喀斯特地貌岩溶强发育地区长输管道施工过程中溶洞的影响及处理方法

2023-12-02宋雅聪

石油化工建设 2023年7期

宋雅聪

国家管网集团新疆煤制天然气外输管道有限责任公司北京 100020

我国喀斯特地貌分布广、面积大，主要分布在碳酸盐岩出露地区，面积约91 万～130 万km2。其中以广西、贵州、云南、四川和青海（即云贵高原）东部所占的面积最大，是世界上最大的喀斯特区之一。其中广西壮族自治区喀斯特地貌广布，地表多石少土，每逢雨季尤其是暴雨季节，洼、谷地周边山体的地表积雨水从四周地表径流迅速汇集于洼地，使得广西地下岩溶管道发育强烈。国家管网投资建设的广西支干线输气管道工程全长463km，其中湖南252km、广西211km，管径为Φ813mm，设计压力10MPa。全线共设置工艺站场3 座，线路截断阀室23 座，穿越水域大中型27 处，山岭隧道2 处，穿越铁路20 处，穿越高速17 处，穿越国省道21 处。管道采取沟埋敷设方式，埋深一般不小于1.2m。地质勘察以工程物探手段为主，并辅以工程地质测绘及调查、工程地质钻探、水文试验及室内试验等综合手段。

溶洞也称为喀斯特地质，是由碳酸盐岩、石灰岩、泥炭岩等可溶性岩石长期受水的化学溶蚀和机械作用而形成的。喀斯特不良地质构成的喀斯特地基常常会产生承载力不足、不均匀沉降、滑动和塌陷等变形破坏况，这不仅给长输管道施工带来不便，还会影响施工安全[1-2]。因此，在长输管道施工过程中遇到溶洞时，需要根据喀斯特地质的具体情况慎重选择处理方法。以下结合广西支干线工程的地质情况、场地特征及地下工程实际，分析溶洞对长输管道施工的影响及处理方法。

1 常见溶洞的分类

根据地质结构及其发育情况可将溶洞进行分类，按溶洞的填充状态可分为全充填、半充填和无充填。按溶洞的大小可分为大溶洞（溶洞高度＞3m）和小溶洞（溶洞高度＜3m）。按溶洞垂向个数可为单个溶洞（垂直方向仅有一层）和多层溶洞。按漏水程度可分为全漏水溶洞（与其他溶洞或地下暗河连通）、半漏水溶洞（洞壁存在缝隙，有渗漏现象）和不漏水溶洞（洞壁完整，无渗漏现象）。对于不同类型的溶洞，需要结合现场实际情况制定专门施工方案以确保管道施工安全。

2 灾害特征

2.1 坍塌

由于存在溶洞地区的地质地貌相对复杂，给施工带来了一定的难度。在进行溶洞地基处理作业时会受到地下水流、地表径流的冲击，对岩石结构的稳定性产生影响。当地基负荷小于地基承载力时，会直接导致溶洞顶板岩体坍塌。塌陷会使管床沉陷、管道悬空甚至断裂，造成巨大的安全隐患。

2.2 渗漏

在进行地基处理时，岩体中会存在缝隙。所以在进行地基开挖时，开挖区域会存在承压水的情况，产生地下突水现象。而基坑内的大量涌水时，基坑土体受水浸泡使强度降低而发生坍塌，这不仅对施工进度产生影响，还对施工人员的生命安全产生威胁。

3 施工灾害的预防措施

溶洞处理的原则遵循绕避为主，辅以超前预估、防治结合。根据勘探物探勘察报告和现场实际情况，对线路进行优化，尽可能避让溶洞区域。尽管绕避会增加线路长度，但有利于保证油气管线后期的安全运行，减少维护费用[3]。

对于无法绕避的区域，首先需详细查阅相关地质资料，充分了解溶洞及其他不良地质的分布情况。对于对地质异常复杂或资料描述不完整的位置，需通过补勘的手段，弄清楚溶洞的基本情况，如其大小、高程、分布、连通性、走向、填充物等。对含水溶洞要进行精确判断，查明水压、水量、充填介质，同时根据钻孔涌出物来判断是否连通暗河。对于探明以上基本情况的溶洞，根据实际情况制定专门的处置策略和操作办法，必要时可考虑调整管道的基础尺寸。进入施工的机械需进行施工稳定性评价，还要考虑施工可能会对周边造成的影响。地基处理完成后的施工应避免联合下沟，因为联合下沟会引起局部负荷增加，存在安全隐患。后续工序应衔接紧密，尽量减少管沟开放的时间，尽快完成管沟回填[4-5]。

