山东正元建设工程有限责任公司 山东济南 250101
摘要：为了维护济南“泉城”的名牌，在泉域范围内进行施工都会受到一定的限制，特别是天然岩溶地基的处置就比较敏感；而工程建设为了工程本身着想，往往追求地基的最大化利用；因此二者之间存在一定的矛盾。如何处理好二者的关系，既要保护泉水，又要处理天然岩溶地基，成为本次研究的新课题。本文通过工程实例，探讨了在泉域范围内采用混凝土充填加双液注浆在天然岩溶地基的处置方式，包括参数选取、工艺流程等，进行了详细论述；并通过试验验证该处置方式的可行性，最后得出可行的结论。为岩溶天然地基的处置提供的新的思路和参考，具有较高的实际应用意义。
关键词：岩溶地基，充填，双液注浆
The scope of the study on the disposal of natural karst foundation within spring field
Abstract：In order to maintain the jinan’s " spring city" brand，in the spring within the scope of construction are subject to certain restrictions，especially the disposal of natural karst foundation is more sensitive；And engineering construction for the sake of the project itself always pursue to maximize utilization of foundation。Therefore，there is contradiction between them。How to deal with the relationship between the two，both to protect the water，and to deal with natural karst foundation，become the new subject for the study.Through engineering examples，this paper discusses the domain in the spring within the scope of use of concrete filling double liquid grouting in natural karst foundation disposal method，including the parameter selection，technological process，discusses in detail；And through the experiment verify the feasibility of the treatment，the feasible conclusion.For treatment of karst natural foundation provides new train of thought and reference，has higher practical application significance。
Keywords：karst foundation，filling，the double liquid grouting
0前言
济南市作为“泉城”，因泉水众多而驰名中外，有“家家泉水，户户垂杨”之景观。为保护泉水，济南市政府于2005年制定并执行《济南市名泉保护条例》，对济南泉域范围内的工程建设进行了一定的限制，包括开挖深度及地基处理方式等都进行了规定。怎么样做到既不影响济南泉水喷涌，保护济南“泉城”品牌，又可以充分利用建筑基础资源，采取合理科学的技术处理措施加固济南泉域范围内的岩溶天然地基，成为本次研究的内容。下面以具体工程实例展开研究。
1工程概况及岩土工程地质条件
1.1工程概况
拟建工程位于泺源大街以南，棋盘街东侧，与黑虎泉相距不足300m，是泉域最敏感的区域之一。地上建筑按东西划分为AB两栋主楼。东边为B楼，主体建筑43层，局部5层，采用钻孔灌注桩基础；西边A楼主体建筑12层以及地下室3层，采用天然地基加筏板基础。
该工程基坑最大开挖深度为12米。开挖以后再进行基础施工。
1.2场区工程地质、水文地质条件
根据场区勘察报告，场地第四系地层自上至下主要由全新统人工填土及冲洪积成因的碎石土、黏土；上更新统胶结砾岩组成。场地下伏基岩为白垩系侵入闪长岩及奥陶系石灰岩。根据场区初步勘察、详细勘察以及水文地质钻探，地层划分大致可分为3层，地层结构见图1：
