綜合管廊下臥溶洞處理方法

2021-11-15 04:49:52李宗陽

城市道橋與防洪 2021年10期

李宗陽

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

城市市政公用管線是城市賴以正常運行的生命線[1]，傳統的市政公用管線一般松散地敷設在道路的淺層空間內，容易導致管線事故頻發，極大地影響了城市的運行安全[2]。基于我國各類城市管線事故頻繁發生的嚴峻態勢，國家決定大力開展城市地下綜合管廊項目，因地制宜地建設綜合管廊工程。由于我國各地地質情況復雜多變，位于溶洞地區的城市綜合管廊，在施工及運營過程中面臨著溶洞坍塌的風險[3]，并且綜合管廊長度較長，重要性程度較高，需要提出一項對于地下管廊工程在溶洞地區的設計處理方法，可用以解決該地質條件下的結構施工及運營階段的安全問題。

1 工程概況

現結合本溪市威寧大街綜合管廊工程項目分析溶洞處理方式，該項目綜合管廊長約6.0 km，采用平行三艙布置，囊括了燃氣、給水、中水、熱力、電力及電信管道，管廊斷面寬度約9.1 m，高度約4.4 m，覆土2.5 m，管廊結構斷面見圖1 所示。

圖1 管廊結構斷面圖（單位：mm）

該項目綜合管廊下存在卵石層及風化巖層，溶洞見于石灰巖分布區，具體地質特征見表1 所列。該區域鉆孔見洞率83.8%，線溶洞率72.2%，單個溶洞高度0.9～2.5 m，溶洞空間形態復雜，呈串珠狀、葫蘆狀，多為空洞或半填充，含有地下水，可能和地下暗河連通。溶洞沿管廊分布交廣，截取部分溶洞示意表示，其局部溶洞平面及縱段位置見圖2 及圖3 所示。

圖2 管廊結構斷面圖

圖3 溶洞縱段位置圖

表1 管廊下地質特征描述一覽表

2 溶洞處理方案比選

雖然規范[4]中對于建筑荷載作用下溶洞穩定性，以及溶洞處理方法已有規定，但針對綜合管廊下溶洞處理有其特殊的地方。首先綜合管廊作為市政項目，一般位于城市中心或近郊，圍巖條件較差，圍巖等級一般為Ⅳ、Ⅴ級，溶洞頂板極限承載能力較低[5]；并且綜合管廊作為城市生命線工程，管廊使用期間的安全性要求較高；其次綜合管廊為長條形結構，內徑尺寸較小，為了滿足不同管線分艙要求，內部設有中隔墻，因此綜合管廊剛度較大。根據以上特點，對于溶洞頂板強度不足，以及對于溶洞沿管廊縱向方向跨度較大的情況，采取溶洞內部單液配合雙液的注漿方式進行處理；對于溶洞頂板強度滿足且溶洞沿管廊縱向跨度不大的情況，考慮到溶洞在水流影響下會有繼續發展的可能性[3]，采取綜合管廊設置底梁的方式進行跨越。

溶洞處理方案中，管廊設置底梁的造價要低于溶洞內注漿加固的造價，為節約造價應盡量采用設置底梁跨越溶洞，因此需要判定溶洞頂板厚度是否滿足要求，是否需要進行注漿處理。判定方法有兩種[6]，一種為當溶洞頂板坍塌自行填塞所需要的厚度小于管廊底距溶洞的距離時，溶洞洞體可不進行處理；另一種為溶洞頂板抗彎及抗剪承載力滿足上部荷載要求，溶洞洞體可不進行處理。

對于頂板為中厚層、薄層，裂隙發育，易風化的巖層，頂板有坍塌可能的溶洞，可按照溶洞頂板坍塌自行填塞判斷處理方法，其能達到不影響上部管廊結構的厚度公式如下：

式中：H0為塌落前洞體最大高度，m；K為巖石松散（脹余）系數，石灰巖K取1.2，黏土K取1.05。

對于頂板巖層較為完整，強度較高的溶洞，可按照頂板強度判斷處理方法，溶洞頂板抗彎及抗剪強度驗算公式如下：

式中：M為頂板彎矩，根據頂板裂縫位置可按照固定、簡支或者懸臂來計算；H為頂板巖層厚度；σ 為巖體計算抗彎強度（石灰巖一般為允許抗壓強度的1/8）；fs為支座處剪力；S為巖體計算抗剪強度（石灰巖一般為允許抗壓強度的1/12）。

根據以上原則，考慮到石灰巖溶洞在水流的作用下仍然有可能繼續發展[3]，即使巖層頂板強度達到強度要求，仍設置底梁進行跨越。該工程當巖層頂板厚度大于等于3 m，且當溶洞沿管廊方向長度小于等于10 m，采用在管廊設置底梁進行跨越，其余情況溶洞進行注漿加固。

3 溶洞洞體注漿加固

化學灌漿分為單液和雙液[7]，單液法是指將漿液混合后直接進行灌注；雙液法是指先將漿液配置成兩部分，在灌注孔處混合再進行灌注。單液注漿通常采用水泥漿液，成本較低，但流失嚴重，強度也不穩定，尤其對于溶洞內存在流動水，單液法難以固結成型。雙液注漿是采用水泥漿溶液及水玻璃溶液混合后生成水泥膠，相較于單液法，雙液法的水泥膠凝結速度快、強度提高快，雙液在溶洞加固以及基坑堵漏中應用廣泛。

該工程考慮到喀斯特地貌下溶洞為成片大面積存在，溶洞內可能存在流動的水，單液法注漿可能失效或者填充量巨大。因此對于體積較小的溶洞，可直接采用雙液法進行加固處理；對于體積較大的溶洞，先采用雙液法沿管廊結構周邊注漿加固形成止漿墻，再采用單液注漿填充止漿墻內剩余部分空間，溶洞加固橫斷面及平面圖詳見圖4、圖5 所示。