萬小樂

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

目前，多采用物探與鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)行巖溶地質(zhì)勘察[4]。王喜遷等利用高密度電法，對(duì)土洞、溶洞等進(jìn)行探測，取得了較好的結(jié)果[5]。唐毅結(jié)合南廣鐵路實(shí)例，研究了電測深法在巖溶探測中的測試效果，認(rèn)為其測試結(jié)果可為巖溶處理提供依據(jù)[6]。但物探技術(shù)對(duì)于深部巖溶地質(zhì)性狀的探測具有局限性：當(dāng)建筑采用樁基礎(chǔ)時(shí)，物探無法準(zhǔn)確查明樁基礎(chǔ)持力層的詳細(xì)地質(zhì)信息，會(huì)給后續(xù)的鉆探工作帶來偏差。此外，巖溶區(qū)的樁基設(shè)計(jì)往往機(jī)械套用規(guī)范公式，缺乏與實(shí)際地質(zhì)情況的聯(lián)系，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果存在風(fēng)險(xiǎn)或者過于保守。因此，以下將通過在擬建場地的巖溶地質(zhì)施工勘察，對(duì)覆蓋型巖溶區(qū)的施工勘察布孔、巖溶發(fā)育程度分區(qū)、樁基選型、嵌巖樁入巖深度和巖溶樁基施工措施等問題進(jìn)行分析和總結(jié)。

2 工程及工程地質(zhì)概況

2.1 工程概況

擬建工程位于廣東省清遠(yuǎn)市清城區(qū)，分布于在建廣清城際清遠(yuǎn)站東西兩側(cè)，包括地上商業(yè)中心、地下停車庫、站前廣場、地面停車場、出租車場站、公交首末站及綠化景觀等工程。本項(xiàng)目總用地面積為49 986 m2，總建筑面積為96 958 m2，建筑高度24 m，分為A、B 兩棟建筑，均采用框架結(jié)構(gòu)體系。

2.2 工程地質(zhì)概況

工程場地位于清遠(yuǎn)沖積平原區(qū)，地形整體平坦開闊，起伏較小，除正在施工的清遠(yuǎn)站基坑底面高程為10 m左右外，其它地段地面高程為13.8～17.7 m。

工程場地上覆第四系沖洪積地層；下伏泥盆系上統(tǒng)粉砂巖、炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)灰?guī)r。巖層傾向?yàn)?90°～240°，傾角為8°～15°或接近水平。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料與鉆孔揭露情況，擬建工程場地未見斷裂等地質(zhì)構(gòu)造(典型地質(zhì)剖面見圖1)。選用微風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r層作為樁基持力層，該巖層為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬。根據(jù)巖石試驗(yàn)結(jié)果，微風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度最小值為7.12 MPa，最大值為54.83 MPa，平均值為27.99 MPa；干燥單軸抗壓強(qiáng)度最小值為14.6 MPa，最大值為58.9 MPa，平均值為36.6 MPa。

圖1 工程場地典型地質(zhì)剖面

受施工活動(dòng)影響，擬建工程場地幾乎未見地表水，僅局部區(qū)域見殘留水塘痕跡。

工程場地范圍內(nèi)地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和巖溶水。松散巖類孔隙水以第四系孔隙潛水為主，主要賦存于第四系沖洪積層砂類土層中，以地表水、大氣降水補(bǔ)給為主，具有明顯的季節(jié)變化特征。巖溶水主要賦存于泥盆系天子嶺組炭質(zhì)灰?guī)r地層中，以接受大氣降水和地表入滲補(bǔ)給為主，少量來自相鄰含水層側(cè)向、垂直補(bǔ)給，水量較豐富。

(1)a.is obviously used between strangers,while(1)b.is colloquial and is often heard between intimate friends.

勘察期間，測得地下水穩(wěn)定水位埋深1.2～2.6 m(高程為7.2～15.8 m)，根據(jù)地區(qū)水文地質(zhì)資料，場地地下水穩(wěn)定水位變化幅度可按1～2 m考慮。

3 巖溶發(fā)育特征

3.1 施工勘察布孔原則

圖2 超前鉆布孔原則

根據(jù)詳勘掌握的擬建工程場地巖溶發(fā)育情況，場地巖溶為弱-中等發(fā)育，主要分布在場地東北及西北，其表現(xiàn)形式以溶洞為主。施工勘察布孔如圖2所示。根據(jù)詳勘成果，將場地初步劃分為摩擦樁區(qū)域和嵌巖樁區(qū)域。摩擦樁區(qū)域內(nèi)的每個(gè)樁基承臺(tái)范圍內(nèi)至少布置1個(gè)鉆孔，如圖2中承臺(tái)P-B19；嵌巖樁區(qū)域則執(zhí)行每個(gè)承臺(tái)一樁一孔的布孔原則，如圖2中承臺(tái)P-4；對(duì)于摩擦樁區(qū)域與嵌巖樁區(qū)域交界處，由于基巖面起伏較大，故鉆孔應(yīng)加密布置。

