地下溶、土洞填充加固施工技术探讨

蔡旭东

广州协安建设工程有限公司 广东 广州 510000

1 前言

岩溶和土洞是埋藏在岩溶区覆盖层中的不利地质现象，如果在这些区域施工作业，极可能会引起地表塌陷等施工问题。我国地域特性，大部分地区都是浅层岩溶地区，因而施工不可避免会遇上岩溶区域。特别是矿区还受到岩溶塌陷等地质灾害的影响[1]。由岩溶引起的土洞地面塌陷，有时会对地下建筑物、道路及配套设施、管道、村庄、农田等造成严重破坏，人们的生命财产安全也因此受到前所未有的威胁，此外，严重破坏地质环境，也会给生态恢复和管理带来困难。施工现场的稳定性以及建筑物的安全正常使用都深受其严重影响，因此，对于岩溶、土洞的形成原因分析，并采取合适的深基坑支护技术、地基处理措施，对于施工单位来说具有重要的理论意义和实际应用价值。

2 溶洞及土洞的一般处理原则

由于地层中溶洞的深度和大小不同，对地基及其上部结构的影响也不同。因此，应根据上述具体情况采取不同的治理原则。例如，地层中部的溶洞主要用来填充，使溶洞密集功能主要包括：一是在纵流隧道填充后，可以在纵流隧道和地基周围形成完整的地形，以保证固定或复合地基，建筑设计方案按惯例实施; 二是在纵流隧道填充后，通道被水封闭，以防止隧道在地下水的侵蚀和侵蚀下扩大和发展。

值得注意的是，在岩溶洞、土洞填筑材料的选择上，没有必要过于严格。一般来说，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。对溶洞进行充填和无缝化处理，只能减少地基的不均匀性[2]。如果所用填料的强度或间隙过大，就会与周围地基的强度或间隙大不相同，造成地基的不均匀性。因此，溶洞充填材料的强度和致密度应与地基周围的强度和致密度相近或一致。

3 地下溶、土洞问题对建筑地基的影响

3.1 溶洞问题对地基的影响以及其影响因素

施工问题是地基处理过程中的一个常见问题。它不仅会使岩溶地区的地基变得非常不稳定，而且还会在施工过程中引起地基的安全问题，影响整个工程的进度。影响溶洞地基稳定性的因素有物理结构、溶洞发育、结构面特征、几何形状、顶板承载力等[3]。这些因素使得目前的勘探方法难以揭示岩溶地区的特征，难以进行地基处理。

第二，在自然力的作用下，钟乳石溶洞的褶皱结构在褶皱转折点容易开裂，造成钟乳石溶洞的坍塌。这些裂缝表面粗糙，地下水活动频繁，极不利于地基的稳定。

最后，溶洞地下水是溶洞地基处理中的一个重要问题。纵流隧洞中地下水活动频繁，水位易变。当水位变化过大时，纵流隧道周围的应力状态会发生一定程度的变化，对纵流隧道基础的稳定性有很大的影响。另外，影响溶洞地基稳定性的因素很多，如人工爆破、车辆振动、地下开挖、溶洞岩石质量、溶洞体等。因此，要保证物种流动基础的稳定性，必须从多方面入手，找到一个更加全面的解决方案。

3.2 土洞问题对地基的影响以及其影影响因素

土洞问题是土洞、溶洞等施工过程中常见的问题之一。如果处理不当，地基会很不稳定，即使塌方，也不能根据地基降水量直接施工，对下一阶段的工作和施工单位都会产生负面影响。在施工过程中，影响土质隧道地基稳定性的因素很多，如地基土层、地下水活动、地表水活动和人为因素等。

首先，土层地基对地基稳定性的影响、土层厚度和组成以及受地表覆盖物影响的水层组成对地基稳定性和水层组成的影响是不同的，由此产生的变形渗流和破坏渗流抗力也是不同的；一般来说，在相同水力条件下，松散级配砂土比土洞更容易发生坍塌，而相对粗糙的砂土不容易发生坍塌。粘性土层间距小，土体抗力弱，容易发生流土。由于地表土层厚度对地基稳定性影响很大，根据调查资料，覆盖层越厚，地基塌陷的可能性越小，否则地基容易失稳，6m厚范围内塌陷的次数一般占了相当大的比例。在厚度达到10m以上的土质隧道中，地基塌方相对较小。

接下来的是水活动对土壤洞穴的影响。水通常指地下水活动和地表水活动。当地下水活动发生时，地下水位降低，从而改变土壤的形态和质量。在这种情况下，重量和其他结构将受到影响。这种影响使土洞更加不稳定，最终倒塌。比如在一些因素的作用下，空气会发生压缩爆炸，最终导致洞穴坍塌。还有就是水利工程建设，对原有地表含水量有一定的改变。另外，随着水库的建设，水库放水时地基应力会失去平衡，最终导致土洞坍塌，影响土洞地基的稳定。

