大荷載作用下溶洞地基處理應(yīng)用研究

田 鍵，方冬君，王金地

（1湖北工業(yè)大學材料科學與工程學院，湖北 武漢430068；2湖北大學天沭新能源材料工業(yè)研究設(shè)計院，湖北 武漢430062）

隨著工程建設(shè)的飛速發(fā)展，建筑場地不斷擴張，溶洞地基出現(xiàn)的機率越來越大，給工程建設(shè)帶來了嚴峻的考驗。如果處理不當，容易出現(xiàn)地基沉陷、坍塌等危害［1－3］。因此，需要充分了解溶洞發(fā)育情況、分布位置、規(guī)模大小及頂板厚度和強度等，根據(jù)具體情況采取相應(yīng)處理措施，保證工程安全性［4］。

河南省禹州市無梁鎮(zhèn)某水泥熟料公司擬建6Φ15m高40m的水泥儲存庫，設(shè)計地基承載力要求高。由于地基形式復(fù)雜，擬建基礎(chǔ)形式為整板基礎(chǔ)。擬建場地位于太行山脈的支脈上，特邀請河南省有色工程勘察有限公司做詳細的《巖土工程勘察報告》。報告中，擬建場地地面以下3.0～15.0m深度左右存在小范圍的溶蝕裂隙、溶洞和破碎巖石，嚴重影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性［5－6］。因此，需要先對該溶洞采用高壓注漿加固處理，再在地面上澆筑整板基礎(chǔ)，以保證地質(zhì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，提高上部建筑物的安全性。

1 工程概況

1.1 場地地質(zhì)狀況

根據(jù)野外鉆探揭露和現(xiàn)場判別，結(jié)合原位測試和室內(nèi)土工試驗資料，將勘探深度范圍內(nèi)的地層劃分為7個單元，2個亞層：粉質(zhì)粘土層、強風化灰?guī)r層、中等風化灰?guī)r層、中風化泥巖層、微風化灰?guī)r層、強風化砂巖層、中風化砂巖層、微風化砂巖層、微風化頁巖層。本次勘測表明：溶洞主要存在于中等風化灰?guī)r至微風化灰?guī)r層中，溶洞直徑1.5～4.2m。經(jīng)80個鉆孔采樣，47個鉆孔出現(xiàn)溶洞，溶洞出現(xiàn)率為58.8%。溶洞埋深范圍為3.0～11.4m。地層溶洞分布情況見圖1。

圖1 地層溶洞分布情況示意圖

1.2 場地水文地質(zhì)條件

場地地下水主要為巖溶水，地下水位較深，勘探深度內(nèi)未見地下水。

1.3 不良地質(zhì)作用及對工程不利的埋藏物

根據(jù)區(qū)域資料及現(xiàn)場勘查，查明該場地內(nèi)除溶洞對地基產(chǎn)生不良作用外，不存在對工程安全有影響的暗塘、暗浜和墓穴等不利工程建設(shè)的埋藏物和滑坡、塌陷、地面沉降、地裂縫等不良地質(zhì)作用。

綜上所述，位于太行山支脈的擬建場地地質(zhì)結(jié)構(gòu)以巖石為主，整體的地質(zhì)承載力較好，可以作為水泥儲存庫的建設(shè)場地，只是局部出現(xiàn)溶洞，嚴重影響了局部的地基承載力。本項目水泥庫建設(shè)要求地基承載力達到1 200kPa，亟需對局部不良地質(zhì)基礎(chǔ)采取相應(yīng)措施，保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

2 溶洞處理方案的選擇

根據(jù)溶洞發(fā)育分類情況，巖溶洞埋深小，頂板厚度小于1.5m，對基礎(chǔ)影響較大，需對局部溶洞進行加固處理。處理溶洞地基的方案通常有充填技術(shù)、鋼護筒跟進加固技術(shù)和高壓注漿技術(shù)等。

2.1 充填技術(shù)

此技術(shù)先進行鉆孔，再將砂土、片石填滿溶洞，摻入水泥、燒堿和鋸末，來達到加固溶洞的目的［5］。適用于小型溶洞（溶洞直徑＜3m），具有施工簡單成本低的特點。本項目由于地基承載力要求高，填充技術(shù)難以使溶洞密實，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，難以達到設(shè)計要求。

