广州白云机场指廊基础工程溶土洞处理方法分析

2021-11-05周红卫齐从月王火华龚文韬范国强

建筑施工 2021年7期

周红卫周游齐从月王火华龚文韬范国强陈杨

中建三局第三建设工程有限责任公司湖北武汉 430074

1 工程概况

1.1 工程建设概况

广州白云机场指廊扩建工程项目位于T1航站楼与T2航站楼中间，指廊的建成将连通T1、T2航站楼，未来原T1和T2航站楼将连接成一个整体，组成白云机场第一航站区，施工完成后，白云机场将成为我国民航单体航站楼建筑面积最大的机场。本标段负责实施的T1、T2航站楼中间指廊部分的基础工程，主要桩基础类型为冲孔灌注桩。

1.2 工程地质概况

本场地上部第四系覆盖土层主要有：第四系包括全新统和全新统、上更新统，其下缺失中更新统和下更新统。全新统由人工填土、海陆交互项淤泥土层组成，全新统、上更新统由冲积-洪积粉质黏土、砂层以及残积土层组成。下伏基岩为白垩系百足山组粉砂岩、泥质粉砂岩等。基底岩石上存在丰富的地下水。

本工程桩施工所处位置为岩溶丰富区域，场地内存在土洞和溶洞。根据初期勘察报告显示，指廊区域的69个转孔中，共10孔揭露土洞，层厚3.00～12.40 m，平均厚度7.01 m，层顶埋深20.90～36.80 m（标高－21.63～－5.93 m），层底埋深28.20～42.20 m（标高－27.99～－13.54 m），主要为无填充土洞，土洞见洞率14.5%；共15孔揭露溶洞，层厚0.30～13.30 m，平均厚度3.32 m，层顶埋深23.70～46.60 m（标高－31.20～－9.29 m），层底埋深24.60～52.90 m（标高－37.20～－10.30 m），主要为无充填溶洞，溶洞见洞率21.7%。

1.3 溶土洞处理目的

由于场地上的土洞、溶洞尺寸较大，少数土洞埋藏较浅，土洞溶洞组合类型复杂，本标段在该场地环境下施工冲孔灌桩，冲孔产生的冲击波极易导致桩孔坍孔，甚至导致场地发生局部塌陷。本标段距离航站楼T1、T2、停机坪较近，施工场地塌陷不仅造成机械损坏及人员伤亡，而且可能造成机场停机坪地面塌陷而影响机场运营[1-2]。因此提前对溶洞、土洞进行处理，保证桩基础工程施工安全及质量。

2 溶洞、土洞情况

本标段通过超前钻详细勘察后，发现土洞接近400个，多以无充填、漏水、岩面漏水的为主。最大的土洞高度尺寸为19.3 m，无填充，有明显漏水。

本标段发现溶洞接近1 000个，场地内3/4溶洞以半填充、填充物以黏性土的溶洞为主，有漏水。1/4的溶洞为无充填、漏水的溶洞。本标段溶洞形式包括单一溶洞/土洞，数个溶洞串洞，土洞与溶洞串洞，溶洞最大尺寸为20.9 m，洞内存在半填充的黏性土，有漏水现象。

在施工过程中，地勘资料未揭示有溶洞，但其相邻桩揭示出中型以上溶洞的，或者在钻机冲孔施工时出现了泥浆液面突降。

本标段依据超前钻地质钻探数据建立三维可视化模型，通过BIM软件建立了溶洞、土洞可视化模型，对溶洞、土洞的大小、分布情况，溶洞、土洞边缘位置进行初步估计，确定了溶洞、土洞处的填充物预估量，并保证了施工机具在溶洞、土洞施工过程的安全可控，达到了事前预判，事中把控的效果。

3 土洞、溶洞的预处理方法

对土洞、溶洞的预处理首先是避免地面坍塌，降低施工过程的安全风险。其次是改善溶洞、土洞区域的地基承载力，最后减少地下水对溶洞、土洞的影响。参考相关文献及技术资料，溶洞、土洞预处理的方法有以下3种：采用材料回填法、钢护筒法、压力注浆法填充[3-6]。