鉆孔應(yīng)深入穩(wěn)定微風(fēng)化基巖面以下不小于5 m，若遇溶洞，應(yīng)繼續(xù)加深直至進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定巖層5 m以上。此外，對(duì)于摩擦樁和嵌巖樁區(qū)域交界處的承臺(tái)，由于附近基巖面起伏較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆孔應(yīng)加深至穩(wěn)定基巖面以下8～10 m。

3.2 巖溶發(fā)育情況

根據(jù)工程前期的現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，擬建場區(qū)內(nèi)地表并未發(fā)現(xiàn)有巖溶塌陷、洼地、漏斗等現(xiàn)象發(fā)育；根據(jù)詳勘的鉆探成果，場地內(nèi)泥盆系天子嶺組炭質(zhì)灰?guī)r中節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，存在有呈隱伏形態(tài)的溶隙和溶洞發(fā)育(部分溶洞分布統(tǒng)計(jì)情況見表1)。

表1 溶洞分布情況(部分) m

注：編號(hào)XKZJ為詳勘孔。

本次完成的詳勘孔和超前鉆共計(jì)659孔，其中揭露溶洞鉆孔為63個(gè)，見洞率為9.56%。在平面發(fā)育特征方面，鉆孔揭露溶洞頂板埋深10.8～35.8 m，底板埋深9.1～38.4 m。場地內(nèi)部分地區(qū)基巖面起伏較大，相鄰鉆孔基巖面最大高差可達(dá)26.5 m，總體呈現(xiàn)出蝶形的隱伏巖溶洼地地貌。這種基巖面形態(tài)主要有兩類成因：①場地內(nèi)部分灰?guī)r巖體較破碎，節(jié)理裂隙相互貫通交叉，隨著地下水溶蝕的擴(kuò)大和加深，最終發(fā)展形成。②溶洞頂板崩塌形成。在垂直發(fā)育特征發(fā)面，對(duì)揭露溶洞的63個(gè)鉆孔進(jìn)行分析，揭露單層溶洞的鉆孔有31個(gè)，揭露串珠狀溶洞的鉆孔有32個(gè)，單孔揭露最多溶洞個(gè)數(shù)為4個(gè)。溶洞多數(shù)無充填，少數(shù)為半充填和全充填，充填物一般為流-軟塑粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)土等。根據(jù)工程地質(zhì)手冊(cè)中對(duì)巖溶發(fā)育程度的劃分[8]，該場地內(nèi)的巖溶發(fā)育程度為微-中等。

3.3 場地巖溶發(fā)育程度分區(qū)

根據(jù)鉆探揭露出的場地巖溶發(fā)育情況，場地分區(qū)如圖3所示，各區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育特征見表2。

圖3 場地巖溶分區(qū)

區(qū)號(hào)布置鉆孔/個(gè)見洞孔數(shù)/個(gè)線巖溶率/%最多溶洞層數(shù)/層基巖埋深/m溶洞高度/m頂板厚度/mⅠ190395.5339.1～42.80.9～6.20.4～3.9Ⅱ21530.0419.8～33.90.7～1.50～0.5Ⅲ271415.2149.2～58.81.8～15.70.1～9.2Ⅳ22770.08116.1～470.3～3.80.4～5.6

(1)對(duì)于Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)，只有零星的鉆孔揭露有溶洞發(fā)育，鉆孔線巖溶率低于1%，溶洞均為單個(gè)出現(xiàn)，洞體較小，為巖溶弱發(fā)育。區(qū)內(nèi)灰?guī)r為中厚層狀，構(gòu)造不發(fā)育，覆蓋層較厚，屬于巖溶發(fā)育的穩(wěn)定區(qū)，地基的整體穩(wěn)定性較好，僅需對(duì)有溶洞的區(qū)域進(jìn)行處理并加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)防即可。

(2)而對(duì)于Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)，鉆孔線巖溶率較高(尤其是Ⅲ區(qū)更是達(dá)到了15.21%)，且揭露出的溶洞很多都呈串珠狀形態(tài)。其中，Ⅰ區(qū)揭露串珠狀溶洞的鉆孔有16個(gè)，溶洞最多層數(shù)為3層；Ⅲ區(qū)揭露串珠狀溶洞的鉆孔有14個(gè)，溶洞最多層數(shù)為4層，溶洞之間存在連通的可能性，且多數(shù)為無充填，表明Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)巖溶發(fā)育程度為強(qiáng)發(fā)育，地基的整體穩(wěn)定性較差，屬于巖溶不穩(wěn)定區(qū)域，需采取合適的方法對(duì)巖溶進(jìn)行專門處理。

4 工程措施

場地覆蓋層較厚(10～15 m)，部分區(qū)域分布有軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，工程性質(zhì)較差，下伏泥盆系上統(tǒng)粉砂巖、炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)灰?guī)r等，地層層序較多，厚度分布差異大，均勻性較差，場地巖溶為弱-中等發(fā)育，故建筑區(qū)域宜采用樁基礎(chǔ)形式。

