喀斯特地貌巖溶強發(fā)育地區(qū)長輸管道施工過程中溶洞的影響及處理方法

宋雅聰

國家管網(wǎng)集團新疆煤制天然氣外輸管道有限責任公司 北京 100020

我國喀斯特地貌分布廣、面積大，主要分布在碳酸鹽巖出露地區(qū)，面積約91 萬～130 萬km2。其中以廣西、貴州、云南、四川和青海（即云貴高原）東部所占的面積最大，是世界上最大的喀斯特區(qū)之一。其中廣西壯族自治區(qū)喀斯特地貌廣布，地表多石少土，每逢雨季尤其是暴雨季節(jié)，洼、谷地周邊山體的地表積雨水從四周地表徑流迅速匯集于洼地，使得廣西地下巖溶管道發(fā)育強烈。國家管網(wǎng)投資建設的廣西支干線輸氣管道工程全長463km，其中湖南252km、廣西211km，管徑為Φ813mm，設計壓力10MPa。全線共設置工藝站場3 座，線路截斷閥室23 座，穿越水域大中型27 處，山嶺隧道2 處，穿越鐵路20 處，穿越高速17 處，穿越國省道21 處。管道采取溝埋敷設方式，埋深一般不小于1.2m。地質(zhì)勘察以工程物探手段為主，并輔以工程地質(zhì)測繪及調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探、水文試驗及室內(nèi)試驗等綜合手段。

溶洞也稱為喀斯特地質(zhì)，是由碳酸鹽巖、石灰?guī)r、泥炭巖等可溶性巖石長期受水的化學溶蝕和機械作用而形成的。喀斯特不良地質(zhì)構(gòu)成的喀斯特地基常常會產(chǎn)生承載力不足、不均勻沉降、滑動和塌陷等變形破壞況，這不僅給長輸管道施工帶來不便，還會影響施工安全[1-2]。因此，在長輸管道施工過程中遇到溶洞時，需要根據(jù)喀斯特地質(zhì)的具體情況慎重選擇處理方法。以下結(jié)合廣西支干線工程的地質(zhì)情況、場地特征及地下工程實際，分析溶洞對長輸管道施工的影響及處理方法。

1 常見溶洞的分類

根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其發(fā)育情況可將溶洞進行分類，按溶洞的填充狀態(tài)可分為全充填、半充填和無充填。按溶洞的大小可分為大溶洞（溶洞高度＞3m）和小溶洞（溶洞高度＜3m）。按溶洞垂向個數(shù)可為單個溶洞（垂直方向僅有一層）和多層溶洞。按漏水程度可分為全漏水溶洞（與其他溶洞或地下暗河連通）、半漏水溶洞（洞壁存在縫隙，有滲漏現(xiàn)象）和不漏水溶洞（洞壁完整，無滲漏現(xiàn)象）。對于不同類型的溶洞，需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況制定專門施工方案以確保管道施工安全。

2 災害特征

2.1 坍塌

由于存在溶洞地區(qū)的地質(zhì)地貌相對復雜，給施工帶來了一定的難度。在進行溶洞地基處理作業(yè)時會受到地下水流、地表徑流的沖擊，對巖石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當?shù)鼗摵尚∮诘鼗休d力時，會直接導致溶洞頂板巖體坍塌。塌陷會使管床沉陷、管道懸空甚至斷裂，造成巨大的安全隱患。

2.2 滲漏

在進行地基處理時，巖體中會存在縫隙。所以在進行地基開挖時，開挖區(qū)域會存在承壓水的情況，產(chǎn)生地下突水現(xiàn)象。而基坑內(nèi)的大量涌水時，基坑土體受水浸泡使強度降低而發(fā)生坍塌，這不僅對施工進度產(chǎn)生影響，還對施工人員的生命安全產(chǎn)生威脅。

