复杂隐伏岩溶场地条件下安龙电厂主厂房地基处理研究

江赛雄， 鄢明章， 胡思远， 赵婷婷

(1 中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司， 成都 610021；2 西南交通大学土木工程学院， 成都 610031；3 成都建工第五建筑工程有限公司， 成都 610031)

0 概述

我国是喀斯特地貌分布面积最广的国家，多见于云南、贵州、广西等地。由于国家电力规划布局及地区资源差异，贵州是拥有火力发电厂最多的省份,且经常不可避免地需要将厂址选在复杂隐伏岩溶发育地区。火力发电厂场地面积大、建(构)筑物种类多、工艺设备荷载重、动力荷载多，当其建设在复杂隐伏岩溶场地上时，地基处理不当可能造成基础沉降变形及地基失稳等情况，危害结构安全。如果简单采用大开挖换填、注浆或桩基处理，则会导致工程造价高、工期长，并可能造成施工困难。

近年来，国内外专家学者对复杂隐伏岩溶场地下的工程地基处理及震害进行了较多研究[1-5]。Waltham等[6]通过载荷试验及沉降观测，探讨了大跨度溶洞洞室的力学破坏模型，结果表明，溶洞顶板大于70%洞宽是结构安全厚度；Hsieh等[7]通过对岩溶场地地层中空洞上方基础进行模拟试验及理论分析，提出了确定溶洞上方地基承载力的方法；姜燕等[8]对岩溶地区场地进行了土载荷板试验、夯扩桩复合地基载荷试验、冲孔桩复合地基载荷试验，根据试验结果对某高层建筑进行了地基处理，结果表明，该地基处理方案能有效减轻岩洞坍塌及差异沉降风险，经济性优良；张俊萌等[9]采用现场监测和数值模拟的方法对无锡世贸中心主楼下超深层岩溶地基受力和变形进行了研究，监测结果表明，采用灌浆处理后的桩筏基础对调节差异沉降产生了较大作用；何声等[10]采用土-结构动力相互作用的方法，研究了一些岩溶地区特殊地质条件对上部结构地震反应的影响，研究表明，岩溶中土洞发育会使土层对地震波的放大效应增强，特别是土洞水平分布时，岩溶地基上部结构框架位移及剪力更大；邹新军等[11]采用ADINA软件对位于深度逾百米的串珠状岩溶地区桥梁群桩基础进行了有限元数值分析，结果表明，在该岩溶地区采用短摩擦桩+桩端压浆的处理方案能有效降低施工难度、控制沉降，且能增加桩基础整体稳定性。

目前，我国涉及岩溶场地地基设计的规范主要有《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[12]和《岩溶地区建筑地基基础技术标准》(GB/T 51238—2018)[13]。《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)对岩溶场地建筑避让及相关稳定性影响提出了一些基本要求，并未提及具体处理措施。而《岩溶地区建筑地基基础技术标准》(GB/T 51238—2018)对岩溶场地的勘察及常用的岩溶地基处理措施有较详细规定。但在实际工程设计中，遇到的岩溶问题复杂多变，具有一定的不可预见性，因此需要更多的工程实践来验证地基处理方式的科学性及合理性。

安龙煤电化一体化产业基地热电联产动力车间项目(简称安龙电厂)坐落在中等-强烈发育隐伏岩溶场地上，厂区场平后全景图如图1所示，主厂房封顶后全景图如图2所示。其地质情况复杂多变，具有石芽、溶洞、土洞、孤石等多种岩土形态，岩面起伏大、岩溶分布不规则。主厂房区域的地基处理及基础设计方案是本工程的设计难点。本文在对相关地质资料进行研究分析的基础上，总结出该工程复杂隐伏岩溶地基处理技术措施和方法，探讨复杂隐伏岩溶场地地基处理及基础方案选择的合理性，最后为复杂隐伏岩溶地区基础设计提一些建议，研究成果可为类似工程提供参考和借鉴。

图1 厂区场平后全景图

图2 主厂房封顶后全景图

1 工程概况及主要地质问题

1.1 工程概况

安龙电厂建设2×350MW超临界CFB燃煤发电机组，同步建设烟气脱硫、脱销装置。安龙电厂位于贵州省安龙县普坪镇鲁沟塘村，50年超越概率10%的地震动峰值加速度为79cm/s2(0.081g)，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.40s，对应的地震基本烈度为6度。

