溶巖地層樁基施工誘發(fā)既有建筑沉降病害處治案例分析

朱國鵬,楊 樺,唐 波,王曉春

(1.浙江省建工集團有限責任公司,浙江 杭州 310012；2.浙江省建筑科學設計研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 工程概況

1.1 項目及周邊環(huán)境概況

浙江某危舊房改造工程項目地處地質極其復雜的區(qū)域,總用地面積為9 097 m2,擬建3幢18層及1幢11層住宅樓,全場設一層地下室,總建筑面積37 747.67 m2。本工程場地北側為小溪,距圍護樁中心線約11～16 m；東側為城市道路；西側為購物廣場,距圍護樁中心線約12 m；南側臨擬建1#樓為老舊小區(qū)A樓既有建筑,該建筑為7F磚混結構,淺基礎,距圍護樁中心線約12 m；南臨擬建2#樓為一幢3～5 F磚混結構,淺基礎,距圍護樁中心線約10 m,但緊臨圍護樁外側商鋪工程樁。

1.2 工程地質概況

根據詳細勘察及巖溶勘察報告,本工程場地內地表填土層以下淺部主要為沖積相的黏性土、圓礫和含礫粉質黏土層,下臥基巖巖性為灰?guī)r,灰?guī)r巖溶發(fā)育強烈,根據一樁一勘報告,樁基遇洞率達73%,最大溶洞深34 m,并有較多串珠溶洞,見圖1、圖2。

圖1 地下溶洞三維成像圖

圖2 地下串珠溶洞剖面

各層地質情況如下：

① 層雜填土：雜色,松散,稍濕。層厚0.70～9.20 m,全場分布。

②-2層粉質黏土：灰黃色,可塑,中等壓縮性,層厚0.7～8.6 m。全場分布。

③層圓礫：灰色,稍密—中密,飽和。一般粒徑5～50 mm,母巖成分主要以凝灰?guī)r、泥巖為主,余為粗細砂充填。層厚1.2～18.6 m,全場分布。

④層粉質黏土：含礫砂,灰褐色,軟—可塑,中等壓縮性。層厚2.7～30.0 m,局部分布。

⑤-3中風化灰?guī)r：青灰、灰白色,巖芯呈短柱狀,裂隙較為發(fā)育,錘不易擊碎,擊聲清脆,干鉆較難鉆進,局部可見溶蝕現象,主要表現為溶槽和溶洞,部分區(qū)域分布不規(guī)則溶洞,飽和單軸抗壓強度50.7 MPa,屬較硬巖。

⑤-0溶洞：巖溶主要在灰?guī)r頂面發(fā)育,以淺部溶蝕溝槽為主。在斷層及巖性接觸帶附近,巖溶發(fā)育強烈,串珠狀發(fā)育溶洞,發(fā)育深度較大。巖溶豎向、側向溶蝕交替出現,條帶狀分布特點較明顯,以垂直溶蝕為主。各類巖溶現象大部分被流、軟塑狀黏性土充填,局部夾少量碎石。

場地地下水類型主要為潛水、微承壓水以及碳酸鹽類巖溶水三大類。

1)潛水 受大氣降水和地表水補給,以蒸發(fā)方式和向附近河流側向徑流排泄為主,水位年變幅約1.5～2.0 m。勘察期間水位標高80.89～82.48 m。

2)微承壓水 微承壓水分布于場地下部第四系沖洪積、沖積圓礫層中。水頭高程為78～82 m,涌水量為10～20 m3/h,對基坑施工有一定影響。可引起鉆孔樁孔壁坍塌,必要時采取相應護壁措施。

3)碳酸鹽類巖溶水 主要賦存于中風化灰?guī)r層中,覆蓋型巖溶構造富水性不均一,主要受巖溶發(fā)育程度制約,在有利構造部位水量較為豐富,一般水量中等或貧乏,涌水量100～1 000 t/d。總體上此含水層對基坑施工影響較小,對樁基施工影響較大。

