福建三明永嘉天地建筑场地岩溶地质特征及稳定性评价

吴江发

(福建省闽西地质大队, 三明, 365000)

岩溶又称喀斯特，是指水对石灰岩、白云岩等可溶性岩石进行长期溶蚀等作用而形成的各种特殊地貌形态和水文地质现象的统称[1]。在福建境内的三明、龙岩地区分布较广泛的岩溶场地，其土洞、溶洞的发育程度，会对拟建场地造成较大危害，如地面塌陷、桩基承载力不足、桩基选型、桩基施工偏桩、漏浆及入岩难以判定等问题[2，3]。因此，在建筑施工前，针对场地查明岩溶发育特征，能够一定程度上揭露岩溶本质并避免工程损失。以三明永嘉天地工程为例，基于钻探、抽水试验等工程地质详勘对场地全充填、半充填、空洞岩溶发育特征及桩基作用下稳定性进行评价分析，并提出施工治理措施。

1 工程概况

三明永嘉天地征地面积为60 497.26 m2，实际用地面积为43 883.89 m2，建筑占地面积为19 747 m2，总建筑面积为167 598 m2，其中地下建筑面积为45 000 m2。高层共7幢(1#～7#楼)，最大单柱荷载为12 000 kN，低层(1层,含永辉超市)共5幢，最大单柱荷载为6 000 kN。场地地下室1～2层，地下2层地下室底板标高为128.30 m，主要分布在5#、6#、7#楼。场地前后进行2次钻探，共施工钻孔为158个，其中控制孔为65个，一般孔为61个，基坑孔为32个。

2 场区地质概况

2.1 场地地质条件

场地位于三明断陷盆地内，根据场地勘察钻探揭露，场地岩土层按成因类型、力学性能不同可分为填土层、冲洪积层、残积土层、强风化层及中风化石灰岩层组成，其中石灰岩钻孔揭露岩芯较多溶蚀裂隙，为岩溶地质。 场地东侧东霞新村附近有区域性北东向南平—永安大断裂构造带穿过，受其影响，使场地内基岩节理裂隙发育，岩体破碎，岩性复杂多变。场地内石灰岩为二叠纪栖霞组石灰岩，属碳酸盐岩类，地下水补给源主要为大气降水、地表河水及周边基岩裂隙水的侧向补给。勘察期间地下水位标高为123.55～127.90 m，2条河水面标高为125.00～126.00 m，经对HK15孔对卵石潜水含水层抽水试验(属潜水非完整井抽水)，计算卵石层渗透系数为19.65 m/d(k>10)，约0.227 cm/s，属强透水层，影响半径(R)为166.79 m。因此，场地与东牙溪(距离40 m)、沙溪河(距离100～130 m)水力联系较为密切，而且水位受季节性影响变幅较大，该段沙溪河中间有基岩出露，所以对石灰岩的侵蚀作用较强，因此拟建场地内岩溶较发育。

场地内揭露石灰岩钻孔有82个，其中有47个钻孔揭露溶洞共计145个，含126个为全充填溶洞，2个为半充填溶洞(GK4孔)，17个为空洞(图1～3),其中溶洞主要发育在5#、6#、7#楼(即北侧紧邻江滨路段)。岩溶发育率为0.04%～43.94%，钻孔见洞隙率为30%～64%，相邻钻孔间存在临空面且基岩面高差大于5 m，串珠状竖向溶洞发育深度超过20 m，该场地岩溶为强烈发育地段[4]，场地岩溶发育深度为18.50～77.90 m，主要以浅覆盖型岩溶为主(为小型溶洞，全充填)，其次为深覆盖型岩溶，局部为埋藏型岩溶。但大溶洞主要分布在深覆盖型岩溶(即埋藏深度大于30 m)，浅部溶洞洞径相对较小，密实度相 对更好；空洞埋深均大于29 m，主要为深覆盖型，分布在5#、6#、7#楼附近。其中充填溶洞揭露洞竖向深度为0.2～26.9 m，成分主要以黏性土、中粗砂、角砾充填为主，空洞的高度为0.2～6.1 m。3种类型溶洞钻孔典型代表是HK15孔(6个全填充溶洞、1个空洞)，HK4孔(2个空洞)，GK4孔(2个半填充溶洞)其中GK代表一期高层一般孔，HK代表2期高层控制孔，ZK代表一期矮层控制孔，JK代表基坑孔，以上3个钻孔分别分布在5#楼、6#楼、7#楼，HK15孔空洞顶覆盖层为30.7 m，HK4孔较大空洞覆盖层32.2 m，GK4孔较大半填充溶洞覆盖层为54.1 m。

