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深埋串珠状溶洞的超高层基础设计案例分析

肖鸿斌 金耀岷

肖鸿斌,金耀岷. 深埋串珠状溶洞的超高层基础设计案例分析[J]. 中国岩溶,2023,42(2):382-390 doi: 10.11932/karst20230209
引用本文: 肖鸿斌,金耀岷. 深埋串珠状溶洞的超高层基础设计案例分析[J]. 中国岩溶,2023,42(2):382-390 doi: 10.11932/karst20230209
XIAO Hongbin, JIN Yaomin. Case study on super high-rise foundation design of the deep-buried beaded karst cave[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2023, 42(2): 382-390. doi: 10.11932/karst20230209
Citation: XIAO Hongbin, JIN Yaomin. Case study on super high-rise foundation design of the deep-buried beaded karst cave[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2023, 42(2): 382-390. doi: 10.11932/karst20230209

深埋串珠状溶洞的超高层基础设计案例分析

doi: 10.11932/karst20230209
详细信息
    作者简介:

    肖鸿斌(1970-),女,分院总工,高级工程师。主要从事岩土工程勘察、原位测试、物探等方面研究。E-mail:379080195@qq.com

  • 中图分类号: TU473;P642.25

Case study on super high-rise foundation design of the deep-buried beaded karst cave

  • 摘要: 超高层建筑对地基稳定性、地基承载力和地基变形的要求非常高。2007年某市拟建超高层建筑,详勘揭露地表80 m以下地层中分布深埋串珠状溶洞,溶洞顶板厚度薄,串珠状溶洞在水平方向和垂直方向的分布情况及连通性等方面的不确定性较多,若建筑基础浅埋,则地基承载力无法满足设计要求;若建筑基础深埋,则因套管回收及溶洞处理等问题施工的可行性差。设计原则最终确定为基础浅埋方案,首先初步确定满足地基稳定性的前提条件,随后工程设计及施工各专业围绕单桩承载力问题进行讨论并修改专业方案,最终决定应用当时的创新工艺−灌注桩后注浆工艺解决单桩承载力问题。该工程终于在2010年得以推进。工程一期建成后平均沉降与不均匀沉降均很好地满足了规范要求。此次多专业技术联动是勘察设计施工技术一体化的一次成功尝试,相比目前质量进度管理一体化更具前瞻性,也是今后技术优化一体化的发展方向。

     

  • 工程建设流程一般为先勘察,再设计和施工,这里的设计包括勘察前的建筑设计和勘察后的结构设计。随着建设行业的市场化进程,为了实现更好的质量控制和更高效的进度管理,各专业在数字化和大数据的背景下,探索各种融合手段和方法,出现了勘察设计一体化或勘察设计施工一体化的模式。

    王文波[1]探讨了勘察设计施工管理一体化的模式,目的是加快工程进度、提升管理能力、引领行业创新。廖斌[2]总结了勘察设计施工一体化的实施途径,提出制度体系和联动管理模式。谢晋[3]提出勘察设计施工一体化的实施包括资料数值化,各类网络数据共享和联动管理。上述一体化论述均是对建设行业各专业质量管理、进度管理等各要素的整合。

    2007年某市拟建的超高层建筑项目,却是一次被现实倒逼的建设行业各专业深度融合的有益尝试。不同于以往的工程,以质量和进度为唯一目的,此项工程是集各专业技术,实现勘察设计施工技术一体化的一次尝试,即使在十几年后的今天,也有很好的启示作用。

    根据详勘揭露,在地下80 m地层中分布着深埋串珠状溶洞。拟建超高层建筑最高达339 m,对地基稳定性、地基承载力和地基变形的要求非常高。

    根据《岩溶地区建筑地基基础技术标准》(GBT51238-2018)[4]要求,在岩溶区存在溶洞时,当地基稳定性和变形能满足工程要求时基础宜浅埋,不能满足要求时,对溶洞宜采用桩基法、注浆法、充填法等进行处理。

