王倫文，何俊榮，尤 嶺，李世平

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

滇中引水工程是國務(wù)院確定的“十三五”期間要規(guī)劃建設(shè)的172項節(jié)水供水重大水利工程之一，是解決滇中地區(qū)嚴重缺水的特大型跨流域調(diào)水工程。滇中引水輸水工程自麗江石鼓鎮(zhèn)望城坡開始，途經(jīng)麗江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市，終點為紅河州新坡背，線路全長663.9km。

云南是我國典型的喀斯特地貌區(qū)，輸水線路區(qū)地處滇西北青藏高原東南部。區(qū)內(nèi)構(gòu)造極為發(fā)育，新構(gòu)造和地震活動強烈，地形地質(zhì)復雜，單元類型多樣，這些因素非常有利于區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育。因此，長距離輸水工程不可避免地會遇到巖溶地質(zhì)問題。

巖溶問題對輸水工程的危害和影響主要表示為潛伏溶洞對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響，如溶洞的塌陷；基坑在開挖過程中遇到突泥、涌水等難以預料的地災(zāi)風險[1]，給周圍環(huán)境及施工安全帶來巨大的經(jīng)濟損失和安全隱患，并且可能會威脅到輸水工程運營安全，如邊坡失穩(wěn)和地基的不均勻沉降等。因此，解決巖溶問題是輸水工程中較為重要且艱巨的部分，是決定工程成敗的關(guān)鍵因素之一。

基于此，本文主要介紹滇中引水工程積福村渡槽巖溶區(qū)域不良地質(zhì)條件所采用的工程措施，并對工程措施比較進行了詳細的闡述，為引水工程設(shè)計提供科學、合理的依據(jù)，同時也為國內(nèi)外其他輸水工程的設(shè)計提供借鑒。

1 工程概況

滇中引水輸水工程主要由明渠、渡槽、隧洞、暗涵和倒虹吸等建筑物組成。其中，大理Ⅰ段積福村渡槽位于大理白族自治州鶴慶縣情人谷內(nèi)，主體建筑物屬Ⅰ級建筑物，設(shè)計流量135m3/s，連接香爐山隧洞出口和積福村隧道進口。渡槽全長595m,采用雙線U形布置。出口漸變段與積福村隧洞進口段相接。其中，出口連接段、事故閘室段和漸變段均為落地式渡槽，根據(jù)渡槽最不利荷載工況計算結(jié)果，渡槽基底最大壓應(yīng)力約200kPa。而渡槽出口明渠段基礎(chǔ)下方約7.5m處發(fā)育K9巖溶系統(tǒng)，經(jīng)地質(zhì)超前預測，巖溶管道高度為20～60m，對渡槽地基持力層的安全性帶來隱患。積福村渡槽立面布置如圖1所示。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)滇中引水工程的地勘資料，積福村隧洞進口斜坡體基巖地層主要由三疊系上統(tǒng)松桂組(T3sn)砂巖、泥巖和中窩組(T3z)灰?guī)r組成，其中全風化帶10～37m厚，巖體破碎，滲透性較強，完整性差；強風化帶9～49m厚，巖體較破碎，多見溶洞、溶縫，中等-強透水，完整性較差；弱風化帶厚度大于35m，透水性弱，巖體堅硬、較為完整。斜坡坡腳處分布0～24m厚的沖洪積(Qpal)含礫粘土層，結(jié)構(gòu)松散，滲透性弱。積福村隧洞進口斜坡區(qū)現(xiàn)狀穩(wěn)定，地表未見明顯滑坡、崩塌、嚴重卸荷、巖堆等不良地質(zhì)現(xiàn)象，主要存在巖溶地質(zhì)問題。

圖1 積福村渡槽立面布置圖注：高程和里程樁號的單位以m計，其余尺寸以cm計。

2.2 巖溶地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料，輸水線路區(qū)中窩組(T3z)灰?guī)r為中等巖溶化巖組，巖溶較發(fā)育。強溶蝕風化帶一般厚12～60m，巖體完整性差，溶洞、溶縫發(fā)育；鉆孔共揭示9個溶洞，高度一般3～8m，最大為27.5m(K9溶洞)，多數(shù)呈空洞狀，少部分充填黏土；溶縫多順層發(fā)育，多充填黏土。