图2 三明永嘉天地代表孔石灰岩区地质剖面图Fig.2 Geological section of the limestone area of the representing holes in Yongjia Tiandi area of Sanming city1—杂填土；2—素填土；3—细砂；4—卵石；5—残积砂质黏性土；6—残积砾质黏性土；7—石灰岩；8—空洞；9—充填溶洞；10—地下水；11—整平标高线；12—地下室底板标高

图3 三明永嘉天地代表孔石灰岩区柱状图Fig.3 Columnar chartin of the limestone area of the representing holes in Yongjia Tiandi area of Sanming city

2.2 岩溶基本特征

根据钻孔柱状图分层厚度可以估算岩溶填充及空洞体积，估算洞体体积按球计算公式而得，钻孔揭露厚度作为圆球直径，例如，经计算HK15孔5.9 m分层全填充溶洞体积为4/3×π×(5.9/2)3=107.48 m3，HK4孔6.1 m分层厚空洞体积为4/3×π×(6.1/2)3=118.79 m3，代表孔相关参数特征值(表1)。

表1 三明永嘉天地代表孔溶洞分布特征及相关参数

3 岩溶发展趋势及稳定性分析

3.1 岩溶发展趋势

场区内石灰岩质纯，属可溶性碳酸盐类岩层，受附近区域构造影响，岩体节理裂隙发育，岩体破碎，相对较易风化；勘察期间为枯水期，测得地下水稳定水位埋深为6.1～11.4 m，地下水位标高为123.55～127.90 m，地下水位变幅为0.5～2.0 m，而三明东牙溪常水位变幅0.5～2.0 m，近3～5 a内东牙溪最高水位标高为128.50 m，说明场地内地下水位变幅较大，与东牙溪水位有水力连接，受地下水渗流影响，溶洞易受地下水侵蚀和溶蚀作用加强，溶蚀速度会加快，岩溶溶蚀率为89.68 mm/1 000 a[5]。

3.2 岩溶稳定性分析

3.2.1 自然状态下岩溶稳定性分析

根据规范[6]溶洞稳定性按自行填塞洞体所需厚度的经验计算公式：

H=H0/(K-1)。

式中H0为塌落前洞体的最大高度(m)，K为岩石松散(涨余)系数，石灰岩K取1.2。比如HK4孔空洞，H0=6.1 m，K=1.2，H=30.50 m，小于洞顶覆盖层厚度为32.2 m，则不易产生地面塌陷。GK4孔半充填孔洞，H0=5.8 m，K=1.08(按岩土层厚度加权平均值估算)，H=72.50 m，大于洞顶覆盖层厚度54.1 m，可能产生岩溶地面塌陷。

根据上述计算方式，对场地内揭露半充填和空洞14个钻孔中的19个溶洞进行计算，计算结果有13个钻孔揭露半充填和空洞属于较稳定状态，1个钻孔属于不稳定状态(7#楼GK4)，可能产生岩溶地面塌陷，需对该地段溶洞采取相应的治理措施。

3.2.2 桩基作用下岩溶稳定性分析

在场地内含有较多串珠状溶洞，洞径局部较大，采取桩基础时，持力层选在空洞或半充填及全充填溶洞上方，受上部桩基荷载影响，易加剧洞体进一步发展扩大趋势，使石灰岩顶板厚度变薄甚至开裂，并产生顶板塌陷，从而引发地面塌陷或桩基下沉现象。

如HK4孔H为30.50 m小于32.2 m，空洞上部基岩厚度为7 m，桩端持力层若在空洞上方，则基岩顶板存在塌陷可能，导致桩端下沉。

因此，在桩基作用下岩溶可能产生桩端下沉，应在桩基施工时对场地溶洞采取相应的治理措施。

4 岩溶施工治理措施及成效

4.1 岩溶施工治理措施

4.1.1 基础形式选型

该小区高层建筑荷载大(针对5#～7#楼叙述)，根据地质勘察报告，场地内中风化石灰岩埋藏深度局部较浅(埋深14.2 m)，局部存在相邻基岩面大于45°情况，存在串珠状溶洞及空洞，基岩面起伏变化大。建议采取小直径钻孔灌注桩+筏板基础。

