喀斯特强发育地质条件下的地基处理

祝东明 李志强 王 强

中铁建工集团有限公司广州分公司 广东 广州 511400

1 背景工程概况

广州棠溪火车站地下工程属于深基坑明挖结构，占地面积80 000 m2，土石方总量186万 m3。据详勘及地质超前钻揭露存在部分溶洞，局部地段软土发育，工程地质较差，且地表广泛分布厚度不均的饱和粉细砂层。详勘总共揭露溶洞133个，见洞率约57.87%，揭露2层以上溶洞的钻孔36个，喀斯特发育程度为强发育。133个揭露溶洞中全填充溶洞26个，占全部溶洞的19.54%；半填充溶洞66个，占全部溶洞的49.62%；无填充溶洞41个，占全部溶洞的30.84%。平均洞高3.9 m，最高27.2 m，溶洞平均填充率63.4%。

2 喀斯特地基处理问题分析

1）背景工程溶洞属于强发育状态，有全填充、半填充、未填充等多种形态，且溶洞潜在量多达地层的50%以上，处理工程量大。其中，较大溶洞以及串珠状溶洞无法有效预揭露，处理方式的选择制约着工程进展的速度，并决定着溶洞处理的经济造价。

2）较大溶洞以及串珠状溶洞的范围边界不易确定，勘探和处理的难度大，其勘探的准确与否以及处理的效果极大地决定着后期地下连续墙及基础等实体工程质量的好坏。

3）在如此大规模的地下工程中，如何保证溶洞处理后效果检验的准确性并满足工程进度要求，是一个需要考虑的重点问题。

3 喀斯特地基处理方法分析

3.1 喀斯特处理原则

在开始考虑喀斯特处理方法之初，制定喀斯特处理方案时，应主要遵循以下原则。

1）喀斯特处理应结合基础结构（或筏板结构）、地下连续墙等围护结构、主体结构的详细特点，并应考虑施工期地下水位、地层的不透水层特性、涌水突泥风险等多方面因素。

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2）降低地基承载力、影响工程施工、影响施工机械设备使用以及影响工程实体安全的喀斯特均应纳入到喀斯特处理的考虑范围内。

3）影响范围内的未填充、半填充和全填充溶洞，应根据填充物性质、所处结构部位、地耐力和周边环境等情况，制定具体的探边、处理措施和效果验证标准。

3.2 喀斯特处理范围及方式

在满足施工需求和地基承载力等设计要求的基础上，应结合土层中是否有稳定透水层及透水层厚度确定喀斯特处理范围。一般情况下可参考以下标准执行。

3.2.1 地下连续墙及基桩周边溶洞

对地下连续墙及基桩周边3 m以内、底部5 m以上范围内的溶洞应进行处理。若地下连续墙及基桩周边及底部为粉细砂、砂层或其他中/强透水层时，溶洞处理范围应根据实际情况适当增大。

3.2.2 基坑内溶洞

不管是初勘、详勘，抑或是补勘发现的溶洞，都应处理；不管是大溶洞、小溶洞，还是半填充、全填充溶洞，均应全部处理。

1）对位于基坑底部以下的溶洞，当基坑底部为灰岩地层时，若在中等-微风化灰岩或稳定隔水层周边5 m范围内发现有高度不小于5 m的喀斯特，则应自基坑底部全部进行填充加固处理。

2）对位于基坑底部以上的溶洞，仅对影响地下连续墙和基桩施工的溶洞进行处理。对基坑开挖范围内已发现的高度不小于5 m的大型溶洞应进行填充处理，于浅层发现的喀斯特可不进行加固处理。有影响施工机械等安全施工的浅层溶洞时，可对地基进行换填处理。

3）对底板筏板下发现的串珠状溶洞、溶蚀凹槽和破碎带等特殊地质，应根据其埋藏深度、地下水位情况综合判断是采用填充加固处理还是采用地基换填处理。

3.3 喀斯特处理方法

总体上可先采用加密钻孔勘探和探边确定溶洞大致范围，再进行喀斯特处理。对于探边施工，当探及大型溶洞，易引起地面塌陷风险时，应采取边注浆加固边探边的处理方法。溶洞一般采用先成孔、后埋入注浆管，而后再注浆充填的处理方法。

基坑内部应根据一定的探测密度随机确定钻孔，每100 m2范围内不宜小于5钻。当发现规模较大溶洞时，应继续以3 m×2 m间距钻孔探边，直至找到溶洞边界。

对地下连续墙等围护结构和基桩周围溶洞进行探测时，应根据其几何规格确定。6 m幅宽的地下连续墙宜采用“一墙两钻”的探测密度，1 m桩径的基础宜采用“一桩一钻”的探测密度。

