水利工程掏砂洞的成因及施工處理措施

韓大偉

（中電建建筑集團有限公司，北京 100011）

1 工程概況

此標段為南水北調鶴壁段Ⅰ標，渠道全長11km，標段內共有各種建筑物23座，地域上屬于河南省鶴壁市淇縣，合同主要工程量有：土石方開挖652.40 萬m3，土方回填382.10 萬m3，混凝土14.90萬m3，鋼筋5 277.30 t，工程合同金額為32 506.90萬元（含3 000 萬元備用金），工程開工日期為2009 年5 月15 日，合同竣工日期為2012年1月15日，總工期32個月，實際竣工日期為2015年12月23日。

2 水利工程掏砂洞具體情況

前期施工過程作業開展共有32個，其中：土石方開挖作業面有9個，土方填筑作業面13個，左排建筑物7個，橋梁作業面3個。通過對工程現場的勘察，發現的掏砂洞共18處，其中15處為渠堤濕陷性土處理施工（強、重夯和土擠密樁施工）過程中發現的，2處為渠道開挖過程中發現的，1處為建筑物基坑開挖過程中發現的。結合勘察報告及前期掏砂洞處理的試驗成果，場區第四系松散層自上而下主要由：黃土狀重粉質壤土、中細砂、含泥沙卵石、黃土狀粉土、鈣質結核、中細砂、砂卵石、粉土、中細砂、砂卵石及粉質黏土組成，砂層與土層相互交替，以互層形態存在，各層層厚在渠線的不同部位分布不均，黃土狀土類具濕陷性。場區地下水主要以潛水的形式賦存于第四系深層砂卵石中，地下水位高程在+60 m 左右，人工掏砂洞主要分布于不含地下水的第四系中上部砂卵石層中，掏砂洞埋深高程一般在+83 m～+75 m之間，洞高大部分為0.60～2.20 m，洞徑2 m左右，最大不超過4 m。

土石方開挖完成后揭露出的掏砂洞主要分布在樁號Ⅳ147＋000～Ⅳ153+300 之間，分布長度約6.30 km，占渠道總長的57.30%，其中比較集中的約3 km，主要集中在武莊溝倒虹吸附近和黃莊溝倒虹吸以北，樁號為Ⅳ149+200～Ⅳ151+600和Ⅳ152＋400～Ⅳ153+000之間（詳見表1）。

表1 掏砂洞處理范圍統計表

3 水利工程掏砂洞的成因及影響分析

砂洞是當地村民挖砂形成的地下隧道，其延伸方向隨砂層走向不斷擴大，有的局部只有一小部分，有的貫穿整個河道，繼續向四周擴散。

3.1 人員、設備安全無法保障

因為掏砂洞在地下空間，具有較強的隱蔽性和不可預見性，工程在強夯施工階段因為沒有發現一些隱秘的掏砂洞，已出現多起設備陷入洞中的情況，造成來了設備受損。在渠底板開挖以及渣土運輸施工中，還出現渣土車挖到掏砂洞區域陷入掏砂洞的情況，土擠密樁作業時也出現一次因為掏砂洞導致樁體陷落，鋼絲繩拉斷的問題，導致設備損壞，幸好沒有出現人員的傷亡。

3.2 施工進度的影響

隨著掏砂洞的出現，嚴重影響了施工進度和規劃，在發現第一個掏砂洞以后，一些工作基本暫停，具體展現在以下幾個方面：一是武莊溝排水倒虹吸施工無法進行。根據與制定的施工計劃和進度方案對比，在進行武莊溝排水倒虹吸的開挖時，出現了大量揭露出的掏砂洞，導致后續工作無法正常進行。二是橋梁施工無法進行。因為掏砂洞出現，導致一些橋梁工程下部灌注樁施工工作不能正常進行，具體為武莊東公路橋（樁號Ⅳ150+123.80）和黃莊東公路橋（樁號Ⅳ152+441.20）。三是渠道開挖及渠堤回填無法進行。受到掏砂洞的影響，要想保證施工正常進行，提高施工安全性，當前在武莊溝周邊即樁號Ⅳ149+200～Ⅳ151+200和黃莊溝以北即樁號Ⅳ152+400～Ⅳ153+000部位渠道開挖及渠堤回填方面不能正常施工，影響長度超過2 km。

3.3 對安全度汛工作造成影響

因為掏砂洞的問題，導致工程左排的構筑物在開挖后，遲遲不能開展接下來的工序，造成在汛期洪水來臨時，水流難以被疏散，導致大片區域被淹。因為最開始不能有效掌握掏砂洞及其進出口的具體位置，導致在汛期階段，洪水就能夠通過洞口進入到洞中，導致垮塌，埋下隱患。

4 掏砂洞處理措施

4.1 洞內外觀測

4.1.1 砂洞埋置深淺不一

發現的掏砂洞有12個，深度為3～5 m。最淺的掏砂洞距離地表只有幾十厘米，在清表施工時，發現最深的掏砂洞埋設深度大于10 m。部分位置根據擴挖情況，砂洞分為上下兩層，方向不明。

4.1.2 結構穩定性差

結合武莊溝底部的砂洞情況分析，掏砂洞結構基本呈拱形，孔高0.80～1.50 m，局部高度約2 m，寬度1～6 m，狹窄部分的人員不能通過。根據工程地質條件，洞頂為中粉質壤土和重粉質壤土，遇水易坍塌。部分砂洞頂部為卵石層，結構穩定性不強。

