溶洞發(fā)育區(qū)超深地下連續(xù)墻施工處理技術(shù)

黃茂興

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340)

1 概述

近年來(lái)，隨著國(guó)家和地方政府對(duì)水利與水運(yùn)基礎(chǔ)建設(shè)的投資力度加大，受征地及規(guī)劃等原因影響，需在緊鄰原水利樞紐構(gòu)筑物基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建，然而此類超大型圍堰與深基坑支護(hù)既要確保已有建筑安全及設(shè)施正常運(yùn)行，又要滿足防洪度汛要求，雖然支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻是比較可靠的解決方案，但超深地連墻施工遇到工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育區(qū)域時(shí)，存在極大的安全隱患。

以清遠(yuǎn)樞紐二線船閘工程為例，其圍堰與基坑支護(hù)方案：上游導(dǎo)航墻、上下閘首、閘室處采用地連墻+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，下游導(dǎo)航墻處采用地連墻+上部胸墻[1]。由于本工程區(qū)域?qū)倏λ固氐孛玻こ痰刭|(zhì)復(fù)雜，溶洞發(fā)育強(qiáng)烈；船閘左岸靠近運(yùn)行中的一線老船閘，右岸靠近清西圍大堤。要求在施工圍堰與基坑支護(hù)工程——超深地連墻時(shí)須確保北江大堤和一線閘施工安全及一線閘不斷航，保證超深地連墻施工遇到溶洞不發(fā)生槽壁坍塌事故，防止地連墻施工坍塌造成環(huán)境污染。根據(jù)有關(guān)水利工程安全評(píng)估及涉水施工方案審查會(huì)專家組的意見(jiàn)，地連墻施工前，每槽地連墻均按“一槽兩鉆、縮量偏移”方式采用超前鉆查明每個(gè)槽段嵌入巖層是否存有溶洞、土洞，然后針對(duì)已探明巖溶區(qū)域，對(duì)地連墻兩側(cè)槽壁進(jìn)行預(yù)注雙液漿填充固化[2]，地連墻中間部位采用預(yù)注水泥漿的處理方法，從而提高抗巖溶局部坍塌的能力，為安全、順利施工清遠(yuǎn)樞紐二線船閘保駕護(hù)航。

2 工程概況

清遠(yuǎn)樞紐二線船閘位于北江干流清遠(yuǎn)城區(qū)下游石角鎮(zhèn)大燕河口上游約1.0 km處清遠(yuǎn)水利樞紐右岸灘地處，布置在一線船閘右側(cè)，兩閘平行，中心距為90 m，以上閘首上游面(軸線壩)對(duì)齊布置，上游起點(diǎn)樁號(hào)為航上1+561.8，下游終點(diǎn)樁號(hào)為航下2+754。其中，上閘首長(zhǎng)為50 m，閘室長(zhǎng)為220 m，下閘首長(zhǎng)為 56 m，建設(shè)規(guī)模為220 m×34 m×4.5 m。根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)，作為清遠(yuǎn)樞紐二線船閘基坑圍護(hù)及防滲結(jié)構(gòu)的地連墻既兼做圍堰又要滿足防洪功能、結(jié)構(gòu)安全、滲透安全等[3]，設(shè)計(jì)深度要求墻趾底部進(jìn)入巖體為1～8 m，圍堰與基坑支護(hù)平面布置示意見(jiàn)圖1。

圖1 圍堰與基坑支護(hù)平面布置示意(單位：mm)

3 溶洞分布情況

根據(jù)《清遠(yuǎn)二線船閘初步設(shè)計(jì)工程地質(zhì)勘察報(bào)告》[4]，本工程地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，地質(zhì)條件較復(fù)雜、覆蓋砂層厚度大。除閘室段地質(zhì)大部分為泥質(zhì)粉砂巖外，其余位置均為灰?guī)r地區(qū)，不良地質(zhì)現(xiàn)象主要包括溶洞、土洞。

1) 溶洞：灰?guī)r區(qū)溶洞發(fā)育，部分為多層串珠狀溶洞，溶洞填充物主要為軟塑粘性土、砂層或卵礫石，部分溶洞為無(wú)填充物，鉆探時(shí)漏水現(xiàn)象嚴(yán)重。場(chǎng)區(qū)內(nèi)共完成858個(gè)鉆孔中有320個(gè)發(fā)現(xiàn)溶洞，見(jiàn)洞率為37.3%，溶洞高度為0.20～12.80 m，層頂埋深為25.20～69.30 m。

