渡槽基礎不整合地層巖溶地質缺陷處理方案與決策

孫思施 張曉卿 張 濤

(1.湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北 武漢 430010；2.宜昌市東風渠灌區管理局，湖北 宜昌 433002)

渡槽基礎不整合地層巖溶地質缺陷處理方案與決策

孫思施1張曉卿2張 濤2

(1.湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北 武漢 430010；2.宜昌市東風渠灌區管理局，湖北 宜昌 433002)

本文針對蜘蛛洞渡槽不整合地層巖溶地質缺陷，提出不同處理方案，分析各方案在安全、造價、工期等方面的利弊，進行對比，選定處理方案圓滿解決問題。本文中特殊地質缺陷的處理方案體現了處理方法的創新性，可為渡槽基礎地質缺陷處理提供借鑒。

渡槽；地基；缺陷；處理；技術

1 項目概況

蜘蛛洞渡槽拆除重建工程位于宜昌市夷陵區，是宜昌市東風渠灌區總干渠上的咽喉建筑物，設計流量為14.0m3/s，滿槽過流能力為16.8m3/s。蜘蛛洞渡槽9號基礎開挖至設計高程154.88m過程中，發現基坑下發育一條近南北向貫穿基坑的溶洞，寬0.6～2.1m，頂部高程154.00～155.00m，底部高程151.00～153.00m，坡度12°，向南(河床下游)出基坑，洞壁光滑，溶洞順砂巖與礫巖界面發育。

因地質情況變化，重新組織補充地勘。通過地質鉆孔、地質雷達和電磁波穿透測試，查清該區域均為沉積巖，巖層產狀傾角較小，不整合面屬陸相剝蝕，除溶蝕外，無其他褶皺、斷裂等不良地質條件；該渡槽地基下部南北向貫穿發育巖溶為受巖性控制的層間洞隙，規模不大；9號基坑開挖面高程138.00m以下再無大的溶洞空腔，穿過地基巖溶發育層位后，巖溶不發育，不存在深層巖溶問題。需對該不整合地層巖溶地質缺陷進行慎重處理，以確保工程安全。

2 處理方案與結構計算

2.1 溶洞擴挖+充填灌漿+擴大承臺方案(下稱方案一)結構計算

9號槽墩為渡槽30mT梁第三跨基礎，槽墩為雙肢排架，下部實心墩結構，排架總高43.5m，實心墩高8.5m，為該渡槽最高排架。原設計為明挖擴大基礎，建基面為154.885m(地面高程約162.00m)，基礎底面實際開挖尺寸為12.2m×13.8m(順槽向×垂直槽向)。

按最不利工況及滿槽水運行工況進行計算，每30m跨，空槽自重4363.38kN，滿槽水重3250.80kN。

按最高9號排架為例，驗算基底壓應力，調整基礎尺寸后，經計算設計計算基面平均應力達184.38kPa，最大地基應力為210.50 kPa、最小地基應力為158.26kPa，遠小于基礎處理后的礫巖承載力1MPa，滿足要求。

2.2 灌注樁+承臺設計方案(下稱方案二)結構計算

灌注樁直徑1.2m，用C30混凝土，Φ25Ⅲ級鋼筋。即E=30×106kN/mm2，I=1.018×1011mm4。

樁長為14.8m，其中嵌巖深度為14.8m。

2.2.1 灌注樁的縱向穩定性驗算

計算單根樁基最底部承臺以下(深度14.8m)樁底的臨界荷載PKP：

=2.81×1011kN>3301kN

遠遠大于所承受的垂直荷載。

2.2.2 單樁驗算

按照承載樁的工作原理，為安全考慮，計算時不考慮樁四周巖體對樁的摩擦作用。

計算結果：

Qrk=ξrfrkAP=23524.25kN

Quk=23524.25+10037.95=33562.20kN

式中qsk1——強風化硬質巖極限側阻力標準值，取180kPa；

frk——弱風化硬質巖極限端阻力標準值，取20MPa；

u——樁身周長。

豎向單樁特征值：

因滿槽水時，槽身、墩帽、墩柱、承臺、灌注樁垂直總重為19659kN，按照豎向軸心作用情況計算：

4根灌注樁直徑均為1.2m，單根樁受壓：

Nmax=19659/4=4914.75kN

灌注樁承載力滿足要求。

2.2.3 灌注樁配筋驗算

3 處理方案比選及決策

3.1 施工安全性比較

3.1.1 方案一危險源評價

方案一僅需人工配合小型灌漿機具設備等施工，不需大型施工機械設備或爆破等作業，施工安全影響因子僅有高邊坡、電擊、墜物打進等風險。按照工程風險評價LEC法來評價作業條件，公式為

