地下溶、土洞填充加固施工技術(shù)探討

蔡旭東

廣州協(xié)安建設(shè)工程有限公司 廣東 廣州 510000

1 前言

巖溶和土洞是埋藏在巖溶區(qū)覆蓋層中的不利地質(zhì)現(xiàn)象，如果在這些區(qū)域施工作業(yè)，極可能會引起地表塌陷等施工問題。我國地域特性，大部分地區(qū)都是淺層巖溶地區(qū)，因而施工不可避免會遇上巖溶區(qū)域。特別是礦區(qū)還受到巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的影響[1]。由巖溶引起的土洞地面塌陷，有時會對地下建筑物、道路及配套設(shè)施、管道、村莊、農(nóng)田等造成嚴(yán)重破壞，人們的生命財產(chǎn)安全也因此受到前所未有的威脅，此外，嚴(yán)重破壞地質(zhì)環(huán)境，也會給生態(tài)恢復(fù)和管理帶來困難。施工現(xiàn)場的穩(wěn)定性以及建筑物的安全正常使用都深受其嚴(yán)重影響，因此，對于巖溶、土洞的形成原因分析，并采取合適的深基坑支護(hù)技術(shù)、地基處理措施，對于施工單位來說具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。

2 溶洞及土洞的一般處理原則

由于地層中溶洞的深度和大小不同，對地基及其上部結(jié)構(gòu)的影響也不同。因此，應(yīng)根據(jù)上述具體情況采取不同的治理原則。例如，地層中部的溶洞主要用來填充，使溶洞密集功能主要包括：一是在縱流隧道填充后，可以在縱流隧道和地基周圍形成完整的地形，以保證固定或復(fù)合地基，建筑設(shè)計(jì)方案按慣例實(shí)施; 二是在縱流隧道填充后，通道被水封閉，以防止隧道在地下水的侵蝕和侵蝕下擴(kuò)大和發(fā)展。

值得注意的是，在巖溶洞、土洞填筑材料的選擇上，沒有必要過于嚴(yán)格。一般來說，普通砂土或粘性土都可以使用，其硬度和密度不必太受限制。對溶洞進(jìn)行充填和無縫化處理，只能減少地基的不均勻性[2]。如果所用填料的強(qiáng)度或間隙過大，就會與周圍地基的強(qiáng)度或間隙大不相同，造成地基的不均勻性。因此，溶洞充填材料的強(qiáng)度和致密度應(yīng)與地基周圍的強(qiáng)度和致密度相近或一致。

3 地下溶、土洞問題對建筑地基的影響

3.1 溶洞問題對地基的影響以及其影響因素

施工問題是地基處理過程中的一個常見問題。它不僅會使巖溶地區(qū)的地基變得非常不穩(wěn)定，而且還會在施工過程中引起地基的安全問題，影響整個工程的進(jìn)度。影響溶洞地基穩(wěn)定性的因素有物理結(jié)構(gòu)、溶洞發(fā)育、結(jié)構(gòu)面特征、幾何形狀、頂板承載力等[3]。這些因素使得目前的勘探方法難以揭示巖溶地區(qū)的特征，難以進(jìn)行地基處理。

第二，在自然力的作用下，鐘乳石溶洞的褶皺結(jié)構(gòu)在褶皺轉(zhuǎn)折點(diǎn)容易開裂，造成鐘乳石溶洞的坍塌。這些裂縫表面粗糙，地下水活動頻繁，極不利于地基的穩(wěn)定。

最后，溶洞地下水是溶洞地基處理中的一個重要問題。縱流隧洞中地下水活動頻繁，水位易變。當(dāng)水位變化過大時，縱流隧道周圍的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生一定程度的變化，對縱流隧道基礎(chǔ)的穩(wěn)定性有很大的影響。另外，影響溶洞地基穩(wěn)定性的因素很多，如人工爆破、車輛振動、地下開挖、溶洞巖石質(zhì)量、溶洞體等。因此，要保證物種流動基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，必須從多方面入手，找到一個更加全面的解決方案。

3.2 土洞問題對地基的影響以及其影影響因素

土洞問題是土洞、溶洞等施工過程中常見的問題之一。如果處理不當(dāng)，地基會很不穩(wěn)定，即使塌方，也不能根據(jù)地基降水量直接施工，對下一階段的工作和施工單位都會產(chǎn)生負(fù)面影響。在施工過程中，影響土質(zhì)隧道地基穩(wěn)定性的因素很多，如地基土層、地下水活動、地表水活動和人為因素等。