对于地下连续墙，发现规模较大溶洞时，因邻近外部环境界限，地下连续墙外侧2 m范围内应增钻探边孔及灌注速凝浆以封锁溶洞边界；地下连续墙内侧2 m范围内也应增钻探边孔，以3 m×2 m间距探边，直至找到溶洞边界。地下连续墙周围溶洞探测如图1所示。

图1 地下连续墙周围溶洞探测

溶洞可采用单种液浆（可为水泥砂浆或水泥浆等）进行注浆填充凝结处理，大溶洞（一般判别为高度≥5m）可先用低等级细石混凝土或者较高等级水泥砂浆注入，再采用高浓度水泥浆加压注浆。对于处理时耗费大量注浆材料或注浆量不可控的规模较大的溶洞，以及地下连续墙和基桩范围内的较大溶洞，可先在安全限界钻孔，采用水泥-水玻璃速凝浆控制边界、封边，减少注浆的范围及注浆量。

对于探边孔，注浆浆液可选用水泥-水玻璃双液浆，配比建议为水泥∶水∶水玻璃＝1∶1.36∶0.3（质量比），水玻璃模数为2.4～3.4，水泥宜采用42.5R级普通硅酸盐水泥；对于其余孔，注浆浆液可选用水泥浆或细石混凝土，水泥浆液水灰比宜为0.8～1.2，水泥宜采用42.5R级普通硅酸盐水泥，细石混凝土宜采用C20普通硅酸盐混凝土[4]。

注入管道可采用PVC管（管身均匀钻孔）。注入水泥浆时可选用φ48 mm×4.5 mm规格的PVC花管；注入水泥砂浆时则可采用φ200 mm×8 mm规格的PVC管（管身均匀钻孔）。注浆管应进入喀斯特底部以下不小于0.5 m处。

注浆填充压力需根据溶洞的填充密实情况动态调整。对于探边孔，宜以“相对小压力、多次数、较大量”控制，注浆压力宜控制在0.6～0.8 MPa，注浆次数为3～4次；对于其余孔，注浆速度宜控制在40～60 L/min，注浆压力宜控制在1.0 MPa内，同时注浆压力应逐步提高。

溶洞处理时需边注浆边摸查喀斯特的规模及验证处理后的状态。可根据注浆量及注浆孔所检测到的喀斯特洞径，初步估算溶洞的规模，而后再向周边布设检查孔验证。

检查孔除需注意验证注浆填充状况外，还需检查溶洞的延展情况。若发现注浆不密实，则需利用检查孔继续填充注浆。

4 喀斯特处理重点及注意事项

应将基坑范围内，尤其是地下连续墙和基桩范围内的溶洞分布情况、边界等摸查清楚，以保证地下连续墙和基桩的成墙、成桩质量，减少成墙、成桩过程中处理溶洞的时间，提高施工效率。

施工过程中应提高钻孔、成孔等机械设备对溶洞及坍孔的适应性，如加大机械设备底座支腿范围，采取钻机钻头防掉落措施等。

5 溶洞处理效果检验

溶洞处理后，主要是检查溶洞的填充充盈情况及均匀程度。可考虑采用“再次压密注浆”的方法检查填充充盈情况，不容易注入则表明充盈情况良好，反之则不佳。均匀程度可采用标贯法测定，标贯值达到坚硬状为优，硬塑状为合格。

对于一些规模较大的溶洞，宜以检验性钻孔检查填充注浆之后的“固结状态”及“固结强度”。“固结状态”可以按照土层取样的方式进行。若样品不破碎、成形、手捏不碎，则表明处理效果较好；若样品松散、一捏即碎、呈碎块状，则表明处理效果不佳。“固结强度”可采用标贯法评定，标贯值达到坚硬状为优，硬塑状为合格。检验性钻孔不应少于注浆钻孔总数的5%，且不少于3个孔，每孔加固块取样试件个数不少于3件，同时每个溶洞均应检测一次。

6 结语

广州棠溪火车站的地质条件复杂，喀斯特强发育，溶洞见洞率高。在喀斯特先行勘察处理的基础上，再展开大面积施工，其处理技术可行、经济合理。采用以上处理技术后，整个地下连续墙和桩基工程顺利完成，在确保施工工期的同时，工程质量得以保证，工程造价相应降低，为广州棠溪火车站的顺利建设提供了有力保障。本文论述了广州棠溪火车站地区强发育喀斯特的处理方式与方法，可为今后类似的工程施工提供参考依据。