賓 斌 丁劍波 賀茉莉 李 莉 劉 軍 龔高武

（湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司 長沙市 410007）

前 言

南水北調(diào)中線一期某項目工程在進行強夯、土擠密樁和基坑開挖施工過程中，發(fā)現(xiàn)地面以下（10～20）m 的砂層中存在較多的坑洞。經(jīng)多次現(xiàn)場查勘，并組織人員對渠道沿線的類似坑洞進行調(diào)查，查明坑洞均為20世紀(jì)80、90年代當(dāng)?shù)厝颂蜕皶r所留下的砂洞，洞徑一般為（1～3）m，長度在幾米至百米之間。由于人工掏砂的隨意性，洞線錯綜復(fù)雜，呈分支、多層、密集、交錯狀不均勻分布。掏砂洞存在年代較長，大部分掏砂洞的洞口已坍塌被埋，部分砂洞洞身塌落，洞內(nèi)泥砂疏松，洞頂上移。為保證南水北調(diào)今后渠道運營安全，必須查明沿線渠道基礎(chǔ)范圍掏砂洞的分布并進行充填、加固處理。

1 工程地質(zhì)

勘探鉆孔深度25 m左右，孔底高程約在+70 m。場區(qū)內(nèi)自上而下地層與掏砂洞分布情況如表1所示。已探明的掏砂洞高程一般在+85 m～+74 m之間， 洞高 （0.6～2.2）m。部分存在雙層掏砂洞，部分掏砂洞已坍塌，塌后洞內(nèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松。

表1 場區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)特點及掏砂洞分布

2 掏砂洞探查方法研究

由于掏砂洞年代久遠，洞口多已塌陷，很難在進行掏砂洞灌漿加固前，準(zhǔn)確確定掏砂洞的具體位置。因而在渠底基礎(chǔ)強夯和開挖時，尤其在暴雨后掏砂洞部位出現(xiàn)了塌落下陷。為查明掏砂洞的分布，對掏砂洞采用地面調(diào)查法和物探法結(jié)合鉆孔進行詳細(xì)勘察。

2.1 地面調(diào)查法

地面調(diào)查法是根據(jù)地表遺留的洞口，以及砂層的相對位置來確定掏砂洞的大概位置。地面調(diào)查僅能發(fā)現(xiàn)極少有殘存洞口的掏砂洞，再依據(jù)洞口位置確定掏砂洞存在的區(qū)域范圍。該方法經(jīng)濟直接，但能查到掏砂洞的機率太低，只能做為輔助方法使用。

2.2 物探法

物探法是通過對地層電阻率的差異進行對比分辨，來確定存在的掏砂洞相對位置。采用電法大面積勘測渠道場地后，對可能存在掏砂洞的地段進行鉆孔復(fù)核，但在電法探測到可能有掏砂洞的位置進行鉆孔發(fā)現(xiàn)僅10%的位置有掏砂洞。經(jīng)分析，可能由于地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水位位于掏砂洞所在砂層的10 m以下，上部含水率低，掏砂洞埋深大，所處部位上下土層內(nèi)電性差異不大以及部分掏砂洞內(nèi)坍塌等原因?qū)е挛锾浇Y(jié)果失真[1]；加上掏砂洞沿線分布6 km，采用物探法造價相當(dāng)高，費用達數(shù)千萬。因此，采用物探法探測掏砂洞的準(zhǔn)確率低，且不經(jīng)濟。

2.3 結(jié)合掏砂洞處理探查掏砂洞方法研究

查閱國內(nèi)外有關(guān)資料[2]，對該類地質(zhì)條件的土層中存在的掏砂洞探查尚無經(jīng)濟、準(zhǔn)確可靠的方法?？紤]探查掏砂洞的經(jīng)濟性與可靠性，決定首先采用地面調(diào)查法，確定掏砂洞存在的地段，再用灌漿鉆孔結(jié)合探查掏砂洞方法進行探查與加固處理，達到降低成本，提高工效的目的。為此，在掏砂洞密集區(qū)域，進行了試驗研究。

2.3.1 灌漿鉆孔探查掏砂洞概率式建立

現(xiàn)場揭露的掏砂洞形狀如圖1。

圖1 已揭露的掏砂洞

掏砂洞洞徑一般為（1.0～3.0）m；方向在幾十米的范圍內(nèi)基本較直。為方便公式推導(dǎo)及計算，假定以下條件：

（1）掏砂洞基本是沿直線分布，不考慮掏砂洞因方向與彎曲所導(dǎo)致的長度變化；

（2）掏砂洞直徑一定；

（3）探查掏砂洞的鉆孔方形網(wǎng)格布置，且布滿整個探查區(qū)域；

（4）鉆孔垂直；

（5）采用較稠的無收縮改性粘土水泥漿液進行灌漿，假定漿液在較低壓力下能影響到的半徑可確定。

設(shè)掏砂洞的直徑為d，掏砂洞的長度為Z，單孔漿液影響半徑為a，網(wǎng)格形鉆孔孔距為m。根據(jù)概率論，若事件之間相互獨立，試驗只有可能兩個結(jié)果A或，則該試驗為伯努利試驗[3]。在n重伯努力試驗中，若一次試驗時事件A發(fā)生的概率為p，則在n重伯努利試驗中A發(fā)生的k次的概率為：