2.2 鋼護筒跟進加固技術(shù)

此技術(shù)為一面沖孔，一面接鋼護筒，并且將其壓到或震動下沉至已鉆成的孔內(nèi)［5］。該技術(shù)使用于大型溶洞（直徑＞3m），工藝較復(fù)雜，成本較高，且容易破壞溶洞頂板結(jié)構(gòu)。因此不適合本項目的處理。

2.3 高壓注漿技術(shù)

高壓注漿也稱為高壓噴射注漿，就是利用鉆機鉆孔把帶有噴嘴的注漿管插至土層的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使?jié){液成為20MPa以上的高壓射流，從噴嘴中噴射出來沖擊破壞土體。部分細小的土料隨著漿液冒出水面，其余土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例有規(guī)律地重新排列［7］。漿液凝固后，便在土中形成一個固結(jié)體，與樁間土一起構(gòu)成復(fù)合地基，從而提高地基承載力，減少地基的變形，達到地基加固的目的。如今的注漿技術(shù)早已成熟，完全能保證漿液充滿整個溶洞，凝固的水泥漿具有較高的強度，對提高地基承載力效果顯著，而且施工工期短，見效快。因此，本次地基處理方案采用高壓注漿技術(shù)進行加固，已開挖出現(xiàn)的溶洞采用混凝土進行嵌塞；深部溶洞用高壓注漿處理，填充洞隙，加固充填物，洞隙較大的可采用砂、石等骨料填充。

3 注漿施工工藝與方法

3.1 注漿孔成孔

1）在需要注漿的鉆孔孔口處下管；

2）注漿孔成孔工藝及技術(shù)要求：用GS－150型鉆機成孔并鉆進至巖溶洞隙底部，并清除沉渣。

3.2 注漿施工工藝

3.2.1 注漿材料與配比 注漿材料由水泥、速凝劑、水等組成；填充料為中砂。參照以往經(jīng)驗及相關(guān)材料，通過配合比試驗，確定本次漿液為水泥漿，水灰比為1∶1、0.8∶1、0.6∶1三個級別，加入3%的水玻璃，漿液強度R7大于0.5MPa。

3.2.2 注漿施工工藝 注漿系統(tǒng)由料場、一級攪拌池（機）、二級攪拌池（機）、供水系統(tǒng)、注漿泵、注漿管道、封孔裝置等組成。

注漿流程見圖2。

圖2 注漿工藝流程圖

3.2.3 注漿過程及終止標準

1）注漿過程如下：

A注漿管用1寸壁厚3mm的無縫鋼管，在管底部1m長度內(nèi)鉆6個8mm的溢漿孔。注漿管連接好后，用水泥封堵。

B注漿時均應(yīng)先從稀漿（1∶1）、低流量（≤90 L／min）開始，當孔內(nèi)壓力≤0.6MPa時，逐步提高流量。當孔口壓力＞1.0MPa時，要降低流量；當注漿量達到單孔平均注漿量的30%時要求逐步調(diào)稠漿液（0.8∶1～0.6∶1）。注漿時要觀察周圍鉆孔和地面是否冒漿，測量孔內(nèi)水泥漿面。

C當單孔注漿量較大（需加3%的速凝劑），且達到單孔平均注漿量的150%，孔口壓力≤0.6 MPa時，注漿泵量≥90L／min時，要求間歇時長超過12h。間隙后不得用稀漿注漿。

2）注漿終止標準

灌漿壓力是給予漿液擴散、填充、壓實的動力，有助于提高充實程度和結(jié)石體強度，但壓力過大，易導(dǎo)致漿液冒入上部地基土中。按設(shè)計要求，灌漿壓力達到3.0MPa持續(xù)穩(wěn)定20～40min，注漿量小于50L／min后才終止注漿。

3.2.4 拔注漿管 注漿結(jié)束后觀察凝固情況，若不返漿即可試拔。

3.2.5 檢查 在注漿孔周圍1.0m范圍內(nèi)或兩個臨近注漿孔中間打孔檢測。在溶洞洞隙發(fā)育位置取芯，檢查注漿質(zhì)量，鉆探過程中觀察孔內(nèi)是否漏水，若漏水應(yīng)該再注漿。

