大荷载作用下溶洞地基处理应用研究

田 键，方冬君，王金地

（1湖北工业大学材料科学与工程学院，湖北 武汉430068；2湖北大学天沭新能源材料工业研究设计院，湖北 武汉430062）

随着工程建设的飞速发展，建筑场地不断扩张，溶洞地基出现的机率越来越大，给工程建设带来了严峻的考验。如果处理不当，容易出现地基沉陷、坍塌等危害［1－3］。因此，需要充分了解溶洞发育情况、分布位置、规模大小及顶板厚度和强度等，根据具体情况采取相应处理措施，保证工程安全性［4］。

河南省禹州市无梁镇某水泥熟料公司拟建6Φ15m高40m的水泥储存库，设计地基承载力要求高。由于地基形式复杂，拟建基础形式为整板基础。拟建场地位于太行山脉的支脉上，特邀请河南省有色工程勘察有限公司做详细的《岩土工程勘察报告》。报告中，拟建场地地面以下3.0～15.0m深度左右存在小范围的溶蚀裂隙、溶洞和破碎岩石，严重影响上部结构的稳定性和安全性［5－6］。因此，需要先对该溶洞采用高压注浆加固处理，再在地面上浇筑整板基础，以保证地质基础的稳定性，提高上部建筑物的安全性。

1 工程概况

1.1 场地地质状况

根据野外钻探揭露和现场判别，结合原位测试和室内土工试验资料，将勘探深度范围内的地层划分为7个单元，2个亚层：粉质粘土层、强风化灰岩层、中等风化灰岩层、中风化泥岩层、微风化灰岩层、强风化砂岩层、中风化砂岩层、微风化砂岩层、微风化页岩层。本次勘测表明：溶洞主要存在于中等风化灰岩至微风化灰岩层中，溶洞直径1.5～4.2m。经80个钻孔采样，47个钻孔出现溶洞，溶洞出现率为58.8%。溶洞埋深范围为3.0～11.4m。地层溶洞分布情况见图1。

图1 地层溶洞分布情况示意图

1.2 场地水文地质条件

场地地下水主要为岩溶水，地下水位较深，勘探深度内未见地下水。

1.3 不良地质作用及对工程不利的埋藏物

根据区域资料及现场勘查，查明该场地内除溶洞对地基产生不良作用外，不存在对工程安全有影响的暗塘、暗浜和墓穴等不利工程建设的埋藏物和滑坡、塌陷、地面沉降、地裂缝等不良地质作用。

综上所述，位于太行山支脉的拟建场地地质结构以岩石为主，整体的地质承载力较好，可以作为水泥储存库的建设场地，只是局部出现溶洞，严重影响了局部的地基承载力。本项目水泥库建设要求地基承载力达到1 200kPa，亟需对局部不良地质基础采取相应措施，保证上部结构的稳定性与安全性。

2 溶洞处理方案的选择

根据溶洞发育分类情况，岩溶洞埋深小，顶板厚度小于1.5m，对基础影响较大，需对局部溶洞进行加固处理。处理溶洞地基的方案通常有充填技术、钢护筒跟进加固技术和高压注浆技术等。

2.1 充填技术

此技术先进行钻孔，再将砂土、片石填满溶洞，掺入水泥、烧碱和锯末，来达到加固溶洞的目的［5］。适用于小型溶洞（溶洞直径＜3m），具有施工简单成本低的特点。本项目由于地基承载力要求高，填充技术难以使溶洞密实，结构稳固，难以达到设计要求。

2.2 钢护筒跟进加固技术

此技术为一面冲孔，一面接钢护筒，并且将其压到或震动下沉至已钻成的孔内［5］。该技术使用于大型溶洞（直径＞3m），工艺较复杂，成本较高，且容易破坏溶洞顶板结构。因此不适合本项目的处理。

2.3 高压注浆技术

高压注浆也称为高压喷射注浆，就是利用钻机钻孔把带有喷嘴的注浆管插至土层的预定位置后，以高压设备使浆液成为20MPa以上的高压射流，从喷嘴中喷射出来冲击破坏土体。部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排列［7］。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体，与桩间土一起构成复合地基，从而提高地基承载力，减少地基的变形，达到地基加固的目的。如今的注浆技术早已成熟，完全能保证浆液充满整个溶洞，凝固的水泥浆具有较高的强度，对提高地基承载力效果显著，而且施工工期短，见效快。因此，本次地基处理方案采用高压注浆技术进行加固，已开挖出现的溶洞采用混凝土进行嵌塞；深部溶洞用高压注浆处理，填充洞隙，加固充填物，洞隙较大的可采用砂、石等骨料填充。

3 注浆施工工艺与方法

3.1 注浆孔成孔

1）在需要注浆的钻孔孔口处下管；

2）注浆孔成孔工艺及技术要求：用GS－150型钻机成孔并钻进至岩溶洞隙底部，并清除沉渣。

3.2 注浆施工工艺

3.2.1 注浆材料与配比 注浆材料由水泥、速凝剂、水等组成；填充料为中砂。参照以往经验及相关材料，通过配合比试验，确定本次浆液为水泥浆，水灰比为1∶1、0.8∶1、0.6∶1三个级别，加入3%的水玻璃，浆液强度R7大于0.5MPa。