后期基础施工时，原先考虑施工周期及成本问题，采用PHC预应力管桩+筏板基础，经现场锤击或静压试桩时，全部管桩进入到中风化石灰岩顶板立即产生断桩、滑桩情况，造成设计重大变更及施工工期拖延。

4.1.2 桩基施工措施

(1)后期专家论证方案建议采取小直径时(600 mm)钻孔灌注群桩基础和筏板基础结合，对存在串珠状溶洞及空洞，基岩面起伏变化大，建议在桩端下有3～5 m厚度中风化石灰岩层，对下卧层溶洞(设计桩端以下5 m范围内)采用钻孔灌注水泥砂浆、混凝土等方式堵填洞隙，防止桩端下沉，并且应先施工长桩，后施工短桩。

(2)对于自然状态下易产生顶板塌陷的空溶洞及半充填溶洞(7#楼GK4)，采用填塞法进行地基处理，前40 m采用素混凝土护壁，施工钻进至40 m后，往钻孔内回填中-微风化大块石，用水泥砂浆、混凝土等方式堵填洞隙，并且采用钢护筒护壁措施。

(3)对于不易产生顶板塌陷的场地小直径空溶洞、半充填溶洞及全充填溶洞，采取中-微风化大块石回填+素混凝土护壁措施；对局部大直径溶洞采取水泥砂浆、混凝土等方式堵填洞隙，用水泥砂浆、混凝土及大块石等方式堵填洞隙，部分易塌段采用钢护筒护壁措施。

(4)建筑物基坑或附近的地下水宜疏不宜堵，采用排水隧洞、排水管道等进行疏导，以防止水流通道堵塞，造成场地和地基季节性淹没。同时加强地面渗水的截流、防渗、堵漏等疏导排泄措施，地表水尽可能采用全封闭，防止地表水渗入，减弱或停止因水流而使土洞产生潜蚀、发育和发展。

4.2 治理效果分析

(1)采取小直径钻孔灌注群桩基础，保证桩端下有3～5 m厚度中风化石灰岩层，且对下卧层溶洞采用钻孔灌注水泥砂浆、混凝土等方式堵填洞隙后，能够满足设计要求。

(2)对岩溶发育明显的5#楼中HK15孔与GK15孔之间施工，根据施工记录，该桩实际孔深为36.77 m(原地面标高为133.58 m桩埋深为41.60 m，设计桩顶标高为123.88 m)，理论混凝土量约为14.14m3，实际混凝土量为132.00 m3，参照上述HK15孔资料，与理论计算全填充溶洞体积为107.48 m3误差较小。施工至预计空洞标高附近，采用钢护筒护壁，用中-微风化花岗岩大块石回填及混凝土等方式堵填洞隙。后顺利成桩，低应变检测满足设计要求。

(3)其7#楼场地冲(钻)孔灌注桩桩基进行低应变检测，检测115根，其中Ⅰ类桩94根占81.7%，Ⅱ类桩21根占18.3%，Ⅲ类桩0根；7#楼抽检3根单桩(桩径700 mm，桩长19.33～57.4 m)竖向抗压极限承载力检测值均为6 400 kN，特征值均为3 200 kN，抽检1根单桩(桩径700 mm，桩长25.23 m)竖向抗拔极限承载力检测值为1 360 kN，特征值为680 kN，均满足设计要求。通过以上检测说明场地岩溶治理效果较为成功，达到预期目的。

5 结论

(1)场地内岩溶发育，含全充填、半充填、空洞三种类型，与外界水力联系密切，溶蚀强烈，具扩大趋势。

(2)场地内岩溶自身多处稳定状态，不易产生地面塌陷；桩基施工荷载作用下易引发塌陷或桩端下沉危害。

(3)基岩浅埋区岩溶发育地段，可采取小直径钻孔灌注群桩基础；采用填塞法地基处理及钢管护壁，可有效保障成桩，检测验证综合治理成效显著。