小斷面硐室中大型充填溶洞防滲治理技術(shù)

趙斌　羅林

摘要：在各類(lèi)工程，特別是巖溶地區(qū)水利水電工程中，需要對(duì)地下大型溶洞進(jìn)行一定程度的治理，以保證建筑物能發(fā)揮設(shè)計(jì)功用。本文根據(jù)某水利樞紐工程帷幕工程所完成的工程實(shí)例，對(duì)小斷面硐室中大型充填溶洞的開(kāi)挖和防滲處理技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

Abstract： In all kinds of projects， especially in water conservancy and hydropower projects in karst areas， it is necessary to carry out a certain degree of treatment on large underground caves to ensure that the buildings can play their design functions. According to the engineering example completed by the curtain project of a water conservancy project， this paper analyzes and summarizes the excavation and anti-seepage treatment technology of large-filled caves in small-section diverticulum， and provides reference for the design and construction of similar projects.

關(guān)鍵詞：小斷面硐室;大型充填溶洞;開(kāi)挖;防滲;技術(shù)

Key words： small section diverticulum;large filling cave;excavation;anti-seepage;technology

中圖分類(lèi)號(hào)：TV543? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）35-0190-04

1? 概述

某水利樞紐工程位于強(qiáng)巖溶地區(qū)，工程以灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，水庫(kù)總庫(kù)容約11億m3，工程等別為Ⅰ等，屬大（1）型工程。岸坡段防滲帷幕布置于兩岸灌漿平硐內(nèi)，平硐開(kāi)挖斷面尺寸為3.7×4.2m，砌筑后凈空斷面尺寸為3×3.5m。

底層灌漿平硐處蓄水水頭高度為131m，在平硐開(kāi)挖過(guò)程中，單通道進(jìn)深480m時(shí)，遇全斷面中細(xì)沙致密充填的溶洞，夾有少量孤石。后經(jīng)鉆孔勘察，查明該溶洞屬大型充填型溶洞，形態(tài)極不規(guī)則，沿灌漿平硐方向長(zhǎng)約60m，溶洞斷面最大高度25m，一般高15～20余m，最寬24m，一般寬13～15m，溶洞體積約1.6萬(wàn)m3，充填物主要為中細(xì)沙，夾少量孤石。

該溶洞處于底層灌漿平硐帷幕軸線(xiàn)上，其充填介質(zhì)透水性強(qiáng)，影響帷幕防滲，必須進(jìn)行防滲處理，降低其滲透性，并保證其滲透穩(wěn)定和防滲體結(jié)構(gòu)安全。

2? 總體施工安排

在施工安排上，結(jié)合各部位工期計(jì)劃、溶洞勘設(shè)進(jìn)展等因素綜合考慮。第一步，采用臨時(shí)強(qiáng)支護(hù)措施，繼續(xù)掘進(jìn)灌漿平硐，穿過(guò)溶洞段并最終完成灌漿平硐開(kāi)挖;第二步，進(jìn)行溶洞段之外的兩端平硐襯砌，并進(jìn)行溶洞段的勘查作業(yè);第三步，進(jìn)行平硐內(nèi)巖層段的帷幕灌漿施工，并完成溶洞治理設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備工作;第四步，進(jìn)行平硐底板高程以上溶洞充填物的清除、換填，并同時(shí)形成溶洞段的灌漿廊道;第五步，進(jìn)行平硐底板高程以下溶洞段防滲墻施工;第六步，進(jìn)行防滲墻與基巖銜接段的帷幕灌漿，并進(jìn)行質(zhì)量檢查。

3? 方案設(shè)計(jì)

3.1 溶洞發(fā)育形態(tài)勘察

溶洞發(fā)育地層為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段（T1yn1）。為了進(jìn)一步查明該充砂溶洞發(fā)育形態(tài)、規(guī)模，在強(qiáng)支護(hù)完成后，對(duì)溶洞段補(bǔ)充定向勘探孔進(jìn)行了鉆孔勘查。

勘探孔每隔5m布置一環(huán)，每環(huán)4個(gè)孔，梅花形布置，分別向平硐頂部、底部、庫(kù)內(nèi)側(cè)、庫(kù)外側(cè)四個(gè)方向鉆進(jìn)，孔深進(jìn)入基巖5m終孔，鉆孔示意圖見(jiàn)圖1。