    该项目地库埋深20 m。深埋溶洞呈串珠状分布,顶板较薄。串珠状溶洞在水平方向和垂直方向的分布情况及连通情况的不确定性较多。若基础选择浅埋,满足地基稳定性要求的有效桩长非常有限,单桩承载力无法满足要求。

    若基础选择深埋,需要基桩穿越各层溶洞进入完整中风化石灰岩。根据规范要求,设计施工前需逐桩进行施工勘察。勘察期间,使用80 m钢套管,采用单动二重管双层岩芯管钻进,因上覆土层较好、下伏溶洞顶板埋深起伏较大,勘察钻井有相当一部分钢套管因上拔力太大或被卡而无法回收,故逐桩施工勘察的可行性差。

    其次,若桩基采用钻孔灌注桩,需对桩身范围溶洞进行灌浆处理。而物探结果显示,在标高约-130 m处还有未探明的小溶洞,串珠状溶洞垂直向、水平向分布情况和连通情况的不确定性较大,灌浆量无法准确预估,施工成本无法控制,故采用钻孔灌注桩方案风险较大,施工可行性差。

    溶洞分布的不确定性是此项工程的最大难点。经专家讨论,决定避开最大难点,最终确定了基础浅埋的设计原则。根据建筑物的性质、场地工程地质条件、水文地质条件,各专业能否发挥技术优势,探索到技术难题的有效解决方案是项目顺利进行的前提。

    2007年江苏省某市拟建三幢塔楼,统一地库(表1)。三幢塔楼呈品字形分布,塔楼一(图1)和塔楼二为超高层,高度分别339 m和154 m,塔楼三为高层,高度89 m。

    表  1  拟建建筑物物性质表
    Table  1.  Subgrade properties of the proposed building
    拟建
    建筑物
    结构
    类型
    层数
    /层
    尺寸
    /m×m
    基础
    形式
    基础
    埋深/m
    差异
    沉降/mm
    塔楼一框筒
    剪力墙
    71层57×57桩筏20<0.002
    塔楼二框筒
    剪力墙
    37层48×33桩筏20<0.002
    塔楼三框筒
    剪力墙
    21层54×32桩筏20<0.002
    大地库框架4层桩筏20/
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    拟建场地位于长江三角洲冲积、湖积平原(表2),地层上部第①层~⑿层为黏性土粉性砂性土;下部第⒀层为青龙石灰岩,夹多层第⒀1层溶洞。

    表  2  土层分布及性质
    Table  2.  Distribution and property of the soil layer

    土层
    名称
    层顶埋深
    /m
    双桥静探
    锥尖/侧壁


    MPa·kPa−1m·s−1
    粉质黏土1.5~2.51.23/61.618.5160
    粉质黏土5.5~7.01.32/37.548.2178
    粉质黏土8.5~10.51.16/22.235.5178
    1粉质黏土13.5~15.52.10/74.2712.6231
    2黏土17.5~19.02.51/116.716.7262
    t粉土22.0~25.05.31/92.1816.1248
    粉质黏土23.0~26.02.15/68.7914.3267
    1粉质黏土28.0~30.01.44/30.827.6233
    2粉质黏土33.0~35.01.29/37.516.7233
    粉质黏土38.0~40.02.32/78.2515.2320
    t粉土41.5~44.08.51/111.121.5310
    粉土50.0~52.07.90/167.728.1336
    黏土55.0~57.03.71/140.322.2341
    1-1粉土60.0~62.010.3/202.930.9396
    1-2粉质黏土60.0~65.04.54/111.720.4425
    2粉质黏土69.0~71.03.24/81.9518.0589
    黏土75.0~77.05.81/151.836.7612
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    场地内第⒀层石灰岩埋深起伏较大,79.8~91.6 m。第⒀层石灰岩中包含多层溶洞(第⒀1层)。溶洞顶板较薄,一般0.2~1.3 m,个别1.6~3.9 m,多为强风化,局部中风化,岩芯较破碎-较完整,不均匀。溶洞与溶洞间石灰岩厚度变化较大,结构从较破碎-较完整,不均匀,大部分裂隙以方解石胶结。

