淺談多種處理方法在成都含膏泥巖溶蝕孔洞場地地基處理中的運用

黎鴻 張軍新 顏光輝

【摘 要】?眾所周知溶蝕孔洞對建筑場地的使用和安全有著嚴重的影響，地基中下伏孔洞往往會削弱或破壞其上覆巖（土）層的穩定性，給建筑工程基礎選型和施工帶來難題。在這類場地上修建工程，首先必須對孔洞的穩定性即孔洞圍巖或孔洞上覆巖（土）層的承載力和穩定性進行研究和評價，針對性的給出合理的處理手段。而溶蝕孔洞場地地基處理方式往往不是單一的，文章以成都某含膏泥巖溶蝕孔洞場地的地基處理為例，通過孔洞分布情況、穩定性分析結果采用多種綜合處理手段成功解決了該項目的地基加固問題，為以后處理含膏泥巖溶蝕孔洞場地提供相關處理經驗。

【關鍵詞】含膏泥巖; 溶蝕孔洞; 大直徑素混凝土置換樁; 綜合評價

1 工程概況

項目位于成都市高新區，建筑物共33層，高度99.9 m，剪力墻結構，下設地下室2層。詳勘期間未發現持力層附近存在溶蝕孔洞。原建筑物的基礎形式為樁-筏基礎，后在開挖基礎樁孔的過程中，發現孔內泥巖結構裂隙發育，巖土破碎，在孔內還發育大量的溶蝕孔洞，規模較大。此時樁基已開挖樁孔深度不一（大部分為9.00～12.00 m），同時在已有的樁孔施工中發現，采用管井法結合的樁孔內抽水法也不能有效降低地下水位至12.00 m以下，人工挖孔樁的方案也難以實施。故需要查明地基溶蝕孔洞分布情況，對地基進行綜合加固處理。

2 含膏泥巖溶蝕孔洞成因及分布

本工程地質條件特殊，在受力層范圍內受包江橋斷裂及石膏巖溶蝕影響，在強風化泥巖及相應角礫巖層中分布有較多的溶蝕孔洞，在對地基進行綜合處理前，需分析溶蝕孔洞成因、查明溶蝕孔洞范圍及深度，為后續含膏泥巖溶蝕孔洞處理施工提供依據。

2.1 溶蝕孔洞成因分析

場地內分布的孔洞大致可分為兩大類：一類為主要分布于泥巖中的構造孔洞，另一類為分布于角礫巖中的硫酸鹽溶融孔洞。

2.1.1 構造成因孔洞

主要形成于斷裂構造發育期，由巖石塑性變形或斷裂而形成，常發育于白堊系灌口組泥巖地層中。

2.1.2 溶融孔洞

主要形成于斷裂構造帶及角礫巖形成后期，經受地下水的徑流、侵蝕作用，溶融了角礫巖層中的硫酸鹽，形成溶融孔洞，常發育于角礫巖層中，部分孔洞中殘留有數量不等的角礫巖碎塊及巖塊。場地內孔洞主要展布方向于斷裂走向基本一致，次要展布方向于斷裂走向呈約60°夾角，與壓扭性應力方向基本一致。但因巖石裂隙、塑性變形及地下水的影響，孔洞規模大小不等，單個孔洞的發育情況不等，個體形態各異，無規律可循。

2.2 溶蝕孔洞分布查明

本項目在地基（孔洞）處理前和處理過程中，綜合采用物探（高密度電法）、取芯鉆探、水下攝像、聲波測試、壓水試驗對地下水滲流分析等多種勘查、測試手段，重點、詳細查明孔洞的分布、大小、填充物及連通性等，以便及時調整處理方案，實現地基處理的信息化、動態化，保證地基（孔洞）處理效果，從而保證地基處理的預期目的。

2.2.1 物探（高密度電法）

該方法工作效率高，一次布設觀測可以完成縱、橫二維探測過程，可反映地下巖土體沿水平及垂直方向的電性變化情況，具備常規直流電剖面法和電測深法的綜合探測能力等優點，物探成果表明，建筑地基下伏孔洞總體連通性不強，呈隨機分布，且大小不一（圖1）。

