綜合管廊下臥溶洞處理方法

李宗陽(yáng)

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）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(yùn)行的生命線[1]，傳統(tǒng)的市政公用管線一般松散地敷設(shè)在道路的淺層空間內(nèi)，容易導(dǎo)致管線事故頻發(fā)，極大地影響了城市的運(yùn)行安全[2]。基于我國(guó)各類城市管線事故頻繁發(fā)生的嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)，國(guó)家決定大力開展城市地下綜合管廊項(xiàng)目，因地制宜地建設(shè)綜合管廊工程。由于我國(guó)各地地質(zhì)情況復(fù)雜多變，位于溶洞地區(qū)的城市綜合管廊，在施工及運(yùn)營(yíng)過程中面臨著溶洞坍塌的風(fēng)險(xiǎn)[3]，并且綜合管廊長(zhǎng)度較長(zhǎng)，重要性程度較高，需要提出一項(xiàng)對(duì)于地下管廊工程在溶洞地區(qū)的設(shè)計(jì)處理方法，可用以解決該地質(zhì)條件下的結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營(yíng)階段的安全問題。

1 工程概況

現(xiàn)結(jié)合本溪市威寧大街綜合管廊工程項(xiàng)目分析溶洞處理方式，該項(xiàng)目綜合管廊長(zhǎng)約6.0 km，采用平行三艙布置，囊括了燃?xì)狻⒔o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(jié)構(gòu)斷面見圖1 所示。

圖1 管廊結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：mm）

該項(xiàng)目綜合管廊下存在卵石層及風(fēng)化巖層，溶洞見于石灰?guī)r分布區(qū)，具體地質(zhì)特征見表1 所列。該區(qū)域鉆孔見洞率83.8%，線溶洞率72.2%，單個(gè)溶洞高度0.9～2.5 m，溶洞空間形態(tài)復(fù)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(jié)構(gòu)斷面圖

圖3 溶洞縱段位置圖

表1 管廊下地質(zhì)特征描述一覽表

2 溶洞處理方案比選

雖然規(guī)范[4]中對(duì)于建筑荷載作用下溶洞穩(wěn)定性，以及溶洞處理方法已有規(guī)定，但針對(duì)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(xiàng)目，一般位于城市中心或近郊，圍巖條件較差，圍巖等級(jí)一般為Ⅳ、Ⅴ級(jí)，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(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑尺寸較小，為了滿足不同管線分艙要求，內(nèi)部設(shè)有中隔墻，因此綜合管廊剛度較大。根據(jù)以上特點(diǎn)，對(duì)于溶洞頂板強(qiáng)度不足，以及對(duì)于溶洞沿管廊縱向方向跨度較大的情況，采取溶洞內(nèi)部單液配合雙液的注漿方式進(jìn)行處理；對(duì)于溶洞頂板強(qiáng)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(huì)有繼續(xù)發(fā)展的可能性[3]，采取綜合管廊設(shè)置底梁的方式進(jìn)行跨越。

溶洞處理方案中，管廊設(shè)置底梁的造價(jià)要低于溶洞內(nèi)注漿加固的造價(jià)，為節(jié)約造價(jià)應(yīng)盡量采用設(shè)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(jìn)行注漿處理。判定方法有兩種[6]，一種為當(dāng)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(shí)，溶洞洞體可不進(jìn)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(jìn)行處理。

對(duì)于頂板為中厚層、薄層，裂隙發(fā)育，易風(fēng)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(dá)到不影響上部管廊結(jié)構(gòu)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(shù)，石灰?guī)rK取1.2，黏土K取1.05。

對(duì)于頂板巖層較為完整，強(qiáng)度較高的溶洞，可按照頂板強(qiáng)度判斷處理方法，溶洞頂板抗彎及抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算公式如下：