1.3 樁基及基坑圍護設計概況

1.3.1 工程樁設計概況

工程樁設計采用灌注樁基礎,設計總樁數326根,其中ZH1型承壓樁,樁徑800 mm,共計220根；ZH2型承壓樁,樁徑1 000 mm,共計85根；ZH3型抗拔樁兼承壓樁,樁徑800 mm,共計21根。設計樁端持力層為⑤-3中風化灰?guī)r層,有效樁長按穿透溶洞進入穩(wěn)定中風化灰?guī)r層不小于1 m控制,且樁底以下5 m范圍無溶洞。

1.3.2 基坑圍護設計概況

基坑東側設計開挖深度6.85 m,其余區(qū)域設計開挖深度5.85 m,設計采用φ800@600咬合樁排樁支護+一道鋼筋混凝土支撐,局部雙排樁懸臂支護。

2 施工過程及狀況

2.1 樁基施工情況

1)基坑圍護樁于2018年6月18日開始施工,采用振動機械下12 m深套管、旋挖成孔工藝,至2018年8月9日施工完畢,共計563根樁。

2)工程樁于2018年10月13日開始施工,采用泥漿護壁、沖擊成孔工藝, 2018年10月28日,1#樓202#樁成樁過程中,基坑圍護外側距離該樁約10 m 處發(fā)生溶洞塌陷(圖3、圖4),并對塌陷溶洞進行了處理。期間由于臨近溶洞塌陷的南側既有建筑A樓發(fā)生不均勻沉降, 2019年1月3日起暫停施工,樁基共計完成204根,遇洞率67%,已完成工程樁分布情況見圖5。

圖3 溶洞塌陷位置示意

圖4 溶洞塌陷現場照片

圖5 工程現場情況平面

2.2 沉降觀測概況

根據第三方基坑監(jiān)測資料,對本工程周邊既有建筑物共布置18個沉降觀測點,其中臨近202#樁坍塌的西南側既有建筑A樓測點編號為CJ1～CJ6,建筑物沉降觀測自2018年6月29日起,截至2019年4月15日,各測點累計沉降變化趨勢見圖6。

圖6 西南側既有建筑A樓累計沉降

周邊3幢既有建筑在本工程各對應區(qū)域樁基施工四個階段沉降變化發(fā)展趨勢基本一致：

1)圍護樁施工階段各建筑臨基坑側監(jiān)測點在該階段沉降量迅速增加,沉降速率為0.23～0.40 mm/d,其累計沉降約占總沉降量的50%～60%。

2)圍護樁施工結束至工程樁施工前的間歇期各監(jiān)測點沉降速率迅速收斂至穩(wěn)定狀態(tài)。

3)工程樁施工階段各對應區(qū)域沉降速率再次增加,剔除受202#樁溶洞坍塌影響范圍內的監(jiān)測點數據,其余測點該階段沉降量大致為3～6 mm,無明顯差異沉降發(fā)生,沉降速率小于圍護樁施工期間。

4)2018年10月28日,1#樓202#樁施工時發(fā)生溶洞坍塌,臨近的既有建筑A樓監(jiān)測點CJ2(距離約20 m)及CJ3(距離約15 m)沉降速率急速增加,一個月內沉降量分別增加約14 mm及18 mm,但其余各監(jiān)測點數據均未發(fā)生較明顯異常反應,推測該溶洞坍塌影響范圍不大于25 m。

5)暫停工階段,各監(jiān)測點沉降速率逐漸趨于平緩,約60%的監(jiān)測點沉降速率小于0.02 mm/d。

2.3 既有建筑A樓鑒定及勘察情況

既有建筑A樓為7層磚混結構,條形淺基礎,建筑面積約3 900 m2。2018年10月28日,202#樁施工過程中發(fā)生溶洞塌陷后,該樓監(jiān)測點CJ2(距離約20 m)及CJ3(距離約15 m)沉降速率迅速增加。委托第三方單位對該樓進行房屋安全鑒定,鑒定情況如下：