D=L·E·C

式中L——事故可能性(分值0.1～10分)；E——暴露的頻繁程度(分值0.5～10分)；C——事故造成的損失后果(分值1～100分)；D——危險性。

綜合評價方案一危險源：

高邊坡墜落：D=1×6×15=90，可容許風險(2級)。

觸電：D=0.5×3×15=22.5，可容許風險(2級)。

物體打擊：D=1×6×7=42，可容許風險(2級)。

綜合上述三項累計得分154.5分。

3.1.2 方案二危險源評價

方案二需要大型灌注樁施工設備輔助施工，如灌注樁施工中遇到貫通溶洞，則機械鉆進需更改為人工挖孔，采用風鎬或爆破等人工作業方式，施工安全影響因子有高邊坡墜落、物體打擊、觸電、爆炸、坍塌、機械傷害等。

綜合評價方案二危險源：

高邊坡墜落：D=1×6×15=90，可容許風險(2級)。

觸電：D=0.5×3×15=22.5，可容許風險(2級)。

物體打擊：D=1×6×7=42，可容許風險(2級)。

爆炸：D=1×3×15=45，可容許風險(2級)。

坍塌：D=1×6×15=90，可容許風險(2級)。

機械傷害：D=1×6×7=42，可容許風險(2級)。

綜合上述六項累計得分331.5分，如可機械鉆孔，則為五項，累計得分286.5分。

3.2 工程造價比較

綜合對比兩種方案造價，分別列出詳盡的工程量及參考類似項目單價，具體工程造價對比見表1。

表1 工程造價對比

經過詳細計算，方案一工程造價為13.77萬元，方案二工程造價44.29萬元。

3.3 施工工期比較

3.3.1 溶洞擴挖+充填灌漿+擴大承臺基礎處理方案工期

方案一施工工序為，先組織人工清理已揭示的1號溶洞內充填黏土及洞壁雜質并沖洗干凈(工期1天)，再澆筑基礎埋石混凝土(工期1天)，然后基面鑿毛(工期0.5天)，綁扎承臺鋼筋(工期1天)，澆筑承臺混凝土(工期1天)，鉆孔、灌漿(工期13天，其中鉆15個孔126m，預計10天，灌漿3天)，灌漿質量檢查須安排在漿液凝結后7天。該方案完成基礎處理到上部可施工，需累計工期24.5天。

3.3.2 灌注樁+承臺基礎處理方案工期

方案二施工工序為，先烏卡斯鉆機鉆孔(工期11.5天，參考類似巖層工程，鉆機每小時預計鉆進30cm，累計4孔共60m，需8.5天，考慮移機等1天，清孔及灌注2天)，灌注樁質量檢測(工期7.5天，需待最后一孔完成7天后實施，其中基礎埋石混凝土在期間可施工)。該方案完成基礎處理到上部可施工，需累計工期19天。

方案一施工較為簡單，無需另行調用大型鉆機，施工質量全程可控。方案二灌注樁難度主要集中在鉆孔上，受下部裂隙及溶洞影響，極有可能存在基礎漏漿問題，一旦漏漿嚴重將影響施工方案，由鉆機鉆進改為人工挖孔，則該方案施工工期將不可控。

3.4 方案決策

溶洞擴挖+充填灌漿+擴大承臺基礎處理方案與灌注樁+承臺基礎處理方案在技術上均可行，現從施工安全、工程投資、施工進度等方面對比、決策。

施工安全：兩方案施工安全最大的不同是涉及的危險源不一致，從危險源評價累計分上看，方案一為154.5分小于方案二的286.5分。方案一施工安全成熟可靠，涉及危險源少，且基本沒有不可預見的施工風險因素，風險因子全程可控；方案二如不能順利采用鉆機鉆孔，更改為人工挖孔后存在不可預見施工風險因素。同時，改用人工挖孔+爆破勢必會對處于臨近的雙曲連拱老渡槽產生較大不確定性，安全風險遠大于方案二。

工程造價：從工程造價上看，方案一工程造價為13.77萬元，而方案二工程造價為44.29萬元，較方案一多30.52萬元。從造價方面比較，方案二明顯不如方案一。

工程工期：如工程施工進展順利，方案一需24.5天，較方案二19天工期多5.5天，方案二優于方案一。而一旦鉆機鉆進不順利，則工期不可控。

綜合比較后，從工程安全、工程投資、工程工期及施工難易程度多方面考慮，推薦采用可靠的、簡便易行的、投資節省的溶洞擴挖+充填灌漿+擴大承臺基礎處理方案，即方案一作為9號槽墩的基礎地質缺陷處理方案。

3.5 方案細化

對已揭示的大溶洞人工清除充填物，順溶洞方向在基礎外1m處擴挖回填塊石并用混凝土封堵，清除深度至溶洞底部寬度為0.2m時結束，清理完畢后沖洗回填C20埋石混凝土(回填面高程154.885m)；對154.885～155.885m高程段采取現澆C25鋼筋混凝土，滿倉不立模板澆筑，增加承臺面與基礎四周巖面結合面積，以利于向四周巖體擴散應力，減小對下部基礎應力。將下部溶腔處理完畢，澆筑0.2mC20混凝土，上部澆筑1m厚C25鋼筋混凝土底板。下部配筋Φ25@200*200，單層雙向布置。