4 溶洞及土洞的一般处理技术

4.1 前期评估

在正确处理溶洞和土洞地基之前，必须对其进行正确的评价。基岩之间存在软弱分布，起伏地表伴有石芽、岩溶沟渠等现象；有浅层岩溶洞穴、地下河等大规模分布。应根据当地情况采用正确、安全的技术进行相应的处理。施工人员在不稳定岩溶地区进行施工时，发现严重影响地基稳定性的岩溶洞穴和土洞，应当确定其位置和大小，详细分析计算围岩深度、稳定性和当地水文地质条件，并根据当地实际情况采取相应措施。例如；（1）对于开口处的小孔隙，通常采用镶嵌和堵塞的方法，如用一些砾石、块石、粘土、砂子等填充；（2）对于洞口处的大孔隙，宜采用钢筋、混凝土、梁、板等交叉方式，使交叉结构本身具有可靠的支撑和承载面。如果是梁板结构，其在岩石上的支承长度应大于梁的高度，一般高1.5倍。此外，混凝土等块石也可用于堵漏；（3）对于隧道周围的不稳定岩石，还应采取不同的处理措施。如岩体风化严重，出现裂缝甚至破坏，可采用注浆加固填土，清除岩体覆盖的土层，爆破顶板，开挖软土，最后用块石或碎石混凝土填充；（4）对于大孔隙，这里的大尺寸指的是大深度和大开孔。如果遇到这样的孔，可以采取从孔底支撑或调整柱间距等措施。在采取措施支护井底时，应考虑井底环境的稳定性。具体操作是用石柱、石拱门或钢筋混凝土支撑。

4.2 采取的措施

如果在建筑物的基础范围内出现土洞和地表塌陷，通常采取以下措施：（1）处理水。影响建筑物地基的水主要是地表水和地下水，为了防止地表水渗入土层，所采取的措施是截渗，有时还要堵塞; 地下水应根据当地地质条件，防止土洞和地表塌陷。因此，主要的措施是拦截和转移；（2）浅层土洞采用开挖充填处理方法。无论是在地表水还是地下水的作用下形成的软土，都是先挖后填。在地表水的影响下，土洞通常采用块状或片状混凝土填充。如果隧道开挖过大，可直接采用充填法，先迫使洞室坍塌，然后用砾石层层夯实；（3）对于大直径深埋土洞，施工主要采用灌砂法和梁板穿越法。采用梁板交叉法时，要注意洞周土体的承载力和稳定性是否满足要求。把建筑物的重量转移到稳定的岩层上。

4.2.1 溶洞地基处理问题的解决方案

首先，流程处理应遵循一定的原则。第一，避开岩溶发育强烈的地区，找到合适的地区。第二，溶洞地基含有石膏或岩盐，考虑会受到腐蚀的影响。第三，对于不稳定的溶洞，应在地基处理的基础上采取适当的处理方法。第四，未经处理的地表沉陷区不得用作天然地基。第五，合理处理地下水，防止渠道堵塞。第六，使用桩时，应选用直径较大的桩或嵌岩桩。

其次，在处理对地基稳定性有一定影响的溶洞地基和进行溶洞渗漏的具体处理方法时，根据溶洞的位置、岩层的围岩稳定性、水文地质条件等进行综合分析，并根据分析结果采用不同的处理方法。小孔缝一般采用镶嵌或盖板方式。对于孔内大裂缝，应采用横梁、板、拱等结构的处理方法[4]。对于不稳定岩壁和风化砾石的岩石，可采取注浆、网眼充填等措施。对于较大的孔洞和裂缝，施工人员可以采用支撑孔体或调整基础柱间距的方式来处理。

4.2.2 土洞地基处理问题的解决方案

在进行土洞地基处理时，挖坑法是将原土洞中的软土抹平，在土孔中铺设块石和砾石，并用石灰土和粘土压实砾石表面。在处理地下水所形成的泥洞时，须以挖泥方法建造新的泥洞，以防止泥洞被堵塞。该方法一般适用于有倾斜地层的土洞[5]。灌浆方法是钻孔后将100mm-150mm 砂砾注入基坑周围基础底部，用土或混凝土填充，适用于过度钻孔的土洞处理。在处理大深度土洞时，一般采用横梁板法，而不对土洞本身进行处理。在处理地表水和地下水渗入形成的土洞时，可采用防渗的方法，人工控制地下水位，以保证地基的稳定。