1)房屋樓、屋面形式均為預制板,采用磚墻承重體系,承重墻采用240 mm厚燒結實心磚,經現場抽檢查看,各層樓梯間墻體砌筑形式均為實砌。

2)房屋架空層高2.1 m,1～5F層高3.0 m,6F層高3.8 m(含隔熱層)。

3)房屋墻體局部受潮,局部抹灰空鼓,墻體砌筑砂漿輕微粉化。屋面防水設施局部已老化損壞,屋面板底存在滲漏痕跡。

4)經現場檢測及復核計算,房屋各層承重墻體承載力復算結果均未超出《危險房屋鑒定標準(JGJ 125—2016)》[1]中對危險點限值的要求。

5)各測點傾斜率均未超出《危險房屋鑒定標準(JGJ 125—2016)》中危險點限值。

6)房屋存在不均勻沉降,但目前沉降速率尚未超出《危險房屋鑒定標準(JGJ 125—2016)》中危險點限值。

7)房屋目前危險性評級為B級,結構承載力能滿足正常使用要求。

根據現場溶洞塌陷情況推測既有建筑A樓及周圍區(qū)域與施工區(qū)域的地下溶洞貫通,立即委托第三方采用高精度瞬變電磁法[2]、微動探測法、探地雷達法、跨孔地震波層析成像法等方法對該樓及附近區(qū)域地下巖溶發(fā)育情況進行綜合勘察,勘察結果如下：

1)該樓南側中風化灰?guī)r面埋深一般在11～14 m,北側一般在16～20 m；有效探測范圍內,巖溶發(fā)育深度一般在地面以下15～40 m 深度,基本為黏土和碎石填充。

2)巖溶發(fā)育區(qū)1、2、4均有向北側延伸的趨勢,結合北側基坑內的鉆孔資料,推測2、4區(qū)的巖溶與北側基坑聯(lián)通(圖5)。

2.4 既有建筑A樓沉降原因綜合分析

根據施工情況分析、地質勘察、沉降數據等綜合分析,判斷周邊既有建筑物沉降原因如下：

1)施工振動 主要為圍護樁施工振動機械下鋼套管及工程樁沖擊成孔所產生的振動等,振動因素消除后其沉降收斂速度較快。

2)穿越溶洞影響 沖擊成孔穿越巖溶頂板后,護壁泥漿突然漏失,造成地下水動力條件的改變而誘發(fā)。

3)巖溶塌陷 巖溶塌陷引發(fā)影響范圍內臨近建筑物沉降變形。

3 后續(xù)基坑施工減少對既有建筑物影響處理

3.1 處理目的及方案思路

根據對既有建筑物A樓安全性鑒定情況,該樓結構承載力能滿足正常使用要求,不均勻沉降主要由臨近建筑物的地下巖溶塌陷引起,其余正常穿越溶洞施工的工程樁,其引起的沉降及差異沉降尚屬可控范圍。因此制定的處理方法、目的及思路如下：

處理目的：保護周邊環(huán)境安全,減小后續(xù)工程樁施工對既有建筑A樓沉降變形的不利影響。

處理思路：防水土流失隔離保護與樁孔巖溶防塌陷預處理結合。

3.2 對既有建筑物A樓隔離保護方案

根據物探勘察結果,既有建筑物A樓北側部分地下巖溶與擬建1#樓存在貫通,考慮1#樓尚有17根遇巖溶工程樁尚未施工,且前期已受巖溶塌陷土體擾動等因素影響,建議在擬建1#樓與既有建筑物A樓之間進行鉆孔止水帷幕灌漿防水土流失隔離保護處理,按照一定間距系統(tǒng)布置鉆孔進行充填、滲透、擠劈灌注,形成一道類似于地下連續(xù)墻、三軸水泥攪拌樁的封閉隔離體,切斷兩者間的地下水力聯(lián)系,以期其對兩者水力具有有效隔離效果,控制周邊建筑沉降,同時降低對后期樁基施工的不利影響。

