地下溶、土洞填充加固施工技術探討

蔡旭東

廣州協安建設工程有限公司 廣東 廣州 510000

1 前言

巖溶和土洞是埋藏在巖溶區覆蓋層中的不利地質現象，如果在這些區域施工作業，極可能會引起地表塌陷等施工問題。我國地域特性，大部分地區都是淺層巖溶地區，因而施工不可避免會遇上巖溶區域。特別是礦區還受到巖溶塌陷等地質災害的影響[1]。由巖溶引起的土洞地面塌陷，有時會對地下建筑物、道路及配套設施、管道、村莊、農田等造成嚴重破壞，人們的生命財產安全也因此受到前所未有的威脅，此外，嚴重破壞地質環境，也會給生態恢復和管理帶來困難。施工現場的穩定性以及建筑物的安全正常使用都深受其嚴重影響，因此，對于巖溶、土洞的形成原因分析，并采取合適的深基坑支護技術、地基處理措施，對于施工單位來說具有重要的理論意義和實際應用價值。

2 溶洞及土洞的一般處理原則

由于地層中溶洞的深度和大小不同，對地基及其上部結構的影響也不同。因此，應根據上述具體情況采取不同的治理原則。例如，地層中部的溶洞主要用來填充，使溶洞密集功能主要包括：一是在縱流隧道填充后，可以在縱流隧道和地基周圍形成完整的地形，以保證固定或復合地基，建筑設計方案按慣例實施; 二是在縱流隧道填充后，通道被水封閉，以防止隧道在地下水的侵蝕和侵蝕下擴大和發展。

值得注意的是，在巖溶洞、土洞填筑材料的選擇上，沒有必要過于嚴格。一般來說，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。對溶洞進行充填和無縫化處理，只能減少地基的不均勻性[2]。如果所用填料的強度或間隙過大，就會與周圍地基的強度或間隙大不相同，造成地基的不均勻性。因此，溶洞充填材料的強度和致密度應與地基周圍的強度和致密度相近或一致。

3 地下溶、土洞問題對建筑地基的影響

3.1 溶洞問題對地基的影響以及其影響因素

施工問題是地基處理過程中的一個常見問題。它不僅會使巖溶地區的地基變得非常不穩定，而且還會在施工過程中引起地基的安全問題，影響整個工程的進度。影響溶洞地基穩定性的因素有物理結構、溶洞發育、結構面特征、幾何形狀、頂板承載力等[3]。這些因素使得目前的勘探方法難以揭示巖溶地區的特征，難以進行地基處理。

第二，在自然力的作用下，鐘乳石溶洞的褶皺結構在褶皺轉折點容易開裂，造成鐘乳石溶洞的坍塌。這些裂縫表面粗糙，地下水活動頻繁，極不利于地基的穩定。

最后，溶洞地下水是溶洞地基處理中的一個重要問題。縱流隧洞中地下水活動頻繁，水位易變。當水位變化過大時，縱流隧道周圍的應力狀態會發生一定程度的變化，對縱流隧道基礎的穩定性有很大的影響。另外，影響溶洞地基穩定性的因素很多，如人工爆破、車輛振動、地下開挖、溶洞巖石質量、溶洞體等。因此，要保證物種流動基礎的穩定性，必須從多方面入手，找到一個更加全面的解決方案。

3.2 土洞問題對地基的影響以及其影影響因素

土洞問題是土洞、溶洞等施工過程中常見的問題之一。如果處理不當，地基會很不穩定，即使塌方，也不能根據地基降水量直接施工，對下一階段的工作和施工單位都會產生負面影響。在施工過程中，影響土質隧道地基穩定性的因素很多，如地基土層、地下水活動、地表水活動和人為因素等。

首先，土層地基對地基穩定性的影響、土層厚度和組成以及受地表覆蓋物影響的水層組成對地基穩定性和水層組成的影響是不同的，由此產生的變形滲流和破壞滲流抗力也是不同的；一般來說，在相同水力條件下，松散級配砂土比土洞更容易發生坍塌，而相對粗糙的砂土不容易發生坍塌。粘性土層間距小，土體抗力弱，容易發生流土。由于地表土層厚度對地基穩定性影響很大，根據調查資料，覆蓋層越厚，地基塌陷的可能性越小，否則地基容易失穩，6m厚范圍內塌陷的次數一般占了相當大的比例。在厚度達到10m以上的土質隧道中，地基塌方相對較小。

接下來的是水活動對土壤洞穴的影響。水通常指地下水活動和地表水活動。當地下水活動發生時，地下水位降低，從而改變土壤的形態和質量。在這種情況下，重量和其他結構將受到影響。這種影響使土洞更加不穩定，最終倒塌。比如在一些因素的作用下，空氣會發生壓縮爆炸，最終導致洞穴坍塌。還有就是水利工程建設，對原有地表含水量有一定的改變。另外，隨著水庫的建設，水庫放水時地基應力會失去平衡，最終導致土洞坍塌，影響土洞地基的穩定。