主厂房区域主要由汽机房、除氧煤仓间、集控楼及锅炉房组成。其中汽机房、除氧煤仓间和锅炉房三列式布置，除氧煤仓间采用单跨框架结构，集控楼位于两个锅炉房之间。汽机房宽27.0m，长142.2m，高31.0m；除氧煤仓间宽10.0m，长161.45m，高46.5m；集控楼宽20.0m，长42.0m，高18.6m；锅炉房宽49.9m，长47.6m，最高层高约61.5m。主厂房区域室内正负零标高相当于绝对标高1 228.6m。主厂房区域场地建筑物布置见图3，该区域地质钻孔布置图见图4。

图3 主厂房区域平面布置图

图4 地质钻孔布置图

厂区原始地貌为低中山构造剥蚀、溶丘洼地，主要表现为溶蚀槽谷、残丘及多条沟槽纵横等微地貌形态。主厂房区域地表平整，为典型的复杂隐伏岩溶场地。钻孔揭露场地内主要岩土层参数见表1。

场地岩层分布及主要力学参数 表1

1.2 主要地质问题

地质勘察资料显示，主厂房区域场地地下水埋藏较深，地基处理可不考虑地下水的影响，其下隐伏岩溶以较小型或较大型填充型溶洞为主，局部为空洞，平均钻孔遇洞率21.2%，局部地段达到了57.9%，其中汽机房东西两侧岩溶强烈至极强烈发育，洞内有可塑状红黏土、软塑状红黏土及混碎石红黏土充填，白云岩面起伏剧烈，岩土力学性质差异明显。

在主厂房区域中部存在东北向展布的破碎溶蚀带，溶蚀白云岩面起伏剧烈，带内岩层产状紊乱，呈风化程度不均匀的碎块状，强风化白云岩岩层和中风化白云岩岩层垂直向交替分布，破碎溶蚀带与两侧岩层接触部位填充厚度不等的红黏土。主厂房区域其余部分岩溶以弱至中等发育为主。岩溶发育程度分布图见图5，场地岩层揭露实景图见图6。

图5 主厂区岩溶发育程度分布图

图6 场地岩层实景图

本工程主厂房区域主要建(构)筑物位于复杂隐伏性岩溶场地之上，地基处理难度相当大。若单纯采用天然基础，由于地层岩性的不均匀分布，有发生基础差异沉降的风险；而若采用桩基，场地中风化白云岩质地坚硬，桩端不易穿过溶洞；此外，由于现场条件限制，不宜采用大规模开挖换填措施。因此，对主厂房区域地基采用何种处理措施和基础形式，应逐个分析，综合判断。

2 地基处理研究

2.1 跨越法

在1#锅炉房中部有水平相邻的三个短柱，其位置见图7。岩土勘察及施工勘察资料显示，短柱1和短柱2下分布有一深度和平面尺寸不规则的填充型溶洞，溶洞洞室左小右大。白云岩面起伏剧烈，短柱1和短柱2下方岩层为中风化白云岩，相邻短柱3下方岩层为强风化白云岩。岩溶平面分布及竖向发育图见图7和图8。

图7 锅炉房基础溶洞平面发育图

图8 锅炉房基础溶洞竖向发育图

由锅炉厂提供的锅炉房柱脚荷载资料可知，短柱1，2，3的柱脚荷载均为恒荷载起控制作用，其中短柱2的柱脚荷载最大，恒荷载达到了22 200kN，短柱1柱脚恒荷载为8 000kN，短柱3柱脚恒荷载为9 000kN。结合本工程岩土特性，按岩溶常规处理设计方法，短柱3下的基础采用独立基础，以强风化白云岩为持力层；短柱1和短柱2由于轴间距较近，其下的基础采用整体式底板基础，基础范围内无岩溶部分及溶洞洞室顶距基底大于5m的范围以中风化白云岩为持力层，若基底标高未到中风化白云岩，则采用C15素混凝土换填至基底，对于溶洞洞室顶距基底小于5m或溶洞洞高大于2m的区域，考虑采用桩基，桩基穿透溶洞洞室，进入中风化白云岩深度不小于1.5倍桩径。但是在施工过程中，施工单位反映场地内中风化白云岩岩质坚硬，沉桩困难，若按此方案继续施工，会影响工程不能按期完成，施工单位及业主希望对基础设计方案进行调整优化。

综上所述，根据现场实际情况，JC-1基础方案设计中已经不能再采用桩基。为此，设计人员对地质勘测资料、施工勘察资料进行了更深入研究，提出一种新的设计思路：将JC-1和JC-2基础合并，做成整体式小型筏板基础，对基底范围内不能作为基础持力层的部分，即溶洞洞室顶距基底小于5m或溶洞洞高大于2m区域，采用筏板基础直接跨越岩溶洞室。