2) 土洞：土洞填充物主要為軟塑粘性土、砂層，少量為卵石。場(chǎng)區(qū)內(nèi)共完成858個(gè)鉆孔中有263個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)土洞，見(jiàn)洞率為30.7%，溶洞高度為0.30～17.00 m，層頂埋深24.90～67.30 m。

本工程圍堰與基坑典型地質(zhì)縱剖面示意見(jiàn)圖2。

圖2 典型地質(zhì)縱剖面示意

4 地下溶洞邊界探測(cè)

為達(dá)到用最少鉆探次數(shù)探明地下溶洞邊界，采用“一槽兩鉆、縮量偏移”的方式布置溶洞探測(cè)邊界鉆孔。即先沿地連墻軸線按每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)槽段(平面長(zhǎng)度為6 m)布置2個(gè)超前鉆孔(鉆孔間距為3 m)，若超前鉆發(fā)現(xiàn)溶洞，則該區(qū)域溶洞邊界探測(cè)孔按雙向間距2 m×2 m 進(jìn)行布置，鉆孔深度為鉆至溶洞底部完整中風(fēng)化巖層以下5 m[5]。溶洞探邊鉆孔時(shí)需及時(shí)準(zhǔn)確記錄溶洞邊界、洞高等形狀及溶洞填充情況。

溶洞探邊鉆孔采用XY-100型鉆機(jī)施工，針對(duì)較軟土層采用合金鉆具回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法成孔，針對(duì)硬土層和破碎巖層采用風(fēng)動(dòng)潛孔錘沖擊鉆進(jìn)。溶洞調(diào)查及處理方法如下:

1) 沿地連墻軸線方向繼續(xù)布置探測(cè)鉆孔，直至探測(cè)鉆孔不再發(fā)現(xiàn)溶洞為止。

2) 右岸地連墻(除靠一線船閘處地連墻)在探測(cè)孔外側(cè)再布置1排邊孔，邊孔間距及深度同探測(cè)孔。

3) 靠一線船閘處地連墻在探測(cè)孔外側(cè)以此布置兩排探測(cè)孔，未發(fā)現(xiàn)溶洞，則不再布置鉆孔，若發(fā)現(xiàn)溶洞，在新布置的探測(cè)孔外側(cè)再布置1排邊孔，探測(cè)孔與邊孔間距及深度同上。

4) 探測(cè)孔與邊孔間距及深度同上，即孔間距2 m×2 m，孔深度為鉆至溶洞底部完整中風(fēng)化巖層以下為5 m。

5) 邊孔，若按孔間距為2 m×2 m探測(cè)未發(fā)現(xiàn)溶洞時(shí)，應(yīng)向溶洞中心偏移1 m(邊孔間距為1 m×2 m)進(jìn)一步確定溶洞邊界，并通知業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)共同確定該溶(土)洞邊界，以避免增加不必要的探邊工作。

6) 鉆孔完成后，由地質(zhì)編錄員及時(shí)對(duì)巖芯進(jìn)行編錄，分層記錄不同土層、巖層的深度、巖溶的發(fā)育情況、有無(wú)填充情況及地下水位的深度。

7) 整理資料，由主管工程師復(fù)核，上報(bào)項(xiàng)目部、監(jiān)理及設(shè)計(jì)院簽認(rèn)后確定進(jìn)行注漿或排氣孔的鉆探和注漿施工。

溶洞探邊鉆孔和注漿布孔平面布置示意見(jiàn)圖3。

圖3 溶洞探邊鉆孔和注漿布孔平面布置示意

5 地下溶洞處理

5.1 溶洞處理原則

為確保實(shí)現(xiàn)業(yè)主要求的質(zhì)量、工期、安全、環(huán)境保護(hù)、文明施工等工程目標(biāo)，根據(jù)以往溶洞處理類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，本工程注漿總體施工順序遵循“先外后內(nèi)，先大后小”的原則。主要有以下幾點(diǎn)：

1) 地連墻施工前，根據(jù)基坑平面布置及其槽段劃分位置并采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行的“一槽兩鉆、縮量偏移”超前鉆勘察報(bào)告，進(jìn)一步探明溶洞布置與大小、邊界、洞高等形狀及溶(土)洞內(nèi)填充物、地下水位環(huán)境及富水性的原則。

2) 注漿采用跳注，即先注奇數(shù)孔，再注偶數(shù)孔，只有在每一組注漿完成后才進(jìn)行下一組的注漿工作，注漿在鉆孔完成并安裝完注漿管和排氣管后進(jìn)行。