本标段分别使用了材料回填法、钢护筒法、压力注浆法对场地内的溶洞、土洞进行了预处理。已经处理的最大的土洞为20.9 m，最小的土洞为19.3 m。土洞、溶洞的预处理原则为首先避免地面坍塌，降低施工过程的安全风险，其次是改善溶洞、土洞区域的地基承载力，最后减少地下水对溶洞、土洞的影响。

4 溶土洞处理方法及经济性比较

4.1 回填法

4.1.1 使用范围及施工方法

本标段的所有类型的土洞、溶洞采用回填法进行了处理。回填法施工时出现3种特殊情况：顶板较薄溶洞、大型溶洞和土洞、土洞和溶洞相互串联。

1）顶板较薄的溶洞施工，首先冲孔至溶洞顶板顶0.5～1.0 m处，到达上述位置后完成1～2次轻锤，使溶洞顶板壁达到击穿的临界状态，冲击过程中，冲孔桩锤绳应保持收紧状态，防止溶洞突然击穿而引起掉锤。填充料分层填入桩孔，回填完成后以“小冲程、慢速冲击”压穿溶洞顶板。整个回填过程应观察泥浆液面下降情况，当泥浆液面无下降时，桩孔进行重新成孔。

2）本标段的大型溶洞以半充填黏性土、漏水的溶洞为主，大型土洞多数是无充填、洞内漏水的土洞。上述大型溶洞、土洞处理首先应冲孔至土洞或溶洞顶0.5～1.0 m处，充料向桩孔内按一定的比例分层回填，并用冲击锤头“小冲程、慢速冲击”将材料压入洞内完成首次填充。若遇到溶洞顶板壁较厚的大型溶洞，溶洞顶板锤击可以用“大冲程冲击，慢速循环”，整个锤击过程应将冲孔桩锤收紧，防止掉锤。整个回填过程应观察泥浆液面下降情况，做好填充料补充与冲击配合。填充料填入孔内应迅速压密并堵住洞内漏水口，防止填充料经漏水孔流走。当泥浆液面无下降时，重新对桩孔进行成孔。

3）对于土洞、溶洞结合的类型，整根冲孔桩在预处理过程应调整桩锤下落垂直度，土洞内应填满相应的填充料才能进行冲孔，严禁未填满前开始进行溶洞锤击。

多个串联溶洞用冲击钻头“大冲程、快速冲击”，击穿1个溶洞顶板岩层，填充完成1个溶洞。施工时若出现1次击破2个溶洞，需及时做好填充料补充，防止坍孔。

4.1.2 填充材料

填充料的块石、黏土和水泥的比例要根据土（溶）洞充填物种类及填充程度来具体确定。在本标段的钻孔桩的施工中，经过施工总结，不同的土（溶）洞回填物的组成体积比如表1所示。

表1 溶洞土洞填充材料的混合比例

1）当土洞、溶洞为小型、半充填时（溶洞或土洞高度≤1 m），可采用抛填黏土＋片石的方式，重复充填交替进行填充，同时补充护壁泥浆。根据施工数据，土洞较小时最大抛填总量23 m3，最大抛填次数5次，最小抛填总量4 m3，最小抛填次数1次，平均抛填次数3次，每次抛入量平均值为4.6 m3，平均值为15 m3。根据数据XB019、XA124、XB217总抛入量超过平均值1.2～1.5倍，超前钻柱状图中没有上述3个桩位存在溶土洞，但XB019相邻桩位XA024有7 m溶洞，XA212相邻桩位XA124有10 m溶洞，XB127相邻桩位XB220有10 m土洞、6 m溶洞。该桩位在施工过程中存在明显的坍孔迹象，通过4～5次的片石回填有明显的处理效果。超过3次改用抛填片石＋黏土＋水泥的方法施工。