第一层主要由第四系杂填土、碎石土、胶结砾岩、层残积土等组成；第二层主要由全风化、强风化闪长岩（δ）组成；第三层主要由强风化泥灰岩及中风化灰岩组成。
从地层结构图可以看出，当基坑开挖到设计标高时，第四系基本被剥离，部分灰岩直接出露于地表。现场通过开挖，直接揭露了部分岩溶，与勘察报告相符，详见图2。
另外根据区域水文地质资料、场区及附近勘察资料、水文地质试验，场区含水层可分为：第四系孔隙含水层、闪长岩风化裂隙含水层、裂隙岩溶含水层。
现场开挖以后，只剩下闪长岩风化裂隙含水层、裂隙岩溶含水层这两个含水层，而与本工程处理有关的主要是裂隙岩溶含水层，该含水层主要赋存于奥陶系石灰岩裂隙岩溶中，为承压水，埋深12.30～13.78m，标高约28.47～28.56m，同期趵突泉水位标高28.44m，黑虎泉水位为28.46m。场区开挖后，基坑底距离岩溶水位不到1m。
2.场区开挖后的岩溶地基分布
场区开挖到设计基底标高位置后，即发现局部地段出露灰岩，灰岩溶洞极其发育，成似分层性。经过现场开挖揭露，其深度较大，故停止了开挖。需要通过勘察手段查明现场的岩溶分布情况，以便能够有效地处理建筑场地下方的岩溶孔洞。现场主要通过采用高密度电法进行勘察。根据高密度电法剖面显示，场地发育岩溶。
根据勘察结果显示，在场地基坑底裙楼区域，岩溶比较发育，整体分布见图4。
3.处置深度判别
据了解，该工程东侧裙楼部分采用独立基础，独立基础下设置矩形基础：
根据《土力学》“地基沉降的计算方法——分层总和法”及《建筑地基基础处理技术规范》，确定地基受压层的深度，一般土 σz=0.2σcz
式中σz——基础底面中心点O以下深度z处的附加应力，KPa；
σcz——同一深度z处的自重应力，kPa；（水下为浮重度）
本工程基础底面为正方形，边长3.0m，用角点法计算，分成相等的四小块，计算边长为l’=b’=1.5m，最大荷载按照300 kPa计算。
由于基坑已经开挖，按照施工时条件考虑，暂不对地基进行深宽修正，直接取最大荷载作为基础地面的附加应力。由于下卧地层为岩溶灰岩，其饱和重度取值20kN/m3。计算结果见表1：
表1 附加应力计算表
岩溶地层均按饱和考虑，则基础宽度3倍9m深度自重应力为：σcz=9*γ’=90 kPa，从上表计算结果可以看出，当深度为9m时，σz≈0.2σcz。因此初步判断地基处理深度为9m。
4天然岩溶地基处理方法研究
4.1常用岩溶处理方法的适应性评价
常用岩溶处理方法主要有：CFG复合地基、刚性桩复合地基、灌浆加固和清爆填塞、强夯、双液注浆、旋喷桩及梁板跨越等。
（1）CFG复合地基进行处理，利用褥垫层使CFG桩体与桩间土共同作用，形成复合地基[9]；
（2）刚性桩复合地基进行处理，利用褥垫层使预制管桩或者方桩桩体与桩间土共同作用，形成复合地基[11]；
（3）采用灌浆加固和清爆填塞进行处理，其中清爆填塞主要处理埋深小于5m的岩溶，灌浆加固主要针对埋深超过5m的岩溶[6][7]；
（4）强夯处理；通过地表回填级配砂石，利用夯击能将砂石挤入岩溶漏斗中的软土，使之形成碎石土，置换原软弱地基，达到地基加固处理的效果[10]；
（5）双液注浆加固法；即采用水泥加水玻璃的方式，增加水泥浆结石强度，有效控制扩散半径，对地基岩溶溶洞进行充填加固的方式[4][5]；
（6）旋喷桩处理[8]；这种方法是采用高压旋喷工艺切割土体后喷入水泥浆形成桩体后插入钢筋加固的方法，应用比较少；
（7）梁板跨越法处理；主要针对单个塌陷的溶洞所采取的跨越溶洞而不处理岩溶塌陷的一种工程措施；采取这种措施，对梁板接触的地基要求比较高[12]；
综合分析，（2）、（3）、（4）、（6）、（7）均不是很合适本场地的情形，（1）和（5）结合方可。
4.2处理方案的确定
基于以上方案的分析及研究，综合考虑采用复合地基特别是CFG的形式外加双液注浆加固的方式，形成“复合地基加双液注浆加固”的思路，这种思路基于“采用固体物质封堵需要处理深度范围内的溶洞等较大的岩溶水通道，然后用双液注浆填充浅部较小的溶蚀缝”的理念。采用这种理念，可以将浅部岩溶地基与深部岩溶通道的水力联系进行阻断，防止地基处理对岩溶水产生不利影响，从而达到保泉的目的。同时，采取此理念进行处理后，岩溶水难以通过裂隙对基础产生溶蚀等破坏，从而使地基基础也达到了长期稳定。
1）对在基础承台范围内地质雷达成果显示的溶洞发育区域采用充填混凝土结合注浆孔注浆封堵加固的综合处理方案。
2）对布置投料充填孔区域，先进行投料充填孔施工，对施工过程中发现的溶洞或裂隙进行混凝土充填处理，充填施工完成后再进行注浆孔施工，并根据钻进情况对混凝土充填效果进行检验，如仍存在裂隙或溶孔时，应用注浆孔进行注浆封堵填充。充填孔成孔直径300mm，采用冲击成孔工艺，孔底位于基础底标高以下10.0m，同时确保孔底为完整岩层。充填料采用C25细石混凝土，坍落度200-250mm，混凝土充填施工采用水下导管灌注；为确保充填混凝土流动性，必要时添加外加剂增加其流动性。
