溶洞发育区超深地下连续墙施工处理技术

黄茂兴

(广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340)

1 概述

近年来，随着国家和地方政府对水利与水运基础建设的投资力度加大，受征地及规划等原因影响，需在紧邻原水利枢纽构筑物基础上进行扩建，然而此类超大型围堰与深基坑支护既要确保已有建筑安全及设施正常运行，又要满足防洪度汛要求，虽然支护结构采用地连墙是比较可靠的解决方案，但超深地连墙施工遇到工程地质条件复杂，岩溶发育区域时，存在极大的安全隐患。

以清远枢纽二线船闸工程为例，其围堰与基坑支护方案：上游导航墙、上下闸首、闸室处采用地连墙+内支撑结构，下游导航墙处采用地连墙+上部胸墙[1]。由于本工程区域属喀斯特地貌，工程地质复杂，溶洞发育强烈；船闸左岸靠近运行中的一线老船闸，右岸靠近清西围大堤。要求在施工围堰与基坑支护工程——超深地连墙时须确保北江大堤和一线闸施工安全及一线闸不断航，保证超深地连墙施工遇到溶洞不发生槽壁坍塌事故，防止地连墙施工坍塌造成环境污染。根据有关水利工程安全评估及涉水施工方案审查会专家组的意见，地连墙施工前，每槽地连墙均按“一槽两钻、缩量偏移”方式采用超前钻查明每个槽段嵌入岩层是否存有溶洞、土洞，然后针对已探明岩溶区域，对地连墙两侧槽壁进行预注双液浆填充固化[2]，地连墙中间部位采用预注水泥浆的处理方法，从而提高抗岩溶局部坍塌的能力，为安全、顺利施工清远枢纽二线船闸保驾护航。

2 工程概况

清远枢纽二线船闸位于北江干流清远城区下游石角镇大燕河口上游约1.0 km处清远水利枢纽右岸滩地处，布置在一线船闸右侧，两闸平行，中心距为90 m，以上闸首上游面(轴线坝)对齐布置，上游起点桩号为航上1+561.8，下游终点桩号为航下2+754。其中，上闸首长为50 m，闸室长为220 m，下闸首长为 56 m，建设规模为220 m×34 m×4.5 m。根据施工图设计，作为清远枢纽二线船闸基坑围护及防渗结构的地连墙既兼做围堰又要满足防洪功能、结构安全、渗透安全等[3]，设计深度要求墙趾底部进入岩体为1～8 m，围堰与基坑支护平面布置示意见图1。

图1 围堰与基坑支护平面布置示意(单位：mm)

3 溶洞分布情况

根据《清远二线船闸初步设计工程地质勘察报告》[4]，本工程地质勘察报告显示，地质条件较复杂、覆盖砂层厚度大。除闸室段地质大部分为泥质粉砂岩外，其余位置均为灰岩地区，不良地质现象主要包括溶洞、土洞。

1) 溶洞：灰岩区溶洞发育，部分为多层串珠状溶洞，溶洞填充物主要为软塑粘性土、砂层或卵砾石，部分溶洞为无填充物，钻探时漏水现象严重。场区内共完成858个钻孔中有320个发现溶洞，见洞率为37.3%，溶洞高度为0.20～12.80 m，层顶埋深为25.20～69.30 m。

2) 土洞：土洞填充物主要为软塑粘性土、砂层，少量为卵石。场区内共完成858个钻孔中有263个钻孔发现土洞，见洞率为30.7%，溶洞高度为0.30～17.00 m，层顶埋深24.90～67.30 m。

本工程围堰与基坑典型地质纵剖面示意见图2。

图2 典型地质纵剖面示意

4 地下溶洞边界探测

为达到用最少钻探次数探明地下溶洞边界，采用“一槽两钻、缩量偏移”的方式布置溶洞探测边界钻孔。即先沿地连墙轴线按每个标准槽段(平面长度为6 m)布置2个超前钻孔(钻孔间距为3 m)，若超前钻发现溶洞，则该区域溶洞边界探测孔按双向间距2 m×2 m 进行布置，钻孔深度为钻至溶洞底部完整中风化岩层以下5 m[5]。溶洞探边钻孔时需及时准确记录溶洞边界、洞高等形状及溶洞填充情况。

