李新明

1 概述

韶钢厂区位于韶关市曲江区,马坝镇的东北方位,占地约10 km2。本区为低山丘陵地带,地质条件复杂,下伏灰岩岩溶发育。韶钢近年来的基建工程大重型化,对地基的要求越来越高,充分认识本区岩溶地层特征及不良地质现象,采取适宜的地基处理措施,对韶钢的基建技改有重大的技术经济价值。

2 岩溶地层特征及不良地质现象

2.1 岩溶地层特征

本区的地质单元为山间盆地向低洼平地过渡地带,地层的岩性特征由上至下分述如下:

①人工堆积及耕植土层(Qml+pd)。杂填土,厚度不一,岩性差异性较大。耕植土层,灰黑,黄褐色,植物根系发育,厚度小于7 m,多见于本区盆地的中心地带。该土层未经人工处理,一般不宜作建(构)筑物的天然地基。②第四系残积、坡积、冲积层(Qel+dl+al)。三者交叠沉积,岩性主要为黄褐色、褐红色黏土,亚黏土、轻亚黏土,局部地带含砾。湿度,由高地往低洼平地增大,可划为次生红黏土。多为可塑、硬塑态。在低洼平地地带中下层有土洞分布,基岩面附近有软塑、流塑的软弱黏土层分布。本土层中的可塑、硬塑层固结性、均质性较好,在本区广泛分布,承载力特征值为150 kPa～280 kPa,是本区建(构)筑物良好的地基持力层。③中上石炭统石灰岩(C2+3)。石灰岩为浅灰白色。致密坚硬,性脆,微裂隙发育,并为方解石及少量氧化铁所充填而呈网纹状,岩溶发育。本区的高地能见到有石灰岩的出露。基岩的灰岩面多微风化,完整基岩则致密坚硬,巨厚层状。灰岩承载特征值为大于4 000 kPa。灰岩是本区重大建(构)筑物基础主要的持力层。

2.2 不良地质现象

1)软弱土层的发育情况。在低洼平地地带,与基岩面接触的黏土层附近,有软塑、流塑的软弱黏土层分布,层厚1 m～2 m。软土的成因是,碳酸盐类岩石在湿热气候条件下经风化后,残、坡积所形成的一种微带红色、土质细腻的黏土。由于下伏灰岩岩溶发育,地下水(承压水)长期对土体的渗透、浸泡作用,使土体呈稀软或软塑状态。软弱土的厚度与基岩面的形态及地下水密切相关,基岩面低凹,其下岩溶水丰富,软土的厚度就大,反之就小。本区的软土层主要分布于低洼平地地带。在原料场、高炉区、转炉区、炼轧区等场地均有发育。在局部,中间土层中有呈透镜体出现。2)土洞的发育情况。土洞多发育于靠近基岩的黏土层中,常与溶洞相伴生。土洞的成因是,基岩中的裂隙发育,连通性好,形成地下水通道。本区的土洞多发育于低洼平地地带,在原料场、高炉区、转炉区、炼轧区等场地的勘察中均有发现,土洞绝大多数被充填或半充填,充填物为黄褐色含砾、砂的黏性土类和灰白色灰粉混小块岩屑,呈软塑、可塑状态。3)岩溶的发育情况。该区岩溶普遍发育,包括岩面起伏、溶隙和溶洞的形态。溶洞多发育在低洼平地地带的原料场、高炉区、炼轧区及转炉区等主要车间等场地勘察中,统计得出,钻孔的见洞率为33%～65%。溶洞高小于1 m的约占49.3%,大于2 m的占22.3%,最大洞高为18.6 m(炼轧厂详勘中揭露)。溶洞顶板厚一般为1 m左右,小可达0.2 m。本区溶洞主要分布在地表以下20 m～60 m的基岩中,溶洞裂隙连通性较好,在做抽水试验过程中发生过地表沉陷的现象。

3 钢厂基建工程建(构)筑物特点和地基处理措施

3.1 大型钢厂基建工程建(构)筑物特点

3.1.1 高炉主体工程特征

1)竖向荷载大。一座3 000 m3级的高炉,其中炉本体部分高度达105 m。连同基础自重和填土重量,传到地基上的竖向力达500 000 kN以上,地基单位面积承受的荷载达 300 kN/m2～400 kN/m2。出铁场的单柱荷载也可达20 000 kN,基础埋深达3 m～4 m。2)在沉降控制方面。高炉基础沉降量过大往往导致上部结构的破坏,影响生产运行。设计中要仔细进行地基的变形计算,特别是当在软土地基上建设大型高炉时。

