建筑技术·应用2021年10月第18卷总第407期
韩晓鹏
双人自行车
（广州市创景市政工程设计有限公司，广东广州 510000）
摘要：我国地域广阔，地质地貌差异性较大，不良地质情况较为复杂。岩溶地貌在我国分布广泛，岩溶分布总面积约达363 万 km2。岩溶具有发育慢、分布广、差异性大、易引发塌陷的特点，且岩溶区域一般伴随土洞存在，对工程建设危害性大。为解决岩溶对工程建设带来的危害，本文结合广州市某净水厂实际工程案例，从基坑支护到地基处理全过程阐述岩溶处理设计方案，以期为相关工程提供有益的参考。
关键词：岩溶；土洞；地基处理；岩溶处理
水力测功器
［中图分类号］P642.25 ［文献标识码］A DOI：10.19892/jki.csjz.2021.30.40
Analysis and Design of Underground Engineering Karst Cave Treatment in Karst Area
Han Xiaopeng
(Guangzhou Chuangjing Municipal Engineering Design Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510000, China)
Abstract: China has a vast territory, great geological and geomorphic differences and complex adverse geological conditions. Karst is widely distributed in China, with a total area of about 3.63 million km2. Karst has the characteristics of slow development, wide distribution, great difference and easy to cause collapse, and the karst area is generally accompanied by soil holes, which is very harmful to engineering construction. In order to solve the harm of karst to engineering construction, combined with the actual engineering case of a water purification plant in Guangzhou, this paper expounds the design scheme of karst treatment from foundation pit support to foundation treatment, in order to provide useful reference for related projects in the future.
Key words: karst; earth cave; foundation treatment; karst cave treatment
1引言
岩溶地区地面塌陷是常见的灾害类型。岩溶塌陷引发的条件与人类活动密切相关，岩溶地区地面塌陷造成的危害十分严重。近年来广州市、武汉市、佛山市等地由于岩溶问题导致的地面塌陷时有发生，由人类活动引发的岩溶地质灾害在工程建设中已经引起越来越大的重视[1，2]。
广州市花都区、白云区为岩溶地质灾害高发区域[1-4]，本文结合广州市花都区某净水厂的设计施工，对岩溶地区注浆填充工艺、注浆工程量计算及地基基础的选型进行分析设计，希望可以为同地区相关工程建设中岩溶处理提供参考。 2工程概况
2.1工程简介及周边环境
拟建工程位于广东省广州市花都区空港经济区西区，为7万m3/d全地埋式净水厂。结构平面尺寸为144.2 m×100.2 m，高度为16.3 m，为两层地下室结构，柱网为7.5 m×7.5 m，顶板覆土厚度为1.5 m，场区东侧100 m 为新街河及村镇，其余三边场地较为开阔，均为基本农田。
2.2工程地质及水文条件
2.2.1地质条件
广东省广州市花都区空港经济区地势平坦，场地内分布有较多龙眼树林和鱼塘，根据野外钻探资料，从上至下场区主要出露第四系堆积层，即素填土层；冲洪积层，即粉质黏土层、粗砂层、砾砂层；残积土层，即粉质黏土层；基岩主要为石炭质页岩、灰质页岩和灰岩。根据地质勘察报告揭露，场区范围内岩溶、土洞异常发育。