4 溶洞及土洞的一般處理技術

4.1 前期評估

在正確處理溶洞和土洞地基之前，必須對其進行正確的評價?；鶐r之間存在軟弱分布，起伏地表伴有石芽、巖溶溝渠等現象；有淺層巖溶洞穴、地下河等大規模分布。應根據當地情況采用正確、安全的技術進行相應的處理。施工人員在不穩定巖溶地區進行施工時，發現嚴重影響地基穩定性的巖溶洞穴和土洞，應當確定其位置和大小，詳細分析計算圍巖深度、穩定性和當地水文地質條件，并根據當地實際情況采取相應措施。例如；（1）對于開口處的小孔隙，通常采用鑲嵌和堵塞的方法，如用一些礫石、塊石、粘土、砂子等填充；（2）對于洞口處的大孔隙，宜采用鋼筋、混凝土、梁、板等交叉方式，使交叉結構本身具有可靠的支撐和承載面。如果是梁板結構，其在巖石上的支承長度應大于梁的高度，一般高1.5倍。此外，混凝土等塊石也可用于堵漏；（3）對于隧道周圍的不穩定巖石，還應采取不同的處理措施。如巖體風化嚴重，出現裂縫甚至破壞，可采用注漿加固填土，清除巖體覆蓋的土層，爆破頂板，開挖軟土，最后用塊石或碎石混凝土填充；（4）對于大孔隙，這里的大尺寸指的是大深度和大開孔。如果遇到這樣的孔，可以采取從孔底支撐或調整柱間距等措施。在采取措施支護井底時，應考慮井底環境的穩定性。具體操作是用石柱、石拱門或鋼筋混凝土支撐。

4.2 采取的措施

如果在建筑物的基礎范圍內出現土洞和地表塌陷，通常采取以下措施：（1）處理水。影響建筑物地基的水主要是地表水和地下水，為了防止地表水滲入土層，所采取的措施是截滲，有時還要堵塞; 地下水應根據當地地質條件，防止土洞和地表塌陷。因此，主要的措施是攔截和轉移；（2）淺層土洞采用開挖充填處理方法。無論是在地表水還是地下水的作用下形成的軟土，都是先挖后填。在地表水的影響下，土洞通常采用塊狀或片狀混凝土填充。如果隧道開挖過大，可直接采用充填法，先迫使洞室坍塌，然后用礫石層層夯實；（3）對于大直徑深埋土洞，施工主要采用灌砂法和梁板穿越法。采用梁板交叉法時，要注意洞周土體的承載力和穩定性是否滿足要求。把建筑物的重量轉移到穩定的巖層上。

4.2.1 溶洞地基處理問題的解決方案

首先，流程處理應遵循一定的原則。第一，避開巖溶發育強烈的地區，找到合適的地區。第二，溶洞地基含有石膏或巖鹽，考慮會受到腐蝕的影響。第三，對于不穩定的溶洞，應在地基處理的基礎上采取適當的處理方法。第四，未經處理的地表沉陷區不得用作天然地基。第五，合理處理地下水，防止渠道堵塞。第六，使用樁時，應選用直徑較大的樁或嵌巖樁。

其次，在處理對地基穩定性有一定影響的溶洞地基和進行溶洞滲漏的具體處理方法時，根據溶洞的位置、巖層的圍巖穩定性、水文地質條件等進行綜合分析，并根據分析結果采用不同的處理方法。小孔縫一般采用鑲嵌或蓋板方式。對于孔內大裂縫，應采用橫梁、板、拱等結構的處理方法[4]。對于不穩定巖壁和風化礫石的巖石，可采取注漿、網眼充填等措施。對于較大的孔洞和裂縫，施工人員可以采用支撐孔體或調整基礎柱間距的方式來處理。

4.2.2 土洞地基處理問題的解決方案

在進行土洞地基處理時，挖坑法是將原土洞中的軟土抹平，在土孔中鋪設塊石和礫石，并用石灰土和粘土壓實礫石表面。在處理地下水所形成的泥洞時，須以挖泥方法建造新的泥洞，以防止泥洞被堵塞。該方法一般適用于有傾斜地層的土洞[5]。灌漿方法是鉆孔后將100mm-150mm 砂礫注入基坑周圍基礎底部，用土或混凝土填充，適用于過度鉆孔的土洞處理。在處理大深度土洞時，一般采用橫梁板法，而不對土洞本身進行處理。在處理地表水和地下水滲入形成的土洞時，可采用防滲的方法，人工控制地下水位，以保證地基的穩定。