3.1.2 转炉、炼轧工程特点

大型转炉、炼轧厂除具有上部荷载重,形体大,高耸的特点外,还有基坑深度大。1)主厂房塔楼高约 60 m,单柱荷重达50 000 kN,转炉达10 000 kN,基础底面积达 15 m×15 m。混铁炉达17 000 kN,基础底面积达17 m×17 m。旋流沉淀池深达-24 m。烟囱高60 m。2)炼轧磨锟间基础开挖深达-30 m。

3.1.3 原料场工程特点

与上述工程相比,原料场工程特点是,荷载不很大,但却是大面堆载,地基附加应力同样可以影响达地面15 m以下的深度,处理不好,影响使用,费用巨大。

3.2 地基处理措施

3.2.1 岩溶的处理

1)对洞口较小的洞隙,宜先采用镶补、嵌塞,用块石、碎石、黏土或毛石混凝土等填实,或用钢筋混凝土板梁法跨越等方法处理。2)对洞口较大的洞隙,宜先采用梁、板、拱等结构跨越。跨越结构应有可靠的支撑面。梁式结构在岩石上的长度应大于梁高的1.6倍。也可采用浆砌片石堵塞措施。3)对规模较大的洞隙,可采用洞底支撑或调整柱距等方法处理。为了增加顶板岩体的稳定性,可用石砌柱或钢筋混凝土柱支撑。采用此法应重点查明洞底以下的稳定性。4)溶洞不作处理的情况:a.溶洞被密实的沉积物填满,承载力大于150 kPa,且无被水冲蚀的可能性。b.洞体较小,基础尺寸大于洞的平面尺寸,并有足够的支撑长度。c.基岩微风化,洞体顶板厚度大于洞跨度。

3.2.2 土洞的处理

1)地下水处理,韶钢在2000年之前居民饮用水采自地下灰岩水,因为抽取地下水,本区时有出现地面深陷发生。2000年我们建议停抽地下水之后,至2009年,有统计的塌陷只有一次,于2002年发生在转炉施工区域。据后来调查分析,可能是转炉桩基施工,扰动地下水位引起地面塌陷。2)挖填处理,对地下水形成的土洞或塌陷,可先挖除软土,然后用块石作反滤层,面层用黏土夯实。2003年,5号高炉办公楼西楼梯口出现一个约2 m直径塌陷,深约3 m,当时即用毛石混凝土回填,至今稳定。3)灌砂处理,用于深层,较大的土洞,施工时在土洞顶板钻两个钻孔,其中一个作出气孔,灌砂同时冲水,直到出气孔冒砂为止。也可用C10混凝土压力灌注。4)垫层处理,基础底下用碎石加厚垫层,减小土洞顶板的附加应力,降低沉降量。

3.2.3 软土层的处理

1)深层搅拌处理,利用水泥浆作固化剂,采用深层搅拌机在地基深部使软土和固化剂充分拌和,利用固化剂和软土发生一系列物理、化学反应,使之凝结成具有整体性、水稳性好和较高强度的水泥加固体,与天然地基形成复合地基。此法在韶钢原料取样栈桥工程、新焦化厂贮煤罐区得到运用,项目均已投入使用,效果良好。2)高压旋喷处理,利用高压旋喷设备把水泥浆与周围土体强制混合,待胶结硬化后成为桩体。该法曾用于转炉塔楼桩间土的复合地基、板坯库场地处理,效果良好。

4 结语

韶钢厂区岩溶地层,岩溶、土洞和软土层相互伴生,相互成因。建设大型钢铁项目,总图布置在满足项目工艺要求的前提下,尽可能避开岩溶发育地段,对工程存在安全隐患的不良地质现象应作分析、评价,结合工程特点、重要性、施工工艺等确定是否处理,如何处理。进行地基处理时,应把地基、基础、上部结构整体考虑,岩溶地层复杂多变,地基处理要因地制宜,对复杂岩溶地基的处理需综合运用多种处理方法,以取得最佳的技术和经济效果,韶钢厂区岩溶地层的处理措施是值得推广运用的。

[1]杜恒俭,陈华慧,曹伯勋.地缘学及第四纪地质学[M].北京:地质出版社,1981:142-166.

[2]《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1992:930-935.

[3]《地基处理手册》编写委员会.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1993.

[4]曹贤发.桂林岩溶地基岩土工程勘察及处理[J].山西建筑,2009,35(9):124-125.