在基础计算时，持力层假定分为三类：短柱1范围内不受溶洞影响部分为中风化白云岩；短柱2受溶洞影响部分基底下为悬空；短柱3范围内持力层为强风化白云岩。采用PKPM(V4.1)对该小型筏板基础进行建模计算，计算模型选用弹性地基梁板模型。当持力层为强风化白云岩时，基床系数K取350 000；当持力层为中风化白云岩时，基床系数K取500 000。计算结果显示，在荷载标准组合下，该筏板基础基底平均反力为227kPa，最大反力为289kPa。此外，考虑到中风化白云岩和强风化白云岩岩性的差异，特别对该筏板基础沉降及其与周边基础的差异沉降进行了分析。

同时，在短柱1和短柱2四周一定范围内的筏板底部铺设一层双向附加钢筋，以减轻溶洞发育对基础安全的影响。该基础设计及施工结果表明，此基础设计方案能满足规范要求，各项指标优良，具备可行性，在优化工程造价的同时也解决了现场施工进度问题。

2.2 桩基法与填充法

短柱a和短柱b为除氧煤仓间主要框架柱，其位置见图9，受其上煤斗及除氧器荷载的影响，短柱内力较大。前期地质资料显示：该区域基岩面起伏较大，基岩面以中风化白云岩为主，从短柱a向短柱b方向由浅至深，深度从3m到8m不等。短柱a和短柱b在深度中部偏上位置揭示有两处局部强风化白云岩，根据周边孔点资料判断，基础下可能有小规模溶洞发育。基础地质情况示意图及现场开挖图分别见图9和图10。

图9 基底地质情况示意图

图10 现场开挖图

综上所述，短柱a和短柱b范围内地质情况复杂多变，采用单一的桩基或天然基础可能导致结构安全风险较大，施工也有一定困难。首先考虑将两短柱基础做成联合基础。短柱b范围内基底到基岩面超过5m的部分采用桩基，由于基岩面起伏较大，为规避桩端应力扩散范围内有溶洞或存在基岩临空面的不利影响，保证桩基稳定，设计时加大了桩端嵌岩深度，嵌岩深度取3倍桩径，同时对相邻桩基的桩长差进行了控制。联合基础其他部分以白云岩为持力层，其中，基础两侧局部范围以强风化白云岩为持力层，设计对以强风化白云岩为持力层的范围进行了严格控制，其他部位以中风化白云岩为持力层，超挖部分采用C15素混凝土进行换填。由于现场施工条件不允许新增钻孔，强风化白云岩下方溶洞发育具有一定不确定性。为保证结构安全，经研究分析后，在基础设计时，假定基底强风化白云岩部分为悬空，同时建议地质专业设计人员加强基础验槽。对基底局部白云岩裂隙，进行泥土清理工作后，再用C15素混凝土填充。在短柱a一定范围内基础底板板底配置一层双向附加钢筋作为辅助措施，尽量减轻溶洞发育对结构安全的影响。

2.3 大底板基础综合处理法

本工程2#基座区域(汽轮发电机基座区域)的地质勘查资料显示：基座范围内中风化白云岩面深度5m左右，无明显贯穿性岩溶发育。原设计采用整体大板式基础，以中风化白云岩为持力层。在开挖施工过程中发现，基座底板范围内有一溶蚀性淤泥带，为地质钻孔盲区，之前的勘察钻孔并未发现此淤泥带。经过现场初步探明，淤泥带深度为7～9m，淤泥层下为较破碎的强风化白云岩。基座底板地质情况示意图及现场开挖图见图11和图12。

图11 基座底板地质情况示意图

图12 基座区域现场开挖图

由于原地质钻孔基座范围内仅有5个孔点，且钻孔并未揭示有大型破碎带或者淤泥带，经过研究判断，基座底板范围内应该还有其他岩溶发育。因此，鉴于基座为大型动力设备基础，其基础结构较为重要，建议加密钻探点，进一步揭示基座底板下的地质情况。

