掏砂洞的探查方法研究与应用

2011-08-15丁剑波贺茉莉龚高武

湖南水利水电 2011年5期

宾斌丁剑波贺茉莉李莉刘军龚高武

（湖南宏禹水利水电岩土工程有限公司长沙市 410007）

前言

南水北调中线一期某项目工程在进行强夯、土挤密桩和基坑开挖施工过程中，发现地面以下（10～20）m 的砂层中存在较多的坑洞。经多次现场查勘，并组织人员对渠道沿线的类似坑洞进行调查，查明坑洞均为20世纪80、90年代当地人掏砂时所留下的砂洞，洞径一般为（1～3）m，长度在几米至百米之间。由于人工掏砂的随意性，洞线错综复杂，呈分支、多层、密集、交错状不均匀分布。掏砂洞存在年代较长，大部分掏砂洞的洞口已坍塌被埋，部分砂洞洞身塌落，洞内泥砂疏松，洞顶上移。为保证南水北调今后渠道运营安全，必须查明沿线渠道基础范围掏砂洞的分布并进行充填、加固处理。

1 工程地质

勘探钻孔深度25 m左右，孔底高程约在+70 m。场区内自上而下地层与掏砂洞分布情况如表1所示。已探明的掏砂洞高程一般在+85 m～+74 m之间，洞高（0.6～2.2）m。部分存在双层掏砂洞，部分掏砂洞已坍塌，塌后洞内物质结构疏松。

表1 场区内工程地质特点及掏砂洞分布

2 掏砂洞探查方法研究

由于掏砂洞年代久远，洞口多已塌陷，很难在进行掏砂洞灌浆加固前，准确确定掏砂洞的具体位置。因而在渠底基础强夯和开挖时，尤其在暴雨后掏砂洞部位出现了塌落下陷。为查明掏砂洞的分布，对掏砂洞采用地面调查法和物探法结合钻孔进行详细勘察。

2.1 地面调查法

地面调查法是根据地表遗留的洞口，以及砂层的相对位置来确定掏砂洞的大概位置。地面调查仅能发现极少有残存洞口的掏砂洞，再依据洞口位置确定掏砂洞存在的区域范围。该方法经济直接，但能查到掏砂洞的机率太低，只能做为辅助方法使用。

2.2 物探法

物探法是通过对地层电阻率的差异进行对比分辨，来确定存在的掏砂洞相对位置。采用电法大面积勘测渠道场地后，对可能存在掏砂洞的地段进行钻孔复核，但在电法探测到可能有掏砂洞的位置进行钻孔发现仅10%的位置有掏砂洞。经分析，可能由于地质条件复杂，地下水位位于掏砂洞所在砂层的10 m以下，上部含水率低，掏砂洞埋深大，所处部位上下土层内电性差异不大以及部分掏砂洞内坍塌等原因导致物探结果失真[1]；加上掏砂洞沿线分布6 km，采用物探法造价相当高，费用达数千万。因此，采用物探法探测掏砂洞的准确率低，且不经济。

2.3 结合掏砂洞处理探查掏砂洞方法研究

查阅国内外有关资料[2]，对该类地质条件的土层中存在的掏砂洞探查尚无经济、准确可靠的方法。考虑探查掏砂洞的经济性与可靠性，决定首先采用地面调查法，确定掏砂洞存在的地段，再用灌浆钻孔结合探查掏砂洞方法进行探查与加固处理，达到降低成本，提高工效的目的。为此，在掏砂洞密集区域，进行了试验研究。

2.3.1 灌浆钻孔探查掏砂洞概率式建立

现场揭露的掏砂洞形状如图1。

图1 已揭露的掏砂洞

掏砂洞洞径一般为（1.0～3.0）m；方向在几十米的范围内基本较直。为方便公式推导及计算，假定以下条件：

（1）掏砂洞基本是沿直线分布，不考虑掏砂洞因方向与弯曲所导致的长度变化；

（2）掏砂洞直径一定；

（3）探查掏砂洞的钻孔方形网格布置，且布满整个探查区域；

（4）钻孔垂直；

（5）采用较稠的无收缩改性粘土水泥浆液进行灌浆，假定浆液在较低压力下能影响到的半径可确定。

设掏砂洞的直径为d，掏砂洞的长度为Z，单孔浆液影响半径为a，网格形钻孔孔距为m。根据概率论，若事件之间相互独立，试验只有可能两个结果A或，则该试验为伯努利试验[3]。在n重伯努力试验中，若一次试验时事件A发生的概率为p，则在n重伯努利试验中A发生的k次的概率为：

钻孔探查掏砂洞，如图2所示。

图2 钻孔示意图

EF长度是网格形钻孔孔距为m，掏砂洞的直径为d，当掏砂洞的轴线在EF两孔之间，钻孔探不到掏砂洞的概率为p=（m-d）/m；在掏砂洞方向上有n排钻孔，k排探不到掏砂洞的概率符合伯努利试验概率公式。即有k次探查不到掏砂洞，其概率为：