5 溶、土洞填充加固工艺

5.1 高度小于2.0m的溶洞、土洞桩的处理措施

（1）对于完全充填的小型溶洞和土洞，采用填充松散或软塑性粘土的处理方法；根据资料，从溶洞和土洞上方1.5m开始，冲击孔，同时回填石料和粘土混合物，并增加泥浆的比例，锤头提高0.5m缓冲，利用石料和粘土混合物填充溶洞和土洞区域，以达到足够的承重石填充带，形成良好的墙体保护，也可以保证冲孔施工通过小洞、土洞底层的安全。此外，在桩孔内进行了小钻孔高压固结灌浆。水泥浆完成后，强度达到一定水平（一般为5 ～ 7天） ，再进行冲孔桩施工。

（2）对小溶洞、土洞和半充填小溶洞、土洞将采取方法：根据资料，从溶洞和土洞上方1.5m开始，低锤产生缓冲作用。到达溶洞和土洞顶面后，冲击时将硬石粘土混合物放入洞内，控制锤击距离溶洞和土洞顶面不超过0.5m。大量的石头和粘土被连续不断的冲击填充到洞穴中，使洞穴变得致密。

5.2 高度大于2.0m的溶洞、土洞桩的处理措施

这部分溶洞和土洞高，地质条件复杂多变，对钻孔灌注桩施工影响很大。为此，我们项目部专门开展了溶洞、土洞治理工作。具体的处理方案如下：

（1）毛片石、粘土、水泥浆充填固结法。首先，进行普通冲击钻孔。正如以前的钻井资料所显示的那样，水流和土洞都是从1.5m以上的高度受到冲击的。到达溶洞顶和土洞顶后，进行冲击钻进，放入碎石、粘土和水泥混合物[6]。主要控制要点如下：1）回填用碎石直径控制在30 ～ 50cm之间，选用优质膨润土作为粘性土；2）在整个充填压实过程中，锤头应保持低而缓慢，锤头高度不应超过溶洞顶部以下1.0m；3）停锤标准: 回填料密实，回填料的高度应比纵流顶部至少高1.5m。其他洞室应用优质粘土回填，以确保安全；4）钻孔灌注桩须于5至7天后进行。

（2）采用塑性混凝土回填法。对于未填充的散装流体，应采用塑性混凝土回填的方法。具体措施如下：1）塑性混凝土由水泥、砂和粘土制成。配合比应根据现场试验确定。混凝土必须具有良好的透水性和流动性；2）根据地质调查局资料，从水流的位置及大小来看，应在水流位置钻孔。根据流量分配区域的大小确定孔的数目；3）塑性混凝土浇筑过程中，如浇筑量大，可采用间歇式浇筑。浇筑一定量的混凝土后，暂停浇筑。待混凝土被灌注到一定的固定强度，然后再进行灌注，直到溶洞被填满；4）灌注填筑完毕后，静置3 ～ 5天后再进行钻孔灌注桩施工。

6 盾构穿越施工顺序和注意事项

6.1 施工顺序

隧道边界勘测、注砂及填土工程须按施工次序进行。当井眼高度超过3m时，应组织水泥浆加固及专业部门检验验收。在灌浆施工过程中，先进的止水和灌浆帷幕施工要求对溶解裂缝进行全面的加固处理。与其他洞室隔离后，可在纵流隧道区域内进行冲孔加固处理。在喷涂过程中，如喷涂损失速度过快，应及时增加水玻璃速凝剂，以有效控制喷涂材料的损失，确保喷涂效果。

6.2 施工注意事项

现场地质勘查阶段公布的岩溶洞穴和高危地区的岩溶洞穴必须进行相应的填充和加固。但在进行隧道冲刷加固处理前，必须确定市政管线在周围处理区域内的具体分布，并及时采取相应的清除和更换措施。在岩溶处理和加固施工中，尽量避免施工堵塞或管道施工造成的损坏。岩溶施工应急措施包括：地铁隧道施工前，为充分做好各种现场施工事故可能性的预测和评估准备，在事故发生时及时采取应急救援和应对措施，及时处理所需设备和材料、预制钻孔塌方或引水事故[7]。在喷射混凝土施工过程中，为防止喷射混凝土溢流孔口，应采取适当的技术措施密封孔口。地面水泥浆施工完毕后，水泥浆孔应完全密封，杜绝出现密封缺陷，以确保隧道内其他施工的安全。

7 结语

岩溶洞穴是石灰岩在水中长期溶解形成的洞穴。浅层岩溶洞穴发育成为开口式岩溶洞穴，由于土层塌陷而充填，是岩溶洞穴形成的共同原因。在工程使用寿命期间，土洞的开发概率很高，土洞的开发是建立在可靠性的基础上的。因此，应对场地内的土洞和浅层溶洞进行处理。特别是在浅层岩溶溶洞建筑物基础施工中，上部砂层具有潜在的不稳定性，容易突然坍塌。为了进一步保证地基和建筑物地基的稳定性，有必要对土体、纵流隧道和溶洞进行注浆加固和填充处理。