性均顯著提高，說明地基處理方案合理，可為高層建筑復雜巖溶地基處理提供借鑒。

表6 溶洞處理狀況