    图  1  塔楼一平面布置图
    Figure  1.  Layout plan of Tower 1

    塔楼一的第⒀1溶洞分布范围85.7~124.8 m(图2),塔楼二地下溶洞分布范围81.1~107.4 m,塔楼三地下溶洞分布范围88.0~124.0 m。各塔楼地下溶洞层数2~14层不等,单层溶洞高度1~6 m。

    图  2  塔楼一的A7斜剖面(溶洞部分)
    Figure  2.  A7 section of Tower 1 (the karst cave part)

    第⒀1层溶洞内大部分为棕红色粉质黏土、石灰岩碎屑和方解石较好充填,局部部分充填或有空洞。因溶洞为非连续分布,剖面中的溶洞连通情况是根据埋深、厚度进行的推测。

    详勘后期甲方委托资深专业机构对地下150 m以上的岩溶进行探测。采用物探跨孔电磁波CT法、跨孔声波CT法。

    根据物探报告[5],在三塔楼范围,在绝对高程−81~−100 m集中分布多层溶洞,溶洞间有一定连通性。物探报告与勘察报告在溶洞的主要分布范围及分布特点上勘查结果基本一致。此外,物探结果揭示在高程−130 m还有勘察报告未探明的零星溶洞,所以以完整基岩为桩基持力层时桩长不确定性较大。

    根据资料,研究区地下水类型较多,埋藏条件复杂。依据地下水赋存介质可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水、基岩裂隙水。平原区以松散岩类孔隙水为主,垂向上多层叠置。第四系松散沉积物下分布多处隐伏碳酸盐岩块段,赋存有裂隙溶洞水。区域水文地质资料表明,裂隙溶洞水主要依赖于零星出露的基岩孤山体,间接得到大气降水和地表水的补给,大气降水和地表水通过各种复杂途径,由高向低渗流最终进入含水层。排泄途径主要以泉的形式排泄或人工开采。

    项目场地浅层分布松散岩类孔隙水,第⑥t层粉土、第⑧t层粉土透镜体为微承压含水层。第⑨层粉土、第⑾1-1层粉土为深部承压含水层。经测量,第⑧t层微承压水水位埋深8.70~16.29 m,第⑨层承压水水位埋深10.80~14.85 m,第⑾1−1层承压水水位埋深19.82~27.31 m。各含水层间有厚层的隔水层,含水层相互间不连通。

    第⒀1层中串珠状溶洞为裂隙溶洞水。因垂直裂隙形成的串珠状溶洞,水平向有小溶洞贯通,无法蓄水,勘察期间见岩芯较湿,未见成规模的裂隙溶洞水。因溶洞埋深较深,达80 m,且上部覆盖厚度20~30 m的黏性土隔水层,溶洞具有一定的封闭条件,裂隙溶洞水水量有限,补给和排泄量均较少。

    根据《岩溶地区建筑地基基础设计规范》(DBJ45/024-2016)[6],岩溶地基稳定性评价包括定性分析、工程类比法、半定量分析、理论定量分析。

    吴明鑫等[7]对控制溶洞稳定性的各因素按权重概念进行综合评价。赵博超等[8]介绍了岩溶塌陷的三个基本条件,分析了各重要因素对岩溶塌陷的影响机理。李飞飞等[9]、牟春梅[10]对岩溶进行了定性和半定量分析。高培德等[11]基于极限平衡理论,建立了覆盖型岩溶塌陷土体稳定系数及塌陷范围的计算方法。王建秀等[12]对无填充溶洞薄顶板塌陷的稳定性进行了定量分析。赵明华等[13]在梁板假设基础上进行了定量分析。张贝贝等[14]通过有限元对地基处理后的岩溶地基稳定性进行了量化分析,黎斌等[15]通过有限元对桩端下的岩溶地基稳定性进行了量化分析。