據(jù)超前地質(zhì)預測，發(fā)育K9巖溶管道系統(tǒng)(包含K9溶洞，如圖2所示)，位于積福村渡槽出口明渠段基礎(chǔ)下方約7.5m，推測管道起點位于出口明渠段西南方約240m處的溶槽，經(jīng)過K9溶洞、R01巖溶洼地。推測管道大體發(fā)育方向約60°，延伸長度大于400m，推測管道高度20～60m，溶蝕寬度30～70m，溶蝕上下限高程分別為1989m、1922m，最大溶蝕深度可達近70m。管道多充填黏土或呈空洞狀，其內(nèi)發(fā)育數(shù)條溶縫，不規(guī)則發(fā)育且多充泥，管道周緣巖體多破碎。管道具有順層發(fā)育特點，管道處地下水埋深70～80m，地下水位于巖溶管道下方。

圖2 積福村渡槽出口明渠段巖溶形態(tài)簡圖注：高程和里程樁號的單位以m計，其余尺寸以cm計

《滇中引水工程初步設(shè)計大理Ⅰ段工程地質(zhì)勘察報告》對積福村渡槽出口事故閘室段地質(zhì)的主要評價，該渡槽基礎(chǔ)下方7.5m處為K9巖溶管道系統(tǒng)，范圍大，管道多充填黏土或呈空洞狀，對地基穩(wěn)定性存在影響，建議對出口事故閘室段渡槽地基下方K9巖溶采取巖溶處理措施。

3 巖溶處理對策及方案選擇

3.1 巖溶處理對策

為確保積福村巖溶區(qū)渡槽基礎(chǔ)的造價合理、結(jié)構(gòu)安全和工期可控，首先應(yīng)開展有效的地質(zhì)勘測工作，然后在查明渡槽基礎(chǔ)地質(zhì)情況的前提下，確定合理可行的巖溶處理方案。

(1)位于巖溶區(qū)地基的地勘工作應(yīng)采用物探為主、地質(zhì)鉆探為輔的補充地質(zhì)勘察方法，便于全面掌握渡槽基礎(chǔ)工程的地質(zhì)情況。

(2)巖溶處理時，應(yīng)視挖方區(qū)和填方區(qū)的差異調(diào)整處理原則。挖方區(qū)應(yīng)采用先挖方后巖溶處理的原則，填方去應(yīng)采用先巖溶處理后填方的原則。當溶洞內(nèi)部具有足夠的空間時，可通過填充片石或溶洞底部支撐等洞內(nèi)施工措施來進行巖溶處理。

(3)當巖溶區(qū)有地下暗河存在時，應(yīng)采用梁板跨越或針對暗河排水的處理措施，不宜采用強夯處理；對于特大型溶洞，應(yīng)進行專項研究。

(4)對于穩(wěn)定性較差的巖溶，應(yīng)結(jié)合洞穴現(xiàn)有的形態(tài)特征，發(fā)育規(guī)模和埋藏深度考慮對應(yīng)的處理措施。如置換法，橋梁跨越法，樁基礎(chǔ)支撐法等措施。在喀斯特發(fā)育的線路中，可能存在松散的填充物，并且洞穴通常被填充或半填充，此時有必要改變地下水的滲流通道，并進行注漿處理。

3.2 積福村渡槽巖溶處理方案的選擇

3.2.1巖溶穩(wěn)定性的判定

當輸水線路位于巖溶區(qū)時，巖溶的發(fā)育程度會對渡槽基礎(chǔ)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。在設(shè)計初期分析巖溶地基的穩(wěn)定性將有利于巖溶處理措施的選擇。根據(jù)文獻[2—3]，巖溶溶洞的穩(wěn)定性分析需要考慮兩個因素：內(nèi)因和外因。內(nèi)因由巖溶巖體形態(tài)，產(chǎn)狀分布和力學特性等因素引起的地基不穩(wěn)定，另外溶洞內(nèi)是否充滿填充物也會影響地基的穩(wěn)定性。外因是動(靜)荷載和機械作用引起的地基不穩(wěn)定，包括受荷狀況，巖石的含水率，溫度變化及溶洞內(nèi)水流機械搬運作用等因素。

由于巖溶溶洞的穩(wěn)定性受內(nèi)外多重因素的影響，國內(nèi)目前尚無統(tǒng)一的穩(wěn)定性分析方法。評估溶洞穩(wěn)定性的常用方法可分為定性評估法和半定量評方法。文獻[4]介紹了半定量穩(wěn)定性評估方法——溶洞頂板厚跨比(h/L)法。該方法假定溶洞和上部頂板為理想化模型，通過溶洞頂板最小厚度與跨度的比值來判定溶洞的穩(wěn)定性。結(jié)合實際工程經(jīng)驗：①當厚跨比大于0.5時，溶洞處于安全狀態(tài)；②當厚跨比不大于0.5時，溶洞處于不穩(wěn)定狀態(tài)；③當厚跨比不小于1.0時，可作為安全評定標準，即厚跨比大于1.0時，溶洞具有較高的穩(wěn)定性。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，積福村渡槽K9溶洞頂板最小厚度約為7.5m，溶洞沿渡槽縱向水平投影長度約為51m，h/L=0.147<0.5，可以初步判定溶洞處于不穩(wěn)定狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)該結(jié)論與地勘報告給出的渡槽基礎(chǔ)的地質(zhì)評價基本一致。

