某深基坑溶洞处理措施研究

罗 伟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430072)

1 概述

某地铁车站基坑深度17.26 m(盾构井段19.65 m)。拟建车站位于断陷盆地北部边缘地带Ⅰ级阶地。据钻孔揭露,车站范围内岩石溶蚀严重,呈溶隙、溶沟及溶洞。该区属隐伏岩溶区,可溶岩基本被覆盖,钻孔见洞率约为82%。溶洞埋深：5.20～24.00 m；洞高：0.90～21.60 m,高度小于2.00 m约为40%,2.0～5.0 m约30%,大于5.00 m约为30%,最大溶洞高度21.60 m。这些溶洞将严重影响基坑稳定,给工程施工带来较大风险,因此必须对溶洞进行处理,保证工程安全顺利实施[4-5]。

2 溶洞危害分析

溶洞对深基坑安全影响主要有以下几个方面[3]：

(1)溶洞易形成贯通,与附近河流形成水力联系,一旦基坑围护结构隔水失效,易导致基坑失稳；

(2)溶洞部位承载力差,易使深基坑内支撑结构失稳；

(3)溶洞区岩板承载力不足,易被桩基顶穿从而导致基坑路面系统崩塌；

(4)溶洞区岩体承载力差,易引起主体结构不均匀沉降,给车站安全运营带来隐患。

3 溶洞处理范围

3.1 溶洞分类

溶洞按其内填充物的特性分为以下3类[4-5]：

全空溶洞：溶洞内无任何填充物或者绝大部分空间被地下水充填；

部分填充溶洞：溶洞内部分被淤泥或其他力学性质较差岩土填充；

完全填充溶洞：溶洞被粉土、黏土或其他力学性质较好的岩土填充。

3.2 溶洞处理范围

(1)基坑周边：沿连续墙四周2 m的范围内布置地质钻孔,钻孔深度按以下原则双控：深入连续墙底部以下不小于3 m；深入基坑底以下不小于10 m,取以上两个深度值较大的一个作为钻孔深度的控制值。见图1、图2。

(2)格构柱：在距格构柱中心2 m距离的位置,成梅花形布置4个探孔,钻孔深度为深入格构柱桩底以下10 m。见图3、图4。

(3)除去以上基坑周边和格构柱探孔范围,在基坑内则采用4 m×4 m梅花形布置探孔,探孔与格构柱探孔及基坑周边区域的探孔不重复布置,钻孔深度为深入基坑底以下10 m。

图1 连续墙周边溶洞处理钻孔布置剖面(单位：mm)

图2 连续墙周边溶洞处理钻孔布置

图3 临时立柱周边溶洞处理钻孔布置剖面(单位：mm)

图4 临时立柱周边溶洞处理钻孔布置

4 溶洞处理措施

4.1 处理工艺的选择[6-8]

施工工艺对注浆效果有很大的影响,每种施工工艺都有其优点和局限性,在进行注浆设计时,要综合考虑地基土特性、注浆目的、注浆范围和注浆浆液等因素,对施工工艺加以明确。施工工艺的选择带有一定的经验性,见表1。

从表1可以看出,本工程拟采用袖阀管注浆法进行溶洞处理。

表1 注浆工艺的适用情况

4.2 注浆压力的确定[9-12]

注浆的最大容许注浆压力推荐采用注浆试验曲线确定,即在注浆试验过程中,逐步提高注浆压力,求得压力和流量关系曲线(图5),当压力升到某一数值时,注浆流量突然增大,表明地层已产生劈裂,因而把这一压力值作为确定最大容许注浆压力的依据。