当所有钻孔探不到掏砂洞时K=n，即有：

采用方形等间距网格布孔，考虑到网格两边都有钻孔，有：

则在整个区域内，存在掏砂洞时，该掏砂洞被钻孔探到的概率P′为：

将钻孔后进行灌浆探查掏砂洞的影响因素考虑进去，所得到的修正概率P为：

2.3.2 钻孔灌浆探查掏砂洞概率计算

据已揭露掏砂洞情况，对洞径d、长度Z、灌浆影响半径a进行统计分析，分别取值如表2所示。通过采用表2中数据进行计算，求出钻孔灌浆探查掏砂洞概率，确定适合的钻孔间距。

采用式（6）及表 2 中的 d、Z、a、m 等值进行交互计算可得表3中数据。

2.3.3 灌浆钻孔探查掏砂洞概率分析

根据不同掏砂洞直径、长度、灌浆影响半径等因素计算出的概率，以网格孔距为横坐标，概率为纵坐标，绘制如图3所示。从图中可明显看到，掏砂洞越长、直径越大、灌浆影响半径越大、网格间距越小，所探查到掏砂洞的概率越高；反之概率就越低。在网格间距为8 m，钻孔探到掏砂洞的概率大部分在0.8以上，比网格间距为10 m的要高得多。

表2 掏砂洞直径、长度、灌浆影响半径以及网格孔距取值 m

表3 在不同的直径、长度、灌浆影响半径取值下，由不同的网格间距计算所得到的概率P

以钻孔深度20 m计算，在不同的网格间距下，每一平方米所需的钻孔米数如表4所示，当间距缩小时，钻孔米数增多，钻孔费用明显增加。

图3 不同钻孔间距探到掏砂洞的概率

表4 在不同钻孔间距下，每平方米的钻孔米数

结合人工掏砂的特点，在砂层中掏砂，一般采用多洞、并行、中间留有支撑方法进行采挖。这样掏砂洞在含砂层的地段，洞身长达几十米甚至百余米，且支洞较多；而在砂层较薄的地段，仅几米就被废弃，并回填了洞中挖出的泥土。从图3中可看到，采用8 m的网格间距，探查到掏砂洞的概率大部分在0.8以上，较10 m、12 m要高出许多；此时钻孔费用较6 m间距要少得多。按照经验，采用梅花型钻孔较采用方形网格钻孔探查掏砂洞概率更高。因此试验探查采用梅花型布孔、8 m间距进行。

2.3.4 试验结果分析

试验的钻孔、灌浆工艺（简）如下：

（1）钻孔工艺：采用泥浆护壁回转钻进，终孔直径Φ91 mm。

（2）灌浆方法、灌浆材料：注浆施工采用上部粘土封闭、全孔静压灌注粘度较大、收缩小的改性粘土水泥浆液。

（3）灌浆终止压力、结束标准：灌浆终止压力不小于0.5 MPa，在地面冒浆持续增大时或注入率小于10 L/min时，继续10 min后结束灌浆。

本次试验梅花型8 m孔距钻孔共392个，钻孔、灌浆后探到掏砂洞的钻孔数有35个，占钻孔总数的8.9%。同时在灌浆过程中，发现有24个孔灌浆量明显较其它的钻孔要大得多，单孔吃浆量在1.5 m3以上，初步认定为疑似掏砂洞。为确保工程完全，需要在这类孔周围进一步加密布孔；同时考虑到掏砂洞具有成群分布的特点，在已钻孔灌浆探明的掏砂洞孔号周围也需进一步加密探查是否还有未探明的掏砂洞。

3 加密钻孔研究

在人工掏砂过程中，一般在含砂量较多的地层中，常采用多洞、并行、中间留有支撑方法进行采挖，也就是说，在掏砂洞的周边，可能存在多个平行或交叉的洞。为简化施工现场布孔工序、提高探查概率、减少钻孔数量，在灌浆、钻孔所发现的掏砂洞孔号和灌浆量较大的钻孔号旁施工加密孔，加密孔呈“十”字型、按孔距4 m→2 m逐渐加密的原则布置。

试验结果如表5。

表5 掏砂洞探查结果统计表

对孔内灌浆异常和钻到掏砂洞的孔周围布置加密布孔后，钻孔施工直接探到了较多新的掏砂洞，但存在较多的重复。经灌浆后，加密钻孔可以确定为探到新的掏砂洞的数量为15处左右，说明加密钻孔能够有效的继续探查新的掏砂洞，可以进一步保证掏砂洞探查较完全。

通过概率公式推导、计算、分析，确定采用8m钻孔间距，梅花型布孔，通过钻孔灌浆直接探查到掏砂洞的为35个，占总数的70%左右；通过对灌浆、钻孔所发现的掏砂洞孔号和灌浆量较大的钻孔号旁施工加密孔，加密孔呈“十”字型、按孔距4 m→2 m逐渐加密的原则布置，探查到掏砂洞的个数约为15个，占总数的30%左右。