灰岩地区溶洞\土洞技术处理措施

摘要:深圳信息职业技术学院迁址新建项目位于深圳市龙岗区荷坳格坑村,水官高速龙岗出口南侧。本施工场地溶洞、土洞、溶槽等非常普遍,由于桩基为冲孔灌注桩,需要采取一些特殊而且有效的措施进行处理。文章对部分隧道岩溶的处置方法进行了总结,可供类似隧道设计和施工参考。

关键词:灰岩地区;溶洞;土洞;工程地质;水文地质;质量措施

中图分类号:TU753文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)18-0044-03

一、工程概况

深圳信息职业技术学院迁址新建项目(痰26届世界大学生运动会运动员村)位于深圳市龙岗区荷坳格坑村,水官高速龙岗出口南侧。从勘察资料得知,本施工场地溶洞、土洞、溶槽等非常普遍,由于桩基为冲孔灌注桩,需要采取一些特殊而且有效的措施进行处理。

二、场地工程地质和水文地质条件

(一)场地地形地

拟建深圳信息职业技术学院迁址新建项目东校区场地原始地貌为台地及台地间谷地,经过后期堆填整平后,现场地大部分为格坑村民房、厂房,局部仍为台地。

(二)场地岩土工程特征及分布

根据勘察单位提供的岩土工程勘察报告,本场地地层自上而下分述:

1.人工填土层。

2.第四系新近堆积层粉质粘土、淤泥质粘土。

3.第四系全新统冲洪积层。

4.第四系上更新统沼湖沉积层及冲洪积层。

5.第四系上、中更新统坡积层。

6.第四系中更新统残积层。

7.溶槽堆积层。

(三)不良地质现象

溶洞及岩溶塌陷:勘察资料显示该场地为岩溶强发育区。溶洞位置的洞高在0.2～20.4m间。溶洞充填分别为无充填、半充填及全充填。成冲孔过程中,溶洞的分布会造成泥浆的流失,给冲击钻进带来困难。

三、溶洞、土洞专项技术处理措施

(一)溶洞、土洞地质情况

根据地质勘察单位提供的超前钻报告显示,在灰岩分布区钻孔211个,揭示溶洞的钻孔共73个,见洞隙率35%,线岩溶率3%～88%,为岩溶强发育区。钻孔穿透溶洞位置的洞高在0.2～20.4m之间。

(二)溶洞、土洞专项处理措施

1.高度小于2.0m的溶洞、土洞桩的处理措施。

(1)对完全充填小溶洞、土洞,填充物呈松散或软塑状粘土处理方法:先开孔进行冲孔桩施工,根据资料从溶洞、土洞以上1.5m开始,一边冲击成孔,一边回填片石和粘土混合物,并增大泥浆的比重,将锤头提高0.5m缓慢冲击,利用片石和粘土混合物进行充填溶洞、土洞区域,以达到有足够承受力的片石充填带,形成良好的护壁;以保证冲孔施工安全穿越小溶洞、土洞分部地层。另外桩孔进行小钻孔高压固结灌浆,灌注水泥浆完成后达到一定的强度(一般为5～7天即可),再进行冲孔桩施工。

(2)对完全充填小溶洞、土洞,呈硬塑状态处理方法:鉴于上述充填物,地质条件较好,可以考虑直接冲击成孔,但此时需要加强泥浆护壁,可以根据泥浆的实际情况,可以适当加填优质粘土,增大泥浆的比重,从而确保成孔较顺利进行和施工安全。

(3)对小溶洞、土洞和半充填小溶洞、土洞将采取方法:先进行冲击成孔施工,根据资料从溶洞、土洞以上1.5m开始,低锤缓慢冲击,到达溶洞、土洞顶面后,一边冲击一边向孔内投入坚硬片石、粘土混合物,将冲锤控制在不超过溶洞、土洞顶面0.5m,将大量片石、粘土充填洞内,并不间断冲击,使其达到密实,形成完整的护壁支撑体;同时,在成孔泥浆上适当加入粘稠外加剂,以增大泥浆的粘度和胶体率,增强泥浆护壁效果。

2.高度大于2.0m的溶洞、土洞桩的处理措施。此部分溶洞、土洞高度较大,地质情况复杂多变,对冲孔灌注桩施工影响是非常大的,因此,我们项目部召开专题会,讨论溶洞、土洞处理措施,具体处理方案如下:

(1)毛片石、粘土、水泥浆充填固结法。先进行正常冲击成孔,根据超前钻资料所示,在溶洞、土洞上部1.5m开始,低垂缓慢冲击钻进,到达溶洞、土洞顶面后,边冲击成孔边投入毛片石、粘土和水泥浆混合物,主要控制要点如下:1)回填毛片石直径控制在30~50cm范围以内,粘性土选用优质澎润土;2)在整个回填冲实过程中,冲锤保持低锤慢冲,冲锤高度以不超过溶洞顶面以下1.0m为宜;3)停锤标准:回填料密实,且回填物高度超过溶洞顶面不少于1.5m,其余空孔部分采用优质粘土回填至地面,并做好安全防护工作;4)回填5～7天后,重新进行冲孔灌注桩施工。