图5 注浆压力与注浆流量关系曲线

在试验前需预定一个试验压力值时,可以根据以下注浆的经验公式确定

[Pe]=βγT+cKλh

式中 [Pe]——容许注浆压力；

T——注浆覆盖层厚度，m；

K——与注浆方式有关的系数,自上而下注浆时K=0.8,自下而上时K=0.6；

λ——与地层性质有关的系数,可在0.5～1.5选择。结构疏松、渗透系数强的地层取低值,反之取高值；

h——注浆段到地面深度；

β——系数,在1～3选择；

γ——地面以下,注浆段以上土层的重度。

如采用水泥-水玻璃双液快凝浆液,则注浆压力宜小于1 MPa。在保证可注入的前提下应尽量减小注浆压力,浆液流量也不宜过大,一般控制在10～20 L/min。

4.3 溶洞处理措施

根据以上的探孔布置进行基坑范围内的溶洞探测。当探孔揭示底板以下超过10 m范围未出现溶洞,则该探孔所在的位置灌注1∶1水泥浆,注浆压力控制在1.0 MPa；若在探孔范围内发现较为软弱的土层,如地基承载力较低的淤泥质土时,采用双管高压旋喷进行加固,要求加固后的土体无侧限抗压强度qu≥1.0 MPa。

对于空洞、半填充,全填充性溶洞,则进行如下处理。

(1)全空溶洞：在探孔区域探测到全空溶洞且空洞内含岩溶水较少时(岩溶水较少时则表明该处的岩溶水一般不具备连通性),先抽出岩溶水向溶洞内充填细砂,或填充粒径较小的砂石,填充时采取压力吹灌的方式。当填料达到孔洞高度的1/3时,进行1次注浆,浆液采用水泥水玻璃双液浆,注浆压力控制在0.2 MPa；待加固体达到一定强度后继续进行吹灌充填,当填料达到孔洞高度的2/3时,进行1次注浆,浆液采用水泥水玻璃双液浆,注浆压力控制在0.3 MPa；待加固体达到一定强度后再进行吹灌充填,填满整个空洞范围,然后进行注浆,注浆压力可以适当加大,但应控制在0.5 MPa以内。

(2)部分填充溶洞：在探孔区域探测到部分填充溶洞时,向溶洞内填充细砂,或填充粒径较小的砂石料,填充时采取压力吹灌的方式,然后进行注浆加固,注浆采用水泥水玻璃双液浆,注浆压力控制在0.3 MPa。

(3)完全填充溶洞：在探孔区域探测到完全填充溶洞时,直接向溶洞内灌注1∶1水泥浆,注浆压力控制在0.5 MPa以内。

(4)对于大量岩溶水填充的溶洞：首先对该溶洞的岩溶水进行抽排,抽排的同时注意观测水位的变化,若水位变化较快,则表明该溶洞内的水不具备连通性,此时将溶洞内的岩溶水抽排干净之后,以全空溶洞的处理方式进行处理；若抽水过程中水位变化较慢或不变化,则表明该溶洞内的岩溶水与地下其他水系具有水力联系(但在无干扰时不具备流动性),此时应立即停止抽排,并扩大探孔的范围,即在既有探孔周边1～2 m增加探孔,并经过以上探孔向溶洞内灌填粒径较大的石料,然后进行注浆加固,加固采用水泥水玻璃双液浆,注浆压力控制在0.1 MPa以内,待加固体形成一定结石体后,重复以上步骤,注浆压力随着空洞内结石体增加可适当提高,但最大不应超过0.3 MPa,注浆时应使多个探孔做到同步注浆。

(5)以上各种处理方式中,最后阶段均应进行一次压密注浆,注浆采用1∶1水泥浆,注浆压力控制在0.5 MPa以内。

4.4 溶洞处理的材料

(1)注浆管：φ80 mm无缝钢管。

(2)水泥：P32.5普通硅酸盐水泥,水泥浆液水灰比为:0.8∶1～1∶1。

(3)水玻璃：38～43 Be′,模数2.4～3.0。

水泥水玻璃双液浆中,水玻璃要进行水灰比、水玻璃浓度、CS体积比的现场试验,以确定水泥水玻璃浆液的凝胶结时间、结石体强度。加固后进行抽芯检验,要求无侧限抗压强度qu≥1.0 MPa。