2.2.2水文条件
根据勘察报告，场区地下水赋存形式主要为上层滞水、第四系砂层孔隙水、基岩风化裂隙水和岩溶承压水。场地范围内溶洞发育，多为半充填和无充填，勘察过程中经常出现漏水现象，由此判断溶洞连通性和导水性较好，溶洞承压水较丰富。岩溶水主要靠上覆孔隙水的越流补给和上游地下水径流的侧向补给。部分溶洞与上部砂层直接连通，由砂层水补给。
2.3溶洞评价及分析
本工程详细勘察阶段共完成85个钻孔，其中57个钻孔钻遇溶洞，见洞率67.1 %，属于岩溶强烈发育区。共发现有溶洞91处，溶洞大小0.3~7.8 m，平均2.28 m，洞顶埋深11.2~25.3 m，底板埋深13.9~28.6 m。净水厂埋深深度约为13 m，部分底板位于溶洞中。
鉴于本工程位于岩溶强烈发育区，且伴随较多的土洞，勘察孔位间距为20 m×20 m，无法满足设计需求，施工前按照主体结构柱位（7.5 m×7.5 m）及基坑范围进行超前钻勘探。
结合已勘察孔位，本工程共钻296个钻孔，其中有239个钻孔揭露溶洞，见洞率达到80.7 %，属于岩溶强发育区。部分钻孔揭露串珠状溶洞，其中揭露1层溶洞的有129个孔，比例为54.0 %；揭露到2层溶洞的有67个孔，比例为28.0 %；揭露到3层溶洞的有29个孔，比例为12.1 %；揭
作者简介：韩晓鹏（1988-），男，本科，工程师。研究方向：市政结构、岩土工程咨询与设计。邮箱：****************。
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芦苇 钢筋
露3层及以上共有14个孔，比例为5.9 %。
根据钻探资料，溶洞高度小于1.0 m 的占27.4 %；1.0~3.0 m 的占49.8 %，大于3.0 m 的占22.8 %。溶洞大多半充填—全充填，填充物主要为流塑—软塑状粉质黏土，局部夹少量中风化灰岩碎块，洞顶岩石多呈中、微风化状，可见不同程度的溶蚀现象。
3结构设计方案
本工程溶洞见洞率较高，分布范围广，整个厂区均有揭露，洞顶起伏较大，溶洞对结构支护开挖和地基处理影响较大。3.1基坑支护
结构尺寸为144.2 m×100.2 m，深度为11~13 m，常规支护方案为加固后放坡开挖和连续墙+内支撑的支护方案（见表1）。
针对以上两个方案，建设方邀请专家进行充分的讨论：方案2虽然采取了连续墙嵌入岩层，但因为岩层裂隙，岩溶沟、槽发育，深度不明，即使嵌岩一定深度，基坑底涌水的情况也不能杜绝。且溶洞处理存在不可预见性，无法定性是否已完成处理，关键是对岩溶水的减压、疏导和有效抽排、分块处理。施工过程中结合监测数据动态分析处理，综合考虑周边环境较为空旷，对变形要求不高，优先采用方案1。3.2地基处理
根据勘察报告，溶洞顶板厚度0.05~11.24 m，结构自重无法满足抗浮要求，地基处理采用灌注桩。根据钻孔资料确定桩长，在桩长满足计算要求的前提下，桩长范围及桩底以下5倍桩径范围内的无充填或半填充、全填充溶洞
需提前处理。
4溶洞处理
根据已探明的溶洞分布范围，绘制溶洞处理范围图，ntest
如图1所示。
4.1溶洞处理的目的4.1.1满足施工安全要求
根据勘察报告填充物主要为流塑—软塑状，承载力较低，开挖过程中由于机械的扰动及覆土层的减小，易产生塌陷。所以应对溶洞进行注浆填充，增强溶洞内填充物强度，减小施工过程中的安全隐患。4.1.2降低施工期间涌水事件发生的概率
岩溶水属于承压水系，随着土方的开挖，岩层覆土厚度变小，当覆土及顶板压力不足以抵抗承压水时，就会产生坑底涌水涌砂，影响施工人员及机械的安全。因此需要通过提前对顶板厚度较小或顶板覆土较小的溶洞进行预处理，从而降低施工期间事故发生的概率。4.2溶洞处理原则
4.2.1高风险区和低风险区
借鉴周边已施工或在建工程的相关经验，参考相关规范规程，将溶洞对工程的风险程度，划为高风险区和低风险区。图2中阴影填充线以内（含）定为高风险区，其余为低风险区。
（1）高风险区
基底以下不小于5 m 的中、微风化灰岩或稳定隔水层5 m 范围所揭示的溶洞，自地面进行充填加固处理。余下溶洞原则上不处理。
（2）低风险区对于低风险区，施工单位施工过程应加强安全巡查，对存在安全隐患的溶洞可先进行地面预处理。4.2.2特大型溶洞
施工期间发现的溶洞按以上原则处理，遇到溶洞洞高大于8 m 的特大型溶洞，需召开专题会议研究处理方案。4.3溶洞处理方案[5，6]
