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平果鋁廠巖溶地基處理方法
平果鋁建設監(jiān)理有限公司 朱洪流
摘要：在充分收集和研究平果鋁廠巖土工程條件的基礎上，本文闡述了廠區(qū)的巖溶發(fā)育特征，總結研究了平果鋁廠的巖溶地基處理方法，為系統(tǒng)研究巖溶地區(qū)地基處理措施提供科學依據。
關鍵詞：巖溶；巖溶發(fā)育特征；地基處理
1、前言
平果鋁廠是九十年代投產的大型現代化鋁工業(yè)聯(lián)合企業(yè)。該廠位于右江活動性斷裂帶形成的巖溶準平原區(qū)，處在右江南岸，廠址面積達4km2，地質構造復雜、巖溶十分發(fā)育、且屬地震設防烈度為7度的地震區(qū)，是典型的裸露型巖溶發(fā)育區(qū)。而巖溶所引起的各種地基變形破壞，會嚴重影響到建筑物的安全。因此在巖溶發(fā)育區(qū)修建建筑物，巖溶地基穩(wěn)定問題就成為工程建設中的突出問題。因此，科學地評價巖溶地基的穩(wěn)定性，顯得非常重要與必要，據此征對不同巖溶形態(tài)，采用經濟、合理、有效的方法進行地基處理，對巖溶地區(qū)的建設有著重大的技術價值和經濟意義。
2、廠區(qū)巖溶發(fā)育特征[1]
2.1 廠區(qū)巖溶地貌單元屬溶蝕準平原。其地形除有5座孤峰外，地面起伏不平，標高介于100～120m之間，右江河谷下切深度為30～40m。現階段巖溶發(fā)育已處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。
2.2 廠區(qū)屬碳酸鹽巖區(qū)，巖溶類型總體而言屬裸露型巖溶。在基巖裸露面積占50%以上，第四系覆蓋土層未形成大面積的連續(xù)覆蓋，僅在部分低洼地段呈局部地成片分布，覆蓋土層厚度一般＜6m，最厚為12m。
2.3 廠區(qū)巖溶發(fā)育，巖溶發(fā)育深度主要在淺部，以垂直巖溶形態(tài)為主，發(fā)育程度隨深度增加而減弱。巖溶現象出現在地面以下深度8m，基巖面以下深度4m的范圍內，超出此深度范圍后，巖溶現象顯著減少。
廠區(qū)內在不同深度段鉆孔見巖溶現象比率統(tǒng)計如下表1：
表1 不同深度段鉆孔見巖溶現象比率
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鉆孔見巖溶現象
深度分段
（m） |
鉆孔見巖溶現象
統(tǒng)計次數
（次） |
不同深度鉆孔
見巖溶現象次數
（次） |
不同深度鉆孔
見巖溶現象比率
（%） |
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地面以下 |
＜4
4-8
＞8 |
5336 |
3842
1387
107 |
72
26
2 |
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基巖面以下 |
＜2
2-4
＞4 |
5336 |
2134
2081
1121 |
40
39
21 |
2.4 地基中巖溶形態(tài)主要為造成基巖面凹凸起伏的石芽和溶溝，溶蝕裂隙次之，溶洞少見。地基中不同巖溶形態(tài)比率如下表2：
表2 地基中不同巖溶形態(tài)比率
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巖溶形態(tài) |
巖溶現象總數
（個） |
不同形態(tài)巖溶現象
（個） |
不同形態(tài)巖溶現象比率
（%） |