    勘察报告对地基基础方案进行了详细评价,先从定性分析入手。

    根据《岩溶地区建筑地基基础设计规范》(DBJ45/024-2016)[6]的表5.2.3“岩溶地基稳定性评价类比法”,定性分析找到二个可能的有利条件。

    有利条件一:从洞体形态及埋藏条件看,岩溶埋藏深,覆盖层厚,洞体小(与基础尺寸比较),溶洞呈竖井状或裂隙状。拟建各塔楼基础范围溶洞埋深达80 m,溶洞总体呈竖向串珠状。根据主楼A7剖面,各溶洞的范围均小于塔楼一的基础尺寸,水平向没有贯穿基础范围的大溶洞。其他塔楼洞体与基础相对关系也相同。

    有利条件二:从填充情况看,为密实沉积物填满,无被水冲蚀的可能性。勘察表明,溶洞内大部分被充填物较好充填,局部为部分充填或有空洞。根据区域水文地质资料并结合地层特点,串珠状溶洞内为裂隙溶洞水,溶洞具有一定的封闭条件,裂隙溶洞水水量比较有限,补给和排泄量都较少,满足不被水冲蚀的条件。

    根据《岩溶地区建筑地基基础设计规范》[6](DBJ45/024-2016),当顶板为中厚层、薄层,裂隙发育,易风化的岩层,顶板有可能坍塌、但能自行填满洞体时,无需考虑其对地基的影响。此时所需塌落高度(H)可按下式计算:

    H=H0(K1)
    (1)

    式中:H0一塌落前洞体最大高度 (m);

    K一岩石松散(涨余)系数,石灰岩K= 1.2 ,黏土K= 1. 05。

    整理各塔楼的空洞分布情况如表3

    表  3  三塔楼空洞分布
    Table  3.  Cavity distribution of three towers
    编号孔号埋深范围/m厚度/m
    塔楼一K17104.5~105.61.1
    Z4102.1~103.71.6
    K5101.0~102.61.6
    Z4101.7~105.84.1
    塔楼二Z1082.3~83.31.0
    塔楼三K21
    (3处)
    108.5~109.71.2
    109.9~113.53.6
    113.7~116.42.7
    Z1297.8~99.21.4
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    各塔楼下的空洞总体较小,洞体高度一般为1.0~1.6 m,塔楼一下北中部有4.1 m高的空洞,塔楼三在较深处109.9 m以下有空洞,空洞高2.7~3.6 m。另除塔楼二的空洞分布较浅离顶板较近外,塔楼一、塔楼三的空洞离顶板均大于10 m。

    对各塔楼按顶板塌陷堵塞法估算塌落高度(表4)。

    表  4  三塔楼塌落高度
    Table  4.  Collapse height of three towers
    编号塌落前洞体
    最大高度/m
    塌落
    高度/m
    建议基础
    埋深/m
    塔楼一1.1~4.15.5~20.5≤81
    塔楼二1.05.0≤77
    塔楼三1.2~3.66.0~18.0≤79
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    根据吴明鑫等[7]提出的权重概念对溶洞稳定性各影响因素进行分析,包括覆盖层厚度、溶洞顶板厚度、岩石的强度、溶洞跨度、地下水条件、荷载大小等。定性分析覆盖层厚度、溶洞跨度、地下水条件等条件对地基稳定性有利,这些因素在地基稳定性中起到比较关键的作用。

    根据《岩土工程勘察规范》[16](GB 50021-2001)(2009年),有“顶板不稳定,当洞内为密实堆积物且无流水活动时,可认为堆填物受力,按不均匀地基进行评价” 。若基础设计满足半定量法的塌落高度的要求,故地基稳定性问题可以转化为不均匀地基问题。

    根据初步确定的地基稳定性的前提条件,按塌落高度的要求确定了塔楼一基础埋深应浅于81 m;塔楼二、塔楼三埋深应浅于77 m、79 m。即在地库埋深20 m的前提下,三塔楼的桩长为61 m、57 m、59 m。那么,怎样让单桩承载力满足要求?

