覆盖型岩溶区地下输水管道工程地质问题处理

夏志强，赵国军

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 工程概况

杭州市第二水源千岛湖配水工程从千岛湖淳安县境内取水，通过输水隧洞将水引至杭州市余杭区闲林水库，为下游原水输水工程提供优质千岛湖水。主要建筑物包括千岛湖进水口、千岛湖—闲林水库输水隧洞（含埋管、事故检修闸、闲林控制闸、调压井等）、分水口、出口流量控制建筑物、闲林水库取水口等。输水线路起点千岛湖进水口位于淳安县金竹牌村附近，沿途经淳安县、建德市、桐庐县、富阳区，在杭州市余杭区桦树村接入闲林水库，分配水量至沿线的建德市、桐庐县、富阳区部分区域，并在杭州市配水枢纽—闲林水库分配水量至杭州市主城区、萧山区和余杭区东苕溪以东地区等3个方向，实现水位、水量控制，提高杭州市及沿线城乡供水水质和保证率，杭州市区形成千岛湖、钱塘江、东苕溪联合供水、互为备用的多水源供水格局，并为实现分质供水打下基础。输水线路全长113.22 km，输水隧洞衬后洞径6.70 m，进水口设计流量38.8 m3/s，97%保证率设计年配水量为9.78亿m3。莲花溪埋管段是杭州市第二水源千岛湖配水工程施工2标的重要分部工程，地处建德市莲花镇。埋管段长430 m（桩号K12+188.5～K12+618.5 m），场地原地面高程为75.50 m，设计开挖底高程为64.70 m，基坑开挖底宽约7.80 m，放坡开挖坡比1:1.5。坡面采用素喷6 cm混凝土支护，所用钢管内径为5.00 m，外包厚80 cm混凝土衬砌，钢管安装施工后用开挖料碾压回填；基坑选用单排高压旋喷桩防渗墙做止水帷幕，孔距≤1.00 m。本埋管段采用明挖法施工，平面、典型断面布置见图1～2。

图1 莲花溪埋管段平面布置图

图2 埋管断面图 单位：cm

2 工程地质条件

莲花埋管段覆盖层主要为以下几部分。人工填土（rQ）：成分主要为含砾砂粉质黏土，厚约1.00 m，主要分布于道路、村庄等。第四系全新统冲洪积层（alplQ4）：上部为含砾石粉质黏土，灰—灰黄色，稍湿，可塑，卵砾石直径一般为0.3～3.0 cm，大者达8.0 cm以上，呈次棱角状，表面多呈强风化状，厚约1.00 m；下部为含泥砂砾卵石，卵石直径一般为5.0～20.0 cm，局部含直径25.0 cm以上的漂石，呈次圆状—次棱角状，弱风化，原岩以灰岩、砂岩为主，中密—密实，局部含泥量较高，该层厚度一般为5.00～10.00 m，局部溶蚀沟部位厚度大于30.00 m。第四系全新统残坡积（el-dlQ4）：含碎石粉质黏土，厚度较薄，一般小于0.50 m，分布于山坡上；另有第四系崩坡积（col-dlQ4）碎石土，分布于右岸山坡坡脚，最大厚度约为9.00 m。

基岩主要为石炭系上统船山组（C3c）的含遂石结核灰岩和石炭系中统黄龙组（C2h）的生物灰岩、白云质灰岩等。经现场调查及基坑开挖揭露，基岩溶隙溶沟等垂直岩溶形态发育，但溶洞等大型岩溶现象少见，在输水洞线北侧约100.00 m见一较大规模溶洞，枯期见少量出水。本埋管段灰岩溶蚀沟槽内多充填上述第四系全新统冲洪积含砾石粉质黏土、含泥砂卵砾石等，属于覆盖型岩溶，钻探显示最大岩溶淘刷深度达30.00 m以上。垂直向岩溶形成溶蚀沟槽见图3。