待上部基礎處理完成，混凝土達7天齡期后，開始鉆孔灌漿，經對地質情況分析，溶洞下游側巖石較完整，溶洞上游側裂隙溶孔發育，目前揭示9號基礎上游側深度9～14.5m范圍有夾泥現象，存在一組南北向溶洞，而地下水位較低，分析溶腔體積不大，總體傾向很陡。因此對上游側灌漿孔位加深，1～7號孔灌漿底部高程為140.00m，8～15號孔灌漿底部高程為148.00m。

對裂隙溶孔以充填注漿為主，嚴格控制注漿壓力，以水泥砂漿(砂細度模數2.0以下為宜)為主，漿液水灰比采用0.6～0.8，摻入4%～5%膨潤土，以改善流動性。

鉆孔注漿結合原地質勘察鉆孔，共設計3排灌漿孔，排距2m，孔間距3m，鉆孔直徑90mm，孔位呈梅花形布置，孔內預埋灌漿花管，具體布置如下圖所示。孔深超過9m時，最大灌漿壓力控制在0.15～0.2MPa；孔深不足9m時，最大灌漿壓力控制在0.1～0.15MPa。當灌漿注入率小于1L/min后，持續灌注10分鐘，封孔，結束灌漿。

蜘蛛洞渡槽9號基礎灌漿孔位布置圖

為防止基礎處理對水文地質條件改變，特別是9號基礎回填后對上游沖溝水流改道，控制地表水不能進入渡槽基礎，在承臺頂面布設導滲措施，利用基坑右側下游天然溶腔通道排出基礎滲水，采用Φ200PVC花管外包土工織物沿基礎邊緣布設連接南北溶洞口。

4 結 論

按照上述確定的地質缺陷處理方案對9號基礎地質缺陷在回填完埋石混凝土及澆筑承臺后，進行鉆孔灌漿處理，鉆灌漿孔共計15孔，其揭示下部地質缺陷與該次地質鉆孔、物探結論基本吻合；每孔詳細灌漿數據詳見表2。灌漿次數兩次及以上、持續灌漿超過1m3，而灌漿壓力始終為0MPa的孔，暫停15～30min后，再次復灌；灌漿結束28天后，鉆檢查孔檢查，布置2個檢查孔鉆進過程均無異常，芯樣完整，鉆孔完畢后，發現布置于ZG-1與ZG-8中間偏外側JC-1孔口有持續往外返水現象，判定所灌漿液基本將基礎下部裂隙、空腔等滲漏水通道封閉，但基礎外圍仍存在水體下滲現象。

表2 9號基礎灌漿參數統計

注 灌注ZG-2時，ZG-5孔口冒漿；灌漿次數在2次及以上、持續灌漿超過1m3，壓力為0MPa的孔；其中累計注漿量已扣除鉆孔孔徑充填數量。

統計灌漿數據可知，灌漿量超過0.5m3的基本上均分布于基礎外圍，考慮基礎溶蝕裂隙發育成因及產狀，分析外圍孔灌漿液向基礎外漫溢程度，分析可知基礎下部溶蝕裂隙及溶洞總體積為6.03～7.5m3，占應力影響下部基礎區域體積的不足1%，且不集中。

由以上結論可知，利用地質鉆孔、地質雷達及電磁波CT掃描等綜合勘察、物探技術對該工程9號基礎不整合接觸溶蝕裂隙的地質缺陷成因推斷準確，缺陷分布分析基本無誤，缺陷影響范圍分析正確，制定的溶洞擴挖+充填灌漿+擴大承臺基礎處理方案經濟、合理、有效。蜘蛛洞渡槽經過為期1年的緊張施工，現已建成投入使用，工程運行正常，9號基礎無任何異常。

5 展 望

隨著施工技術不斷創新和突破，渡槽基礎地質缺陷處理技術在工程應用中得到進一步的普及和發展，今后如何針對特殊地質缺陷，選擇合適的勘察手段及分析方式，確定選擇合適的基礎地質缺陷處理方案成為一個新的研究方向，該項目的處理方案為類似工程提供了較好的參考。

[1] 張濤, 孫思施, 嚴江華. 渡槽基礎不整合地層巖溶地質缺陷勘察與分析[J]. 水利建設與管理, 2016(9):46-52.

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Treatment scheme and decision-making of karst geology defects in aqueduct foundation discordance formation

SUN Sishi1, ZHANG Xiaoqing2, ZHANG Tao2

(1.HubeiShuizongWaterResourcesandHydropowerConstructionCo.,Ltd.,Wuhan430010,China;2.YichangDongfengquIrrigationDistrictAuthority,Yichang433002,China)

In the paper, different treatment schemes are proposed, advantages and disadvantages of different plans in the aspects of safety, cost, duration, etc. are analyzed and compared, and treatment scheme is selected for successfully solving the problem aiming at karst geology defects in Zhizhudong aqueduct foundation discordance formation. In the paper, treatment schemes of special geology defects embody the innovation of the treatment methods, thereby providing reference for treating aqueduct foundation geology defects.

aqueduct; foundation; defect; treatment; technology

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.07.009

TV641

B

1005-4774(2017)07- 0033- 05