從勘探結(jié)果看，溶洞屬大型充填型溶洞，形態(tài)極不規(guī)則，沿灌漿平硐方向長(zhǎng)約60m、方向約N34°E，洞頂高程最高1214.4m，洞底最低高程約1189m，溶洞斷面最大高度25m，一般高15～20余m，最寬24m，一般寬13～15m，溶洞體積約1.6萬(wàn)m3。溶洞發(fā)育形態(tài)參見(jiàn)后圖 3、圖4。

3.2 溶洞充填介質(zhì)分析

該溶洞為全充填溶洞，充填物分層明顯，主要為細(xì)沙土、少量黃泥、夾雜崩塊石，充填密實(shí)，徒手掰碎較費(fèi)力?？辈爝^(guò)程中進(jìn)行了沙土篩分試驗(yàn)，篩分成果見(jiàn)表1，充填介質(zhì)見(jiàn)圖2。

3.3 溶洞防滲方案設(shè)計(jì)

由于該溶洞的成因及滲漏通道不能完全探明，故防滲方案設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮防滲體具有可靠的防滲性以及在獨(dú)立工作狀態(tài)下良好的抗滑穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度。

3.3.1 可灌性計(jì)算

從主要充填介質(zhì)的篩分成果來(lái)看，充填物為粉細(xì)砂，其可灌比值計(jì)算式為M=D15/d85。

式中：M——可灌比值;

D15——地層中含量為15%的顆粒粒徑，mm，本例取0.5～0.25mm;

d85——灌漿材料中含量為85%的顆粒粒徑，mm，本例按PO.42.5水泥取值0.06。

計(jì)算可得，可灌比值M區(qū)間值為8.3～4.2。一般認(rèn)為M？叟16，才能保證灌漿成功，另外，水泥漿液穩(wěn)定性差，容易在縱橫交錯(cuò)和凹凸不平的砂礫土孔隙中迅速沉積而把某些滲流斷面堵塞，從而使其可灌性大大降低。

總的來(lái)講，采用普硅水泥常規(guī)灌漿工藝對(duì)該地層進(jìn)行處理，存在可灌性低、充填密實(shí)度差、易劈裂而升壓困難、工藝復(fù)雜、工序控制較難等問(wèn)題，不適合采用。

3.3.2 方案比選

主要對(duì)高壓旋噴灌漿、混凝土防滲墻、完全開(kāi)挖換填混凝土三個(gè)方案進(jìn)行了比選。三種方案均適合該溶洞介質(zhì)的處理，但在可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面互有優(yōu)勢(shì)和不足。

高壓旋噴灌漿在砂類(lèi)土、黏性土、黃土和淤泥等地層中使用效果良好。該溶洞主要為細(xì)沙土充填，從開(kāi)挖揭露及間距5m的加密鉆孔勘測(cè)情況來(lái)看，孤石較少，砂層與完整基巖之間巖體破碎，地層條件適宜于采用高壓旋噴灌漿。該方案的優(yōu)點(diǎn)為：安全風(fēng)險(xiǎn)低，作業(yè)干擾小，工藝成熟，可控性好，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。該方案的劣勢(shì)為：受工作面空間限制，除廊道下部砂層能得到較好的處理外，其余部位難以有效處理;溶洞的發(fā)育情況及滲漏通道未完全探明，帷幕墻后的持力層為沙土，有流失的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致高噴防滲墻體獨(dú)自承受滲水壓力而變形破壞。

防滲墻方案的基本方法為：廊道底板以下采用人工跳樁挖孔，邊開(kāi)挖邊澆筑鋼筋護(hù)壁混凝土，樁孔成型后澆筑混凝土，最終形成鋼筋混凝土防滲墻;廊道迎水側(cè)設(shè)置搭接帷幕，采用高壓旋噴灌漿;頂拱以上及庫(kù)外側(cè)不進(jìn)行處理。該方案的優(yōu)點(diǎn)為：下部防滲效果可靠，工期及投資適中。該方案的劣勢(shì)為：上部防滲效果與穩(wěn)定性不可靠。

完全開(kāi)挖換填混凝土方案即將充填物全部清除，采用C20混凝土回填。該方案的優(yōu)點(diǎn)是處理效果可靠;缺點(diǎn)是施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大，工期長(zhǎng)，成本高。