2）中型土洞处理方案（1 m＜溶洞高度≤3 m的单层溶洞，浆面突降3 m以上）。根据已有数据，抛填总量最大值140 m3，最大抛填次数7次，最小值11.8 m3，最小抛填次数2次。平均抛填次数4次，抛填总量平均值为74 m3，每次抛填数量23 m3。XB050、XB069、XB026、XB083、XB128抛填总量超过平均值1.5～1.9倍，上述4个溶洞为半充填中粗砂，漏水溶洞，溶洞高度在1～2 m范围内，但它们周围4个桩位单孔均出现超过10 m的溶洞。在抛填次数较多的情况下，此类溶洞不应继续采用黄土＋片石抛填的方式。

3）大型溶洞处理方案（3 m＜H≤10 m的单层溶洞或串珠状溶洞，或浆面突降10 m以上）。根据已有数据，最大抛填次数9次，最大抛填总量875 m3，最小抛填总量109 m3，最小抛填次数5次。平均抛填次数7次，平均每次抛填80 m3，平均抛填总量435 m3。超过8次回填无效后选择其他处理方式。超过平均填充量的桩XB126、XA054、XA020、XB059均存在超过10 m的超大溶洞或土洞，且相邻桩位存在中型溶洞、土洞，类型主要为半填充或无填充的漏水溶洞，填充物以淤泥土为主。最大填充量的3个桩孔分别为XA100、XB224、XB206。通过实际数据，抛填次数在7次时，能有效处理溶土洞带来的漏浆问题。

4.1.3 施工要点

施工现场溶洞、土洞数量多且类型复杂。在施工过程中，地勘资料未完全揭示溶洞而相邻桩揭示出中型以上溶洞。此时采取处理措施时应结合三维可视化模型对周围桩位的溶洞进行分析，从而选择合适的填充料，达到精准把控的目的。

回填过程中，如果孔内小范围的漏浆，首先应调整填充料配比，将水泥浆的比例略微增加；施工时可能击穿相邻溶洞顶板而出现中型或大型溶洞，以块石、黏土、水泥7∶2∶1进行回填灌注。

如果孔内泥浆液面多次出现突降3 m以上，此类溶洞属于漏水情况严重的溶洞，且与其他未探明的溶洞发生了串联。此类情况的处理方法主要是水泥浆比例应调大，加快回填速度止住漏水口。整个预处理施工过程中容易出现卡钻、掉钻现象，回填锤击过程应监视泥浆液面下降情况，全程控制好桩锤的冲程和松紧程度。

4.2 钢护筒法主要处理对象范围及施工要点

本标段钢护筒主要用于土洞高度超过8 m，土洞离地面较近的情况，该方法适用于多个溶洞串洞的处理。

施工前，放置短钢护筒对孔口护壁，短钢护筒需比桩孔空间大50～80 cm，保证长护筒能有足够的下放空间。冲孔后至土洞顶0.5 m处，下放长钢护筒，长钢护筒的直径比桩径大5～15 cm，同时下放。在土（溶）洞被打穿之前，先向孔内采用一定的比例填充料进行处理。此处理方法主要保证施工过程场地地面安全，防止冲孔过程场地塌陷。同时封堵土洞，防止土洞漏浆。

长护筒在制作过程中，钢筒与钢筒之间的焊缝必须坚固，成型质量较好，整个护筒的垂直度应严格控制。在钢护筒下沉过程中，应严格控制其平面位置的偏差和垂直度。必要的话，可以根据现场的实际情况制作或拼装1个导向架，否则，容易引起偏桩或斜孔。

