巖溶地面塌陷對在建基坑工程影響分析及處理措施

李 小 虎

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

巖溶地面塌陷是指隱伏在第四紀覆蓋層下的可溶巖中存在巖溶空洞，且存在與覆蓋層相連的通道。在某些自然因素或人為因素作用下，覆蓋層物質沿著巖溶通道進入到巖溶空洞中，引起覆蓋土體發生漏失，導致地面出現塌陷的自然現象。

巖溶地面塌陷導致人民生命財產嚴重受損，并造成巨大經濟損失和社會恐慌心理。巖溶地面塌陷對于在建工程的影響巨大，尤其是基礎施工階段。由于施工對基底地層擾動，更容易誘發巖溶地面塌陷。

巖溶地面塌陷對在建基坑工程會產生不利影響，評價其對基坑工程的不利影響，并采取相應的設計、施工處理方案尚沒有成熟的經驗。筆者以參與的某地產項目為例，介紹相關處理方案手段。

1 工程概況

某地產項目位于武漢市洪山區，該項目由1棟31層,3棟37層及2棟55層超高層住宅及附屬1層商業裙樓、1棟2層幼兒園、1棟1層配電房及1個滿鋪2層地下室組成，總建筑面積231 351.1 m2。基礎形式為樁基，樁型為鉆孔灌注樁。該項目基坑為近似矩形，周長約883 m，基坑開挖面積約29 209 m2，基坑周邊開挖深度為6.35 m～12.95 m，電梯井坑中坑開挖深度為8.6 m～12.95 m。

根據勘察報告，場地巖土層自上而下主要由5個單元層組成：①人工填土；②第四系全新統沖積土層；③第四系殘積土；④白堊第三系泥砂巖；⑤三疊系灰巖。

本基坑采用支護方案：1)基坑XYABCD/FGH/KLM段采用排樁+內支撐支護，DE段采用排樁+坑內留土支護，WX段采用雙排樁支護，HJK段采用排樁+錨桿支護，其余各段均采用單排樁支護。各段樁頂放坡卸載坡面采用土釘掛網噴面防護。2)坑中坑支護：除27號樓電梯井與純地下室高差較大采用排樁支護外，其余均采用水泥土擋墻支護。3)承壓水處理：支護樁外側止水帷幕+坑內降水井。

施工過程中，采用支護樁及工程樁同步交叉施工的方案。支護樁采用旋挖施工，工程樁采用沖擊鉆施工。塌陷發生時，基坑工程立柱樁已經完成施工。

2 事情經過

2018年4月22日，上午8點40分，該項目25號樓工程樁沖擊鉆施工過程中，出現巖溶地面塌陷，地面塌陷范圍和陷落深度不斷加劇，到11點30分，塌陷范圍及深度趨于穩定。為評估塌陷范圍對已完成立柱樁的影響，4月23日，我公司對整個塌陷范圍進行了測量。塌陷區范圍呈橢圓形，長軸約21.5 m，短軸約18.0 m，最深2 m，塌陷坑周圍可見拉張裂縫。具體見圖1，圖2。

由于在此之前已經完成該范圍內的基坑工程立柱樁的施工，立柱樁底深度一般約20 m，而灰巖巖面深度大于30 m，部分立柱在塌陷變形區,因此，無論是塌陷影響深度，還是范圍，都對立柱樁產生了影響。

3 本次巖溶地面塌陷特性

根據武漢市區碳酸鹽巖裂隙巖溶含水組分布圖，本區位于南部石灰巖帶塌陷區。

根據該項目的詳細勘察報告,覆蓋層為二元結構，飽和砂土層雖未直接與下伏灰巖接觸，但在后期施工過程中，沖擊鉆穿透白堊第三系砂巖并使得飽和液化砂土與巖溶通道聯通，漏失后形成塌陷漏斗。