    在专家的建议下,建筑设计师们和结构设计师们讨论并修改了各专业方案,从而找到满足了单桩承载力要求的方案。

    首先,修改后的建筑方案大幅减轻了上部荷载,决定对超高层采用钢结构。其次,有效地增加基桩桩长,将地库埋深由原来的20 m减浅至约12 m。

    然而地库减浅并不符合当时执行的2002版的《建筑地基基础设计规范》要求,也不符合目前执行的《建筑地基基础设计规范》[17](GB 50007-2011)的要求,规范要求“桩箱或桩筏基础的埋置深度(不计桩长)不宜小于建筑物高度的 1/18”,所以需要进行专项设计论证。

    结构方案进一步贯彻建筑方案精神,大幅减轻上部荷载:对塔楼一采用框架−核心筒−钢臂结构。剪力墙采用钢骨以减小墙厚和结构自重,并使用轻质隔墙。

    其次,增加整体结构钢度:在25−27层、57−59层设备层采用加强层,采用钢结构伸臂桁架连接核心筒、周边型钢混凝土柱;加厚底板,塔楼一基础底板达3.5 m,核心筒加厚至4.1 m。这两项措施均有效地控制了不均匀沉降。

    在修改设计方案后单桩承载力仍无法满足要求时,勘察报告的一个建议为项目的顺利进行作出了贡献。报告推荐了在2007年尚属创新的新工艺——灌注桩后注浆工艺,该工艺被2008年10月1日实施的《建筑桩基技术规范》[18]采用。

    灌注桩后注浆工艺是指在灌注桩成桩后一定时间,通过预设于桩身内的注浆导管及与之相连的桩端、桩侧注浆阀注入水泥浆,使桩端、桩侧土体得到加固,有效地提高了桩侧阻力和桩端阻力,从而大大提高了单桩承载力,控制了建筑物的不均匀沉降。

    根据勘察报告对单桩承载力的估算,塔楼一若采用第⑾2层中下部或第⑿层顶部为桩基持力层。采用钻孔灌注桩φ1 000 mm,送桩20 m,有效桩长约53 m、60 m,估算单桩承载力特征值分别5 300 kN、6 300 kN,单桩承载力均不能满足设计要求。

    设计方案变更后,对塔楼一设计以第⑾1-1层或第⑾1-2层底部为桩基持力层,采用钻孔灌注桩φ850 mm,送桩12 m,有效桩长约57 m。

    施工采用了灌注桩桩端桩侧后注浆工艺。经试桩,塔楼一单桩抗压承载力特征值达7 100 kN,能较好地满足设计要求。

    塔楼一与整体地库为一期工程,塔楼二和塔楼三为二期工程。一期工程于2010年开工,2012年完成地下结构,2014年下半年竣工验收。二期工程因各种原因暂未实施。

    根据一期工程施工期间的沉降观测数据塔楼一外框四角点(顺时针编号为“外1”~“外4”)内框四角点(顺时针编号为“内1”~“内4”),各点每月总沉降量详见图3

    图  3  塔楼一沉降观测曲线
    Figure  3.  Settlement observation curve of Tower I

    根据施工期间沉降观测曲线,“外3”(东南角)的最大总沉降量为87 mm,其他各点总沉降量在75~77 mm之间,最大沉降差仅12 mm,不均匀沉降0.002,竣工前沉降量已基本趋向稳定。

    一期工程在竣工后又进行了半年一次的沉降观测,总沉降量和沉降差均良好收敛。

    (1)在岩溶地区基础工程设计中,地基稳定性评价是基础工程设计的关键。地基稳定性因素包括覆盖层厚度、溶洞顶板厚度、岩石的强度、溶洞跨度、地下水条件、荷载大小等。本项目勘察设计充分研究了工程地质水文地质特性,对地基稳定性进行了定性分析和半定量分析,抓住较关键因素,准确评价了地基稳定性的基本条件。