5 注浆施工工艺及注意事项

5.1 注浆钻孔施工控制

(1)注浆前先进行30%先导勘探孔的钻探,先导孔施工完毕后进行注浆孔的钻探和注浆施工；

(2)土层采用干钻,岩层采用水钻；土层采用φ108 mm钻头钻进,岩层基岩面以下0.5 m为φ110 mm钻头钻进,其下采用φ91 mm钻头。孔位移动不超过0.5 m,垂直偏差小于1%。

(3)套管应下至基岩面以下0.5 m,嵌入基岩并用水泥砂浆固结,待水泥砂浆初凝后继续岩层钻进。

(4)钻孔深度为进入岩层深度不得小于5.0 m,并应确保钻到溶洞底板以下不小于1.0 m。钻至设计深度后进行清孔,保证钻孔底部的沉渣小于0.2 m,清水冲洗时间不小于30 min。

5.2 注浆技术要求及施工控制

(1)注浆的顺序为先两侧后中间跳孔注浆的顺序。

(2)注浆前每孔做好注水试验,根据钻孔的地质情况和注水试验的情况采用不同的注浆浆液和措施。注浆后选取5%的注浆孔清孔后做注水试验,对前后2次注水试验的资料整理,对比单位吸水量,若未达到设计要求(注浆后的单位吸水量小于注浆前的单位吸水量3%～5%,且不存在明显漏水现象),说明该孔注浆不合格,应继续清孔注浆,直到注水试验合格。

(3)注浆前准备及注浆工艺选用

①注浆前,应分析注浆孔的地层及岩溶和裂隙情况,并根据地层情况初步选定注浆方案(如注浆孔地层中存在空洞,应先考虑填灌砂或水泥砂浆；全充填溶洞或裂隙应先用单液注浆等)。

②注浆施工工艺选用的顺序一般为：填灌砂或水泥砂浆→双液注浆(或单液注浆)→补偿压密注浆。

③注浆工艺在实际注浆施工操作中应灵活选用,每种工艺(如灌砂,单、双液注浆)根据注浆情况可能多次间隔反复使用,以达到既满足质量要求又节约注浆材料的目的。

④注浆终孔结束标准

流量控制：注浆孔口压力维持在0.2～0.5 MPa,吸浆量不大于40 L/min,维持30 min；

压力控制：注浆钻孔基岩完整,或多次注浆,孔口压力超过1.5 MPa时；

范围控制：冒浆点已出注浆范围外3～5 m时；

浆量控制：单孔注浆量达到平均注浆量1.5～2.0倍,且进浆量明显减少时,当达不到上述结束标准时,应清孔再次注浆。

⑤封孔：注浆结束拔出套管后,用M7.5号水泥砂浆封孔,封孔时必须边灌边插捣,确保孔内密实。严禁不封孔或假封孔,以致人为形成竖向水力通道,加重路基岩溶病害。

注浆施工工艺施工流程见图6。

图6 灌浆施工工艺

5.3 施工注意事项

(1)进行不同水灰比的小样配比试验,确定0.8∶1～1∶1的材料用量,便于施工工艺控制。

(2)施工时因受水文地质条件的影响,应及时调整浆液配比。

(3)注浆过程中严格按照试验配比控制水泥浆比例,避免对注浆质量产生影响。

(4)针对地下溶洞,严格执行先探后施工的原则。

(5)施工过程中必须对含有岩溶水的溶洞进行填充与压浆处理,隔断地下岩溶水的水力联系,避免溶洞中的岩溶水与周边建筑物下部的岩溶水形成连通,从而因基坑降水导致坑外建筑物的地基沉降,进而导致建筑物的破坏,引发地质灾害。

6 结语

溶洞问题一直是困扰工程建设的重大问题,尤其对深基坑稳定性有着重大影响,溶洞处理的精髓在于探灌结合,只有对溶洞分布形态、发育规律作出准确预测,宏观把握整个施工场区岩溶情况,才能采取针对、有效的处理措施。

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