依據范士凱對武漢市巖溶地面塌陷的多年研究，本次巖溶地面塌陷機理為振動液化—漏失機理。處理方案可以阻斷砂土漏失通道的方案進行處理。

根據以往工程經驗，垂直向塌陷區應該呈漏斗形，漏斗深度至灰巖溶洞頂。基于以上特性，對塌陷區立柱樁進行評價，并提出工程建議。

4 目前立柱樁現狀

立柱樁能否繼續使用，主要需要從四個方面進行考慮：平面位置、標高、垂直度、承載力。通過試挖塌陷區范圍的立柱樁，可以從標高這一方面上直觀判斷目前立柱是否可以繼續使用。需要說明的，塌陷對承載力和垂直度的影響較難給出定量判斷。基于此，項目部對塌陷區的2根立柱樁進行了試挖，并量測立柱格構的標高，見圖3。

利用全站儀進行測試，立柱的平面位置變化尚在施工允許范圍內，格構頂標高基本在19.7 m～20.0 m左右(設計要求20.0 m)。單從平面位置和標高來看，該2個樁變化不大。

需要說明的，本次開挖尚不能判斷塌陷對單樁承載力和垂直度的不利影響。如確需查明，在檢測費用的投入和時間上的控制尚無先例，難以判斷。若待基坑開挖，萬一存在不可用的立柱樁，再處理，則費用時間消耗更大。

5 巖溶地面塌陷區對立柱樁的影響評價

根據測繪資料，巖溶地面塌陷區范圍已經完成的立柱樁有LZ-11，LZ-12，LZ-14。由于塌陷漏斗深度至灰巖溶洞頂，影響深度遠大于立柱樁樁底，因此，該幾根立柱樁從安全的角度，應認為樁底地層已經被擾動，且由于土體變形造成單樁承載力和垂直度具有不確定性，難以估計，按作廢處理，后續可在未設立柱的支撐節點施工立柱樁補強(預計增加4根立柱)。

由于塌陷區土體擾動范圍在地面上可認為是最大的，而在溶洞頂可認為是最小的，據此推論，塌陷區影響范圍外的立柱是基本可用的。但建議在后期開挖過程中，對立柱樁進行觀察，若整體出現向塌陷區傾倒的趨勢，則可通過焊接槽鋼增強整體性，以達到補強的目的。

鑒于塌陷區土體擾動，砂土強度會出現降低的情況。建議25號樓立柱重新進行調整，增加立柱的數量，改梅花形布置為按節點滿布，在對巖溶進行處理后，再行施工，如圖4，圖5所示。

6 工程處理措施建議

1)對擬建場地巖溶強發育的地段，對灰巖中溶洞進行注漿處理，同時對表層砂層采用注漿固結；對巖溶中等發育和弱發育地段，灰巖中溶洞進行注漿處理。總體原則為“填充溶洞，阻斷砂土漏失通道”。

2)優化施工工序，先進行巖溶注漿處理，再進行工程樁施工，最后進行基坑工程施工，避免巖溶地面塌陷對后期已完成工程樁、支護樁產生不利影響。

3)優化立柱設計及施工，增加立柱的數量，改梅花形布置為按節點滿布，以保證基坑安全。

4)避免工程樁施工和基坑施工交叉施工，以免工程樁施工過程中產生巖溶地面塌陷，影響基坑施工安全。

從后期工程樁及基坑工程施工過程來看，以上處理方案是可行的。目前基坑工程已經順利開挖，安全性均滿足了施工要求。

7 結語

通過分析本工程巖溶地面塌陷成因及后期處理方案可得到以下結論：

1)采用沖擊鉆施工是巖溶地面塌陷的主要因素。沖擊鉆施工會形成飽和液化砂土，具有流動性，同時會連通巖溶通道，形成砂土漏失，進行發展為巖溶地面塌陷。

2)對溶洞進行注漿處理和表層砂層進行注漿固結，可以阻斷砂土的漏失通道，對防止溶洞及表層砂土產生漏失是行之有效的方案。

3)合理施工流程，采用“先治理，再基礎施工，先工程樁，再支護樁”能較好的減少巖溶地面塌陷對基坑施工的安全風險、質量風險。