3）注浆采用水泥水玻璃双液浆液，水泥采用P.O42.5型号水泥，水灰比为0.6～0.8，水玻璃模数宜为2.5～3.3，注浆压力为0.6～1.5Mpa，现场施工前需进行试验注浆，确定合理的注浆参数。
5方案实施及效果验证
方案设计，主要是通过理论分析，要知道设计方案是否可行，还是需要通过实际施工并经过检验来确定。
5.1方案实施
5.1.1充填施工
一、成孔：先启动空气压缩机，当气压达到12Mpa压力时，潜孔锤形成随旋转振动，开动钻机动力头进行冲钻。
当遇到溶洞充填物塌孔及漏风严重，无法进尺时，采用先回填混凝土，将上层孔洞先行回填完毕。待其初凝后再透孔下钻，处理下部的溶洞。如果溶洞分层较多，则需反复进行这一项工作，直至达到设计要求。
二、混凝土灌注：使用商品砼，用砼车运至充填孔位置，采用小型导管水下进行灌注施工，灌注完成后混凝土初凝之前可能因持续流入溶洞导致桩孔内混凝土面下降，因此灌注完成后应及时观测，如果发现混凝土面下降，及时用混凝土进行填充，直至孔口混凝土不再下沉为止。技术人员及时整理灌注资料，并根据成孔和灌注过程对钻孔空间形状进行估算，绘制相应剖面图件。
表2 部分充填孔施工数据一览表
5.1.2双液注浆施工
一、成孔：钻孔用潜孔锤（风动冲击钻）钻进成孔、空压机清孔，先送风，再开动钻机，钻进过程中要根据地层的变化随时调节进尺速度。
二、注浆施工：采用注浆管法施工，注浆管的上部管口与注浆泵的出浆口紧密连接，下口插入孔内距孔底300～500mm；注浆前先进行封孔处理。采用水泥浆掺入一定量速凝剂（水玻璃）的方法进行加固。水灰比为0.6～0.8，水玻璃模数宜为2.5～3.3，波美度42Be，掺入量由现场试配，注浆压力为0.6～1.5Mpa。
表3 部分注浆孔施工数据一览表
5.2效果验证
方案实施完毕后，对施工完毕的地基采用平板载荷试验检测其承载力，用探地雷达检测其充填效果。试验加载方式：试验采用慢速维持载荷法逐级加荷，每一级荷载下沉降量达到相对稳定标准后再加下一级荷载，直至试验终止。
现场对加固区进行载荷板试验，通过试验数据经计算整理，绘制了各试验点的p-s曲线和s-lgt曲线，现将其中的12#试验点的曲线特征分析如下：
图7 12#点现场载荷板试验曲线
p-s曲线（图7）：随着载荷的增加，曲线斜率逐渐增大。荷载加至300kPa时，承压板累计沉降量为5.04mm；荷载加至600kPa时，曲线未出现陡降段，承压板累计沉降量为11.83mm，终止加荷。试验数据见表4。
s-lgt曲线：所有曲线近于水平，间距由密变疏。荷载加至600kPa时，曲线尾部未出现明显向下弯曲现象。
经过平板载荷试验，确定该工程地基经过处理后，承载力达到了450kPa，完全满足设计要求（设计要求未经修正的最大荷载300 kPa）。
为了检测处理地基的岩溶充填情况，又对现场进行了代表性探地雷达检测，经过检测，雷达声波反射良好，说明浅岩溶的充填率达到了90%以上，仅局部一些较小的裂隙未被充填。
结论
通过本次具体工程天然岩溶地基处理方案的比选确定、方案的实施，从实施过程可以看出，充填孔的充盈系数均较大，说明浅部的岩溶比较发育，这对物探勘察结果也进行了侧面的验证；混凝土充填施工完毕后进行的双液注浆水泥浆的注入量也较大，说明在大的岩溶通道被混凝土充填后，较小的岩溶裂隙还是比较发育，需要采取注浆进行充填。另外，施工期间处于雨季，在岩溶处理及处理以后的相当长一段时间内，其下游的黑虎泉泉水流量没有变化，证明本次岩溶地基处理未对泉水产生直接影响。
本次天然岩溶地基方案的设计研究完成后，经过实践及试验表明，本次研究的方案符合地基处理规范和设计要求，达到了预期效果。本次岩溶地基处理在泉域范围内的成功应用，为今后类似工程提供了新的思路和方式，可以直接应用到相关领域。
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第一作者简介：张战胜，男，1973年12月出生；本科学历，工程硕士学位，高级工程师，主要研究方向为水文地质及地基基础处理。电话：13335120127，邮箱：479253107@qq.com
论文作者:张战胜,周勇飞,卢士涛,李景涛,陈帅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/20
标签：岩溶论文; 地基论文; 注浆论文; 溶洞论文; 含水层论文; 裂隙论文; 混凝土论文; 《建筑学研究前沿》2018年第25期论文;