4.1 樁基選型

為確定基樁類型，對(duì)詳勘和施工勘察成果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，繪制場地微風(fēng)化基巖面高程等值線(見圖4)。

圖4 擬建場地基巖標(biāo)高等值線(單位：m)

由圖4可知，場區(qū)微風(fēng)化灰?guī)r基巖面起伏較大(高程從-40～10 m)?；鶐r面埋深較大處為擬建場地的西北和東北部分，該區(qū)域基巖埋深普遍在30 m以上，增加了嵌巖樁的施工難度。此外，場區(qū)范圍內(nèi)樁基持力層之上分布著較厚的全風(fēng)化粉砂巖、頁巖和中風(fēng)化灰?guī)r層。這些巖層的工程性質(zhì)較好，能提供較大的端阻力和側(cè)摩阻力，若選用嵌巖樁則會(huì)造成承載力的浪費(fèi)，故該區(qū)域的樁基可選用摩擦樁。而對(duì)于擬建場地內(nèi)基巖埋深不大的其他區(qū)域(比如場地的西南和東南區(qū)域)，微風(fēng)化基巖面的高程基本處于-5～5 m，基樁一般只需要施工6～15 m即可嵌入穩(wěn)定巖層內(nèi)，故該區(qū)域內(nèi)的基樁可選用嵌巖樁。

4.2 嵌巖深度

本工程建筑基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為800 mm，單樁承載力特征值為3 000 kN。根據(jù)樁基相關(guān)規(guī)范，當(dāng)根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下列公式計(jì)算[9]

Quk=Qsk+Qrk(1)

Quk=u∑qsikli(2)

Qrk=ζrfrkAp(3)

式中Qsk、Qrk——分別為土的總極限側(cè)阻力、嵌巖段總極限阻力；

qsik——樁周第i層土的極限側(cè)阻力；

frk——巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

ζr——嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)。

根據(jù)巖土勘察原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，場區(qū)內(nèi)主要土層的巖土參數(shù)值如表3所示。

經(jīng)計(jì)算，嵌巖深徑比hdr為1.5，即嵌巖深度為1.2 m時(shí)承載力可以滿足設(shè)計(jì)要求，但這一嵌巖深度只適用于同一承臺(tái)下基巖面起伏不大的情況。對(duì)于同一承臺(tái)下基巖起伏較大的基樁，應(yīng)考慮同一承臺(tái)下基樁受力的均勻性，可以將各基樁長度設(shè)計(jì)為等長(見圖5)。

表3 主要土層巖土參數(shù)值

圖5 基樁嵌巖深度示意

4.3 樁基施工措施

①對(duì)于較小的巖溶洞隙，可采用鑲補(bǔ)、嵌塞或梁板拱跨越等方法處理[10]。②對(duì)溶洞高度較大且會(huì)對(duì)樁基施工造成影響的洞穴，以拋填片石、黏土塊填充為主。③當(dāng)同一基樁深度范圍內(nèi)發(fā)育多層溶洞時(shí)，可采取自上而下的順序?qū)θ芏匆来芜M(jìn)行回填處理[11]。回填法的具體步驟是：先鉆進(jìn)到溶洞頂板上方，然后采用小沖程鉆機(jī)逐漸將頂板擊穿，之后按照少量多次的原則回填夯實(shí)，直至鉆孔能夠順利穿過溶洞且滿足強(qiáng)度要求，回填法施工如圖6所示。

圖6 回填法施工示意

在拋填片石黏土等措施難以成孔時(shí)，或者為避免鉆孔發(fā)生偏斜，可根據(jù)需要加長鋼護(hù)筒[12]。當(dāng)溶洞巖體較為破碎，且洞內(nèi)有軟塑狀黏性土等軟弱填充物時(shí)，可采用鉆孔灌注水泥砂漿、水泥漿等處理措施[13-16]。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)巖溶發(fā)育情況將場地劃分為4個(gè)區(qū)域，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)鉆孔線巖溶率低于1%，構(gòu)造不發(fā)育，覆蓋層較厚，屬于巖溶穩(wěn)定區(qū)；Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)鉆孔線巖溶率較高，溶洞多呈串珠狀發(fā)育，溶洞多數(shù)無充填，屬于巖溶不穩(wěn)定區(qū)域。

(2)巖溶地區(qū)樁基選型、樁基嵌巖深度不能簡單地依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行確定，而需結(jié)合施工勘察成果進(jìn)行綜合分析確定。本工程中嵌巖樁入持力層1.5倍樁徑即可滿足承載力要求，但基巖面起伏大的地段需適當(dāng)加深。

(3)樁基施工時(shí)溶洞的處理應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件以及巖溶發(fā)育特征等，因地制宜地選用合適的方法，主要包括回填法、鋼護(hù)筒跟進(jìn)法、注漿法等。