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石芽、溶溝
溶蝕裂隙
溶洞 |
4238 |
2373
1483
382 |
56
35
9 |
2.5 巖溶個體規(guī)模一般較小，地基中基巖體內洞隙尺寸統(tǒng)計如下表3：
表3 地基中基巖體內洞隙尺寸統(tǒng)計
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發(fā)現的基巖體內
洞隙總數
（個） |
鉆探推測的溶隙
寬度或溶洞跨度
（m） |
不同尺寸
的洞隙數
（個） |
不同尺寸
洞隙的比率
（%） |
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3642 |
＜0.5
0.5～1
1～2
＞2 |
1166
1457
874
145 |
32
40
24
4 |
2.6第四系覆蓋層中含較多的蝕余孤石。廠區(qū)第四系覆蓋層主要為紅粘土，在158個探井中，經實測挖穿土層的探井井壁上孤石面積和塊徑，統(tǒng)計出土層中孤石面積比率如下表4、孤石塊徑大小如下表5：
表4 第四系覆蓋土層中孤石面積比率
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參加統(tǒng)計的探井數
（個） |
探井井壁累計面積
（m2） |
井壁上孤石累計面積
（m2） |
土層中孤石面積比率
（%） |
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158 |
1896 |
588 |
31 |
表5 孤石塊徑統(tǒng)計
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參加統(tǒng)計的探井數
（個） |
被測量的孤石數
（個） |
孤石塊徑
（m） |
不同塊徑孤石數
（個） |
不同塊徑孤石比率
（%） |
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158 |
632 |
＜0.5
0.5～1.0
1.0～2.0
＞2.0 |
221
202
177
32 |
35
32
28
5 |
2.7 地基中基巖面上的溝槽和巖體內的溶蝕洞隙基本上被紅粘土充填。表明巖溶形態(tài)為早期地下水溶蝕遺跡，近期地下水活動不強烈，巖溶發(fā)育已趨減弱。
2.8 平果鋁廠區(qū)場地沒有土洞發(fā)育，不存在容易發(fā)生的土洞坍塌問題。
綜上所述，廠區(qū)巖溶地基中巖溶發(fā)育最基本的特征是：地基中巖溶發(fā)育以淺部為主，基巖面的起伏及溶溝和溶蝕裂隙是其主要的巖溶形態(tài)，基巖體內的溶蝕洞隙較少，尺寸不大，以小規(guī)模為主。上述特征對場地地基處理來說，這是有利的條件。
3、廠區(qū)巖溶地基處理原則與方法
3.1 廠區(qū)巖溶地基處理的基本原則
根據廠區(qū)巖溶發(fā)育的特征，為了穩(wěn)妥、可靠地處理這些復雜的巖溶地基，參照巖溶地區(qū)處理地下溶洞的經驗[2,3]，制訂了如下處理原則：
1）基礎下有巖溶發(fā)育的地基，當按設計要求進行處理后，可按“地基為巖層”看待，充分利用基巖的承載能力。
2）因白云巖極易風化且遇水軟化，故要求在地基開挖后及時封底，以避免基巖裸露或浸水時間過底而降低其承載力。
3）廠區(qū)土層具有弱膨脹潛勢，當滿足強度要求及沉降差要求時，可將次要的建（構）筑物的基礎置于土層上，但要注意建筑單元內的地基的均一性，基礎下的地基，不允許一部分為土層而另一部分為巖層，以避免不均勻沉降，確保建筑物的安全。