2.2.2 取芯鉆探

根據對物探探明場地溶蝕孔洞區，采用XY-1型鉆機對場地進行鉆探核實，并形成地質勘探三維模型（圖2）。

2.2.3 水下鉆孔攝像

為了更加直觀、有效的查看場地中由硫酸鹽溶融形成的孔洞分布情況和溶蝕特征情況，采用水下鉆孔電視成像技術對存在較大溶蝕孔洞的鉆孔進行全孔壁數字成像測試（圖3）。

2.2.4 聲波測試

利用波速的變化反映巖層巖性的變化，根據巖體完整性指數，表明底部基巖體完整性屬較完整類。根據波速的變化反應巖土存在孔洞的特性（圖4）。

2.2.5 地下水滲流分析

通過連通試驗結果分析可得，下伏石膏巖層溶蝕較好，各孔洞連通性好，且多處溶洞均與地表水和府河水存在直接聯系。局部存在多處獨立溶蝕體系，其尚未貫通形成可循環的補、徑、排通道（圖5）。

3 上覆巖（土）層的承載力和穩定性分析

根據溶蝕孔洞查明情況，通過建立模型進行數值仿真計算，掌握地下孔洞對地基承載力及變形的影響規律和程度，進行綜合評估地基承載力，然后針對性的給出處理方式建議（圖6）。

計算過程先對計算域進行初始位移場平衡計算，然后模擬計算地基上覆土層的開挖，最后模擬地基土的加固，并施加豎向建筑荷載。

模型計算了土層開挖后產生的卸荷回彈，以及采用筏板及置換樁加固并施加壓力后土層的沉降量;另外計算分析了地基中孔洞灌漿后，再采用筏板及置換樁加固并施加壓力后的沉降量（圖7～圖9）。

由計算云圖可知，上層土開挖完后在孔洞四周，有孔洞工況下的最大回彈位移比無孔洞工況下的回彈位移1～2 mm，其中尺寸最大的孔洞差異最大，為2 mm，約占總回彈位移的17 %。

孔洞灌漿工況下，在筏板上施加壓應力后開挖面的最大沉降量為-5.1 cm，最小沉降量為-3.4 cm，與未灌漿工況下及無孔洞工況下計算的沉降量差異不大。但孔洞四周的沉降量則比未灌漿下的小，其中最大孔洞四周的最大沉降量比未灌漿工況下的沉降量小8 mm左右，其余3個孔洞的沉降量則小4 mm左右。也充分說明了在地基處理的基礎上對孔洞灌漿是必要的，可減小地基的變形，提高地基承載力。

4 地基處理綜合方法

通過對上覆巖（土）層的承載力和穩定性分析以及溶蝕孔洞分布特點，在解決基礎底承載力不足的基礎上還需對下伏的溶蝕孔洞進行進一步的處理，以減少孔洞四周的沉降變形，而單一的處理方式無法完全解決地基承載力及下伏孔洞變形的問題，需采用多種處理方式對泥巖溶蝕孔洞場地地基進行處理。

4.1 大直徑素混凝土置換樁加固軟巖地基

該加固方案是在充分利用原有天然地基承載力的基礎上，將原設計的12.00 m的樁基方案改為樁長5.00 m的素混凝土樁復合地基方案。采用該方案不但更加充分的利用了原有天然地基的承載力，同時樁長減小到5.00 m，使基礎底5.00 m厚度范圍形成硬殼層后，樁端與地下孔洞間的頂板厚度增大了7.00 m以上，減小了孔洞頂板坍塌風險，保障了建筑地基基礎的安全性。另一方面，采用大直徑樁復合地基后，大直徑素混凝土樁樁長僅5.00 m，也一并解決了人工挖孔樁的降水問題（圖10）。

4.2 拋石壓漿充填

對于已探明存在大孔徑孔洞范圍（高度超過2 m以上）的孔樁的孔洞采用拋石壓漿充填，方式如下：

（1）前期已施工孔樁繼續開挖至孔洞頂邊界，對已有充填物的孔洞，如充填物可灌性小，固結強度低，通過孔洞范圍的壓漿孔高壓注漿，注漿體采用抗硫酸鹽水泥配制純水泥漿液，水灰比為2∶1、1∶1、0.5∶1，先用2∶1漿液開灌，待返漿穩定后，改用1∶1漿液灌注，當返漿濃度1∶1時，改用0.5∶1漿液灌注，使濃漿均勻滲透。

（2）如孔洞內充填物較少，通過孔樁向孔洞內投入毛石、片石等物料充填，充填飽滿度不小于90 %;然后通過壓漿孔向孔洞內壓漿，充填毛石、片石之間的裂隙，形成漿液的結石體，與孔洞巖面良好的固結（圖11）。