3) 對(duì)多層溶洞要先處理下層溶洞后再處理上層溶洞。

4) 對(duì)于現(xiàn)已標(biāo)明的注漿孔，宜先施工周邊相鄰注漿孔。

5) 先處理高、大且無(wú)填充的溶洞，再處理較小且有填充的溶洞。

6) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及材料進(jìn)行注漿試驗(yàn)，選擇合理的注漿參數(shù)及漿液配合比。

5.2 溶洞處理措施及試驗(yàn)情況

考慮清遠(yuǎn)二線閘溶洞、溶溝的不規(guī)則性且層頂覆蓋砂層厚度達(dá)25.20～69.30 m的強(qiáng)透水性砂層[6]，溶洞填充情況主要為全填充，部分溶洞、溶溝為半填充。由于溶洞埋藏較深采用開(kāi)孔吹填碎石或砂漿等方式則效率較低，造孔費(fèi)用較高；采用大直徑樁錘直接沖孔或液壓抓斗開(kāi)挖成槽則由于溶洞頂部主要為砂層或卵石層等地層，當(dāng)施工過(guò)程中遇到溶洞發(fā)生坍塌容易造成地面塌陷突發(fā)性概率較高，危害性極大，施工人員及機(jī)械設(shè)備無(wú)法及時(shí)撤退。因此，為確保地連墻等樁基工程施工范圍內(nèi)的溶洞、溶槽、溶溝預(yù)注漿處理充分有效，保證地連墻等后續(xù)分項(xiàng)工程優(yōu)質(zhì)高效、安全生產(chǎn)及施工順利，經(jīng)專家評(píng)審與設(shè)計(jì)、監(jiān)理等單位研究同意本工程溶洞預(yù)注漿處理填充物宜采用水泥漿和雙液漿[8]。先采用雙液漿封邊，單液漿填充中間部位。即先利用地連墻兩側(cè)溶洞邊界探測(cè)鉆孔安裝注漿管和排氣管；然后采用經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試配確定的雙液漿固化地連墻墻體兩側(cè)溶洞填充物形成一定強(qiáng)度的槽壁，對(duì)無(wú)填充或半填充的溶洞，則在地連墻墻體兩側(cè)采用雙液漿填充封邊形成槽壁；地連墻墻體兩側(cè)填充物加固或?qū)o(wú)填充溶洞填充封邊完成后，再采用水泥漿液填充中間部位。清遠(yuǎn)二線閘溶洞注漿主要處理措施及試驗(yàn)情況如下：

1) 根據(jù)前期地連墻超前鉆資料，經(jīng)與設(shè)計(jì)及監(jiān)理初步判斷研究，為確保地連墻施工范圍內(nèi)的溶洞、溶槽、溶溝處理充分有效，保證地連墻等后續(xù)分項(xiàng)工程優(yōu)質(zhì)高效、安全生產(chǎn)及施工順利，兼顧盡可能節(jié)省投資角度出發(fā)，選擇基坑右側(cè)地連墻上游W3-W5槽段和下游W91-W93共2塊區(qū)域進(jìn)行溶洞處理注漿試驗(yàn)。

2) 確定單液漿試驗(yàn)水灰比配合比為1：1.5、1：1.2、1：1.0三個(gè)參數(shù)，具體漿液配合比以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)且不堵注漿管等情況確定，經(jīng)試驗(yàn)確定水灰比配合比為1：1.5。

3) 確定雙液漿試驗(yàn)配合比：雙液漿配合比需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)注漿管管徑、深度、注漿時(shí)間及待凝時(shí)間等綜合因素確定。雙液漿初始配合比按水泥：水：水玻璃=1：1.38：0.3(質(zhì)量比)進(jìn)行試配，項(xiàng)目部發(fā)現(xiàn)水玻璃用量過(guò)大，初凝時(shí)間過(guò)快以致經(jīng)常出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。為解決上述問(wèn)題，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)雙液漿配制比例，最終確定雙液漿配合比按水泥：水：水玻璃=1：1.38：0.16進(jìn)行施工。

4) 注漿工藝及方式：溶洞注漿排氣孔采用PVC管埋設(shè)；地面至溶洞頂覆蓋層注漿管采用PVC管埋設(shè)，溶洞范圍內(nèi)注漿管則采用袖閥管埋設(shè)，注漿管底部加下悶蓋的方式[8]，注漿管埋設(shè)剖面示意圖詳見(jiàn)圖4。注漿時(shí)，由于采用雙液?jiǎn)喂茏{受水泥與水玻璃混合后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)影響，容易造成堵管或攪拌機(jī)攪拌不動(dòng)等現(xiàn)象。為解決上述問(wèn)題，經(jīng)調(diào)整，采用雙液雙管匯合單管代替雙液?jiǎn)喂艿淖{工藝。對(duì)無(wú)填充或半填充的溶洞注漿時(shí)，要求少量多次，每個(gè)孔每次注漿量不宜超過(guò)30 m3,反復(fù)灌漿。

