广清城际铁路清远站商业开发项目岩溶发育特征及工程措施

万小乐

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

目前，多采用物探与钻探相结合的方法进行岩溶地质勘察[4]。王喜迁等利用高密度电法，对土洞、溶洞等进行探测，取得了较好的结果[5]。唐毅结合南广铁路实例，研究了电测深法在岩溶探测中的测试效果，认为其测试结果可为岩溶处理提供依据[6]。但物探技术对于深部岩溶地质性状的探测具有局限性：当建筑采用桩基础时，物探无法准确查明桩基础持力层的详细地质信息，会给后续的钻探工作带来偏差。此外，岩溶区的桩基设计往往机械套用规范公式，缺乏与实际地质情况的联系，导致设计结果存在风险或者过于保守。因此，以下将通过在拟建场地的岩溶地质施工勘察，对覆盖型岩溶区的施工勘察布孔、岩溶发育程度分区、桩基选型、嵌岩桩入岩深度和岩溶桩基施工措施等问题进行分析和总结。

2 工程及工程地质概况

2.1 工程概况

拟建工程位于广东省清远市清城区，分布于在建广清城际清远站东西两侧，包括地上商业中心、地下停车库、站前广场、地面停车场、出租车场站、公交首末站及绿化景观等工程。本项目总用地面积为49 986 m2，总建筑面积为96 958 m2，建筑高度24 m，分为A、B 两栋建筑，均采用框架结构体系。

2.2 工程地质概况

工程场地位于清远冲积平原区，地形整体平坦开阔，起伏较小，除正在施工的清远站基坑底面高程为10 m左右外，其它地段地面高程为13.8～17.7 m。

工程场地上覆第四系冲洪积地层；下伏泥盆系上统粉砂岩、炭质页岩、炭质灰岩。岩层倾向为290°～240°，倾角为8°～15°或接近水平。根据区域地质资料与钻孔揭露情况，拟建工程场地未见断裂等地质构造(典型地质剖面见图1)。选用微风化炭质灰岩层作为桩基持力层，该岩层为隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙较发育，岩质坚硬。根据岩石试验结果，微风化炭质灰岩饱和单轴抗压强度最小值为7.12 MPa，最大值为54.83 MPa，平均值为27.99 MPa；干燥单轴抗压强度最小值为14.6 MPa，最大值为58.9 MPa，平均值为36.6 MPa。

图1 工程场地典型地质剖面

受施工活动影响，拟建工程场地几乎未见地表水，仅局部区域见残留水塘痕迹。

工程场地范围内地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和岩溶水。松散岩类孔隙水以第四系孔隙潜水为主，主要赋存于第四系冲洪积层砂类土层中，以地表水、大气降水补给为主，具有明显的季节变化特征。岩溶水主要赋存于泥盆系天子岭组炭质灰岩地层中，以接受大气降水和地表入渗补给为主，少量来自相邻含水层侧向、垂直补给，水量较丰富。

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

勘察期间，测得地下水稳定水位埋深1.2～2.6 m(高程为7.2～15.8 m)，根据地区水文地质资料，场地地下水稳定水位变化幅度可按1～2 m考虑。

3 岩溶发育特征

3.1 施工勘察布孔原则

图2 超前钻布孔原则

根据详勘掌握的拟建工程场地岩溶发育情况，场地岩溶为弱-中等发育，主要分布在场地东北及西北，其表现形式以溶洞为主。施工勘察布孔如图2所示。根据详勘成果，将场地初步划分为摩擦桩区域和嵌岩桩区域。摩擦桩区域内的每个桩基承台范围内至少布置1个钻孔，如图2中承台P-B19；嵌岩桩区域则执行每个承台一桩一孔的布孔原则，如图2中承台P-4；对于摩擦桩区域与嵌岩桩区域交界处，由于基岩面起伏较大，故钻孔应加密布置。

钻孔应深入稳定微风化基岩面以下不小于5 m，若遇溶洞，应继续加深直至进入相对稳定岩层5 m以上。此外，对于摩擦桩和嵌岩桩区域交界处的承台，由于附近基岩面起伏较大，地质条件复杂，钻孔应加深至稳定基岩面以下8～10 m。

3.2 岩溶发育情况

根据工程前期的现场地质调查，拟建场区内地表并未发现有岩溶塌陷、洼地、漏斗等现象发育；根据详勘的钻探成果，场地内泥盆系天子岭组炭质灰岩中节理、裂隙较为发育，存在有呈隐伏形态的溶隙和溶洞发育(部分溶洞分布统计情况见表1)。

表1 溶洞分布情况(部分) m

注：编号XKZJ为详勘孔。

本次完成的详勘孔和超前钻共计659孔，其中揭露溶洞钻孔为63个，见洞率为9.56%。在平面发育特征方面，钻孔揭露溶洞顶板埋深10.8～35.8 m，底板埋深9.1～38.4 m。场地内部分地区基岩面起伏较大，相邻钻孔基岩面最大高差可达26.5 m，总体呈现出蝶形的隐伏岩溶洼地地貌。这种基岩面形态主要有两类成因：①场地内部分灰岩岩体较破碎，节理裂隙相互贯通交叉，随着地下水溶蚀的扩大和加深，最终发展形成。②溶洞顶板崩塌形成。在垂直发育特征发面，对揭露溶洞的63个钻孔进行分析，揭露单层溶洞的钻孔有31个，揭露串珠状溶洞的钻孔有32个，单孔揭露最多溶洞个数为4个。溶洞多数无充填，少数为半充填和全充填，充填物一般为流-软塑粉质黏土及淤泥质土等。根据工程地质手册中对岩溶发育程度的划分[8]，该场地内的岩溶发育程度为微-中等。