首先，土層地基對地基穩(wěn)定性的影響、土層厚度和組成以及受地表覆蓋物影響的水層組成對地基穩(wěn)定性和水層組成的影響是不同的，由此產(chǎn)生的變形滲流和破壞滲流抗力也是不同的；一般來說，在相同水力條件下，松散級配砂土比土洞更容易發(fā)生坍塌，而相對粗糙的砂土不容易發(fā)生坍塌。粘性土層間距小，土體抗力弱，容易發(fā)生流土。由于地表土層厚度對地基穩(wěn)定性影響很大，根據(jù)調(diào)查資料，覆蓋層越厚，地基塌陷的可能性越小，否則地基容易失穩(wěn)，6m厚范圍內(nèi)塌陷的次數(shù)一般占了相當(dāng)大的比例。在厚度達(dá)到10m以上的土質(zhì)隧道中，地基塌方相對較小。

接下來的是水活動對土壤洞穴的影響。水通常指地下水活動和地表水活動。當(dāng)?shù)叵滤顒影l(fā)生時，地下水位降低，從而改變土壤的形態(tài)和質(zhì)量。在這種情況下，重量和其他結(jié)構(gòu)將受到影響。這種影響使土洞更加不穩(wěn)定，最終倒塌。比如在一些因素的作用下，空氣會發(fā)生壓縮爆炸，最終導(dǎo)致洞穴坍塌。還有就是水利工程建設(shè)，對原有地表含水量有一定的改變。另外，隨著水庫的建設(shè)，水庫放水時地基應(yīng)力會失去平衡，最終導(dǎo)致土洞坍塌，影響土洞地基的穩(wěn)定。

4 溶洞及土洞的一般處理技術(shù)

4.1 前期評估

在正確處理溶洞和土洞地基之前，必須對其進(jìn)行正確的評價?；鶐r之間存在軟弱分布，起伏地表伴有石芽、巖溶溝渠等現(xiàn)象；有淺層巖溶洞穴、地下河等大規(guī)模分布。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r采用正確、安全的技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。施工人員在不穩(wěn)定巖溶地區(qū)進(jìn)行施工時，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重影響地基穩(wěn)定性的巖溶洞穴和土洞，應(yīng)當(dāng)確定其位置和大小，詳細(xì)分析計(jì)算圍巖深度、穩(wěn)定性和當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，并根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況采取相應(yīng)措施。例如；（1）對于開口處的小孔隙，通常采用鑲嵌和堵塞的方法，如用一些礫石、塊石、粘土、砂子等填充；（2）對于洞口處的大孔隙，宜采用鋼筋、混凝土、梁、板等交叉方式，使交叉結(jié)構(gòu)本身具有可靠的支撐和承載面。如果是梁板結(jié)構(gòu)，其在巖石上的支承長度應(yīng)大于梁的高度，一般高1.5倍。此外，混凝土等塊石也可用于堵漏；（3）對于隧道周圍的不穩(wěn)定巖石，還應(yīng)采取不同的處理措施。如巖體風(fēng)化嚴(yán)重，出現(xiàn)裂縫甚至破壞，可采用注漿加固填土，清除巖體覆蓋的土層，爆破頂板，開挖軟土，最后用塊石或碎石混凝土填充；（4）對于大孔隙，這里的大尺寸指的是大深度和大開孔。如果遇到這樣的孔，可以采取從孔底支撐或調(diào)整柱間距等措施。在采取措施支護(hù)井底時，應(yīng)考慮井底環(huán)境的穩(wěn)定性。具體操作是用石柱、石拱門或鋼筋混凝土支撐。

4.2 采取的措施

如果在建筑物的基礎(chǔ)范圍內(nèi)出現(xiàn)土洞和地表塌陷，通常采取以下措施：（1）處理水。影響建筑物地基的水主要是地表水和地下水，為了防止地表水滲入土層，所采取的措施是截滲，有時還要堵塞; 地下水應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，防止土洞和地表塌陷。因此，主要的措施是攔截和轉(zhuǎn)移；（2）淺層土洞采用開挖充填處理方法。無論是在地表水還是地下水的作用下形成的軟土，都是先挖后填。在地表水的影響下，土洞通常采用塊狀或片狀混凝土填充。如果隧道開挖過大，可直接采用充填法，先迫使洞室坍塌，然后用礫石層層夯實(shí)；（3）對于大直徑深埋土洞，施工主要采用灌砂法和梁板穿越法。采用梁板交叉法時，要注意洞周土體的承載力和穩(wěn)定性是否滿足要求。把建筑物的重量轉(zhuǎn)移到穩(wěn)定的巖層上。