3 施工災害的預防措施

溶洞處理的原則遵循繞避為主，輔以超前預估、防治結(jié)合。根據(jù)勘探物探勘察報告和現(xiàn)場實際情況，對線路進行優(yōu)化，盡可能避讓溶洞區(qū)域。盡管繞避會增加線路長度，但有利于保證油氣管線后期的安全運行，減少維護費用[3]。

對于無法繞避的區(qū)域，首先需詳細查閱相關(guān)地質(zhì)資料，充分了解溶洞及其他不良地質(zhì)的分布情況。對于對地質(zhì)異常復雜或資料描述不完整的位置，需通過補勘的手段，弄清楚溶洞的基本情況，如其大小、高程、分布、連通性、走向、填充物等。對含水溶洞要進行精確判斷，查明水壓、水量、充填介質(zhì)，同時根據(jù)鉆孔涌出物來判斷是否連通暗河。對于探明以上基本情況的溶洞，根據(jù)實際情況制定專門的處置策略和操作辦法，必要時可考慮調(diào)整管道的基礎尺寸。進入施工的機械需進行施工穩(wěn)定性評價，還要考慮施工可能會對周邊造成的影響。地基處理完成后的施工應避免聯(lián)合下溝，因為聯(lián)合下溝會引起局部負荷增加，存在安全隱患。后續(xù)工序應銜接緊密，盡量減少管溝開放的時間，盡快完成管溝回填[4-5]。

4 廣西支干線工程溶洞處理應用實例

4.1 平原段溶洞處理

廣西支干線工程興安段在丘陵地區(qū)管溝開挖過程中發(fā)現(xiàn)溶洞，由于與前期勘探報告中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)不符，根據(jù)現(xiàn)場實際需求要求設計單位對擬建管道軸線及兩側(cè)各10m 范圍內(nèi)進行補勘。補勘以工程物探手段為主，并輔以工程地質(zhì)測繪及調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探、水文試驗及室內(nèi)試驗等綜合手段。對物探異常地段、明顯的低阻或低阻帶位置布設勘探點，共布設勘探點共計7 個，長度約170m。7個鉆孔中BK3、BK4、BK5、BK6 鉆遇巖溶洞穴，溶洞類型為未充填、全充填，充填物為可塑粉質(zhì)黏土夾灰?guī)r碎石塊。該處的巖溶位置、形態(tài)、規(guī)模見表1。

表1 興安段溶洞位置、形態(tài)、規(guī)模表 m

由地質(zhì)勘探結(jié)果可知，該地區(qū)屬于巖溶地下河強烈發(fā)育區(qū)，地下水水位、水量的動態(tài)變化較大。地下水活動對巖溶洞體的穩(wěn)定性不利，地下水的沖蝕、掏蝕將促進洞隙的形成和擴展，隨著時間的推移將產(chǎn)生自然冒落，形成塌陷，對擬建管道存在威脅，威脅長度超過500m。因此，遵循溶洞處理繞避為主原則，以及從管道安全建設和運營的長遠角度考慮，對擬建管道的東南段線路進行優(yōu)化，避開物探異常可能存在地下巖溶的區(qū)域。針對這類地質(zhì)環(huán)境復雜、處理較為困難的巖溶地區(qū)，優(yōu)先考慮繞避，不僅能夠降低管道施工風險，而且可以節(jié)省成本。

對于線路優(yōu)化后靠近管道的溶洞實施拋填處理，首先拋填片石填至距地面50～100cm 的位置，通過挖掘機對其進行沖擠，將填料向周圍溶洞內(nèi)擠壓，片石在洞身逐漸膨脹。為了避免發(fā)生滲漏，又加入了黏土進行堵漏，最后使用挖掘機將填料按實。這樣處理后，底下片石不僅能起到支撐穩(wěn)固地基的作用，還能兼顧地下過水，保持原有的地下水系統(tǒng)，對周圍居民的生活不產(chǎn)生影響，減少因施工造成的矛盾糾紛。