3.3 场地岩溶发育程度分区

根据钻探揭露出的场地岩溶发育情况，场地分区如图3所示，各区域内岩溶发育特征见表2。

图3 场地岩溶分区

区号布置钻孔/个见洞孔数/个线岩溶率/%最多溶洞层数/层基岩埋深/m溶洞高度/m顶板厚度/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)对于Ⅱ区和Ⅳ区，只有零星的钻孔揭露有溶洞发育，钻孔线岩溶率低于1%，溶洞均为单个出现，洞体较小，为岩溶弱发育。区内灰岩为中厚层状，构造不发育，覆盖层较厚，属于岩溶发育的稳定区，地基的整体稳定性较好，仅需对有溶洞的区域进行处理并加强监测预防即可。

(2)而对于Ⅰ区和Ⅲ区，钻孔线岩溶率较高(尤其是Ⅲ区更是达到了15.21%)，且揭露出的溶洞很多都呈串珠状形态。其中，Ⅰ区揭露串珠状溶洞的钻孔有16个，溶洞最多层数为3层；Ⅲ区揭露串珠状溶洞的钻孔有14个，溶洞最多层数为4层，溶洞之间存在连通的可能性，且多数为无充填，表明Ⅰ区和Ⅲ区岩溶发育程度为强发育，地基的整体稳定性较差，属于岩溶不稳定区域，需采取合适的方法对岩溶进行专门处理。

4 工程措施

场地覆盖层较厚(10～15 m)，部分区域分布有软塑状淤泥质粉质黏土，工程性质较差，下伏泥盆系上统粉砂岩、炭质页岩、炭质灰岩等，地层层序较多，厚度分布差异大，均匀性较差，场地岩溶为弱-中等发育，故建筑区域宜采用桩基础形式。

4.1 桩基选型

为确定基桩类型，对详勘和施工勘察成果数据进行整理与分析，绘制场地微风化基岩面高程等值线(见图4)。

图4 拟建场地基岩标高等值线(单位：m)

由图4可知，场区微风化灰岩基岩面起伏较大(高程从-40～10 m)。基岩面埋深较大处为拟建场地的西北和东北部分，该区域基岩埋深普遍在30 m以上，增加了嵌岩桩的施工难度。此外，场区范围内桩基持力层之上分布着较厚的全风化粉砂岩、页岩和中风化灰岩层。这些岩层的工程性质较好，能提供较大的端阻力和侧摩阻力，若选用嵌岩桩则会造成承载力的浪费，故该区域的桩基可选用摩擦桩。而对于拟建场地内基岩埋深不大的其他区域(比如场地的西南和东南区域)，微风化基岩面的高程基本处于-5～5 m，基桩一般只需要施工6～15 m即可嵌入稳定岩层内，故该区域内的基桩可选用嵌岩桩。

4.2 嵌岩深度

本工程建筑基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径为800 mm，单桩承载力特征值为3 000 kN。根据桩基相关规范，当根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算[9]

Quk=Qsk+Qrk(1)

Quk=u∑qsikli(2)

Qrk=ζrfrkAp(3)

式中Qsk、Qrk——分别为土的总极限侧阻力、嵌岩段总极限阻力；

qsik——桩周第i层土的极限侧阻力；

frk——岩石饱和单轴抗压强度标准值；

ζr——嵌岩段侧阻和端阻综合系数。

根据岩土勘察原位试验和室内试验，场区内主要土层的岩土参数值如表3所示。

经计算，嵌岩深径比hdr为1.5，即嵌岩深度为1.2 m时承载力可以满足设计要求，但这一嵌岩深度只适用于同一承台下基岩面起伏不大的情况。对于同一承台下基岩起伏较大的基桩，应考虑同一承台下基桩受力的均匀性，可以将各基桩长度设计为等长(见图5)。

表3 主要土层岩土参数值

图5 基桩嵌岩深度示意

4.3 桩基施工措施

①对于较小的岩溶洞隙，可采用镶补、嵌塞或梁板拱跨越等方法处理[10]。②对溶洞高度较大且会对桩基施工造成影响的洞穴，以抛填片石、黏土块填充为主。③当同一基桩深度范围内发育多层溶洞时，可采取自上而下的顺序对溶洞依次进行回填处理[11]。回填法的具体步骤是：先钻进到溶洞顶板上方，然后采用小冲程钻机逐渐将顶板击穿，之后按照少量多次的原则回填夯实，直至钻孔能够顺利穿过溶洞且满足强度要求，回填法施工如图6所示。

图6 回填法施工示意

在抛填片石黏土等措施难以成孔时，或者为避免钻孔发生偏斜，可根据需要加长钢护筒[12]。当溶洞岩体较为破碎，且洞内有软塑状黏性土等软弱填充物时，可采用钻孔灌注水泥砂浆、水泥浆等处理措施[13-16]。

5 结论

(1)根据岩溶发育情况将场地划分为4个区域，Ⅱ区和Ⅳ区钻孔线岩溶率低于1%，构造不发育，覆盖层较厚，属于岩溶稳定区；Ⅰ区和Ⅲ区钻孔线岩溶率较高，溶洞多呈串珠状发育，溶洞多数无充填，属于岩溶不稳定区域。

(2)岩溶地区桩基选型、桩基嵌岩深度不能简单地依据相关规范进行确定，而需结合施工勘察成果进行综合分析确定。本工程中嵌岩桩入持力层1.5倍桩径即可满足承载力要求，但基岩面起伏大的地段需适当加深。

(3)桩基施工时溶洞的处理应根据实际工程地质条件以及岩溶发育特征等，因地制宜地选用合适的方法，主要包括回填法、钢护筒跟进法、注浆法等。