4.2.1 溶洞地基處理問題的解決方案

首先，流程處理應(yīng)遵循一定的原則。第一，避開巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的地區(qū)，找到合適的地區(qū)。第二，溶洞地基含有石膏或巖鹽，考慮會受到腐蝕的影響。第三，對于不穩(wěn)定的溶洞，應(yīng)在地基處理的基礎(chǔ)上采取適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?。第四，未?jīng)處理的地表沉陷區(qū)不得用作天然地基。第五，合理處理地下水，防止渠道堵塞。第六，使用樁時，應(yīng)選用直徑較大的樁或嵌巖樁。

其次，在處理對地基穩(wěn)定性有一定影響的溶洞地基和進(jìn)行溶洞滲漏的具體處理方法時，根據(jù)溶洞的位置、巖層的圍巖穩(wěn)定性、水文地質(zhì)條件等進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)分析結(jié)果采用不同的處理方法。小孔縫一般采用鑲嵌或蓋板方式。對于孔內(nèi)大裂縫，應(yīng)采用橫梁、板、拱等結(jié)構(gòu)的處理方法[4]。對于不穩(wěn)定巖壁和風(fēng)化礫石的巖石，可采取注漿、網(wǎng)眼充填等措施。對于較大的孔洞和裂縫，施工人員可以采用支撐孔體或調(diào)整基礎(chǔ)柱間距的方式來處理。

4.2.2 土洞地基處理問題的解決方案

在進(jìn)行土洞地基處理時，挖坑法是將原土洞中的軟土抹平，在土孔中鋪設(shè)塊石和礫石，并用石灰土和粘土壓實(shí)礫石表面。在處理地下水所形成的泥洞時，須以挖泥方法建造新的泥洞，以防止泥洞被堵塞。該方法一般適用于有傾斜地層的土洞[5]。灌漿方法是鉆孔后將100mm-150mm 砂礫注入基坑周圍基礎(chǔ)底部，用土或混凝土填充，適用于過度鉆孔的土洞處理。在處理大深度土洞時，一般采用橫梁板法，而不對土洞本身進(jìn)行處理。在處理地表水和地下水滲入形成的土洞時，可采用防滲的方法，人工控制地下水位，以保證地基的穩(wěn)定。

5 溶、土洞填充加固工藝

5.1 高度小于2.0m的溶洞、土洞樁的處理措施

（1）對于完全充填的小型溶洞和土洞，采用填充松散或軟塑性粘土的處理方法；根據(jù)資料，從溶洞和土洞上方1.5m開始，沖擊孔，同時回填石料和粘土混合物，并增加泥漿的比例，錘頭提高0.5m緩沖，利用石料和粘土混合物填充溶洞和土洞區(qū)域，以達(dá)到足夠的承重石填充帶，形成良好的墻體保護(hù)，也可以保證沖孔施工通過小洞、土洞底層的安全。此外，在樁孔內(nèi)進(jìn)行了小鉆孔高壓固結(jié)灌漿。水泥漿完成后，強(qiáng)度達(dá)到一定水平（一般為5 ～ 7天） ，再進(jìn)行沖孔樁施工。

（2）對小溶洞、土洞和半充填小溶洞、土洞將采取方法：根據(jù)資料，從溶洞和土洞上方1.5m開始，低錘產(chǎn)生緩沖作用。到達(dá)溶洞和土洞頂面后，沖擊時將硬石粘土混合物放入洞內(nèi)，控制錘擊距離溶洞和土洞頂面不超過0.5m。大量的石頭和粘土被連續(xù)不斷的沖擊填充到洞穴中，使洞穴變得致密。

5.2 高度大于2.0m的溶洞、土洞樁的處理措施

這部分溶洞和土洞高，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，對鉆孔灌注樁施工影響很大。為此，我們項(xiàng)目部專門開展了溶洞、土洞治理工作。具體的處理方案如下：