4）對巖溶的處理必須不影響場地和地基的穩(wěn)定，在場地范圍及附近不得大量抽取地下水，以相對保持場地地下水的平衡，以免造成地表沉陷。
5）基礎設計應盡量以巖石地基作為主要受力層。廠區(qū)內有的地方巖石大面積裸露，有的地方雖被開墾為莊稼地，但土層薄，易于將基礎坐落到堅固的巖石上，這是平果鋁工程地基條件中有利的一面。
6）鑒于廠區(qū)巖溶地質條件的復雜性，要求地基開挖后加強施工驗槽工作，核對實際情況與勘察報告、設計圖低是否相符；必要時可補做一些“施工勘察”，以便及時準確地處理不良地質問題。
3.2 廠區(qū)巖溶地基處理方法
3.2.1 規(guī)劃布局“繞避”為先
根據廠區(qū)巖溶初勘的基本結論，結合場地的構造發(fā)育情況，在總圖布置的初步設計階段，對巖溶治理采取“繞避為先”的對策。在平面布置上，調整主要建（構）筑物的方向，使廠房縱軸與強巖溶發(fā)育帶大體垂直，目的在于要少碰到巖溶；在豎向設計上，鑒于不宜切薄溶洞頂板的厚度，又由于地下水補給量受季節(jié)性的控制，在豐水期水位大大升高，因此取消了原有整平方案，改為從西向東階梯式坡降方案。同時條件允許時，將在暗河部位的廠房、車間移位，避免了深基礎堵塞暗河通道的問題。
3.2.2巖溶地基的處理方法
從廠區(qū)已開挖的基坑來看，常見的巖溶不良地基主要有孤石、石牙、溶溝、溶槽、溶洞等，現將這些情況分為六類，各類地基采用了不同的處理辦法。
（1）易風化白云巖地基
鑒于強風化白云巖極易軟化，在基礎開挖后，應及時封底，避免基巖裸露或浸水時間過長而降低其承載力。
（2）溶溝、溶槽地基
根據溶溝（槽）在基坑中所處位置、寬度及需要處理的范圍等情況，區(qū)別對待：
a.不處理
適用于溶溝（槽）發(fā)育在基坑中部且溝寬＜300mm；或在基坑的一角，巖層傾斜，不易深挖且S1＜0.2S時。（注：S1為局部小土區(qū)寬度，S為基坑寬度。）
b.換填法
適用于溶溝（槽）發(fā)育在基坑中部且溝寬介于300～600mm，則盡可能挖去溝寬深度的土，表面夯實后再回填C15毛石混凝土即可（如圖1）。
c.跨越法
適用于溶溝（槽）發(fā)育在基坑中部且溝寬 ＞600mm；或基礎底面積小而需要處理的面積＞20%，溝寬雖＜600mm的基坑，應采用鋼筋網跨越處理（如圖2）。
須說明，這種跨越結構，其支承面應為穩(wěn)定的巖層，兩側巖石應鑿平，強風化巖石，孤石及碎裂的巖層應鑿掉。
d.擠密法
適用于基坑一角的局部小區(qū)，巖層傾斜，不易挖墩時，可插入直徑大于25mm的鋼筋或φ50的鋼管或＜75×5角鋼等直到巖層，再澆灌砼。
（3）基坑內出露傾斜巖體表面地基
a.當巖體占基坑大半面積且有較大傾斜角度時，必須鑿成階梯狀，高寬比為1:1～1:2。
b.對基坑中局部出露的石芽、石脊須將尖頂打平。
c.當巖石完整且高于設計基礎標高時，可適當提高基礎底標高以減少石方開挖量節(jié)省投資。
必須注意：在鑿打基坑內的傾斜巖石及巖尖時，不能爆破，以免巖體搖動。
（4）部分非巖石地基（或有較大范圍土區(qū)地基）
總體來說，可采用挖孔樁進行處理（如圖3）。為了避免盲目下挖，應先用人工釬探、麻花鉆或機鉆進行施工勘察，以查明土層剩余厚度及范圍。
（5）粘土地基
對于車間區(qū)內全部或大部是土層，且以此設計為天然地基作淺基礎時，局部區(qū)段或個別部分有巖石出露時，宜采用跨越、褥墊處理。
（6）有溶洞的不良地基
a.不處理
現在下列情況之一的溶洞地基可不加處理：當溶洞處于地基壓縮層深度以下；或基底下溶洞頂板厚度＞3m者；或基底下溶洞頂板厚度在1～3m之間，且頂板厚度大于洞徑的。