溶洞探边钻孔采用XY-100型钻机施工，针对较软土层采用合金钻具回转钻进方法成孔，针对硬土层和破碎岩层采用风动潜孔锤冲击钻进。溶洞调查及处理方法如下:

1) 沿地连墙轴线方向继续布置探测钻孔，直至探测钻孔不再发现溶洞为止。

2) 右岸地连墙(除靠一线船闸处地连墙)在探测孔外侧再布置1排边孔，边孔间距及深度同探测孔。

3) 靠一线船闸处地连墙在探测孔外侧以此布置两排探测孔，未发现溶洞，则不再布置钻孔，若发现溶洞，在新布置的探测孔外侧再布置1排边孔，探测孔与边孔间距及深度同上。

4) 探测孔与边孔间距及深度同上，即孔间距2 m×2 m，孔深度为钻至溶洞底部完整中风化岩层以下为5 m。

5) 边孔，若按孔间距为2 m×2 m探测未发现溶洞时，应向溶洞中心偏移1 m(边孔间距为1 m×2 m)进一步确定溶洞边界，并通知业主、监理、设计共同确定该溶(土)洞边界，以避免增加不必要的探边工作。

6) 钻孔完成后，由地质编录员及时对岩芯进行编录，分层记录不同土层、岩层的深度、岩溶的发育情况、有无填充情况及地下水位的深度。

7) 整理资料，由主管工程师复核，上报项目部、监理及设计院签认后确定进行注浆或排气孔的钻探和注浆施工。

溶洞探边钻孔和注浆布孔平面布置示意见图3。

图3 溶洞探边钻孔和注浆布孔平面布置示意

5 地下溶洞处理

5.1 溶洞处理原则

为确保实现业主要求的质量、工期、安全、环境保护、文明施工等工程目标，根据以往溶洞处理类似工程施工经验，本工程注浆总体施工顺序遵循“先外后内，先大后小”的原则。主要有以下几点：

1) 地连墙施工前，根据基坑平面布置及其槽段划分位置并采用地质钻机进行的“一槽两钻、缩量偏移”超前钻勘察报告，进一步探明溶洞布置与大小、边界、洞高等形状及溶(土)洞内填充物、地下水位环境及富水性的原则。

2) 注浆采用跳注，即先注奇数孔，再注偶数孔，只有在每一组注浆完成后才进行下一组的注浆工作，注浆在钻孔完成并安装完注浆管和排气管后进行。

3) 对多层溶洞要先处理下层溶洞后再处理上层溶洞。

4) 对于现已标明的注浆孔，宜先施工周边相邻注浆孔。

5) 先处理高、大且无填充的溶洞，再处理较小且有填充的溶洞。

6) 结合现场实际情况及材料进行注浆试验，选择合理的注浆参数及浆液配合比。

5.2 溶洞处理措施及试验情况

考虑清远二线闸溶洞、溶沟的不规则性且层顶覆盖砂层厚度达25.20～69.30 m的强透水性砂层[6]，溶洞填充情况主要为全填充，部分溶洞、溶沟为半填充。由于溶洞埋藏较深采用开孔吹填碎石或砂浆等方式则效率较低，造孔费用较高；采用大直径桩锤直接冲孔或液压抓斗开挖成槽则由于溶洞顶部主要为砂层或卵石层等地层，当施工过程中遇到溶洞发生坍塌容易造成地面塌陷突发性概率较高，危害性极大，施工人员及机械设备无法及时撤退。因此，为确保地连墙等桩基工程施工范围内的溶洞、溶槽、溶沟预注浆处理充分有效，保证地连墙等后续分项工程优质高效、安全生产及施工顺利，经专家评审与设计、监理等单位研究同意本工程溶洞预注浆处理填充物宜采用水泥浆和双液浆[8]。先采用双液浆封边，单液浆填充中间部位。即先利用地连墙两侧溶洞边界探测钻孔安装注浆管和排气管；然后采用经现场试配确定的双液浆固化地连墙墙体两侧溶洞填充物形成一定强度的槽壁，对无填充或半填充的溶洞，则在地连墙墙体两侧采用双液浆填充封边形成槽壁；地连墙墙体两侧填充物加固或对无填充溶洞填充封边完成后，再采用水泥浆液填充中间部位。清远二线闸溶洞注浆主要处理措施及试验情况如下：