加密钻探点后，经钻探发现，2#汽轮发电机基座底板下有不规则、大小不一的岩溶溶洞发育，受破碎带影响，中风化白云岩和强风白云岩互层的情况较明显。同时，白云岩面深度超过之前预判，基底至中风化白云岩的深度大部分超过了6m，最深超过了15m，且由于淤泥破碎带深度较深，作业面太窄，开挖机具无法对淤泥带进行清底工作，若再采用大开挖换填的方案，则极不经济，也不具备可实施性，基座底板原设计方案已不适用于现场情况。因此，对基座底板基础进行了方案调整。经过分析计算，底板改为整体式桩筏基础，桩端需穿过岩溶洞室，桩端持力层为中风化白云岩，由于岩层破碎，白云岩面有陡壁现象，适当加大了嵌岩深度。对部分桩长小于5m的区域，改用C15素混凝土换填至基底，持力层仍为中风化白云岩，并采用C15素混凝土对基底局部裂隙及直径小于2m的溶洞进行填充。现场施工证明，上述设计方案有效解决了基座底板地质分布不均的问题，最大程度节约了工程造价，也确保了基座运行的安全性、稳定性。

2.4 沉降观测

根据《电力工程施工测量技术规范》(DL/T 5445—2010)[14]等相关规定，本工程主厂房区域内锅炉房、除氧煤仓间、汽轮发电机基座每隔5～10m以及岩溶发育处都设置了沉降观测点。经过近3年沉降观测，优化后的基础的绝对沉降值均小于10mm，满足电力行业规定的限值150mm。差异沉降值最大约5mm，均满足电力行业规定的限值：锅炉房基础0.005L(27mm，其中L为相邻柱间距)，除氧煤仓间框架横向框架0.002L(20mm)、除氧煤仓间纵向框架0.003L(27mm)，汽轮发电机基础0.001 5L(9mm)。安龙电厂主厂房正常运行。这表明，对修建在复杂隐伏性岩溶场地上的大型火力发电厂，本文采取的地基处理措施达到了预期的效果，验证了本工程地基处理方式的可靠性。

3 复杂隐伏岩溶场地地基处理及设计建议

安龙电厂主厂房区域主要建(构)筑物位于复杂隐伏性岩溶场地之上，地基处理难度大，约40%的基础进行了设计复核或方案更改。笔者在对该工程主厂房区域地基处理研究的基础上，结合岩溶场地工程设计实际情况，提出以下建议：

(1)重视初步勘察及厂址选择。在可行性研究或者初步设计阶段，对有岩溶发育风险的工程场地一定要加强地质勘探，对有条件的工程应尽量避让岩溶强发育区域，当不能规避时，应将火电厂中重要的建(构)筑物，如主厂房、烟囱、冷却塔布置在地质条件相对较好的区域。尽量减少岩溶地基处理风险、难度及工程费用。

(2)加强前期勘察设计工作、重视施工过程中的施工勘察。对岩溶发育的工程场地，在进行施工图勘察前，应尽量确定重要建(构)筑物的柱网，以便有的放矢，提高地质勘察报告的准确性。

(3)在岩溶强烈发育地段，应根据相关规定进行施工勘察,并根据施工勘察结果进行动态设计。对大直径嵌岩桩及一柱一桩的基础须逐桩布置勘探点；对地基基础设计等级为甲级的建筑物,须逐个基础勘探。当基底或者其相邻处有较大规模洞穴或基岩面起伏较大时，应沿基础轴线或其周边加密布置勘探点，每个基础或桩基布置不少于2个勘探点，以便查明岩溶发育情况。此外，对基坑底部出现的岩溶洞隙须增补钻孔，以便将洞隙延伸范围、充填物查清。

(4)在地质情况复杂的岩溶发育地段，对采用桩基的重要建(构)筑物，如果无法探明基底岩溶发育情况，桩基承台应尽量做成4桩承台，以便其中一根基桩失效，其基础结构仍然稳定可靠。

(5)对基础底有岩溶溶洞发育的重要建(构)筑物，在条件允许的情况下，可将有受岩溶影响风险的基础与相邻基础做拉结处理，或者采用联合整体基础，以减轻溶洞可能造成的不均匀沉降，增加基础的可靠性。

(6)填充(注浆)法、跨越法、桩基法等是岩溶场地基础设计的常用处理方法，在设计过程中，应根据现场实际情况对地下岩溶发育情况和趋势进行研究和判断。选用合理的设计方案，在保证结构安全可靠的前提下，尽量做到不影响工程进度、方便施工、经济性优良。

4 结语

随着国民经济的发展，我国岩溶地区新建工程越来越多，而复杂隐伏岩溶场地的地基处理及基础设计一直是技术难题。本文基于实际工程，对所遇到的复杂隐伏岩溶地基处理进行研究，采取了合理、经济、易于施工的处理措施，并提出了针对复杂隐伏岩溶场地的地基处理及基础设计建议。