4.2 施工處理措施

對于掏砂洞的處理施工工藝流程如圖1所示。

圖1 掏砂洞的處理施工工藝流程圖

4.2.1 人工開挖

通過總結現場多方意見，對于已發現的砂洞，如果渠堤砂洞深度小于3 m，應先進行機械開挖。項目發現的18 個掏砂洞，其中12 個已通過挖掘機進行挖掘。武莊溝排水倒虹吸及其周圍的掏砂洞和黃莊溝以北的掏砂洞因為深度、方向不明確，伴隨一定的交通道路風險隱患，當前沒有對其處理。因為當時施工工期比較緊張，也正處于施工黃金階段，降雨量比較少，所以采用邊勘察邊施工的方式，對于每個掏砂洞全面勘察，逐一處理。

4.2.2 鉆孔及探查

常規的鉆孔探查主要是利用地質鉆機、合金鉆頭以及泥漿護壁等辦法完成鉆孔，在鉆孔過程中檢查是否存在漏漿、掉鉆等相關情況，來判斷是否存在掏砂洞。但這種常規的鉆孔方式只能探查到掏砂洞的大致范圍，所以在常規鉆孔探查的基礎上，還采用十字加密追蹤法、高密度電法以及雷達法等。先利用鉆探方法查找大致范圍，在此基礎上在大致區域利用施工加密孔，以十字加密追蹤法，反復進行十字追蹤，配合地質雷達等進行進一步探查，最終共發現606個掏砂洞孔。

4.2.3 固結灌漿施工

針對武莊溝部位掏砂洞埋深、密實情況，建議該段按照自下而上的原則采用水泥改性漿（厚漿、膏漿）充填。此標段渠道邊坡存在掏砂洞現象，根據掏砂洞產生的原因可知，存在掏砂洞的渠道邊坡砂層較厚，砂粒較粗，遇水易流失，有可能形成水流通道。一些掏砂洞已延伸至河道外側。為保證渠道邊坡的穩定性，對邊坡上有掏砂洞的部位進行封堵，并且對邊坡砂性好的部位進行處理，防止砂層流失，決定采用固結灌漿。準備兩臺中壓灌漿泵，及兩臺400 L 的攪拌桶，以孔口封閉分段灌漿法進行施工，漿液的水：黏土：水泥比例為3：2：1。在正式施工前先進行壓水試驗，經過試驗確定灌漿壓力。正式灌漿施工時，采用低壓、限流的方式緩速灌漿，可以間歇灌注，但是間隔時間不能大于15 min。在灌漿工序起始階段，注漿的壓力控制為0.10 ～0.20 MPa的范圍，隨著注入量越來越多，灌注壓力也隨之不斷提升，逐漸升到0.50 ～1.00 MPa。臨近結束后，繼續灌注10 min 左右后停止灌漿，或者等見到地表冒漿就停止灌漿作業。將洞口灌滿后進行人工封孔，采用0.5：1的水泥砂漿以管道注入孔底，并逐步提升管道直至填滿整個孔段。很多掏砂洞的內部空間都比較大，所以灌注的時間會比較長，可以在灌注一段時間之后，先待凝，再接著灌注，這樣有助于使灌漿更為密實，強度更高。

4.2.4 混凝土襯砌

渠道邊坡及渠道底部采用素混凝土襯砌工藝，邊坡襯砌厚度為10 cm，渠道底部襯砌厚度為8 cm，混凝土下部設置0.30 mm厚復合土工膜、2.50～3.00 cm厚保溫板、10 cm厚砂礫墊層。襯砌混凝土的功能是減少水流的摩擦阻力，減少水頭損失，并且水流的抗壓和抗彎能力比較差。因此，建議加厚復合土工膜和保溫板，同時考慮到襯砌混凝土承受部分水流的壓力，對襯砌混凝土進行加厚和加固處理，以提高失去砂層后混凝土的抗壓和抗折能力。

5 施工結果

工程按照上述施工方式，如期完成工程。一共處理606個掏砂洞孔，總回填灌漿為18 578 m3，平均每個洞孔灌注在30 m3以上，空洞區域很大，如果不及時處理，勢必會為工程施工及竣工后的質量安全埋下巨大隱患。經鉆孔取芯、透水試驗等，均證實掏砂洞的充填效果理想，材料緊實，沒有脫空的問題出現。合格率為100%。此外，從經濟角度來看。工程所采用的材料為改性黏土水泥漿材，這種材料的成本在150元/m3以下，常規的膨潤土或是泥粉材料的常規水泥黏土漿其成本為300元/m3，工程采用改性黏土水泥漿也同樣達到了驗收標準，而且接近20 000 m3的掏砂洞總空間來看，節省了2 000 多萬元，可見此工程采用的處理技術不僅質量達標，還能夠節省成本，效果理想。

6 結語

在出現砂洞問題以后，引起了南水北調中線干線工程建設管理局、工程代建部門、設計部門、地質部門以及監理部門等領導的廣泛關注。因為砂洞影響范疇比較大，埋設深度深，處理比較復雜，為了保證施工質量，需要結合現場實際情況，及時調整施工方案，做好相應的處理工作，保證施工進度，以便快速實現施工目標。采用固結灌漿施工，可以應用于大型溶洞、土洞、空穴等的充填，可以用于巖土裂隙的灌漿防滲，可以用于大型垃圾場、大型礦山邊坡的帷幕灌漿，可以用于鐵路、公路工程下伏小型采空區的勘察和治理，相對于目前其他的施工處理方法，具有成本低、環保、應用效果好等優勢，應用范圍廣闊。