（1）毛片石、粘土、水泥漿充填固結(jié)法。首先，進(jìn)行普通沖擊鉆孔。正如以前的鉆井資料所顯示的那樣，水流和土洞都是從1.5m以上的高度受到?jīng)_擊的。到達(dá)溶洞頂和土洞頂后，進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)，放入碎石、粘土和水泥混合物[6]。主要控制要點(diǎn)如下：1）回填用碎石直徑控制在30 ～ 50cm之間，選用優(yōu)質(zhì)膨潤土作為粘性土；2）在整個充填壓實(shí)過程中，錘頭應(yīng)保持低而緩慢，錘頭高度不應(yīng)超過溶洞頂部以下1.0m；3）停錘標(biāo)準(zhǔn): 回填料密實(shí)，回填料的高度應(yīng)比縱流頂部至少高1.5m。其他洞室應(yīng)用優(yōu)質(zhì)粘土回填，以確保安全；4）鉆孔灌注樁須于5至7天后進(jìn)行。

（2）采用塑性混凝土回填法。對于未填充的散裝流體，應(yīng)采用塑性混凝土回填的方法。具體措施如下：1）塑性混凝土由水泥、砂和粘土制成。配合比應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定?；炷帘仨毦哂辛己玫耐杆院土鲃有?；2）根據(jù)地質(zhì)調(diào)查局資料，從水流的位置及大小來看，應(yīng)在水流位置鉆孔。根據(jù)流量分配區(qū)域的大小確定孔的數(shù)目；3）塑性混凝土澆筑過程中，如澆筑量大，可采用間歇式澆筑。澆筑一定量的混凝土后，暫停澆筑。待混凝土被灌注到一定的固定強(qiáng)度，然后再進(jìn)行灌注，直到溶洞被填滿；4）灌注填筑完畢后，靜置3 ～ 5天后再進(jìn)行鉆孔灌注樁施工。

6 盾構(gòu)穿越施工順序和注意事項(xiàng)

6.1 施工順序

隧道邊界勘測、注砂及填土工程須按施工次序進(jìn)行。當(dāng)井眼高度超過3m時，應(yīng)組織水泥漿加固及專業(yè)部門檢驗(yàn)驗(yàn)收。在灌漿施工過程中，先進(jìn)的止水和灌漿帷幕施工要求對溶解裂縫進(jìn)行全面的加固處理。與其他洞室隔離后，可在縱流隧道區(qū)域內(nèi)進(jìn)行沖孔加固處理。在噴涂過程中，如噴涂損失速度過快，應(yīng)及時增加水玻璃速凝劑，以有效控制噴涂材料的損失，確保噴涂效果。

6.2 施工注意事項(xiàng)

現(xiàn)場地質(zhì)勘查階段公布的巖溶洞穴和高危地區(qū)的巖溶洞穴必須進(jìn)行相應(yīng)的填充和加固。但在進(jìn)行隧道沖刷加固處理前，必須確定市政管線在周圍處理區(qū)域內(nèi)的具體分布，并及時采取相應(yīng)的清除和更換措施。在巖溶處理和加固施工中，盡量避免施工堵塞或管道施工造成的損壞。巖溶施工應(yīng)急措施包括：地鐵隧道施工前，為充分做好各種現(xiàn)場施工事故可能性的預(yù)測和評估準(zhǔn)備，在事故發(fā)生時及時采取應(yīng)急救援和應(yīng)對措施，及時處理所需設(shè)備和材料、預(yù)制鉆孔塌方或引水事故[7]。在噴射混凝土施工過程中，為防止噴射混凝土溢流孔口，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施密封孔口。地面水泥漿施工完畢后，水泥漿孔應(yīng)完全密封，杜絕出現(xiàn)密封缺陷，以確保隧道內(nèi)其他施工的安全。

7 結(jié)語

巖溶洞穴是石灰?guī)r在水中長期溶解形成的洞穴。淺層巖溶洞穴發(fā)育成為開口式巖溶洞穴，由于土層塌陷而充填，是巖溶洞穴形成的共同原因。在工程使用壽命期間，土洞的開發(fā)概率很高，土洞的開發(fā)是建立在可靠性的基礎(chǔ)上的。因此，應(yīng)對場地內(nèi)的土洞和淺層溶洞進(jìn)行處理。特別是在淺層巖溶溶洞建筑物基礎(chǔ)施工中，上部砂層具有潛在的不穩(wěn)定性，容易突然坍塌。為了進(jìn)一步保證地基和建筑物地基的穩(wěn)定性，有必要對土體、縱流隧道和溶洞進(jìn)行注漿加固和填充處理。