4 广西支干线工程溶洞处理应用实例

4.1 平原段溶洞处理

广西支干线工程兴安段在丘陵地区管沟开挖过程中发现溶洞，由于与前期勘探报告中的地质结构不符，根据现场实际需求要求设计单位对拟建管道轴线及两侧各10m 范围内进行补勘。补勘以工程物探手段为主，并辅以工程地质测绘及调查、工程地质钻探、水文试验及室内试验等综合手段。对物探异常地段、明显的低阻或低阻带位置布设勘探点，共布设勘探点共计7 个，长度约170m。7个钻孔中BK3、BK4、BK5、BK6 钻遇岩溶洞穴，溶洞类型为未充填、全充填，充填物为可塑粉质黏土夹灰岩碎石块。该处的岩溶位置、形态、规模见表1。

表1 兴安段溶洞位置、形态、规模表 m

由地质勘探结果可知，该地区属于岩溶地下河强烈发育区，地下水水位、水量的动态变化较大。地下水活动对岩溶洞体的稳定性不利，地下水的冲蚀、掏蚀将促进洞隙的形成和扩展，随着时间的推移将产生自然冒落，形成塌陷，对拟建管道存在威胁，威胁长度超过500m。因此，遵循溶洞处理绕避为主原则，以及从管道安全建设和运营的长远角度考虑，对拟建管道的东南段线路进行优化，避开物探异常可能存在地下岩溶的区域。针对这类地质环境复杂、处理较为困难的岩溶地区，优先考虑绕避，不仅能够降低管道施工风险，而且可以节省成本。

对于线路优化后靠近管道的溶洞实施抛填处理，首先抛填片石填至距地面50～100cm 的位置，通过挖掘机对其进行冲挤，将填料向周围溶洞内挤压，片石在洞身逐渐膨胀。为了避免发生渗漏，又加入了黏土进行堵漏，最后使用挖掘机将填料按实。这样处理后，底下片石不仅能起到支撑稳固地基的作用，还能兼顾地下过水，保持原有的地下水系统，对周围居民的生活不产生影响，减少因施工造成的矛盾纠纷。

4.2 河流开挖穿越溶洞处理

湘江开挖（QZ033—QZ034 号桩）一期工程等级为大型河流穿越，湘江多年平均水位水面宽度≥200m，不计水深。根据由岩土工程问题造成工程破坏或影响正常使用的后果，该工程重要性等级为二级工程；根据工程特点和设计要求，勘察场地属建筑抗震小于6 度设防区，岩溶强发育，确定场地复杂程度等级为一级（复杂场地）；场地内岩土种类较多，不均匀，性质变化较大，确定地基复杂程度为二级（中等复杂地基）。

首先，通过工程地质测绘、钻探、取样及室内试验等勘察、测试手段和方法，查明勘察场地的工程地质和水文地质条件，对穿越场地的稳定性和适宜性作出评价。重点调绘穿越通过地段及影响区域的不良地质、特殊地质、工程地质、水文地质的条件，收集并分析了穿越区域的区域构造、区域地质等资料。然后，根据相关规定，结合穿越场地地形地貌，在穿越管道中线下游15m 处布置一条勘探线，共布置5 个勘探点，勘探实际钻孔深度为35.00～45.00m。

钻探资料表明，场区不良工程地质现象主要表现为下伏灰岩、炭质灰岩岩溶发育。溶洞发育及分布情况见表2。除溶洞外，未发现断层、泥石流、滑坡、地面塌陷等其他不良地质作用。因岩溶强发育，钻探揭露的溶洞均为全充填溶洞，充填物为非均匀分布的卵石、砾石、中粗砂及粉质黏土，工程性质差。因溶洞发育及分布没有规律可循，场地内的溶洞发育情况难以准确查清。