4.3 压力注浆法

4.3.1 主要处理对象及施工方法

压力注浆法主要用于本标段对11个溶洞对抛填较难处理的靠近机场运营区域的15 m以上串珠状溶洞及土洞、溶洞结合的类型。

1）采用在地面搅拌后灌注充填与压密注浆相结合的方法。具体来说：对于无充填的溶洞，采用重力灌浆液配合压密注浆的方法；对于半充填的溶洞，采用压密注浆法。

2）在压力注浆前，根据“外围封边＋内部填充”的原则，确定了土洞、溶洞的外围边界，以内以重力填灌浆，外部压力注浆的方式处理。使用钻孔及布置呈梅花形的钻孔，孔径100 mm，以2 m为扩大范围寻找溶洞边界，钻孔至洞体底板围岩（基岩至洞体底板，土洞至洞底以下0.5 m）。本次处理的土洞、溶洞结合的类型，采用PVC套管在中心孔填充，外侧用PVC花管注浆，花管为在溶洞段每500 mm沿着管壁钻开9个直径为6 mm的孔。

3）注浆施工时，连续向溶洞、土洞内充填灌浆直至孔口冒浆为完成特征，由于PVC管较细，压力灌浆的过程容易被溶洞内的碎岩等填充物堵塞，应在地面上设置3个沉降观测点，发现地面出现轻微裂缝和抬升时作为拔升或停止灌浆的时刻。终灌标准：达到设计压力2 MPa，注不进或相邻孔冒浆、串浆为止，稳压15 min后终灌。灌浆必须及时降低泵送压力和注浆量。压密注浆采用“间歇定量分序注浆法”进行，每孔每次定量注浆10～15 m3，间隔时间不少于12 h。压密注浆压力1.0～2.0 MPa。

4.3.2 注浆材料

重力填灌浆液为M15自拌水泥砂浆；压力注浆的填充料中，主要为纯水泥浆。压力注浆材料主要用水灰比为1∶1的水泥浆。

根据压力注浆数据，注浆液采用纯水泥浆42.5R，水灰比1∶1，抛填总量最大值642 m3，最小值208 m3，平均注浆总量425 m3。试桩1、2、10灌注总量超过平均值1.2～1.5倍，上述4个溶洞为半充填中粗砂，漏水溶洞，溶洞高度在1～2 m范围内，但它们周围4个桩位单孔均出现超过10 m的溶洞。

4.4 处理效果的对比

本标段溶洞以半充填溶洞为主，无充填溶洞数量较多，但大多数溶洞漏水、串洞。溶洞处理的主要原则是保证充填材料能在溶洞内发生固结，并逐渐积累至风化岩面。本标段使用了3种溶洞、土洞的处理方法，经过处理后，桩孔内无明显漏浆，冲孔桩二次清孔后沉渣质量合格。回填法将水泥、膨润土、片石灌入溶洞、土洞，既堵住洞内流通缺口，又保证了材料在溶洞内快速形成强度，与地下岩面共同受力，不出现软弱夹层，增加了地基承载力。特别是无填充且顶板较薄的溶洞使用回填法，相比于压力注浆法，其施工效果较好，处理时间较短，填充材料的成本较低。

钢护筒法处理相比其他2种处理方式而言更适合尺寸较大且离地面较近的土洞。由于土洞距离地面较近，设置钢护筒的方式可以明显防止因冲击破坏造成土洞大面积坍塌，同时钢护筒离地面较近，提高了护筒的回收率。深层的溶洞、土洞若使用钢护筒法，其处理时间较长，需要严格把控钢护筒接头焊接质量及钢护筒垂直度。

半填充溶洞采用普通压力注浆＋灌注注浆技术的方式确实能起到快速凝结，高效填充及增强承载力的作用，且预处理工作结束后才开始进行冲孔桩基施工，保证了场地的安全。本标段的漏水溶洞的数量较多，溶洞形式复杂，开注浆孔确定溶洞边缘时间较长，边缘难以确定，在压力注浆下填充浆液在地下多个溶洞内串流，造成浆液的浪费。溶洞上下串洞数量较多，若因大面积地布置注浆钻孔口，导致串洞连通，该技术将加重溶洞处理难度，加长溶洞处理过程。