4.2 河流開挖穿越溶洞處理

湘江開挖（QZ033—QZ034 號樁）一期工程等級為大型河流穿越，湘江多年平均水位水面寬度≥200m，不計水深。根據(jù)由巖土工程問題造成工程破壞或影響正常使用的后果，該工程重要性等級為二級工程；根據(jù)工程特點和設計要求，勘察場地屬建筑抗震小于6 度設防區(qū)，巖溶強發(fā)育，確定場地復雜程度等級為一級（復雜場地）；場地內(nèi)巖土種類較多，不均勻，性質(zhì)變化較大，確定地基復雜程度為二級（中等復雜地基）。

首先，通過工程地質(zhì)測繪、鉆探、取樣及室內(nèi)試驗等勘察、測試手段和方法，查明勘察場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，對穿越場地的穩(wěn)定性和適宜性作出評價。重點調(diào)繪穿越通過地段及影響區(qū)域的不良地質(zhì)、特殊地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)的條件，收集并分析了穿越區(qū)域的區(qū)域構(gòu)造、區(qū)域地質(zhì)等資料。然后，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，結(jié)合穿越場地地形地貌，在穿越管道中線下游15m 處布置一條勘探線，共布置5 個勘探點，勘探實際鉆孔深度為35.00～45.00m。

鉆探資料表明，場區(qū)不良工程地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為下伏灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r巖溶發(fā)育。溶洞發(fā)育及分布情況見表2。除溶洞外，未發(fā)現(xiàn)斷層、泥石流、滑坡、地面塌陷等其他不良地質(zhì)作用。因巖溶強發(fā)育，鉆探揭露的溶洞均為全充填溶洞，充填物為非均勻分布的卵石、礫石、中粗砂及粉質(zhì)黏土，工程性質(zhì)差。因溶洞發(fā)育及分布沒有規(guī)律可循，場地內(nèi)的溶洞發(fā)育情況難以準確查清。

表2 湘江開挖一期工程溶洞發(fā)育及分布情況 m

湘江開挖一期工程從西岸圍堰、開挖170m。根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果發(fā)現(xiàn)西岸地下存在多層溶洞，若要滿足管道埋深要求，需貫穿上層溶洞。下層溶洞與上層溶洞之間巖壁較薄，若不處理則會存在安全隱患。因此，對于“串珠狀”溶洞采取如下處理方式：首先使用挖掘機貫穿上層溶洞即開挖至下層洞頂，再對溶洞實施拋填處理。現(xiàn)場采取拋填黏土、片石、袋裝水泥反復沖擊造壁，將片石向周圍溶洞內(nèi)擠壓，將填料填至距地面約50cm 的位置，最上層填充袋裝黏土以起到防止?jié)B漏的作用；隨后采用標貫法檢查溶洞的填充充盈情況及均勻程度。在拋填過程中未發(fā)現(xiàn)溶洞與地下水系連通和滲漏的情況，因此，填充完成后就可以進行后續(xù)施工。

4.3 水下盾構(gòu)溶洞處理

瀟水穿越（LL094—LL095 號樁）位于湖南省永州市零陵區(qū)煙竹塘村與羊公攤村之間，地區(qū)等級為二級，河床下隧道頂最小埋深為8.92m，隧道長度469m，隧道內(nèi)徑2.44m，采用泥水加壓平衡盾構(gòu)法施工通過。穿越場地地貌屬于侵蝕剝蝕丘陵地貌中河流沖洪積區(qū)，地形相對平緩，起伏不大。河谷東側(cè)岸坡為石砌岸坡，西側(cè)為土質(zhì)岸坡，地形較簡單，河流兩側(cè)均為種植水稻田，河流東岸地形自西向東逐漸升高。根據(jù)巖土工程勘察報告，工程區(qū)地層勘探深度內(nèi)主要為第四系全新統(tǒng)沖洪層，下伏基巖以灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r為主。根據(jù)地下水分布及可溶性礦物含量判定，該地區(qū)內(nèi)巖溶強發(fā)育存在溶洞、巖溶通道與河水貫通。通過對該地區(qū)地質(zhì)進行詳細勘察發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隧道施工地層巖體裂隙較發(fā)育，富含裂隙水，為巖溶發(fā)育區(qū)域，軸線方向溶洞較多，且部分為未填充狀態(tài)。