1) 根据前期地连墙超前钻资料，经与设计及监理初步判断研究，为确保地连墙施工范围内的溶洞、溶槽、溶沟处理充分有效，保证地连墙等后续分项工程优质高效、安全生产及施工顺利，兼顾尽可能节省投资角度出发，选择基坑右侧地连墙上游W3-W5槽段和下游W91-W93共2块区域进行溶洞处理注浆试验。

2) 确定单液浆试验水灰比配合比为1：1.5、1：1.2、1：1.0三个参数，具体浆液配合比以现场试验且不堵注浆管等情况确定，经试验确定水灰比配合比为1：1.5。

3) 确定双液浆试验配合比：双液浆配合比需结合现场注浆管管径、深度、注浆时间及待凝时间等综合因素确定。双液浆初始配合比按水泥：水：水玻璃=1：1.38：0.3(质量比)进行试配，项目部发现水玻璃用量过大，初凝时间过快以致经常出现堵管现象。为解决上述问题，通过反复试验双液浆配制比例，最终确定双液浆配合比按水泥：水：水玻璃=1：1.38：0.16进行施工。

4) 注浆工艺及方式：溶洞注浆排气孔采用PVC管埋设；地面至溶洞顶覆盖层注浆管采用PVC管埋设，溶洞范围内注浆管则采用袖阀管埋设，注浆管底部加下闷盖的方式[8]，注浆管埋设剖面示意图详见图4。注浆时，由于采用双液单管注浆受水泥与水玻璃混合后产生化学反应影响，容易造成堵管或搅拌机搅拌不动等现象。为解决上述问题，经调整，采用双液双管汇合单管代替双液单管的注浆工艺。对无填充或半填充的溶洞注浆时，要求少量多次，每个孔每次注浆量不宜超过30 m3,反复灌浆。

5) 注浆压力：注浆压力需结合注浆设备和现场注浆管管径及深度进行确定。注浆压力需在以下注浆压力的基础上增加损耗压力，初次注浆压力控制在0.1～0.5 MPa，二次注浆压力控制在0.4～1.5 MPa。经测试，泵后注浆管管径及路线损失压力大约为1.5 MPa，本工程采用BW250型注浆泵有低、中、高3个档位，相对应注浆压力为0.8～1.8 MPa、1.8～2.8 MPa和2.8～4.0 MPa；故本工程拟采用中档位进行控制注浆压力[9]。

6) 注浆终灌标准：注浆时间根据压力大小决定，如果注浆压力达不到0.3 MPa，则每个孔每次注浆量不宜超过30 m3,注浆未达到0.3 MPa要求间隔24 h后继续注浆，如此反复直至注浆达到终孔条件为止。当注浆压力达到设计值或发现加固周边建筑物有上抬趋势或者发生串浆现象时即可终止灌浆(如图4所示)。

图4 注浆管埋设剖面示意

7) 封孔：当注浆结束拔出注浆管后，立即用M7.5号水泥砂浆封孔。

5.3 溶洞处理效果

本工程注浆效果是进行标贯试验检测并按注浆孔数的1%随机钻孔抽芯检查注浆效果是否填充密实。标准是标贯击数不小于10击，抽芯检测也未发现空洞现象。从结果来看，达到了预期效果，结合后期超深地连墙施工过程分析，通过溶洞、土洞进行填充、加固处理后，超深地连墙施工未发生任何质量和安全问题，混凝土充盈系数约为1.09。

6 墙内预留灌浆管，提高了二次灌浆的钻进速度

由于本工程岩溶区域地质情况复杂，溶洞、溶槽、溶沟发育的不确定性、岩面起伏落差极大，而地下连续墙墙趾仅需嵌入一定岩层即可满足基坑支护安全及受力要求，无需完全穿透岩溶地层。但受制于溶洞、溶沟、溶槽发育的不确定性，场区内岩溶规模大，且存在多层或串珠状分布。若地连墙或基坑底周边无法形成止水帷幕，通过溶洞及裂隙连通外部河流，则存在渗水、涌水通道，容易导致基坑泡水甚至失稳现象[10]。为解决地连墙底涌水、渗水问题，确保地连墙及其底部形成有效止水帷幕[11]，在地下连续墙施工完毕后根据注浆工艺及其压力按照一定尺寸重新布孔并采用工程地质钻机进行钻注浆孔，然后利用这些注浆孔对此地下连续墙底部进行注浆形成有效止水帷幕，这类施工方法工期耗时久、效率低，不能及时进行灌浆封堵达到止水效果，同时注浆孔垂直度无法保障、工程造价高，对基坑开挖影响大。