    (2)在地基稳定性满足要求的前提下,需要讨论研究承载力问题。本工程各专业充分利用了建筑项目各设计节点的技术特点,最大限度通过发挥技术优势解决工程地质难题。

    (3)技术创新是解决本项目难点的最大依据。当设计方案不符合规范要求时进行了专项设计。当单桩承载力还是无法满足设计要求时,发现了当时尚属创新的灌注桩后注浆工艺。

    (4)本次研究的案例是一次现实倒逼的建设各专业一体化,包含了建筑设计、勘察、结构设计和施工四个专业的深度融合,是各专业技术一体化的一次成功尝试,也是建设管理流程上的一次创新。

    (5)建设方可以整合建筑设计、勘察、结构设计、施工等各专业技术信息,设置技术交流平台或适时组织技术交流或邀请专家参加。对重要性较高的建(构)筑物,可以先进行初勘,便于建筑设计有针对性合理布局;勘察专业可把技术要点难点及时与设计等沟通,便于其他专业提前了解或者及时介入;结构设计可把设计及施工实施过程的问题及时公布;施工也可把施工难点与各专业交流。勘察设计施工技术一体化不仅是技术层面更是管理层面能解决技术问题,也能解决质量进度成本问题。

  • 图  1  塔楼一平面布置图

    Figure  1.  Layout plan of Tower 1

    图  2  塔楼一的A7斜剖面(溶洞部分)

    Figure  2.  A7 section of Tower 1 (the karst cave part)

    图  3  塔楼一沉降观测曲线

    Figure  3.  Settlement observation curve of Tower I

    表  1  拟建建筑物物性质表

    Table  1.   Subgrade properties of the proposed building

    拟建
    建筑物
    结构
    类型
    层数
    /层
    尺寸
    /m×m
    基础
    形式
    基础
    埋深/m
    差异
    沉降/mm
    塔楼一框筒
    剪力墙
    71层57×57桩筏20<0.002
    塔楼二框筒
    剪力墙
    37层48×33桩筏20<0.002
    塔楼三框筒
    剪力墙
    21层54×32桩筏20<0.002
    大地库框架4层桩筏20/
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    表  2  土层分布及性质

    Table  2.   Distribution and property of the soil layer


    土层
    名称
    层顶埋深
    /m
    双桥静探
    锥尖/侧壁


    MPa·kPa−1m·s−1
    粉质黏土1.5~2.51.23/61.618.5160
    粉质黏土5.5~7.01.32/37.548.2178
    粉质黏土8.5~10.51.16/22.235.5178
    1粉质黏土13.5~15.52.10/74.2712.6231
    2黏土17.5~19.02.51/116.716.7262
    t粉土22.0~25.05.31/92.1816.1248
    粉质黏土23.0~26.02.15/68.7914.3267
    1粉质黏土28.0~30.01.44/30.827.6233
    2粉质黏土33.0~35.01.29/37.516.7233
    粉质黏土38.0~40.02.32/78.2515.2320
    t粉土41.5~44.08.51/111.121.5310
    粉土50.0~52.07.90/167.728.1336
    黏土55.0~57.03.71/140.322.2341
    1-1粉土60.0~62.010.3/202.930.9396
    1-2粉质黏土60.0~65.04.54/111.720.4425
    2粉质黏土69.0~71.03.24/81.9518.0589
    黏土75.0~77.05.81/151.836.7612
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    表  3  三塔楼空洞分布

    Table  3.   Cavity distribution of three towers

    编号孔号埋深范围/m厚度/m
    塔楼一K17104.5~105.61.1
    Z4102.1~103.71.6
    K5101.0~102.61.6
    Z4101.7~105.84.1
    塔楼二Z1082.3~83.31.0
    塔楼三K21
    (3处)
    108.5~109.71.2
    109.9~113.53.6
    113.7~116.42.7
    Z1297.8~99.21.4
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    表  4  三塔楼塌落高度

    Table  4.   Collapse height of three towers

    编号塌落前洞体
    最大高度/m
    塌落
    高度/m
    建议基础
    埋深/m
    塔楼一1.1~4.15.5~20.5≤81
    塔楼二1.05.0≤77
    塔楼三1.2~3.66.0~18.0≤79
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  • 收稿日期:  2022-05-14
  • 刊出日期:  2023-04-25

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