式中：M為頂板彎矩，根據(jù)頂板裂縫位置可按照固定、簡(jiǎn)支或者懸臂來計(jì)算；H為頂板巖層厚度；σ 為巖體計(jì)算抗彎強(qiáng)度（石灰?guī)r一般為允許抗壓強(qiáng)度的1/8）；fs為支座處剪力；S為巖體計(jì)算抗剪強(qiáng)度（石灰?guī)r一般為允許抗壓強(qiáng)度的1/12）。

根據(jù)以上原則，考慮到石灰?guī)r溶洞在水流的作用下仍然有可能繼續(xù)發(fā)展[3]，即使巖層頂板強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)度要求，仍設(shè)置底梁進(jìn)行跨越。該工程當(dāng)巖層頂板厚度大于等于3 m，且當(dāng)溶洞沿管廊方向長(zhǎng)度小于等于10 m，采用在管廊設(shè)置底梁進(jìn)行跨越，其余情況溶洞進(jìn)行注漿加固。

3 溶洞洞體注漿加固

化學(xué)灌漿分為單液和雙液[7]，單液法是指將漿液混合后直接進(jìn)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(jìn)行灌注。單液注漿通常采用水泥漿液，成本較低，但流失嚴(yán)重，強(qiáng)度也不穩(wěn)定，尤其對(duì)于溶洞內(nèi)存在流動(dòng)水，單液法難以固結(jié)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(jié)速度快、強(qiáng)度提高快，雙液在溶洞加固以及基坑堵漏中應(yīng)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(nèi)可能存在流動(dòng)的水，單液法注漿可能失效或者填充量巨大。因此對(duì)于體積較小的溶洞，可直接采用雙液法進(jìn)行加固處理；對(duì)于體積較大的溶洞，先采用雙液法沿管廊結(jié)構(gòu)周邊注漿加固形成止?jié){墻，再采用單液注漿填充止?jié){墻內(nèi)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。

圖4 溶洞注漿加固橫斷面圖

圖5 溶洞注漿加固平面圖

該工程雙液注漿鋼管直徑為75 mm、壁厚為6 mm，管壁上?4 mm＠100 mm 花眼作為出漿孔。溶洞注漿水泥采用的42.5 普通硅酸鹽水泥，注漿流量為20～50 L/min；注漿壓力為0.1～0.9 MPa。水泥凈漿與水玻璃體積比為1∶0.7。

4 管廊底板加固

管廊工程相較于其他地下建筑構(gòu)筑物，具有呈長(zhǎng)條狀、剛度較大的特點(diǎn)，對(duì)于溶洞跨度較小的情況下，采用管廊底部設(shè)置橫縱向梁加固的方法跨越溶洞更為經(jīng)濟(jì)合理。邊跨縱梁可考慮側(cè)壁深粱作用，邊跨縱梁尺寸可適當(dāng)減小。管廊底板加固橫斷面及平面圖詳見圖6 及圖7 所示。

圖6 管廊橫縱梁布置橫斷面圖

圖7 管廊橫縱梁布置平面圖

5 結(jié) 語

（1）對(duì)于綜合管廊下存在溶洞的處理方式有兩種，一種為采用雙液配合單液注漿的方式對(duì)溶洞進(jìn)行填充加固，另一種為采用對(duì)管廊設(shè)置橫縱向底梁的方式跨越下部溶洞。

（2）對(duì)于覆土2.5 m 的三艙管廊，當(dāng)巖層底板厚度大于等于3 m，且溶洞沿管廊方向跨度小于10 m時(shí)，可采用設(shè)置底梁跨越溶洞，其余情況下采用溶洞注漿加固處理。

（3）當(dāng)采用注漿加固處理溶洞時(shí)，對(duì)于體積較小的溶洞，可直接采用雙液法進(jìn)行加固處理；對(duì)于體積較大的溶洞，先采用雙液法沿管廊結(jié)構(gòu)周邊注漿加固形成止?jié){墻，再采用單液注漿填充止?jié){墻內(nèi)剩余部分空間。