5) 注漿壓力：注漿壓力需結(jié)合注漿設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)注漿管管徑及深度進(jìn)行確定。注漿壓力需在以下注漿壓力的基礎(chǔ)上增加損耗壓力，初次注漿壓力控制在0.1～0.5 MPa，二次注漿壓力控制在0.4～1.5 MPa。經(jīng)測(cè)試，泵后注漿管管徑及路線損失壓力大約為1.5 MPa，本工程采用BW250型注漿泵有低、中、高3個(gè)檔位，相對(duì)應(yīng)注漿壓力為0.8～1.8 MPa、1.8～2.8 MPa和2.8～4.0 MPa；故本工程擬采用中檔位進(jìn)行控制注漿壓力[9]。

6) 注漿終灌標(biāo)準(zhǔn)：注漿時(shí)間根據(jù)壓力大小決定，如果注漿壓力達(dá)不到0.3 MPa，則每個(gè)孔每次注漿量不宜超過(guò)30 m3,注漿未達(dá)到0.3 MPa要求間隔24 h后繼續(xù)注漿，如此反復(fù)直至注漿達(dá)到終孔條件為止。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值或發(fā)現(xiàn)加固周邊建筑物有上抬趨勢(shì)或者發(fā)生串漿現(xiàn)象時(shí)即可終止灌漿(如圖4所示)。

圖4 注漿管埋設(shè)剖面示意

7) 封孔：當(dāng)注漿結(jié)束拔出注漿管后，立即用M7.5號(hào)水泥砂漿封孔。

5.3 溶洞處理效果

本工程注漿效果是進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)檢測(cè)并按注漿孔數(shù)的1%隨機(jī)鉆孔抽芯檢查注漿效果是否填充密實(shí)。標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)貫擊數(shù)不小于10擊，抽芯檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)空洞現(xiàn)象。從結(jié)果來(lái)看，達(dá)到了預(yù)期效果，結(jié)合后期超深地連墻施工過(guò)程分析，通過(guò)溶洞、土洞進(jìn)行填充、加固處理后，超深地連墻施工未發(fā)生任何質(zhì)量和安全問(wèn)題，混凝土充盈系數(shù)約為1.09。

6 墻內(nèi)預(yù)留灌漿管，提高了二次灌漿的鉆進(jìn)速度

由于本工程巖溶區(qū)域地質(zhì)情況復(fù)雜，溶洞、溶槽、溶溝發(fā)育的不確定性、巖面起伏落差極大，而地下連續(xù)墻墻趾僅需嵌入一定巖層即可滿足基坑支護(hù)安全及受力要求，無(wú)需完全穿透巖溶地層。但受制于溶洞、溶溝、溶槽發(fā)育的不確定性，場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖溶規(guī)模大，且存在多層或串珠狀分布。若地連墻或基坑底周邊無(wú)法形成止水帷幕，通過(guò)溶洞及裂隙連通外部河流，則存在滲水、涌水通道，容易導(dǎo)致基坑泡水甚至失穩(wěn)現(xiàn)象[10]。為解決地連墻底涌水、滲水問(wèn)題，確保地連墻及其底部形成有效止水帷幕[11]，在地下連續(xù)墻施工完畢后根據(jù)注漿工藝及其壓力按照一定尺寸重新布孔并采用工程地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆注漿孔，然后利用這些注漿孔對(duì)此地下連續(xù)墻底部進(jìn)行注漿形成有效止水帷幕，這類施工方法工期耗時(shí)久、效率低，不能及時(shí)進(jìn)行灌漿封堵達(dá)到止水效果，同時(shí)注漿孔垂直度無(wú)法保障、工程造價(jià)高，對(duì)基坑開(kāi)挖影響大。