图3 垂直向岩溶形成溶蚀沟槽图

地基承载力特征值建议值：含泥砂砾卵石fak=250～300 kPa；灰岩承载力特征值fak=1 500～3 000 kPa。

现场水文地质试验成果：砂砾卵石层渗透系数为1.18×10-3～2.23×10-2cm/s，属中等—强透水性；强溶蚀带灰岩渗透系数为1.01×10-3～7.53×10-2cm/s，属中—强透水性；弱溶蚀灰岩透水率一般1～6 Lu，属弱透水性，局部区域大于10 Lu（中等透水）。

3 基坑开挖揭露的工程地质问题

莲花溪埋管段原始地面高程约为75.50 m，设计开挖底高程约为64.70 m，设计开挖坡比为1:1.5。从基坑开挖情况来看，基坑内所揭露的地质情况与前期勘察结果基本吻合，表层1.00 m左右为冲洪积层含砾石粉质黏土，灰黄—灰褐色，湿，可塑；下部为含泥砂卵砾石，灰—灰褐色，湿，中密，厚度大。覆盖层表部为含砾石粉质黏土（见图4），覆盖层中下部为含泥砂卵砾石（见图5）。

图4 覆盖层表部为含砾石粉质黏土图

图5 覆盖层中下部为含泥砂卵砾石图

原始地表以下开挖约3.00 m，即高程72.50 m时，基坑下游段局部已揭露柱状基岩。由于埋管段处于覆盖型岩溶作用区，基坑开挖所揭露的覆盖层以下灰岩垂直向岩溶发育强烈，受河流冲刷和岩溶共同作用，该处灰岩地基中发育有形态不一的溶蚀沟槽，形成典型的石芽地貌。根据勘察资料深槽最大相对深度达30余米，沟槽内大多为冲洪积物所充填，充填物主要为含泥砂卵砾石。因此基坑内基岩与覆盖层分界线起伏大，不存在稳定、连续的基岩面。不连续的覆盖层、基岩分界面见图6，开挖揭露石芽地貌见图7。

图6 不连续的覆盖层、基岩分界面图

图7 开挖揭露石芽地貌图

如同前期勘察资料分析，埋管段基坑开挖后发现基底高程处灰岩分布极不连续，建基面属于土、岩组合地基[1]，溶蚀作用强烈发育、地基不均匀性问题极为突出。为保证埋管段地基承载力满足设计要求，防止土、岩组合地基造成不均匀沉降问题，需采取一系列必要的工程措施以消除上述工程地质问题所带来的影响。

4 工程地质问题处理

4.1 补充勘察

鉴于本埋管段位于强溶蚀发育的覆盖型岩溶区，基岩面起伏较大。为检验、核定初步设计阶段勘察的地质资料与结论，对施工中出现的上述问题进行专项勘察，进一步查明埋管段工程地质条件，为施工图设计提供准确的工程地质勘察成果，并提供与优化设计有关的工程地质参数和地质建议[2-3]。勘察单位于2016年10—11月对本埋管段进行补充工程地质勘察工作，主要成果简述如下。

4.1.1 岩溶发育特征

河床段分布的覆盖型岩溶区，主要为厚度3.00～10.00 m的河流冲积堆积物所覆盖，其下伏船山组和黄龙组灰岩，溶沟、溶槽等垂直向岩溶形态发育，密度和强度均较大，强溶蚀带深度达25.00～30.00 m，线溶蚀率20%～45%。受河流冲刷和岩溶共同作用，勘探揭露河床灰岩不规则深槽发育，岩面存在大幅度起伏现象，相对深度最大达20余米，呈现埋藏式的石芽、石林等岩溶形态，其间主要为冲积堆积物所充填，钻探显示岩隙孔穴均为密实泥、砾等充填。未揭露现状活跃的大规模伏流发育，预计深部的水平向岩溶形态被淤塞式充填的可能性较大，但并不能排除现状河流通过这些水平岩溶形态与开挖基坑存在水力联系，该基坑地下水位较高，土层透水性强，防渗处理难度大。