3.2.2 注浆施工工艺 注浆系统由料场、一级搅拌池（机）、二级搅拌池（机）、供水系统、注浆泵、注浆管道、封孔装置等组成。

注浆流程见图2。

图2 注浆工艺流程图

3.2.3 注浆过程及终止标准

1）注浆过程如下：

A注浆管用1寸壁厚3mm的无缝钢管，在管底部1m长度内钻6个8mm的溢浆孔。注浆管连接好后，用水泥封堵。

B注浆时均应先从稀浆（1∶1）、低流量（≤90 L／min）开始，当孔内压力≤0.6MPa时，逐步提高流量。当孔口压力＞1.0MPa时，要降低流量；当注浆量达到单孔平均注浆量的30%时要求逐步调稠浆液（0.8∶1～0.6∶1）。注浆时要观察周围钻孔和地面是否冒浆，测量孔内水泥浆面。

C当单孔注浆量较大（需加3%的速凝剂），且达到单孔平均注浆量的150%，孔口压力≤0.6 MPa时，注浆泵量≥90L／min时，要求间歇时长超过12h。间隙后不得用稀浆注浆。

2）注浆终止标准

灌浆压力是给予浆液扩散、填充、压实的动力，有助于提高充实程度和结石体强度，但压力过大，易导致浆液冒入上部地基土中。按设计要求，灌浆压力达到3.0MPa持续稳定20～40min，注浆量小于50L／min后才终止注浆。

3.2.4 拔注浆管 注浆结束后观察凝固情况，若不返浆即可试拔。

3.2.5 检查 在注浆孔周围1.0m范围内或两个临近注浆孔中间打孔检测。在溶洞洞隙发育位置取芯，检查注浆质量，钻探过程中观察孔内是否漏水，若漏水应该再注浆。

4 施工注意事项

1）注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法。注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵的压力读数，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。

2）终止注浆要严格控制保证灌浆压力达到3.0 MPa持续稳定20～40min，注浆量小于50L／min后才终止注浆。

3）注浆过程中，发现冒浆、漏浆，应根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇注浆等方法进行处理。

5 注浆成果分析

本次注浆共5个注浆孔，2个检查孔，总注浆量26.0T水泥，注入5.3T中砂，水玻璃0.78T。

5.1 钻孔取芯检验

在溶洞及其影响范围内岩芯采取率达70%以上，孔口回水5mm左右的水泥块较多，岩芯中水泥结石较多，砂泥被水泥包裹，厚度达12mm，水泥浆对泥沙起到了固化作用，结石非常密实，与岩石胶结在一起，溶洞被充填密实。

5.2 压水试验

在检查部位注浆结束3d后进行，自上而下分段进行压水试验。按照透水率计算公式：

式中：q为测段岩层的透水率，Lu；Q为稳定流量，L／min；S为测段的压水压力，MPa；L为压水段的长度，m。

压水试验共进行48段，透水率最大为5Lu，本文设计透水率合格标准为7.5Lu，故本次注浆检查结构全部合格。压水试验透水率部分数据见表1。

表1 压水试验透水率部分数据

由此分析，溶洞的充填效果很好，泥沙的胶结、固化效果得到提高，岩层强度得到了改善。

5.3 承载力验算

由于强风化灰岩强度低，本次设计直接将整板基础坐落在第③层中等风化灰岩上。整板基础尺寸为40m×60m，基础埋深－3m，如图3。

图3 整板基础受力示意图

上部作用荷载

P＝Pk×6×π×（15／2）2／（40×60）＝530kPa

式中上部设计荷载Pk取1 200kPa。

经过静荷载试验得到第3层中等分化灰岩的地基承载力特征值fak＝680kPa。由《建筑地基基础设计规范》GB50007－2012第5.2.4条规定其地基承载力特征值无需修正［8］。

由fak＞P可知设计满足要求。表明对溶洞进行高压注浆的处理方法是正确的，效果很显著。

6 结束语

1）溶洞地基具有隐蔽性、不稳定性及复杂性等特点，因此需要对溶洞形态、工程地质及水文地质进行详细勘察，为综合处理提供可靠资料。

2）对于小型溶洞，且要求承载力要求不高，可采用充填技术或者避让法，具有施工简单，成本低，见效快等特点。

3）对于规模较大的溶洞，可采用本项目设计方案，对溶洞采用高压注浆技术。施工工艺简单，投资低，工期短，极大地提高地质基础的稳定性和安全性。

［1］ 张学道，马海峰.江口水电站帷幕线深层特大溶洞处理措施［J］.西北水电，2013（05）：16－20.

［2］ 罗 伟.某深基坑溶洞处理措施研究［J］.铁道标准设计，2012（01）：88－91.

［3］ 张 勇.复杂岩溶隧道充填型溶洞综合处理技术［J］.铁道建筑技术，2007（05）：30－32.

［4］ 陈双庆.宜万铁路下村坝隧道大型溶洞处理［J］.铁道标准设计，2009（07）：25－28.

［5］ 刘建涛，张广亮，谌 霞.注浆技术在溶洞地基中的应用［J］.探矿工程，2009，36（11）：46－49.

［6］ 孙小杰，王立新，吴兆军.高压喷射注浆复合地基处理设计及施工实践［J］.探矿工程，2007，34（11）：20－22.

［7］ 龚晓南.地基处理手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［8］ 中华人民共和国建设部.GB 500011－2012.建筑地基基础设计规范［M］.北京：建筑工业出版社，2012.