3.2.1 鉆孔布置

根據既有建筑物A樓巖溶物探及補勘結果,綜合考慮未施工工程樁分布及202#樁巖溶塌陷擾動影響范圍,確定隔離注漿鉆孔布置如下：

1)布孔位置：鉆孔布置于用地紅線以內、基坑圍護樁外側,與既有建筑物A樓平行向布置。

2)布孔范圍：既有建筑物A樓東、西側跨度范圍內。

3)布孔方式：1#樓工程樁未施工區(qū)域及 202#樁塌陷擾動影響區(qū)內,鉆孔呈雙排布置,外排鉆孔間距1 m,內排間距 1.5 m,排間距 1.5 m。其余呈單排布置,鉆孔間距1 m。共計布置注漿鉆孔73孔。見圖7。

圖7 1#樓灌漿隔離孔位布置示意

4)布孔深度：隔離保護注漿處理以上部松軟覆蓋層及土巖接觸帶為主,鉆孔孔深以進入中風化灰?guī)r1 m 為終孔原則。如進基巖1 m 內鉆穿巖溶,則對所遇第1個溶洞空腔進行灌漿處理,預計平均孔深在20～25 m范圍內。

3.2.2 注漿工藝選擇

本工程場地上覆土層主要為填土、稍密狀圓礫及含礫粉質黏土等,下部巖溶基本為流塑狀粉質黏土半充填,前期勘察鉆探過程中,鉆孔漏漿較嚴重。考慮常規(guī)的充填及劈裂灌漿工藝存在的劈裂跑漿與壓力受限等技術問題,為確保防滲加固灌漿隔離處理[3]的有效性,采用一種自上而下、鉆灌一體沖擠灌漿工藝。該工藝是一種較為新型的灌漿工法,該工藝鉆孔采用一種特制的螺旋管或長圓管組成的高壓沖擠灌漿鉆具,用灌漿液作為鉆孔沖洗液,簡便快捷、漿材可控,灌漿均一、經濟環(huán)保。

自上而下鉆孔灌漿遇到溶洞后,先對溶洞空腔進行控制性充填灌漿,而后分段對溶洞軟弱充填物進行鉆灌一體沖擠灌漿[4]。

3.2.3 漿液材料與配比

1)上部覆蓋層鉆灌一體采用水泥穩(wěn)定漿液,其配比性能見表1。水泥采用強度等級不低于42.5MPa的普通硅酸鹽水泥,漿液中可摻入速凝劑、減水劑、穩(wěn)定劑等外加劑,最優(yōu)摻加量通過現場灌漿試驗確定。

表1 覆蓋層水泥穩(wěn)定漿液配比性能

2)溶洞充填擠密與沖擠灌漿處理材料采用一種水下不分散膏狀漿液,其配比性能見表2，它的基本特征是膏漿的剪切屈服強度值大于其本身重力的影響。水下不分散膏漿具有良好的抗水流沖釋性能和自堆積性能,適用于特別松散架空的巖土體或巖溶充填灌漿,采用速凝水泥膏漿有利于動水條件下縮短和控制膏漿的凝結時間,節(jié)省灌漿材料和時間。

表2 溶洞水下不分散膏狀漿液配比性能

3.2.4 現場施工工藝

鉆灌一體沖擠灌漿工藝流程如下：鉆灌開孔→安放孔口管→安裝孔口封閉器→下入與連接沖擠鉆灌機具→ 覆蓋層采用水泥穩(wěn)定漿液自上而下鉆灌一體沖擠灌漿→入巖1 m→如遇巖溶采用水泥膏漿充填擠密與沖擠灌漿[5]→全孔處理結束后自下而上回填灌漿。

灌漿施工步驟：

1)鉆孔順序總體上由西向東,先灌注覆蓋層較厚的部位,遇溶洞優(yōu)先進行充填灌漿。

2)灌漿孔造孔采用回轉鉆進成孔工藝,減少對地下巖層的擾動。

3)根據鉆灌孔規(guī)格配置密封高壓沖擠灌漿頭,鉆灌采用灌漿液作為沖洗液, 通過灌漿泵向孔底進行脈沖式壓漿[6],在密封高壓沖擠灌漿頭作用下,進行鉆灌一體,自上而下對地層進行高壓沖擠灌漿,灌漿液同時兼顧排渣與鉆孔護壁。