3.2.2巖溶處理方案的選擇

結(jié)合前述分析和實際工程經(jīng)驗，積福村渡槽K9溶洞處理方案可分為以下四類：①注漿處理，②樁基礎(chǔ)進行洞頂支撐，③橋梁跨越，④換填處理。而依據(jù)已探明的地質(zhì)條件，可以初步排除橋梁跨越和換填處理兩種方案。首先，從平面布置來看，積福村渡槽出口漸變段連接與積福村隧洞進口相接，K9溶洞的右側(cè)邊界已處于隧洞的正下方，平面上已不具備布置橋梁墩臺的空間。其次，從渡槽跨徑考慮，K9溶洞的水平投影長度約51m，為避免溶洞對橋梁的影響，同時考慮施工的安全距離，渡槽的最大跨度超過60m，從而會帶來渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計上的難題。最后，考慮到溶洞頂板最小厚度為7.5m，采用換填法處理溶洞會造成大量的挖方，基坑深度達60m，施工難度過大，并且該項措施可能會破壞地層結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，故上兩項措施不宜考慮。

下面針對巖溶注漿和樁基礎(chǔ)方案進行詳細的比選：

(1)注漿處理。將水泥砂漿或純水泥漿注入巖溶裂隙或洞體充填物中，通過水泥漿液的聯(lián)結(jié)作用，使洞體強度提高，地層坍塌風險降低，沉降減小的處理方法。

該工藝技術(shù)成熟，處理效果明顯，應(yīng)用廣泛于公路、鐵路、地鐵、水利工程等領(lǐng)域。對于充滿填充物的溶洞較為適合注漿處理，積福村渡槽K9巖溶管道系統(tǒng)部分溶洞為填充狀態(tài)，部分為空洞狀態(tài)，經(jīng)初步地質(zhì)勘察，溶洞體積約39000m3，注漿處理所需水泥漿液工程量較大，造價相對較高，必要時可采用片石回填以降低造價。

從施工安全性來看，注漿措施采用小型注漿機具即可完成，無需大型施工機械設(shè)備，影響的施工安全因素僅有電擊、墜物打擊等。

(2)樁基礎(chǔ)處理。該方法采用樁基礎(chǔ)穿過溶洞進行洞底支撐，同時考慮在溶洞頂板沿樁周布設(shè)錨桿加強洞體的整體連接性。

樁基礎(chǔ)是工程中較為常用的基礎(chǔ)形式，但在巖溶處理中采用樁基礎(chǔ)使得該工藝略微復雜，施工難度增大。相比注漿處理，樁基礎(chǔ)處理的工程造價偏低，但其施工風險性高于注漿處理工藝。首先，K9溶洞存在空洞部分，樁基成孔困難，根據(jù)文獻[5]，對于高度大于5m的溶洞，內(nèi)部空洞或滲漏嚴重時，為避免造成重大塌孔事故和成樁風險，需要采取鋼護筒跟進法施工，對實際樁長超過60m的樁基增設(shè)鋼護筒，施工難度較大；其次，K9溶洞位于地下水上方，屬于干作業(yè)施工，不適合樁基的機械成孔，若采用人工挖孔，施工風險較大；最后，樁基礎(chǔ)施工過程中可能因為土體潛蝕和崩解作用引起巖溶塌陷[6]，從而造成施工安全事故。因此，樁基礎(chǔ)施工時的安全影響因素除電擊和墜物打擊外，施工工藝本身存在較大的潛在風險因素。根據(jù)文獻[3]，樁基礎(chǔ)施工可能成為引起巖溶地基不穩(wěn)定的外因。

另外，從工期比較，正常情況下樁基施工工期短于注漿處理，但注漿處理質(zhì)量可控，工期可控，而樁基施工難度集中在鉆孔上，當需要調(diào)整鉆孔方式時，其工期將不可控[7]。

綜合造價、施工難度、工期各項比較，注漿處理和樁基礎(chǔ)處理各有優(yōu)劣，但積福村渡槽作為大型輸水工程的關(guān)鍵組成部分，施工安全的可控性，洞體整體的穩(wěn)定性以及工程質(zhì)量的可靠性是首要考慮因素。因此，積福村渡槽K9溶洞宜采用注漿處理，應(yīng)慎用樁基礎(chǔ)處理。