b.清爆換填法
即對基底下溶洞頂板不穩(wěn)定、破碎或厚度小于1米的淺埋型溶洞地基，清除覆蓋爆開頂板，剔除溶洞、溶隙中的充填土，在基巖上用100#毛石砼灌滿填實，作為基礎的墊層。
c.梁、板跨越法：適用于洞壁完整，強度較高而頂板破碎或無頂板的溶洞地基處理（如圖4）。
d.洞底支撐法：適用于處理洞徑較大，頂板完整，洞底巖體穩(wěn)定的溶洞地基（如圖5）。
綜合上述各類處理方法，處理這六類地基總的原則有3條。
（1）基底下頂板厚度1m以內者一般都挖開處理；當施工時用風鉆探查，并經確認其頂板厚度大于洞徑者，則可不處理；
（2）頂板厚度大于3m的巖溶可不處理；
（3）基底下頂板厚度為1～3m的巖溶，經補鉆確認后頂板厚度大于孔徑的，可不處理。
4、巖溶地基處理的效果檢驗
4.1 竣工建筑物沉降觀測成果
為查明建筑物地基基礎的安全度，按設計提出的要求，在電解車間、輔修鉚焊車間、電解鑄造車間、陽極高樓部和熱電廠主廠房等5個主要建筑物設置了21個沉降觀測點，委托廣西區(qū)測繪局觀測，從1993年11月至1995年11月兩年內以國家Ⅱ等水準的精度（6km）觀測12次。觀測結果顯示：各沉降觀測點的最大沉降量僅為3.4mm，一般介于0.3～2.0mm，而Ⅱ等水準測量精度要求每公里高差中誤差允許±2mm。這說明絕大多數觀測點的沉降量都在測量允許誤差范圍內，遠小于規(guī)范規(guī)定的允許變形值。證明了建筑物地基基礎有足夠的安全度。
4.2 竣工建筑物使用情況調查總結
工程竣工后，建設單位根據設計的意見，選擇了有代表性的電解車間、電解鑄造車間以及陽極焙燒車間為調查對象，由指揮部工程技術處、質量安全處、工程監(jiān)理部和工程項目部組成聯(lián)合調查組，調查了電解鋁廠有關車間從1994年9月25日通電生產以來的建筑物使用情況。調查結果表明，各車間內的設備（如電解槽、天車等）運行良好，車間外墻未發(fā)現沉降裂縫現象，平果鋁廠已竣工投產十余年，目前一直未發(fā)現地基問題。
經對建筑物沉降觀測和使用情況調查結果證明，平果鋁廠一期工程巖溶地基處理方法是成功的，工程建筑物的基礎是安全可靠的，上述巖溶地基處理的成功經驗正在平果鋁三期工程建設中發(fā)揮重要的指導作用。
5、結語
5.1巖溶發(fā)育具有不均勻性和隨機性，但其發(fā)展亦具有規(guī)律。采取有效地方法對巖溶發(fā)育程度和規(guī)律進行分析和判斷，是復雜巖溶地基的處理方法提供了先決條件，在類似巖溶地區(qū)評價值得借鑒。
5.2在巖溶地區(qū)興建工業(yè)廠房，規(guī)劃工程場地時應在滿足工程需要的前提下盡量避開強巖溶發(fā)育區(qū)，無法避開時，對存在工程安全隱患的巖溶要進行單體及總體穩(wěn)定性的評價，綜合考慮工程荷載、重要性、施工工藝等確定是否處理。進行地基處理時，應把地基、基礎、上部結構作為一個整體來考慮，巖溶地基復雜多變，地基處理也要因地制宜，對復雜巖溶地基的處理需綜合運用多種處理方法，以取長避短，取得最佳技術，經濟效果。平果鋁廠的實踐證明，這些處理方法和措施是完全可行的，在類似巖溶地區(qū)的工程項目中值得推廣應用。
參考文獻：
[1] 楊傳德.平果鋁廠廠區(qū)巖溶地基特征及其形成機理. 勘察科學技術
1997(4)：24～28
[2] 黃伯瑜.巖溶地基穩(wěn)定性評價與工程處理. 勘察科學技術 1988(3)：1～6
[3] 楊漣.復雜巖溶地基處理實例. 勘察科學技術 1999(5)：23～26
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