4.3 旋挖樁鋼套筒穿越孔洞

當孔洞的連通性不是很好時，在已有1 m的基礎樁的樁底采用旋挖成孔穿過大孔洞區，孔洞區頂板以上2 m至樁底之間范圍內采用鋼護筒護壁（圖12）。

（1）護筒用5 mm 厚的鋼板卷制而成， 護筒長度按孔洞區頂板以上2 m至樁底之間范圍確定。

（2）鋼護筒在地面拼裝制作，在鋼護筒頂部夾塞軟棉物， 以防止灌注混凝土時產生離析。

（3）在灌注孔洞區的混凝土時， 混凝土澆注速度要減慢， 防止由于側壓力過大， 致使鋼護筒變形。

4.4 一般溶蝕孔洞發育區灌漿

對于一般的溶蝕孔洞區，采用鉆孔灌漿的形式，注漿孔按3.0 m×3.0 m梅花形布置，采用XY-100型鉆機成孔，孔徑100 mm，成孔深度按該區域最淺孔洞以上3 m至最深孔洞以下5 m考慮，且不小于15 m。成孔過程中對樁底孔洞進行進一步核實。

灌漿所用抗硫酸鹽水泥漿液，設計灌漿壓力0.8 MPa;在漿液中摻加水泥重量1 %～2 %的速凝劑，使滲入采空區的漿液盡快固結，速凝劑采用水玻璃，當注漿量大或孔洞裂隙、空隙較大時，改灌0.5∶1∶1水泥砂漿，但摻砂量不應大于水泥重量的200 %;漿液變換按由稀到濃逐級變換。

（1）當灌漿壓力保持不變，注入率持續減小時，或當注入率不變而壓力持續升高時，不改變水灰比。

（2）當某級漿液注入量已達300 L以上，或灌漿時間已達30 min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，改濃一級水灰比。

（3）當注入率大于30 L/min時，可根據具體情況越級變濃。

（4）在該灌漿段最大設計壓力下，當注入率不大于1 L/min后，繼續灌注30 min，灌漿可結束。

5 加固效果的多種檢測手段

5.1 物探（高密度電法）

項目在孔洞壓漿處理后采重新用了物探（高密度電法）對比處理前的效果，可見通過工程處治前后對比可以看出，測線1-1’附近洞穴狀低阻異常已經消失，取而代之的是較為平滑的整體形態曲線，且與圍巖電阻率相差不大，耦合性較好，推測此段處治效果較好（圖13、圖14）。

5.2 壓水試驗

通過壓水試驗對比灌漿前后地層滲透系數和滲透流量的變化，對壓水試驗結果逐段分析，評定壓漿質量。

根據SL-2003《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》規定，對4#、6#、8#孔進行壓水試驗。壓漿前后地層壓水試驗的呂容值（Lu）數據見表1、表2。

根據壓漿前后壓水試驗的呂容值（Lu）數據顯示，試驗孔數據前后變化明顯，已達到設計要求。灌漿后通過提取芯2.932樣檢查，芯樣飽滿，未發現積水現象，滿足設計要求。

5.3 長期監測

地基處理后，通過埋設大量監測元件對施工過程中的地基受力性狀和建筑物沉降進行了長期監測，監測檢測和監測結果表明，采用多種方式處理后的地基，地基變形滿足各項要求，處理達到了預期效果，滿足設計要求，并取得了多項科技成果，填補了紅層軟巖溶蝕孔洞地區的地基處理方法。

6 結論

（1）在地基（孔洞）處理前和處理過程中，綜合采用多種勘查、測試手段，重點、詳細查明孔洞的分布、大小、填充物及連通性等，以便及時調整處理方案，實現了地基處理的信息化、動態化，保證地基（孔洞）處理效果，從而保證了地基處理的預期目的。

（2）該項目采用“壓漿處理孔洞+大直徑素混凝土置換樁加固軟巖地基+拋石回填+旋挖樁鋼套筒穿越孔洞”的多種方法綜合處理技術，在巖溶地區軟巖地基處理中屬首次，創新了含膏泥巖溶蝕孔洞地基的處理技術。為今后巖溶場地軟巖地基的處理技術的推廣應用具有重大的實踐意義。

（3）由于孔洞處理后的壓漿效果如何不能直觀判斷，用常規的檢測手段也無法完成，該項目在孔洞壓漿處理后采用了物探（高密度電法）、壓水試驗、鉆孔取芯等綜合手段進行檢測，并與處理前孔洞探查情況進行對比，較好的評價了孔洞壓漿處理的效果。

（4）通過埋設應變計、壓力盒、沉降計等元件對大直徑素混凝土置換樁及其樁間土進行長期的內力及變形監測，并對監測結果進行分析，了解掌握此類含膏溶蝕孔洞的復合地基的受力機理和承載力特性，為今后類似工程設計方法改進和變形預測積累了寶貴的實測資料。

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