5 溶、土洞填充加固工藝

5.1 高度小于2.0m的溶洞、土洞樁的處理措施

（1）對于完全充填的小型溶洞和土洞，采用填充松散或軟塑性粘土的處理方法；根據資料，從溶洞和土洞上方1.5m開始，沖擊孔，同時回填石料和粘土混合物，并增加泥漿的比例，錘頭提高0.5m緩沖，利用石料和粘土混合物填充溶洞和土洞區域，以達到足夠的承重石填充帶，形成良好的墻體保護，也可以保證沖孔施工通過小洞、土洞底層的安全。此外，在樁孔內進行了小鉆孔高壓固結灌漿。水泥漿完成后，強度達到一定水平（一般為5 ～ 7天） ，再進行沖孔樁施工。

（2）對小溶洞、土洞和半充填小溶洞、土洞將采取方法：根據資料，從溶洞和土洞上方1.5m開始，低錘產生緩沖作用。到達溶洞和土洞頂面后，沖擊時將硬石粘土混合物放入洞內，控制錘擊距離溶洞和土洞頂面不超過0.5m。大量的石頭和粘土被連續不斷的沖擊填充到洞穴中，使洞穴變得致密。

5.2 高度大于2.0m的溶洞、土洞樁的處理措施

這部分溶洞和土洞高，地質條件復雜多變，對鉆孔灌注樁施工影響很大。為此，我們項目部專門開展了溶洞、土洞治理工作。具體的處理方案如下：

（1）毛片石、粘土、水泥漿充填固結法。首先，進行普通沖擊鉆孔。正如以前的鉆井資料所顯示的那樣，水流和土洞都是從1.5m以上的高度受到沖擊的。到達溶洞頂和土洞頂后，進行沖擊鉆進，放入碎石、粘土和水泥混合物[6]。主要控制要點如下：1）回填用碎石直徑控制在30 ～ 50cm之間，選用優質膨潤土作為粘性土；2）在整個充填壓實過程中，錘頭應保持低而緩慢，錘頭高度不應超過溶洞頂部以下1.0m；3）停錘標準: 回填料密實，回填料的高度應比縱流頂部至少高1.5m。其他洞室應用優質粘土回填，以確保安全；4）鉆孔灌注樁須于5至7天后進行。

（2）采用塑性混凝土回填法。對于未填充的散裝流體，應采用塑性混凝土回填的方法。具體措施如下：1）塑性混凝土由水泥、砂和粘土制成。配合比應根據現場試驗確定?；炷帘仨毦哂辛己玫耐杆院土鲃有裕?）根據地質調查局資料，從水流的位置及大小來看，應在水流位置鉆孔。根據流量分配區域的大小確定孔的數目；3）塑性混凝土澆筑過程中，如澆筑量大，可采用間歇式澆筑。澆筑一定量的混凝土后，暫停澆筑。待混凝土被灌注到一定的固定強度，然后再進行灌注，直到溶洞被填滿；4）灌注填筑完畢后，靜置3 ～ 5天后再進行鉆孔灌注樁施工。

6 盾構穿越施工順序和注意事項

6.1 施工順序

隧道邊界勘測、注砂及填土工程須按施工次序進行。當井眼高度超過3m時，應組織水泥漿加固及專業部門檢驗驗收。在灌漿施工過程中，先進的止水和灌漿帷幕施工要求對溶解裂縫進行全面的加固處理。與其他洞室隔離后，可在縱流隧道區域內進行沖孔加固處理。在噴涂過程中，如噴涂損失速度過快，應及時增加水玻璃速凝劑，以有效控制噴涂材料的損失，確保噴涂效果。

6.2 施工注意事項

現場地質勘查階段公布的巖溶洞穴和高危地區的巖溶洞穴必須進行相應的填充和加固。但在進行隧道沖刷加固處理前，必須確定市政管線在周圍處理區域內的具體分布，并及時采取相應的清除和更換措施。在巖溶處理和加固施工中，盡量避免施工堵塞或管道施工造成的損壞。巖溶施工應急措施包括：地鐵隧道施工前，為充分做好各種現場施工事故可能性的預測和評估準備，在事故發生時及時采取應急救援和應對措施，及時處理所需設備和材料、預制鉆孔塌方或引水事故[7]。在噴射混凝土施工過程中，為防止噴射混凝土溢流孔口，應采取適當的技術措施密封孔口。地面水泥漿施工完畢后，水泥漿孔應完全密封，杜絕出現密封缺陷，以確保隧道內其他施工的安全。

7 結語

巖溶洞穴是石灰巖在水中長期溶解形成的洞穴。淺層巖溶洞穴發育成為開口式巖溶洞穴，由于土層塌陷而充填，是巖溶洞穴形成的共同原因。在工程使用壽命期間，土洞的開發概率很高，土洞的開發是建立在可靠性的基礎上的。因此，應對場地內的土洞和淺層溶洞進行處理。特別是在淺層巖溶溶洞建筑物基礎施工中，上部砂層具有潛在的不穩定性，容易突然坍塌。為了進一步保證地基和建筑物地基的穩定性，有必要對土體、縱流隧道和溶洞進行注漿加固和填充處理。