表2 湘江开挖一期工程溶洞发育及分布情况 m

湘江开挖一期工程从西岸围堰、开挖170m。根据地质勘探结果发现西岸地下存在多层溶洞，若要满足管道埋深要求，需贯穿上层溶洞。下层溶洞与上层溶洞之间岩壁较薄，若不处理则会存在安全隐患。因此，对于“串珠状”溶洞采取如下处理方式：首先使用挖掘机贯穿上层溶洞即开挖至下层洞顶，再对溶洞实施抛填处理。现场采取抛填黏土、片石、袋装水泥反复冲击造壁，将片石向周围溶洞内挤压，将填料填至距地面约50cm 的位置，最上层填充袋装黏土以起到防止渗漏的作用；随后采用标贯法检查溶洞的填充充盈情况及均匀程度。在抛填过程中未发现溶洞与地下水系连通和渗漏的情况，因此，填充完成后就可以进行后续施工。

4.3 水下盾构溶洞处理

潇水穿越（LL094—LL095 号桩）位于湖南省永州市零陵区烟竹塘村与羊公摊村之间，地区等级为二级，河床下隧道顶最小埋深为8.92m，隧道长度469m，隧道内径2.44m，采用泥水加压平衡盾构法施工通过。穿越场地地貌属于侵蚀剥蚀丘陵地貌中河流冲洪积区，地形相对平缓，起伏不大。河谷东侧岸坡为石砌岸坡，西侧为土质岸坡，地形较简单，河流两侧均为种植水稻田，河流东岸地形自西向东逐渐升高。根据岩土工程勘察报告，工程区地层勘探深度内主要为第四系全新统冲洪层，下伏基岩以灰岩、白云岩、泥灰岩为主。根据地下水分布及可溶性矿物含量判定，该地区内岩溶强发育存在溶洞、岩溶通道与河水贯通。通过对该地区地质进行详细勘察发现，盾构隧道施工地层岩体裂隙较发育，富含裂隙水，为岩溶发育区域，轴线方向溶洞较多，且部分为未填充状态。

通过穿越区域进行地质详勘，揭露了多个大型溶洞，分布隧道轴线及底部位置，且岩溶形态以溶蚀裂隙、溶洞为主。溶洞高度为8～12m，均为半填充，填充物以砂卵石为主，轴线溶洞长度约为70m，空墙体部分平均深度为12.5m。施工前对处理范围进行确认，对于竖井岩溶处理平面范围为竖井结构边线外扩3m，竖向范围为竖井底板结构边线外扩5m；对于隧道岩溶处理平面范围为隧道结构边线外扩3m，隧道顶板结构边线外扩3m，隧道底板结构边线外扩6m。对地下溶洞进行分类，处理顺序遵循“先深后浅，先大后小”的原则。

对于洞高不大于3m 的溶洞，采取先用砂进行预充填，再采用纯水泥浆进行静压式灌浆，灌浆孔应伸入溶洞底部以下不小于0.5m；对于洞高3～6 m 的无填充溶洞和半填充（软流塑充填除外）溶洞，灌浆先用砂进行预充填，再用间歇式或跳孔静压灌浆。第一次灌浆采用水泥浆，灌浆量控制在超过100m3/ 次后再灌第二次；第二次灌浆可采用水泥浆或浓浆，同样按超过100m3/ 次控制；依次类推，直到终孔为止。必要时，可在水泥浆中适当添加速凝剂。对于洞高3～6m 的全填充（软流塑充填除外）溶洞，直接采用纯水泥浆进行静压式灌浆。对于洞高3～6m 的软流塑充填溶洞，宜采用φ800mm 双重管高压旋喷桩加固处理。对于洞高大于6m 的特大溶洞，需进行平面布孔探边，并制定专门的处理方案。全充填的特大溶洞（大于6m）应分段进行灌浆，一般灌浆长度为1～2m 左右，最大段长不得大于3m。

5 溶洞处理效果检验

溶洞的处理效果检验主要是检查溶洞的填充充盈情况及均匀程度。可考虑采用再次压密注浆的方法检查填充充盈情况，不容易注入则表明充盈情况良好，反之则不佳。均匀程度可采用标贯法测定，标贯值达到坚硬状为优，硬塑状为合格。对于一些规模较大的溶洞，宜以检验性钻孔检查填充注浆之后的固结状态及固结强度。固结状态可以按照土层取样的方式进行。若样品不破碎、成形、手捏不碎，则表明处理效果较好；若样品松散、一捏即碎、呈碎块状，则表明处理效果不佳。固结强度可采用标贯法评定，标贯值达到坚硬状为优，硬塑状为合格。检验性钻孔不应少于注浆钻孔总数的5%，且不少于3 个孔，每孔加固块取样试件个数不少于3 件，同时每个溶洞均应检测一次[6]。