基于BIM的巖溶復雜地質條件下樁基工程施工關鍵技術

彭 媛，陳國奇，韋 謀

(廣西建工集團第五建筑工程有限責任公司，廣西 柳州 545001)

0 引言

在巖溶發育、水文、地質條件復雜地區，樁基的施工質量和溶洞處理的效果密切相關，傳統的超前鉆報告僅能根據經驗確定溶洞平面分布范圍，無法體現溶洞三維發育情況、影響范圍、與樁基礎的位置關系，施工人員對溶洞影響范圍和處理方案不明確，進而導致成樁質量差、溶洞隱患排查困難、 施工進度滯后等一列問題。本文以一個處于巖溶作用強烈地區的典型項目為例，介紹分析基于BIM的巖溶復雜地質條件下樁基工程施工關鍵技術在地基施工中的應用。

1 工程概況

某工程位于浙江省江山市，總建筑面積為18.89萬m2，其中地上14.17萬m2，地下4.72萬m2。包含1～15號樓主樓及地下室，19～23層，為框剪結構，最大跨度6.3m；S1～S4號樓配電房、S6門衛室、26號樓幼兒園、27號樓老年活動室及開閉所，1～3層，為框架結構，最大跨度9.6m。樁形式選擇為鉆孔灌注樁，共有 3 780 根樁，樁身混凝土強度等級為 C30，大部分樁型為端承樁，樁端支撐巖為石灰巖、局部中風化頁巖，設計樁長25～55m，樁端嵌入持力層 0.5～1m。

2 項目地質情況

1)場地地基范圍內巖土層自上而下共劃分為7大工程地質層，9個亞層，1個夾層。下部巖土層種類多，物理力學性質差異大。部分地層平面分布不連續。②1，②2粉質黏土、③粉細砂、④1，④2卵石，⑤1，⑤2礫砂、⑤a流沙土/軟黏土、⑥風化頁巖、⑦石灰巖層面坡度均>10%。擬建物地基土壓縮性在平面范圍內具有較大差異，本項目場地屬不均勻地基。

2)不良地質情況 場地下臥基巖主要為石灰巖，不良地質作用類型為巖溶作用，主要表現為溶蝕漏斗、溶洞。場地基巖巖石面起伏大，巖體裂隙呈閉合“X”形，裂隙寬1～3mm。溶洞呈半充填或全充填狀態，充填物主要以流塑～軟塑狀態的含礫黏性土及卵礫石為主。超前鉆報告統計，共有783個溶洞，鉆孔見洞隙率34.6%、線巖溶率8.1%，溶洞埋深5.50～41.70m,屬于巖溶地面塌陷災害易發區(見圖1)。

圖1 基礎工程施工場地

3 樁基工程施工重難點

1)地質條件復雜，溶洞全場地分布，埋深變化很大，增大了施工難度和風險。

2)該項目場地內溶洞分布廣，溶洞規模較大，樁基工程數量多，這給項目選擇處理方案造成很大困難，給生產投入、計劃進度安排帶來極大不確定性，也帶來質量、安全隱患。

3)場地屬于地面塌陷災害易發區，樁基大型機械的重壓及振動及樁基工程施工過程中造成的水文地質條件改變都很有可能引起溶洞坍塌造成地面塌陷等安全事故。

4 針對施工重難點提出的解決方案

4.1 基于BIM的溶洞可視化分類處理技術

1)通過BIM軟件將超前鉆勘測得出的鉆孔柱狀圖轉化為相應的溶洞分布三維模型。溶洞分布三維模型內信息包括鉆孔坐標、鉆孔深度、孔口高程、層底深度、分層厚度、層底標高等(見圖2)。

圖2 結合超前鉆和地質勘察數據生成溶洞BIM模型

2)通過BIM軟件將地質勘察資料和設計二維模型整合成能同時顯示持力層和工程樁位置、樁的空間位置坐標及樁長、樁徑的三維模型。

3)在BIM模型中將溶洞分布的三維模型及工程樁分布的模型合并，生成可直觀顯示工程樁、持力層、溶洞三者相對位置的立體三維BIM模型。如圖3所示，該圖截取1號樓基礎地塊模型局部，深灰色區塊為模擬成片分布的溶洞群，淺灰色區塊為連成一片的樁端石灰巖持力層。