通過穿越區(qū)域進行地質(zhì)詳勘，揭露了多個大型溶洞，分布隧道軸線及底部位置，且?guī)r溶形態(tài)以溶蝕裂隙、溶洞為主。溶洞高度為8～12m，均為半填充，填充物以砂卵石為主，軸線溶洞長度約為70m，空墻體部分平均深度為12.5m。施工前對處理范圍進行確認，對于豎井巖溶處理平面范圍為豎井結(jié)構(gòu)邊線外擴3m，豎向范圍為豎井底板結(jié)構(gòu)邊線外擴5m；對于隧道巖溶處理平面范圍為隧道結(jié)構(gòu)邊線外擴3m，隧道頂板結(jié)構(gòu)邊線外擴3m，隧道底板結(jié)構(gòu)邊線外擴6m。對地下溶洞進行分類，處理順序遵循“先深后淺，先大后小”的原則。

對于洞高不大于3m 的溶洞，采取先用砂進行預充填，再采用純水泥漿進行靜壓式灌漿，灌漿孔應伸入溶洞底部以下不小于0.5m；對于洞高3～6 m 的無填充溶洞和半填充（軟流塑充填除外）溶洞，灌漿先用砂進行預充填，再用間歇式或跳孔靜壓灌漿。第一次灌漿采用水泥漿，灌漿量控制在超過100m3/ 次后再灌第二次；第二次灌漿可采用水泥漿或濃漿，同樣按超過100m3/ 次控制；依次類推，直到終孔為止。必要時，可在水泥漿中適當添加速凝劑。對于洞高3～6m 的全填充（軟流塑充填除外）溶洞，直接采用純水泥漿進行靜壓式灌漿。對于洞高3～6m 的軟流塑充填溶洞，宜采用φ800mm 雙重管高壓旋噴樁加固處理。對于洞高大于6m 的特大溶洞，需進行平面布孔探邊，并制定專門的處理方案。全充填的特大溶洞（大于6m）應分段進行灌漿，一般灌漿長度為1～2m 左右，最大段長不得大于3m。

5 溶洞處理效果檢驗

溶洞的處理效果檢驗主要是檢查溶洞的填充充盈情況及均勻程度。可考慮采用再次壓密注漿的方法檢查填充充盈情況，不容易注入則表明充盈情況良好，反之則不佳。均勻程度可采用標貫法測定，標貫值達到堅硬狀為優(yōu)，硬塑狀為合格。對于一些規(guī)模較大的溶洞，宜以檢驗性鉆孔檢查填充注漿之后的固結(jié)狀態(tài)及固結(jié)強度。固結(jié)狀態(tài)可以按照土層取樣的方式進行。若樣品不破碎、成形、手捏不碎，則表明處理效果較好；若樣品松散、一捏即碎、呈碎塊狀，則表明處理效果不佳。固結(jié)強度可采用標貫法評定，標貫值達到堅硬狀為優(yōu)，硬塑狀為合格。檢驗性鉆孔不應少于注漿鉆孔總數(shù)的5%，且不少于3 個孔，每孔加固塊取樣試件個數(shù)不少于3 件，同時每個溶洞均應檢測一次[6]。

6 結(jié)語

長輸管道在地質(zhì)條件復雜，喀斯特強發(fā)育的地區(qū)施工時，應在先行勘察處理的基礎上，對重點區(qū)域進行復勘，再展開大面積施工。這樣不僅能夠保證工程質(zhì)量，還能防止出現(xiàn)安全生產(chǎn)事故。以上溶洞處理方法技術(shù)可行，經(jīng)濟合理；施工工期、工程質(zhì)量得以保證，工程造價相應降低。