經(jīng)過(guò)多次研究和動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終采用方案為：平硐底板高程以上溶洞全部開(kāi)挖換填C20混凝土，并形成襯砌廊道;平硐底板高程以下溶洞設(shè)置3m厚C30鋼筋混凝土防滲墻，防滲墻嵌入底部與兩端微風(fēng)化巖體;防滲墻與庫(kù)外側(cè)巖體之間設(shè)置混凝土傳力墻，形成可靠的持力層;再進(jìn)行砂層內(nèi)固結(jié)灌漿、嵌入段帷幕灌漿。具體方法見(jiàn)圖3-圖5。

4? 主要施工方法

溶洞治理施工步驟為：溶洞上部開(kāi)挖施工→臨時(shí)支護(hù)→廊道澆筑與溶洞上部回填施工→溶洞下部防滲墻施工→灌漿施工。

該溶洞治理施工的難點(diǎn)在于：場(chǎng)地狹窄，交通不便，機(jī)械化作業(yè)程度低，工效低;向上開(kāi)挖作業(yè)難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高;做好滲水垮塌的應(yīng)對(duì)。

4.1 施工條件

溶洞段樁號(hào)為K0+236～K0+296，在平硐K0+467、K0+117處分別有7#、5#施工支洞連通至地表，洞內(nèi)長(zhǎng)度分別為496m、433m，平硐段尺寸為3m×3.5m，施工場(chǎng)地狹窄，后期需要在溶洞段形成會(huì)車(chē)場(chǎng)地，以提高運(yùn)輸強(qiáng)度。

洞內(nèi)施工將產(chǎn)生大量廢氣，為改善勞動(dòng)環(huán)境條件，布置兩套通風(fēng)系統(tǒng)。一套經(jīng)7#施工支洞采用壓入式通風(fēng);一套經(jīng)5#施工支洞采用抽出式通風(fēng)。

在工作面及平洞與支洞交叉口擴(kuò)挖處設(shè)置集水坑、安裝排污泵，將施工時(shí)產(chǎn)生的廢水、混凝土施工廢水等抽排至排污坑，再集中抽排至洞外處理后達(dá)標(biāo)排放;同時(shí)施工中設(shè)專(zhuān)人負(fù)責(zé)疏通排水系統(tǒng)，進(jìn)行排污坑集砂清理工作，嚴(yán)格管理施工用水，保持工作面無(wú)積水。

4.2 溶洞上部開(kāi)挖施工

對(duì)平硐底板高程以上的溶洞充填物進(jìn)行全部清除開(kāi)挖，難點(diǎn)在于施工安全問(wèn)題。受場(chǎng)地條件限制，對(duì)溶洞上部開(kāi)挖屬自下往上開(kāi)挖，充填物垮塌、溶洞圍巖掉塊等隱患難以提前治理，加之場(chǎng)地狹窄，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

開(kāi)挖主要采用機(jī)械開(kāi)挖，輔以人工、淺孔爆破。施工步驟和方法為：

①?gòu)娜芏?+296起點(diǎn)開(kāi)始作業(yè)，在已襯砌平硐的保護(hù)下，使用挖機(jī)拆除一段臨時(shí)支護(hù)體;并用挖機(jī)清挖該段上部與側(cè)面的砂土層，挖機(jī)臂展以外不能機(jī)械清除的，采用高壓水槍沖切清除。形成開(kāi)挖入口后，挖機(jī)從硐身兩側(cè)進(jìn)入，對(duì)砂土層進(jìn)行分段開(kāi)挖，開(kāi)挖時(shí)形成斜坡使挖機(jī)行走至頂部，以盡可能從上往下作業(yè);開(kāi)挖的洞渣先不完全清運(yùn)，留一部分用于固幫和作為施工斜坡，可減小開(kāi)挖面高度，降低垮塌風(fēng)險(xiǎn);挖機(jī)不便于作業(yè)的部位，根據(jù)砂土層的密實(shí)度情況，采用人工清挖、局部鉆爆等方式處理。從0+296往大樁號(hào)方向的施工支洞出渣。