圖3 1號樓基礎地塊溶洞、樁、持力層綜合的BIM模型

4)根據BIM模型分析溶洞情況，選擇施工方案。報告包括必須穿越溶洞樁的穿越深度、不穿越溶洞樁樁底與溶洞頂部的距離，溶洞的洞頂厚度及樁與最近溶洞的水平距離，分析報告為樁基施工危險區域的篩選提供詳細參考，并為不同施工方案的選擇提供依據。①結合BIM模型，分析較大及特殊溶洞，統計溶洞洞高與類型；由BIM模型可知在1～4號、12～15號樓基礎地塊集中分布存在較多埋深淺、體量大、洞高的大型溶洞。②利用BIM模型，針對1～4號、12～15號樓基礎地塊的溶洞群，查找體量較大、標高接近、洞高相當、相互臨近、類型相同的溶洞，再結合勘探數據，進行溶洞是否串通判斷；經推斷有3處大溶洞群在地下連通。③針對埋深淺、體量大、洞高大、穩定性差、連通的溶洞，必須采取溶洞預處理技術，先處理后打樁。溶洞預處理的原理是將不同種類的漿液壓入溶洞腔，將其填充完整，增大整體承載力，防止溶洞洞頂垮塌，填充物還可封堵小裂隙，防止后期灌注樁身混凝土時漏漿和樁位塌孔。④針對埋深較大的大型溶洞，采取新型樁基穿越溶洞后注漿方案處理(見圖4)。

圖4 溶洞串通分析

5)溶洞薄弱點安全隱患排查 通過溶洞BIM模型分析，排查體積大、埋深淺、串通的溶洞，并在施工現場平面中標記易塌孔的薄弱點范圍。

4.2 新型溶洞預處理技術

本技術采用袖閥管與鋼管相結合的注漿設備。根據超前鉆發現有溶洞的位置埋設φ48×3袖閥管，同時在注漿管的端部連接1根4m長DN20鍍鋅鋼管，在袖閥管與地面相交處使用水泥漿進行封堵，預防漿液滲漏。

1)根據BIM模型確定溶洞的位置、標高及發育情況。

2)超前鉆機按設計要求鉆孔 根據BIM綜合模型所提供的樁位開孔，每根已揭露有溶洞的樁暫定3個鉆孔用于探查、注漿和排氣，鉆孔的標高在溶洞最低標高處。

3)埋入袖閥管、鋼管 根據超前鉆所鉆出來的孔，埋入φ48×3袖閥管，并在袖閥管與地面相交處進行500mm高的水泥漿封堵，保證溶洞注漿管道的密封性，注漿管的端部連接1根4m長DN20鍍鋅鋼管。

4)注漿管自下而上提升，水泥漿液通過加壓泵與注漿管加壓注入溶洞，達到一定壓力值無法壓入時，再提升注漿管，注漿完成后拔注漿管，并將鍍鋅鋼管拔出并清洗干凈。

5)溶洞處理驗收 采用管波探測法對注漿達到設計強度的溶洞進行檢測，溶洞處理效果良好，漿液飽滿，且強度滿足要求的可通過驗收，否則再進行復灌。

4.3 新型樁基穿越溶洞后注漿處理技術

巖溶地區的溶洞通常埋藏在地下不同深度，向下鉆孔時，溶洞和巖溶裂隙會分布在鉆孔設計位置的下方不同位置，有的部分重合，有的緊鄰孔壁。傳統做法采用在溶洞段安置鋼護筒或用注漿方法將溶洞填充，再從地面插入注漿管對樁周圍巖溶空洞或裂隙注入水泥漿。這種方法存在許多缺點：①基坑外側地面插入注漿管，注漿設備和施工人員會占用車道，影響交通安全，增大施工風險；②后期再進行打孔和安裝注漿管注漿，會增大工程量，延長工期；③安裝鋼護筒或溶洞全部注漿，費用過高且施工復雜。項目研發新技術解決以上難題。