(2)采用塑性混凝土回填法。在遇到无充填的大溶洞时,采用塑性混凝土回填方法处理,具体措施如下:1)塑性混凝土采用水泥、砂、粘土拌合而成,配合比按照现场实验确定;混凝土必须具有良好的和易性、流动性;强度不宜过高,以达到固结效果为宜,以防固结后强度过高影响桩基施工;2)根据地勘资料查清溶洞位置、大小,采用地质钻机在溶洞位置钻探孔,钻孔数量按照溶洞分布区域大小情况确定,孔径不宜过小,以防出现混凝土下灌困难等情况;3)塑性混凝土灌注过程若出现灌注量很大的情况下,可采用间歇式灌注方式,先灌入一定量的混凝土后,暂停灌注,等初灌混凝土达到一定固结强度后再继续进行灌注,直到将溶洞充填密实;4)完成灌注充填后,停歇3～5天,再进行冲孔灌注桩施工。

(三)穿过溶沟、溶槽、小裂隙处理措施

本建筑区岩溶发育程度及规模变化很大,由于灰岩中地貌的多变性和复杂性,洞穴的发育,长期地表水和含碳酸的地下水溶蚀作用,在岩面或浅层形成深浅、宽窄不一的锯齿状

溶沟和溶槽往往使得泥浆泄漏引起孔内液面下降,由于泥浆的流失,失去了泥浆的护壁和平衡作用,若没有及时处理可能会产生塌孔。

由于溶沟和溶槽内流动的地下水稀释泥浆而难以清理沉渣时,可向桩孔内加粘土块夹小石片,并低锤密实锤击以封堵溶沟和溶槽,防止地下水涌入桩孔内。同时还应控制好泥浆的胶体率和稳定性,然后清孔并尽快做下一道工序。

(四)石芽、石笋的(偏孔)处理措施

由于地下水潜蚀作用,此地貌发育有溶洞、溶沟、溶槽、石芽、石笋等,也可能出现钻探孔与桩孔的“入岩尝试有差异”的情况。在成孔过程中可能由于岩面倾斜而造成冲锤受力不均匀,成孔很困难。如果冲击速度快极易使冲锤向软弱土层倾斜而出现桩孔倾斜的情况。遇此情况可采取如下措施:

1.控制进尺速度,以慢速冲击钻进。在孔内投入片石、卵石、填充斜面软弱层以形成作业平台,作业平台一般高于偏孔上方300～500mm处(即片石、卵石等填充高度在偏孔上方300～500mm处),用冲击锤将斜面硬层冲平,然后再进行正常冲孔钻进。

2.加大桩身直径法处理小直径桩,穿过石芽、石笋段。(1)低锤缓慢冲至岩面,冲击成孔过程中如遇到石芽、石笋等地质异常,出现偏孔、偏锤等现象后,首先采用回填块石法进行纠偏施工;(2)若出现探头石、石芽与冲锤接触面太小,导致冲锤冲击力无法有效传递到岩面。常规回填块石法无法达到理想的纠偏效果,影响施工进度和质量。如施工周期过长或者无法继续施工,则考虑采用孔洞重新回填粘土和水泥拌和物,停工3～5天左右,使回填物达到一定的固结度再进行第二次施工;(3)若孔径较小的桩遇到此类探头石、石芽等现象,则桩位不变,只增大孔桩的直径,以加大冲锤与岩面接触面积,已达到有效的穿过探头石、石芽。

3.二次冲孔法处理大直径桩穿过石牙、石笋段。(1)冲击时如遇到探头石、石芽、石笋等地质异常,出现偏孔、偏锤等现象时,回填片石后还是达不到纠偏效果,使冲孔无法进行;(2)提起冲锤,采取粘土和拌和物回填已成空孔,停歇5～6天。增加超前钻勘察孔,结合现场实际偏锤情况。准确判断探头石、石芽、石笋具体方向和位置,改用小径冲锤进行冲孔。顺利穿过探头石、石芽、石笋等地质异常地层;(3)穿过探头石、石芽、石笋后,停止冲孔,提起冲锤,采用粘土和水泥拌和物将空孔回填,停歇3～5天,改用原桩径冲锤,重新进行冲孔。

(五)斜岩陡岩处理措施

在施工过程中,由于场地内基岩面起伏较大,极易出现斜岩陡岩情况,而陡岩对冲孔桩成孔造成很大的困难,可采取如下措施对陡岩进行处理:

1.回填片石纠偏法处理斜岩陡岩。(1)低锤缓慢冲至岩面;(2)到达岩面顶面后,由于岩面倾斜严重,出现偏锤、偏孔现象,无法进行正常冲击施工,此时提起冲锤,向孔内回填片石,回填至出现斜孔面位置以上2m左右。回填完毕后,采用低锤慢冲继续进行成孔冲击施工;(3)还可以采用边回填片石边进行冲击的方法。以达到良好的纠偏斜孔的目的。块石的回填量及回填次数根据现场实际情况进行确定,如果遇到较大的偏锤、偏孔时应及时回填为准;(4)穿过斜岩面到达完整岩面后,继续冲击成孔。入岩深度和持力层岩性均应满足设计要求后,地勘单位验收合格后才可以终孔;(5)成孔结束后,尽快下放钢筋笼,清孔达到要求后浇灌混凝土。

2.变更桩位法处理斜岩陡岩。(1)低锤缓慢冲至岩面;

(2)直径较大的冲孔桩,遇斜岩面采用回填块石方可进行纠偏;大直径的冲孔桩,若岩石倾角、硬度、落差均较大,常规的回填法无法达到理想的纠偏效果,竟而严重影响施工进度,并对成桩质量造成隐患。如果由于落差斜岩影响无法继续冲击成孔。只有移开桩机,采用粘性土和水泥拌和物将已经成孔部分进行回填密实;(3)回填后,找设计、业主、监理商量、讨论,考虑通过设计变更,将单桩该为双桩或三桩承台,适当减小桩径,改变位置,以达到避开落差斜岩面的目的,加快施工进度和保证施工质量;(4)单桩变更为两桩或三桩后,如果桩间距较小,可采用跳打方式进行施工。

(六)混凝土灌注过程中塌孔事故的应急处理措施

在溶岩地区的冲孔灌注桩水下混凝土灌注过程中,可能出现塌孔等情况,就此问题,按照不同情况采取如下不同的处理方式:

1.桩身水下混凝土灌注过程中,出现小范围塌孔,混凝土面出现小程度下降或充盈系数偏大,经现场监理工程师、地勘工程师、业主等确认对桩身质量无影响的情况下,应继续进行灌注作业,保持足够的导管埋深,防止出现断桩事故,确保混凝土供应及时,减少灌注时间,保证成桩质量。

2.桩身水下混凝土灌注过程中,出现大范围塌孔,孔内混凝土液面突然急剧下降,应根据不同情况采取如下不同的处理措施:(1)如果混凝土液面急剧下降,但导管尚未脱离混凝土液面,继续灌注后混凝土液面稳定并明显上升时,说明塌孔溶洞部分已经充填密实,可以继续进行灌注工作;(2)如果混凝土液面急剧下降,导管已经脱离混凝土液面,出现断桩情况的,应停止混凝土灌注,并采用粘土、水泥浆混合物对桩孔进行回填,等混凝土达到初凝后立即组织冲孔作业,在砼未达到强度前,完成冲孔作业。

四、灰岩地区冲击成孔注意事项

(一)冲锤高度的控制

1.在进入岩溶区基岩面,由于基岩面倾斜严重,应采用1.0m左右的小冲程,低锤密击;否则,冲击能量过大,防止造成冲锤在倾斜岩面发生“顺层跑”,从而造成斜孔或卡锤事故;待岩面冲出台阶进入全岩面后,冲锤可逐渐加大冲程。

2.当冲击至碎屑岩时,宜不大于2m的冲程高度。因为在硬基岩层冲孔,会产生很大的振动,过高冲程会造成冲锤破裂,损坏冲锤的可能,容易造成岩层中冲孔直径变小或不规则,以致影响钢筋笼的顺利安放到位。

(二)泥浆比重的控制

1.在岩层冲孔时,特别是穿过岩溶发育带时,泥浆比重要大些,一般可在1.30～1.35,以增强其循环时携带岩渣的能力,同时可防止泥浆的漏失。

2.当终孔清孔时,要不断进行冲孔换浆,把泥浆比重逐步地降低,浇注混凝土前,孔底500mm以内泥浆比重应小于1.25,含砂率≤8%,粘度≤28S,既可保证孔底不沉渣,又保证了砼的浇注质量。

(三)清孔

一般清孔分两次进行,在冲击成孔至设计深度后边冲击边清孔为一清,下入钢筋笼、灌注导管、混凝土灌注之前的清孔为二清。第一次清孔,当冲击达到设计入岩深度终孔后,由机组及时进行换浆清孔,此时可采取低锤轻击,逐步调制好泥浆比重,回流泥浆比重控制在1.20～1.25左右。第二次清孔:第二次清孔是在钢筋笼和下灌注砼导管之后,灌注混凝土之前进行。考虑到本项目大直径(直径φ≥1.6m)的桩孔正循环清孔难以保证孔底干净,因此,本工程凡桩径φ≥1.6m的桩孔,二次清孔采用泵吸反循环工艺,其方法简便、速度快,同时清渣彻底,含砂率不得大于8%,粘度不得大于25S,以确保孔底沉渣满足设计要求。

作者简介:郑磊 (1968-),男,深圳市工勘岩土工程有限公司岩土工程师,研究方向:岩土工程施工与技术管理。