4)鉆灌速度為10～20 cm/min,灌漿有效壓力控制在1.5 MPa；單孔灌漿結束后,進行孔內充填封孔灌漿,遇孔內承壓水時,采用孔口屏漿和閉漿處理。遇松散或架空地層鉆灌難以起壓時,原位采用濃漿或膏漿進行充填與低壓擠密灌注,起壓后再按照步驟3進行鉆灌一體、自上而下、高壓沖擠灌漿。

5)灌漿液為普通水泥漿液或水泥黏土穩(wěn)定漿液；水泥黏土穩(wěn)定漿液的水固質量比為0.7∶1～1∶1,且漿液析水率小于5%的普通水泥漿液或水泥黏土漿液。

6)濃漿為水固質量比小于0.5∶1的普通水泥漿液或水泥黏土漿液；膏漿為普通水泥漿液或水泥黏土漿液摻加復合材料,形成的一種膏狀樣漿體,在溶洞區(qū)與覆蓋層的空洞區(qū)灌漿料摻入細砂,增強灌漿材料的膠結強度。

7)覆蓋層鉆孔孔徑89 mm,灌漿漿液配比與性能按表1進行,基巖鉆孔孔徑 75 mm,巖溶沖擠灌漿采用漿液配比與性能按表2進行。

8)鉆灌過程中按照表3控制參數要求調控脈沖進漿壓力與脈沖回漿壓力,通過進漿壓力調控裝置調控脈沖進漿壓力大于或等于設計脈沖進漿壓力,通過回漿壓力調控裝置調控脈沖回漿壓力等于設計脈沖回漿壓力。

表3 鉆灌一體沖擠灌漿施工技術參數控制

9)覆蓋層采用分段鉆灌,每一個鉆灌段鉆孔完成后繼續(xù)進行段內上下回轉沖擠灌漿；每個鉆灌段結束控制標準為：鉆灌段沖擠灌漿達到設計規(guī)定的脈沖進漿壓力與脈沖回漿壓力,滿足注入率結束標準。

10)鉆灌一體過程中遇到溶洞后,先對溶洞空腔進行控制性充填灌漿, 而后分段對溶洞軟弱充填物進行鉆灌一體沖擠灌漿。溶洞灌漿結束控制標準為：溶洞沖擠灌漿達到設計規(guī)定的脈沖進漿壓力與脈沖回漿壓力,滿足注入率結束標準。

11)全孔段鉆灌一體沖擠灌漿結束后,采用0.5∶1水泥濃漿進行全孔段機械回填灌漿。

3.2.5 隔離灌漿效果驗證檢查

1)隔離灌漿結束后,可采用鉆芯法對灌漿效果進行驗證檢查,檢查孔布置在距鉆孔中心 0.5 m 處,共布置總數的10%作為驗證檢查孔。

2)檢查孔鉆孔巖樣采取率>80%,表明灌漿達到預期效果。

4 效果與結論

通過在既有建筑物A樓與擬建1#樓之間的鉆灌一體沖擠灌漿,設置了一道防滲、加固灌漿隔離體,切斷兩者間地下水力聯(lián)系,控制周邊建筑沉降,降低對后期樁基施工不利影響。目前該工程地下樁基和地下工程全部順利完成,通過對周邊既有建筑沉降變形觀測,后續(xù)施工變形極小,為整個項目順利推進發(fā)揮了很好的效果。

比較常規(guī)灌漿工藝,鉆灌一體沖擠灌漿工藝應用過程中簡便快捷、漿材可控、灌漿均一、經濟環(huán)保。在保證本灌漿隔離體在不受到側向應力的情況下,適用于場地狹小且建筑市政設施密集的區(qū)域,避免了傳統(tǒng)咬合樁和三軸攪拌樁等圍護體系需要大型機械及施工工藝受熔巖地層影響較大的施工方法；可有效防止地下水力變化引起的沉降,值得借鑒和推廣。