针对不同规模的溶洞采取如下几种方案。4.3.1坡脚高风险区溶洞
洞高大于2.0 m 时应先泵送C20细石砼后再压密注浆封堵裂隙；洞高1.0~2.0 m 溶洞先注水泥砂浆再进行压密注浆封堵裂隙；洞高小于1.0 m 的溶洞采用注浆方法处理。注浆及注水泥砂浆时可根据注浆情况添加速凝剂控制注浆边界减少注浆量。
对于部分位于坡脚高风险区，部分超出高风险区的溶洞，可以先在边界处钻孔，可根据溶洞的大小分别采用吹填碎石、泵送细石砼、双液注浆等封闭边界，减少注浆工程量。
表1 支护方案对比表
支护形式
优点
缺点
工期造价/元方案1：加固后放坡开挖施工便利、经济效益好
施工超红线范围；深基坑应用较少；坑底易突涌
3个月（估算）约3 500万方案2：连续墙+内支撑
规范推荐岩溶地区支护方式，对周边环境影响小需设置及拆除大量支撑，施工难度大；连续墙嵌固一
定深度后还是易出现突涌现象
5个月（估算）
约5 000万
图1 溶洞处理平面图（图片来源：
作者自绘）
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4.3.2基坑开挖范围内溶洞
（1）坑底以上部分
洞高小于2.0 m 时，溶洞原则上不做处理，施工单位应采取可靠的安全措施防止施工机械及人员坠落等安全事故的发生；洞高大于2.0 m 时，应对溶洞进行预处理，可在地面先泵送C20细石砼或吹填碎石砂等进行预处理。在地面进行预处理加固时，注浆孔可兼做超前钻孔，可根据注浆孔初步判别溶洞的大小和分布，也可通过调整注浆孔间距检查注浆效果。
（2）判别方法
根据注浆孔揭露的溶洞高度的变化规律，初步判别溶洞的分布，当高度变大时应加密该方向注浆孔，高度变小时，可适当调大注浆孔间距或布置适量的检查孔，探明溶洞边界。
4.3.3溶洞高度大于5 m 的溶洞
由于溶洞高度大于5 m 的溶洞具有连通性，无法确定平面范围及连通情况，故在注浆前，应先填充一定量的碎石块，碎石粒径建议不大于30 mm，然后通过注浆孔对碎石块内进行加固，形成浆砌石。投石孔应在注浆孔周圈均匀布置，具体数量可根据投石情况调整，原则上不宜少于4个，投石孔应采用钢套管施工。投石稳定后采用压密注浆的方式进行碎石体加固。4.4灌浆工艺
根据已探明溶洞位置合理布置钻孔，注浆及泵送细石砼应间歇性、多次施工。对于钻孔揭示岩溶洞穴高度1~2 m 的溶洞，应围绕已揭露溶洞的勘察孔呈三角形布置3个钻孔，间距2.0 m ；对于钻孔揭示高度大于2 m 的溶洞，应围绕已揭露溶洞的勘察钻孔呈梅花形布置钻孔，不少于5孔，间距2.0 m。施工中，一般以揭示到溶洞的钻孔为基准点，边钻边灌边边界，以基本到溶洞洞体边界为止（见图2）。
应通过现场生产性试验选择合理的灌浆孔布置、灌浆方法、灌浆压力和灌浆浆材等灌浆参数，并在实际灌浆施工过程中不断完善灌浆施工工艺。
灌浆参数：①注浆孔间距2.0 m，采用套管护壁成孔，每4个注浆孔应留一个注浆出气口。②注水泥浆或者双液浆采用48×4.5 PVC 花管，钻孔直径90 mm，溶洞范围管上每隔350 mm 钻一组6~8个射浆孔，注浆管应进入溶洞底部以下不小于0.5 m。注水泥砂浆采用200×8PVC
花管，钻孔直径250 mm，溶洞范围管上每隔350 mm 钻一
组10 mm×10 mm 射浆孔，注浆管应进入溶洞底部以下不小于0.5 m。③泵送细石混凝土采用300 mm 钻孔，内衬DN300-10 mm PVC 管，管底进入溶洞范围0.5 m。④周边孔：以相对小压力、多次数、较大量控制；压力0.6~0.8 MPa 钻3~4次；浆液为双液浆时，配比建议为水泥：水：水玻璃=1:1.38:0.3（质量比），水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，水玻璃模数m =2.4~3.4（浓度°Bé=30~40），具体配合比应根据现场试验确定。中间孔压注水泥浆，压浆3次。
注浆结束标准为①在最大设计压力下，灌浆孔段注入率不大于1.0 L/min，延续灌注30 min后方可结束灌浆作业。②最大设计压力下稳压时间不少于60 min。4.5灌浆质量检查
灌浆质量主要采用钻孔抽芯法结合标贯试验进行定性检测。检测数量按1 %孔数抽查，要求每个溶洞或溶蚀槽均要检测一次。
触摸笔
4.6溶洞处理工程量估算
由于溶洞的不可预见性及复杂性，现阶段暂无有效手段可以准确计算出溶洞处理工程量，明确其处理费用。设计阶段只能采用理论公式结合工程经验估算溶洞注浆处理量。参照桩基工程手册和地基处理手册，采用整体计算法估算岩溶注浆量。具体公式为：