4 施工注意事項

1）注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法。注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵的壓力讀數(shù)，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際情況及時調(diào)整注漿量和漿液濃度。

2）終止注漿要嚴格控制保證灌漿壓力達到3.0 MPa持續(xù)穩(wěn)定20～40min，注漿量小于50L／min后才終止注漿。

3）注漿過程中，發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿，應(yīng)根據(jù)具體情況采用嵌縫、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、間歇注漿等方法進行處理。

5 注漿成果分析

本次注漿共5個注漿孔，2個檢查孔，總注漿量26.0T水泥，注入5.3T中砂，水玻璃0.78T。

5.1 鉆孔取芯檢驗

在溶洞及其影響范圍內(nèi)巖芯采取率達70%以上，孔口回水5mm左右的水泥塊較多，巖芯中水泥結(jié)石較多，砂泥被水泥包裹，厚度達12mm，水泥漿對泥沙起到了固化作用，結(jié)石非常密實，與巖石膠結(jié)在一起，溶洞被充填密實。

5.2 壓水試驗

在檢查部位注漿結(jié)束3d后進行，自上而下分段進行壓水試驗。按照透水率計算公式：

式中：q為測段巖層的透水率，Lu；Q為穩(wěn)定流量，L／min；S為測段的壓水壓力，MPa；L為壓水段的長度，m。

壓水試驗共進行48段，透水率最大為5Lu，本文設(shè)計透水率合格標準為7.5Lu，故本次注漿檢查結(jié)構(gòu)全部合格。壓水試驗透水率部分數(shù)據(jù)見表1。

表1 壓水試驗透水率部分數(shù)據(jù)

由此分析，溶洞的充填效果很好，泥沙的膠結(jié)、固化效果得到提高，巖層強度得到了改善。

5.3 承載力驗算

由于強風化灰?guī)r強度低，本次設(shè)計直接將整板基礎(chǔ)坐落在第③層中等風化灰?guī)r上。整板基礎(chǔ)尺寸為40m×60m，基礎(chǔ)埋深－3m，如圖3。

圖3 整板基礎(chǔ)受力示意圖

上部作用荷載

P＝Pk×6×π×（15／2）2／（40×60）＝530kPa

式中上部設(shè)計荷載Pk取1 200kPa。

經(jīng)過靜荷載試驗得到第3層中等分化灰?guī)r的地基承載力特征值fak＝680kPa。由《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007－2012第5.2.4條規(guī)定其地基承載力特征值無需修正［8］。

由fak＞P可知設(shè)計滿足要求。表明對溶洞進行高壓注漿的處理方法是正確的，效果很顯著。

6 結(jié)束語

1）溶洞地基具有隱蔽性、不穩(wěn)定性及復(fù)雜性等特點，因此需要對溶洞形態(tài)、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)進行詳細勘察，為綜合處理提供可靠資料。

2）對于小型溶洞，且要求承載力要求不高，可采用充填技術(shù)或者避讓法，具有施工簡單，成本低，見效快等特點。

3）對于規(guī)模較大的溶洞，可采用本項目設(shè)計方案，對溶洞采用高壓注漿技術(shù)。施工工藝簡單，投資低，工期短，極大地提高地質(zhì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性。

［1］ 張學道，馬海峰.江口水電站帷幕線深層特大溶洞處理措施［J］.西北水電，2013（05）：16－20.

［2］ 羅 偉.某深基坑溶洞處理措施研究［J］.鐵道標準設(shè)計，2012（01）：88－91.

［3］ 張 勇.復(fù)雜巖溶隧道充填型溶洞綜合處理技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2007（05）：30－32.

［4］ 陳雙慶.宜萬鐵路下村壩隧道大型溶洞處理［J］.鐵道標準設(shè)計，2009（07）：25－28.

［5］ 劉建濤，張廣亮，諶 霞.注漿技術(shù)在溶洞地基中的應(yīng)用［J］.探礦工程，2009，36（11）：46－49.

［6］ 孫小杰，王立新，吳兆軍.高壓噴射注漿復(fù)合地基處理設(shè)計及施工實踐［J］.探礦工程，2007，34（11）：20－22.

［7］ 龔曉南.地基處理手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［8］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 500011－2012.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［M］.北京：建筑工業(yè)出版社，2012.