1)利用BIM溶洞模型，查明樁位處較大溶洞分布情況，確定大溶洞形態、大小和位置，為鉆孔貫穿大溶洞的處理做好準備。

2)鉆機鉆孔至溶洞頂板后，采用樁錘上下反復進行鉆進，當鉆孔出現水位突然變化較大、泥漿稠密度變化較大或鉆進速度明顯加快時，表明已穿過溶洞頂部進入大溶洞內部。

3)提起樁錘，向樁機鉆孔內拋填黏土和片石，片石的長度選擇(40±5)cm，黏土和片石的質量比例為0.4～0.6，根據溶洞內地下水的含量進行調整，用樁錘將片石和黏土擠壓入大溶洞，填滿大溶洞并錘壓密實。

4)采用短沖程繼續鉆孔，每進尺100cm左右，向樁機鉆孔內拋填1次黏土和片石，鉆孔和拋填交替進行，直至穿過大溶洞底板。

5)采用孔徑儀或井下電視第2次探測樁機鉆孔孔壁的巖溶裂縫和小溶洞的大小與位置等數據，這些數據可決定注漿管長度及其與鋼筋籠焊接位置。

6)根據所記錄的巖溶裂縫或小溶洞到地面的距離和數量制作注漿管，注漿長度與最低處的巖溶裂縫或小溶洞到地面距離相等，注漿管的出口數量與需澆筑的巖溶裂縫或小溶洞數量相同，注漿管的出口位置與需澆筑的巖溶裂縫或小溶洞的位置對應；注漿管通過多段管道連接時，管道與管道之間通過絲扣連接。

7)根據巖溶裂縫或小溶洞位置，將所有注漿焊接在鋼筋籠內側，注漿管的長度和出口角度要保證出口中心與巖溶裂縫或小溶洞的中心位置誤差在1cm以內。

8)清孔，下放鋼筋籠到樁機鉆孔中并進行混凝土澆灌。

9)混凝土澆灌完成3～5d后通過注漿管對樁孔側壁的小溶洞和裂縫進行注漿，并在樁機鉆孔周圍形成注漿區域；注漿壓力采用5～10MPa，當注入壓力明顯增大或出現冒漿時停止注漿(見圖5)。

圖5 新型樁基穿越溶洞后注漿處理原理

新型樁基穿越溶洞后注漿處理技術是通過在鉆孔灌注樁內部預留注漿管，根據小溶洞和巖溶裂縫位置焊接在鋼筋籠上，在鉆孔灌注樁澆灌完成后對鉆孔壁側未填充完全的小溶洞和巖溶裂縫進行補充注漿，避免了單獨在地面向小溶洞打孔注漿，減少了車道占用量。在鉆孔灌注樁達到規定強度后，直接利用鉆孔灌注樁樁內預埋的注漿管對小溶洞和巖溶裂縫的空隙壓入水泥漿，由于是采用片石和黏土填充較大溶洞；同時根據二次探測確定小溶洞和巖溶裂縫及因鉆機振動造成的孔壁塌落位置與形狀，再利用預留的注漿管使用少量水泥漿進行精確填充，這樣既簡化施工步驟又能大大降低工程造價，經過后期測算，共產生經濟效益28.6萬元。

5 結語

本文通過在巖溶發育的浙西地區進行樁基施工過程中的實踐，總結出一套基于BIM的巖溶復雜地質條件下樁基工程施工關鍵技術，其中包含BIM溶洞可視化分類處理、新型溶洞預處理、新型樁基穿越溶洞后注漿處理等施工技術，在高效劃分溶洞類型、合理選擇溶洞處理方式和樁基施工方案，保證樁基施工安全、質量和進度等多個方面均取得成效，創造了可觀的社會與經濟效益，可為溶洞發育地區的地基和基礎施工提供借鑒和參考。