P =V ×β×α/m （1）
V =A ×L ×η （2）
式中，P 为注浆量；V 为岩溶注浆体积；β为岩溶中
水泥结石充填系数，按水平帷幕考虑，孔洞β=1，
充填溶洞β=0.2~0.7；
α为浆液损失系数，1.1~1.2；m 为水泥结石率，一般取0.6~0.9；A 为注浆控制面积；L 为注浆段长度；η为岩溶率或土层裂隙率。
根据勘察报告提供的溶洞详细情况，考虑充填系数、见洞率、浆液损失等，初步估算溶洞处理量约为18 800 m 3。
5结语
本文结合实际工程案例，剖析了岩溶地区工程建设中溶洞处理的常规设计方案，本项目于2019年3月份开工建设，于2019年12月完工，溶洞处理取得了良好的技术效果，施工过程中未出现一起由溶洞引起的工程安全质量事
故。溶洞设计估算处理量为18 800 m 3，
实际施工工程量为21 000 m 3
（含损耗）
，整体工程量偏差较小，未产生较大的工程变更，取得了良好的经济效益，且本项目获得2021年“北京市优秀工程勘察设计奖”工程勘察综合奖（岩土）三等奖，为以后岩溶发育区工程建设提供有益的参考。
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（下转第139页）
图2 溶洞注浆孔布置图（单位：mm）（图片来源：作者自绘）
注浆孔
卷烟器
@2 000
注浆孔@2 000
注浆孔
@2 000
注浆孔
@2 000
注浆孔@2 0002 000
2 000
2 000
示意钻孔示意钻孔
示意钻孔
示意钻孔
示意钻孔
地面
周边孔
周边孔
中央孔
中央孔
溶洞假定边界
溶洞假定边界
溶洞假定边界
溶洞假定边界
（a）1 m<；溶洞高度≤2 m （d）4 m<；溶洞高度≤6 m
（e）6 m<；溶洞高度≤8 m
（b）2 m<；溶洞高度≤3 m
（c）3 m<；溶洞高度≤4 m
溶洞假定边界
溶洞假定边界
注：1、洞高大于2.5 m 的溶洞应结合细石砼泵送孔布孔 2、图示孔位仅为示意，具体布置需根据溶洞实际大小调整
溶洞注浆平面示意图
（f）溶洞注浆断面示意图
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作、数据等不良行为无处躲藏。BIM技术结合工程量清单的模式也能够让招投标阶段中的低价中标、高价索赔等恶意盈利模式消失得无影无踪，各种信息不对称、数据不公开的谋利行为都将在BIM技术下无所遁形。这也是我国在建筑工程中大力推广BIM技术的原因之一，BIM技术能够将原本松散的建筑工程信息进行整合，每一项数据都紧密联系相互依存，各种数据可以有效并及时形成共享，各参与方相互监督管理，以BIM技术为核心抑制工程造价中的腐败行为。
4.5增强造价管理和控制
BIM技术将大量重复性的计算工作交由计算机进行，而工程造价从业人员就能更好地对造价进行管控，既是生产力、劳动力的解放，也是社会深度发展的必然趋势。用计算机计算的优点在于不受人为因素干扰，只需确定模型准确度便能够保证计算出的工程量是正确的，在效率、准确率，以及客观运用上都有了保障[10]。
BIM模型可以赋予工程量时间数据，清楚地显示出不同施工环节中的工程量及工程造价，有助于工程造价从业人员合理安排工程造价管理，控制各类成本的投入，也能够帮助施工单位安排各项工作，科
学合理地运用人力物力资源，降低经济成本投入。并且在建筑施工过程中，工程设计变更是造价管控中波动最大、影响最多的状况，应用BIM技术可以在前期就减少设计变动的可能，而当需要设计变更时，工程造价从业人员可以将相关变更数据输入到BIM模型中，模型能够自行计算变化情况，既可以将变化后的数据交给设计人员进行核对，以避免多次变更，也可以将变更设计反馈给各个参与方，加强造价管理的统筹协调，避免浪费或返工。最为关键的是BIM技术可以实现建筑全生命周期管理，通过前期高准确性的估算，中期科学合理的管理，以及后期结算造价控制，能够让施工方或投资方都获得可观的经济效益，实现工程造价管控的可持续发展。5结论
从建筑工程造价行业的角度来看，BIM技术将为造价行业带来一定的挑战，但也伴随着一些机遇，其能够革新造价工作模式，使造价咨询更为专业，可以减少或消除腐败问题，增强造价从业人员对工程造价的管控。BIM技术在建筑工程中的发展应用已经无法阻挡，建筑工程造价行业只有积极应用BIM技术，才能够跟随建筑行业发展格局，继续前行。
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