為解決上述施工難題，提高效率，本工程采用鋼筋籠預(yù)留灌漿管結(jié)構(gòu)[11]，即地下連續(xù)墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，灌漿管焊接于鋼筋籠內(nèi)，施工時(shí)使鋼筋籠埋藏于混凝土內(nèi)，灌漿管從上至下貫穿連續(xù)墻。地下連續(xù)墻施工完成后，預(yù)留灌漿管作為地下連續(xù)墻內(nèi)預(yù)鉆的注漿孔，再采用工程地質(zhì)鉆機(jī)沿這些注漿孔向下延伸鉆下部注漿孔，新型地連墻鋼筋籠預(yù)留灌漿管平面布置示意見(jiàn)圖5，結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖6。利用這些注漿孔進(jìn)行地下連續(xù)墻的注漿使形成有效止水帷幕。這種施工方法大大減少了重新布孔和鉆注漿孔的時(shí)間和工期耗時(shí)，確保注漿孔的垂直度、工程造價(jià)低，對(duì)基坑開(kāi)挖影響小。這種方法的地下連續(xù)墻施工間要對(duì)預(yù)留灌漿管進(jìn)行末端封閉處理，否則混凝土倒進(jìn)入灌槳管內(nèi)，灌漿管失去充當(dāng)注漿孔的作用。

圖5 新型地連墻鋼筋籠預(yù)留灌漿管平面示意(單位：mm)

圖6 新型地連墻鋼筋籠預(yù)留灌漿管結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)灌漿管末端封閉處理不夠理想，僅用簡(jiǎn)單的纖維布包扎處理，往往因末端封閉處理不當(dāng)(或纖維布脫落或穿孔)而灌漿管失去充當(dāng)注漿孔的作用。

本項(xiàng)目地下連續(xù)墻采用鋼筋籠預(yù)留灌漿管結(jié)構(gòu)，包括有鋼筋籠和灌漿管，2～3支灌漿管縱向等長(zhǎng)連接于鋼筋籠內(nèi)，灌漿管的下末端依次具有圓筒部和圓臺(tái)部，圓筒部與灌漿管同軸同徑、長(zhǎng)度為50～100 m，圓臺(tái)部與圓筒部同軸，圓臺(tái)部的長(zhǎng)度為50～100 m，小端與圓筒部同徑、錐度1：2～3，混凝土塞頭填滿灌漿管的圓筒部和圓臺(tái)部。

采用地下連續(xù)墻用鋼筋籠預(yù)留灌漿管結(jié)構(gòu)針對(duì)較深地層中進(jìn)行地下連續(xù)墻施工時(shí)底部采用高壓噴射灌漿形成止水帷幕的工程，既可確保地下連續(xù)墻施工期間混凝土不進(jìn)入灌漿管內(nèi)，又方便在地下連續(xù)墻墻身施工完成后，迅速通過(guò)灌漿管向墻身下方鉆探并灌注灌漿操作，提高了鉆進(jìn)速度并節(jié)約了鉆孔抽芯費(fèi)用，加快了止水帷幕施工進(jìn)度，提高了基坑開(kāi)挖安全系數(shù)。

7 結(jié)語(yǔ)

清遠(yuǎn)樞紐二線船閘圍堰與基坑采用了地下連續(xù)墻加3～4道內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，存在砂層覆蓋厚，巖溶發(fā)育，基坑防滲和基礎(chǔ)處理難度大，施工邊界條件復(fù)雜，須確保北江大堤安全及一線閘不斷航等特點(diǎn)和條件。本文基于對(duì)超深地下連續(xù)墻施工過(guò)程中遇到溶洞發(fā)育地質(zhì)問(wèn)題及其對(duì)策的施工實(shí)踐進(jìn)行了分析,形成了以下結(jié)論：

1) 為防止在喀斯特地貌或溶洞發(fā)育地區(qū)施工地連墻出現(xiàn)安全隱患，減少投資，采用“一槽兩鉆、縮量偏移”方式布置超前探測(cè)孔和溶洞邊界探測(cè)孔，以最少鉆探次數(shù)探明地下溶洞邊界。所采取的措施合理可行有效。

2) 針對(duì)已探明且埋藏較深的溶洞，在地下連墻施工前，宜采用雙液漿和水泥漿對(duì)溶洞進(jìn)行預(yù)注漿處理，方法安全高效，可操作性強(qiáng)。

3) 由于溶洞、溶溝、溶槽發(fā)育存在不可預(yù)測(cè)性，以致地連墻墻底無(wú)法完全形成止水帷幕。通過(guò)在地連墻鋼筋籠內(nèi)預(yù)留灌漿管的施工技術(shù)，可高效解決墻底溶洞發(fā)生涌水、滲水問(wèn)題，確保深基坑安全。

4) 上述工程案例為實(shí)際施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他大型船閘及類似工程建設(shè)有顯著的示范標(biāo)桿作用，推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)升級(jí)。