②鑒于0+296起點(diǎn)處溶洞發(fā)育高度較大，頂部圍巖自穩(wěn)差，開(kāi)挖施工進(jìn)度緩慢。為創(chuàng)造工作面，從0+265處溶洞最低點(diǎn)處進(jìn)行了開(kāi)挖，先在鋼支撐支護(hù)體上開(kāi)窗，人工掏挖至溶洞頂部，再逐步拆除該段支護(hù)體，形成較寬闊的裝運(yùn)場(chǎng)地，由0+265向0+296方向開(kāi)挖，并逐段拆除支護(hù)體，出渣由0+265～0+234支護(hù)體下的安全通道經(jīng)ZD5支洞道路運(yùn)輸。開(kāi)挖主要采用鉆爆法，輔以人工掏挖，具備條件時(shí)使用挖機(jī)開(kāi)挖，出渣采用挖機(jī)及裝載機(jī)配合5t自卸車(chē)裝運(yùn)。

③分段開(kāi)挖完成后進(jìn)行該段支護(hù)體的拆除，拆除采用機(jī)械鑿除、弱爆破、氣焊、拉拽結(jié)合的方式。

需要注意的是：

①開(kāi)挖時(shí)盡量避免挖機(jī)行走至支護(hù)體頂部，以保持挖機(jī)穩(wěn)固。②開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖可能存在局部失穩(wěn)、掉塊等隱患，必須聘請(qǐng)數(shù)名經(jīng)驗(yàn)極為豐富的礦工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)，及時(shí)預(yù)警和避險(xiǎn)。③對(duì)較為潮濕或節(jié)理發(fā)育的圍巖，在其暴露時(shí)應(yīng)立即進(jìn)行支護(hù);當(dāng)其高度很高，不滿(mǎn)足安全施工條件時(shí)，應(yīng)采取暫停施工待其收斂、排險(xiǎn)清危、吊頂支護(hù)等綜合措施。

4.3 臨時(shí)支護(hù)施工

溶洞上部開(kāi)挖后，由于硐室跨度大，高度高，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，確保后續(xù)施工作業(yè)處于安全的環(huán)境中。因溶洞縱橫跨度均較大，圍巖邊界極不規(guī)則，臨時(shí)支護(hù)方式主要采用隨機(jī)錨桿、噴砼等，對(duì)泥巖等易遇水軟化、風(fēng)化塌落的巖體，在其暴露后及時(shí)進(jìn)行噴砼封閉。

4.4 廊道澆筑與溶洞上部回填施工

臨時(shí)支護(hù)完成后，為保證下部溶洞開(kāi)挖的施工安全，先進(jìn)行廊道澆筑施工，形成保護(hù)體。根據(jù)溶洞尺寸和施工需要，確定廊道凈空尺寸為4.2m×4.2m、3m×3.5m兩種規(guī)格。廊道分段施工，混凝土泵送入倉(cāng)。澆筑時(shí)，僅制安內(nèi)側(cè)模板，外側(cè)澆筑至溶洞邊界，兩側(cè)均勻授料上升，頂部按2m厚度澆平;底板厚度為1.5m，底板鋼筋與防滲墻結(jié)構(gòu)鋼筋相錨固，待防滲墻完成后再進(jìn)行底板的布筋澆筑施工。

溶洞上部混凝土回填采用泵送入倉(cāng)，分段分層澆筑，一般以長(zhǎng)12m、厚2m為一倉(cāng)，在廊道端頭設(shè)立擋頭模板，分層進(jìn)行回填振搗;對(duì)頂部倒扣碗狀的部位，預(yù)埋泵管澆筑;基本澆筑飽滿(mǎn)后，再?gòu)纳蠈庸酀{平洞內(nèi)鉆孔至溶洞頂部，先回填M20砂漿，再進(jìn)行回填灌漿。廊道澆筑見(jiàn)圖8。

4.5 防滲墻施工

防滲墻為3m厚C30W8F100鋼筋混凝土墻，底部及兩端嵌入基巖50cm;防滲墻分段（孔或槽）開(kāi)挖澆筑，相鄰段墻體用鍵槽連接。防滲墻結(jié)構(gòu)鋼筋在墻體兩側(cè)雙層布置，橫向鋼筋為直徑25mm的HRB400鋼筋，豎向鋼筋為內(nèi)層直徑20mm、外層直徑25mm的HRB400鋼筋。