为解决上述施工难题，提高效率，本工程采用钢筋笼预留灌浆管结构[11]，即地下连续墙采用钢筋混凝土结构，灌浆管焊接于钢筋笼内，施工时使钢筋笼埋藏于混凝土内，灌浆管从上至下贯穿连续墙。地下连续墙施工完成后，预留灌浆管作为地下连续墙内预钻的注浆孔，再采用工程地质钻机沿这些注浆孔向下延伸钻下部注浆孔，新型地连墙钢筋笼预留灌浆管平面布置示意见图5，结构示意见图6。利用这些注浆孔进行地下连续墙的注浆使形成有效止水帷幕。这种施工方法大大减少了重新布孔和钻注浆孔的时间和工期耗时，确保注浆孔的垂直度、工程造价低，对基坑开挖影响小。这种方法的地下连续墙施工间要对预留灌浆管进行末端封闭处理，否则混凝土倒进入灌桨管内，灌浆管失去充当注浆孔的作用。

图5 新型地连墙钢筋笼预留灌浆管平面示意(单位：mm)

图6 新型地连墙钢筋笼预留灌浆管结构示意(单位：mm)

现有技术中对灌浆管末端封闭处理不够理想，仅用简单的纤维布包扎处理，往往因末端封闭处理不当(或纤维布脱落或穿孔)而灌浆管失去充当注浆孔的作用。

本项目地下连续墙采用钢筋笼预留灌浆管结构，包括有钢筋笼和灌浆管，2～3支灌浆管纵向等长连接于钢筋笼内，灌浆管的下末端依次具有圆筒部和圆台部，圆筒部与灌浆管同轴同径、长度为50～100 m，圆台部与圆筒部同轴，圆台部的长度为50～100 m，小端与圆筒部同径、锥度1：2～3，混凝土塞头填满灌浆管的圆筒部和圆台部。

采用地下连续墙用钢筋笼预留灌浆管结构针对较深地层中进行地下连续墙施工时底部采用高压喷射灌浆形成止水帷幕的工程，既可确保地下连续墙施工期间混凝土不进入灌浆管内，又方便在地下连续墙墙身施工完成后，迅速通过灌浆管向墙身下方钻探并灌注灌浆操作，提高了钻进速度并节约了钻孔抽芯费用，加快了止水帷幕施工进度，提高了基坑开挖安全系数。

7 结语

清远枢纽二线船闸围堰与基坑采用了地下连续墙加3～4道内支撑的支护结构，由于该工程地质条件复杂，存在砂层覆盖厚，岩溶发育，基坑防渗和基础处理难度大，施工边界条件复杂，须确保北江大堤安全及一线闸不断航等特点和条件。本文基于对超深地下连续墙施工过程中遇到溶洞发育地质问题及其对策的施工实践进行了分析,形成了以下结论：

1) 为防止在喀斯特地貌或溶洞发育地区施工地连墙出现安全隐患，减少投资，采用“一槽两钻、缩量偏移”方式布置超前探测孔和溶洞边界探测孔，以最少钻探次数探明地下溶洞边界。所采取的措施合理可行有效。

2) 针对已探明且埋藏较深的溶洞，在地下连墙施工前，宜采用双液浆和水泥浆对溶洞进行预注浆处理，方法安全高效，可操作性强。

3) 由于溶洞、溶沟、溶槽发育存在不可预测性，以致地连墙墙底无法完全形成止水帷幕。通过在地连墙钢筋笼内预留灌浆管的施工技术，可高效解决墙底溶洞发生涌水、渗水问题，确保深基坑安全。

4) 上述工程案例为实际施工积累了宝贵经验，对其他大型船闸及类似工程建设有显著的示范标杆作用，推动了行业技术升级。