4.1.2 岩溶作用影响评价

该段以埋管形式穿越，基岩岩溶作用的影响相对较小，但深基坑的开挖会改变地下水流向，形成新的地下水排泄通道，尤其在近河的深基坑作业，存在河水和地下水通过强岩溶系统的大强度渗流问题，须做好防渗与排水工作。由于岩溶地区特有的基岩面强烈起伏现象，对各类建筑物的影响也应予以考虑。

基岩面整体埋藏较浅，但因其岩溶发育，岩面起伏幅度大，局部埋管基础置于含泥砂砾卵石层或含砾石粉质黏土层上，该层地基承载力较高，可满足埋管的地基承载力要求，但应注意地基的不均匀沉降，必要时可采用桩基础；基岩中埋藏较浅的小型溶腔建议直接开挖清除充填物后回填混凝土处理，或采用短桩、墩等基础型式；埋管段基坑边坡多为含泥砂砾卵石，透水性好，施工时做好基坑围护和截排水工作。埋管段轴线工程地质纵剖面见图8。

图8 埋管段轴线工程地质纵剖面图

4.2 防渗帷幕深度控制

本埋管段在基坑开挖边线以外设置高压旋喷桩作为防渗帷幕。考虑到本埋管段覆盖层为透水性强的地层，且灰岩溶蚀空腔、沟槽等无规则发育，形成众多渗漏通道。覆盖层以下不存在稳定的基岩面，因此防渗处理深度不能以传统的进入基岩面以下若干深度为控制标准。

此类覆盖层以含泥砂卵砾石为主，且局部夹大型块石、漂石，同时灰岩中发育溶蚀沟槽的地质条件，高压旋喷桩的适用性需根据现场试验结果确定。考虑到覆盖层中大块杂质较多，有效喷射、切割半径会受一定影响，且溶蚀沟槽等渗漏通道发育不规则，施工中采取较小的桩孔间距，适当增加喷浆量，本工程要求孔间距≤1.00 m；同时需根据现场试验确定合适的喷射压力、浆液配合比、提升速度等参数，必要时可添加外加剂与掺合料。

本工程根据前期勘察及上述专题勘察中钻探、物探等方式推测出强溶蚀作用下限标示于剖面图中（图8下部曲线）。推测强溶蚀带埋深约为地表以下20.00～30.00 m。本埋管段所采用的高压旋喷桩防渗帷幕即根据此强溶蚀带埋深控制施工深度，孔底要求进入强溶蚀带下限以下0.50 m为控制标准，做到最大限度封堵渗漏通道。根据基坑开挖情况，防渗整体效果基本满足设计及施工要求。

4.3 静态爆破开挖

基坑覆盖层以下典型的石芽、石林形态基岩给基坑开挖带来不小难度。形成石芽的灰岩本身致密坚硬，除岩溶发育外，岩体结构面不发育，完整性好，挖机、镐头机等机械设备开挖难以满足施工进度要求；另外岩体多以柱状形态发育，各岩柱间临空面较多，岩柱单体规模较小，不便于进行常规爆破；且场地位于村庄密集区，周围环境决定明挖施工中不适宜采取常规爆破作业。

因此本基坑岩体开挖采用静态爆破[4-5]，即人工在岩体上打孔后装入特制膨胀剂使岩体碎裂后予以挖除。实践证明静态爆破在施工进度与开挖效果方面的表现整体良好。

4.4 根据基岩分布特点合理布置桩基

本埋管段覆盖型岩溶发育特征造成天然地基的不均匀性、不连续性，无法作为良好的天然持力层。基坑下游段桩号K12+510.0～K12+544.0 m为典型石芽、石林地貌，可视为力学性能良好的天然桩基；岩柱之间充填黄褐色含泥砂卵砾石，承载力较高，虽可做为天然持力层，但其物理力学性能远低于岩柱。如果直接将埋管置于天然地基上，由于岩柱与含泥砂卵砾石的地基承载力、变形性能等有较大差距，可能导致结构受到破坏，或产生严重不均匀沉降。为解决上述问题，在充分利用岩柱作为天然桩基的情况下，于岩柱之间的含泥砂卵砾石中布置适量钻孔灌注桩，以满足整体地基承载力与变形要求。经过荷载及变形计算后，确定桩径为80 cm，间距2.50～3.00 m，均布置在含泥砂卵砾石中，嵌岩深度不小于50 cm。