4 巖溶處理施工工藝

積福村渡槽K9巖溶系統(tǒng)以及溶縫采用注漿處理，經(jīng)地質(zhì)勘測，溶洞體積約39000m3計，部分溶洞內(nèi)有黏土填充，采用純水泥漿液進行注漿。

4.1 注漿填充施工順序

巖溶處理通常在地面施做。施工前應(yīng)探明是否有地下構(gòu)筑物或管線與鉆孔位置沖突，必要時可調(diào)整孔位。施工前宜采用地質(zhì)雷達探測等手段，便于進一步查明渡槽溶洞的規(guī)模。施工過程中應(yīng)采用先進的地質(zhì)預測手段：地球物理勘探與鉆探相結(jié)合的超前地質(zhì)預報預測。

巖溶處理嚴格按照以下施工程序執(zhí)行：現(xiàn)場生產(chǎn)試驗→巖溶邊界勘探鉆→灌漿質(zhì)量檢查→缺陷加固→灌漿質(zhì)量驗收。

現(xiàn)場試驗主要包含：根據(jù)簡易壓水試驗結(jié)果選擇注漿漿材。通過現(xiàn)場生產(chǎn)試驗，選擇合理的灌漿孔布置，灌漿方法，灌漿壓力和灌漿材料等。施工過程中逐步完善工藝。

4.2 鉆孔注漿工藝

4.2.1注漿方法[8]與漿材選擇

積福村渡槽K9巖溶為大型半填充式溶洞，可采用間歇靜壓灌漿工藝。通常每次灌漿時間控制在20min內(nèi)，兩次灌漿的間隔時間大于6h。第一次灌漿使用較低濃度的水泥漿，第二次灌漿使用稠漿，依此類推，到終孔后結(jié)束。為防止?jié){料流失造成邊界孔灌漿壓力降低，可考慮增加間歇注漿次數(shù)。

4.2.2鉆孔

土體內(nèi)可根據(jù)鉆孔直徑選擇合適的鉆機，采用非填石灌漿時灌漿孔徑不小于110mm，當采用填石灌漿時孔徑不小于150mm，鉆孔時下設(shè)鋼套管進行護壁，套管嵌入基巖深度不小于100cm。巖體內(nèi)灌漿孔徑不小于76mm，鉆機通常選用沖擊鉆和回旋鉆。

4.2.3注漿壓力

周邊孔的巖溶注漿壓力控制在0.4～0.6MPa范圍內(nèi)，中心孔控制在0.8～1.0MPa范圍內(nèi)。在灌漿過程中應(yīng)逐漸增加灌漿壓力，在達到現(xiàn)場試驗確定的設(shè)計壓力后，灌漿應(yīng)持續(xù)不少于20min。

4.2.4注漿漿材配比

純水泥漿液的水灰比范圍宜為0.5∶1～2.0∶1，具體取值以現(xiàn)場試驗為準。

4.2.5注漿結(jié)束標準

灌漿結(jié)束標準為注入速率和灌漿時間同時滿足設(shè)計要求，即在設(shè)計灌漿壓力下，當孔段注入速率小于1.0L/min時，連續(xù)注漿20min后方可結(jié)束；最大設(shè)計注漿壓力下的累計注漿時間不少于1h。

4.2.6注漿封孔

灌漿結(jié)束后應(yīng)立即進行全部灌漿孔和檢查孔的封孔。注漿封孔漿液建議采用濃漿。

4.3 注漿質(zhì)量檢查

巖溶灌漿結(jié)束后應(yīng)采用鉆孔取芯和壓水試驗相結(jié)合的方法進行質(zhì)量檢查。根據(jù)溶洞直徑的大小，洞徑不大于2m的溶洞按10%的比例進行抽樣檢測，洞徑大于2m的溶洞必須全部檢測。檢測過程中先進行鉆芯取樣后進行抗壓試驗。灌漿結(jié)束7d后立即進行壓水檢查試驗。

5 結(jié)語

本文結(jié)合滇中引工程大理Ⅰ段水積福村渡槽項目，就輸水工程巖溶的處理方法進行了闡述。積福村渡槽出口段位于碳酸鹽地層區(qū)域，發(fā)育大型K9巖溶管道系統(tǒng)，工程地質(zhì)十分復雜。通過半定量評價分析法以及已有的地質(zhì)勘察資料評價了K9溶洞的穩(wěn)定性。結(jié)合積福村渡槽特定的工程環(huán)境對4種常見的巖溶處理方法進行比選，最后考慮到施工安全和工程質(zhì)量等因素，選擇采用注漿處理方案，并且對巖溶注漿處理施工工藝進行了詳細的闡述，可為類似工程巖溶處理設(shè)計提供技術(shù)參考。