在砂層緊密、深度較淺時(shí)，采用機(jī)械槽挖，一次成槽，一次植筋，泵送混凝土澆筑，可大大加快施工進(jìn)度，應(yīng)注意各工序必須緊密銜接，避免靜置時(shí)間較長(zhǎng)發(fā)生砂層剪切變形及垮塌。在砂層較松散、深度較深時(shí)，采用人工跳樁開(kāi)挖，由上至下均采用C30鋼筋砼護(hù)壁，第一節(jié)護(hù)壁高度為2.0m，以下各節(jié)護(hù)壁高度為1m，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)加深護(hù)壁高度，下挖及支護(hù)至底部基巖50cm后采用C30砼灌注。

傳力墻為3m厚C30W8F100鋼筋混凝土墻，間距為16m，其施工方法與防滲墻施工方法相同，在該部位防滲墻施工前完成。

受場(chǎng)地的限制，機(jī)械槽挖只能在少數(shù)的槽段使用，大部分還是需要采用人工挖孔樁的方式施工，其場(chǎng)地內(nèi)的出渣運(yùn)輸采用小型卷?yè)P(yáng)機(jī)與人工推運(yùn)配合的方式。垂直運(yùn)輸架由提升鋼框架作為承重結(jié)構(gòu)，配置慢速電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)提升;門(mén)式工字鋼梁架安裝在樁孔正上方，通過(guò)電動(dòng)葫蘆提升，沿工字鋼梁橫向移動(dòng);第一節(jié)段樁孔澆筑完混凝土后，樁孔旁的鋼框架，通過(guò)三角架的轉(zhuǎn)動(dòng)橫移;地面運(yùn)渣用手推車(chē)。

4.6 灌漿施工

布置固結(jié)灌漿孔，對(duì)防滲墻兩側(cè)未挖除的砂土層進(jìn)行固結(jié)處理;布置帷幕灌漿孔，對(duì)防滲墻底部接觸面及下部巖層進(jìn)行防滲處理。

固結(jié)灌漿孔呈扇形布置，進(jìn)入基巖1m。固結(jié)孔分兩序，全孔一段鉆灌，采用純壓式灌漿，壓力為1.5～3.0MPa，采用2：1、1：1、0.7：1、0.5：1四級(jí)水灰比，在設(shè)計(jì)壓力下，注入率不大于1L/min后，繼續(xù)灌注30min結(jié)束。

帷幕灌漿孔呈梅花型雙排布置。分三序，采用孔口封閉灌漿法自上而下分段鉆灌，壓力為3.5MPa，采用1：1、0.7：1、0.5：1三四級(jí)水灰比，在設(shè)計(jì)壓力下，注入率不大于1L/min后，繼續(xù)灌注60min結(jié)束。

5? 處理效果

溶洞處理于2014年11月30日順利完成。溶洞上部空腔為大體積混凝土充填，下部為3m厚防滲墻，墻體底部及兩端均嵌入完整基巖，防滲墻以下基巖經(jīng)帷幕灌漿處理。通過(guò)試驗(yàn)及壓水檢查表明，混凝土強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)值，巖層透水率低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。自2015年4月蓄水至今，防滲墻運(yùn)行良好，其防滲性能、穩(wěn)定性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6? 結(jié)論

①高水頭條件下，大型溶洞在帷幕廊道中發(fā)育時(shí)，采用開(kāi)挖回填結(jié)合防滲墻治理方案，有利于保證防滲質(zhì)量安全。

②在安全條件較不利，工期較緊的情況下，將全開(kāi)挖回填方案局部或全部改進(jìn)為防滲墻結(jié)構(gòu)，有利于提高作業(yè)安全可靠性。

③在不穩(wěn)定的圍巖條件下進(jìn)行自下而上開(kāi)挖時(shí)，要盡量減小自下而上開(kāi)挖作業(yè)范圍，減小擾動(dòng)，盡快創(chuàng)造自上而下或水平作業(yè)面。

7? 經(jīng)驗(yàn)與建議

①當(dāng)溶洞發(fā)育范圍較大，又因地層條件和環(huán)境條件不適宜采用高噴灌漿、防滲墻時(shí)，可考慮采用開(kāi)挖回填方案。但由于開(kāi)挖回填安全風(fēng)險(xiǎn)大、工期長(zhǎng)、投資高，一般情況下不建議采用。

②溶洞的發(fā)育形態(tài)和充填介質(zhì)特性必須詳盡地查明，并盡早確定治理方案，盡量在廊道成型及帷幕灌漿前實(shí)施，此時(shí)選擇的余地較大，可以考慮局部調(diào)整帷幕線(xiàn)等更便捷的方案。

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