基坑桩号K12+510.0 m往上游段，岩柱发育较少，覆盖层较厚，于基底系统布置钻孔灌注桩，桩径80 cm，横向间距2.50 m，纵向间距3.00 m，嵌岩深度不小于50 cm。图9为钻孔灌注桩平面布置图。

图9 钻孔灌注桩平面布置图

桩基施工完成后，先在基底浇筑厚约50 cm的C25混凝土垫层；然后用直径5.00 m钢管支撑起一定净空以便于安装，组装完后在其外部浇筑最小80 cm厚C25F50外包混凝土；在此之前先将桩头及预留钢筋接入外包混凝土底部混凝土中，最终形成断面边长6.60 m的正方形混凝土包管结构，连同下部岩柱、桩基等形成整体（见图10）。如此将埋管与桩基、天然柱基合为一体，有效解决不均匀地基对工程结构带来的不利影响，使得结构与基础在刚度、受力、变形协调性能等方面得到整体提升。

图10 钢管外包混凝土施工效果图

4.5 确定灰岩可利用基岩面

本埋管段基岩与覆盖层分界面起伏大，且上部覆盖层中夹有一定数量直径达数米的大型漂石、块石等孤石，同时考虑到岩体内可能发育的形态各异、规模不等的下卧溶腔、斜沟槽。因此仅通过规定一定的钻孔深度控制桩长，或者仅按一定的入岩深度控制桩的嵌岩深度并不可靠，本埋管段不同于基岩面稳定的区域，不存在近似桩长。由于石芽中发育有隐伏的形态各异的溶腔，基底出露的石芽不能当作完整、可靠的岩柱利用。

为探明基底出露的岩柱是否可以作为天然桩基加以利用，以及在含泥砂砾石中所布置的灌注桩端部以下岩体的完整性（嵌岩深度以下岩体完整程度、溶腔发育情况）。本埋管段先对部分出露的石芽进行钻孔查探，根据设计计算，钻探基岩段连续长度不小于3.00 m时才可当作天然岩柱利用；含泥砂砾石中布置钻孔灌注桩的位置在打桩前必须钻孔以确定可靠基岩面埋深，当基岩段钻孔连续长度不小于3.00 m时，该嵌岩位置才可视为可靠基岩面。灌注桩桩长则根据上述实际可靠基岩面确定，要求嵌岩深度不小于50 cm。

5 结 语

（1）在覆盖型岩溶区地质勘察工作中需对区域地质情况有更深入的调查；在收集区域地质资料基础上，根据现场地质测绘和物探探测成果做到细致全面地分析地表岩溶发育情况，有针对性地加密、加深布置勘探点，以更详细地查明岩溶发育特点；施工阶段必要时需进行补充勘察作业，为设计、施工提供依据。

（2）覆盖型岩溶区建筑物地基开挖后，在天然地基不能满足相关要求时，须进行特殊的地基处理或基础设计形式，做到因地制宜，在充分利用可靠岩体分布特点的情况下最优布桩。

（3）覆盖型岩溶区的防渗帷幕、桩基等在隐蔽工程验收或入岩深度控制时，应考虑到灰岩中溶腔、溶蚀沟槽的发育或深厚覆盖层中孤石的干扰等情况，尽量做到以强溶蚀带控制防渗体深度；对于桩基，须借助其他手段综合判断可利用基岩深度以确定桩长，确保不因隐伏溶腔的发育而影响桩基安全。