鉆孔探查掏砂洞，如圖2所示。

圖2 鉆孔示意圖

EF長度是網(wǎng)格形鉆孔孔距為m，掏砂洞的直徑為d，當(dāng)掏砂洞的軸線在EF兩孔之間，鉆孔探不到掏砂洞的概率為p=（m-d）/m；在掏砂洞方向上有n排鉆孔，k排探不到掏砂洞的概率符合伯努利試驗概率公式。即有k次探查不到掏砂洞，其概率為：

當(dāng)所有鉆孔探不到掏砂洞時K=n，即有：

采用方形等間距網(wǎng)格布孔，考慮到網(wǎng)格兩邊都有鉆孔，有：

則在整個區(qū)域內(nèi)，存在掏砂洞時，該掏砂洞被鉆孔探到的概率P′為：

將鉆孔后進行灌漿探查掏砂洞的影響因素考慮進去，所得到的修正概率P為：

2.3.2 鉆孔灌漿探查掏砂洞概率計算

據(jù)已揭露掏砂洞情況，對洞徑d、長度Z、灌漿影響半徑a進行統(tǒng)計分析，分別取值如表2所示。通過采用表2中數(shù)據(jù)進行計算，求出鉆孔灌漿探查掏砂洞概率，確定適合的鉆孔間距。

采用式（6）及表 2 中的 d、Z、a、m 等值進行交互計算可得表3中數(shù)據(jù)。

2.3.3 灌漿鉆孔探查掏砂洞概率分析

根據(jù)不同掏砂洞直徑、長度、灌漿影響半徑等因素計算出的概率，以網(wǎng)格孔距為橫坐標(biāo)，概率為縱坐標(biāo)，繪制如圖3所示。從圖中可明顯看到，掏砂洞越長、直徑越大、灌漿影響半徑越大、網(wǎng)格間距越小，所探查到掏砂洞的概率越高；反之概率就越低。在網(wǎng)格間距為8 m，鉆孔探到掏砂洞的概率大部分在0.8以上，比網(wǎng)格間距為10 m的要高得多。

表2 掏砂洞直徑、長度、灌漿影響半徑以及網(wǎng)格孔距取值 m

表3 在不同的直徑、長度、灌漿影響半徑取值下，由不同的網(wǎng)格間距計算所得到的概率P

以鉆孔深度20 m計算，在不同的網(wǎng)格間距下，每一平方米所需的鉆孔米數(shù)如表4所示，當(dāng)間距縮小時，鉆孔米數(shù)增多，鉆孔費用明顯增加。

圖3 不同鉆孔間距探到掏砂洞的概率

表4 在不同鉆孔間距下，每平方米的鉆孔米數(shù)

結(jié)合人工掏砂的特點，在砂層中掏砂，一般采用多洞、并行、中間留有支撐方法進行采挖。這樣掏砂洞在含砂層的地段，洞身長達幾十米甚至百余米，且支洞較多；而在砂層較薄的地段，僅幾米就被廢棄，并回填了洞中挖出的泥土。從圖3中可看到，采用8 m的網(wǎng)格間距，探查到掏砂洞的概率大部分在0.8以上，較10 m、12 m要高出許多；此時鉆孔費用較6 m間距要少得多。按照經(jīng)驗，采用梅花型鉆孔較采用方形網(wǎng)格鉆孔探查掏砂洞概率更高。因此試驗探查采用梅花型布孔、8 m間距進行。

2.3.4 試驗結(jié)果分析

試驗的鉆孔、灌漿工藝（簡）如下：

（1）鉆孔工藝：采用泥漿護壁回轉(zhuǎn)鉆進，終孔直徑Φ91 mm。

（2）灌漿方法、灌漿材料：注漿施工采用上部粘土封閉、全孔靜壓灌注粘度較大、收縮小的改性粘土水泥漿液。

（3）灌漿終止壓力、結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：灌漿終止壓力不小于0.5 MPa，在地面冒漿持續(xù)增大時或注入率小于10 L/min時，繼續(xù)10 min后結(jié)束灌漿。

本次試驗梅花型8 m孔距鉆孔共392個，鉆孔、灌漿后探到掏砂洞的鉆孔數(shù)有35個，占鉆孔總數(shù)的8.9%。同時在灌漿過程中，發(fā)現(xiàn)有24個孔灌漿量明顯較其它的鉆孔要大得多，單孔吃漿量在1.5 m3以上，初步認(rèn)定為疑似掏砂洞。為確保工程完全，需要在這類孔周圍進一步加密布孔；同時考慮到掏砂洞具有成群分布的特點，在已鉆孔灌漿探明的掏砂洞孔號周圍也需進一步加密探查是否還有未探明的掏砂洞。

3 加密鉆孔研究

在人工掏砂過程中，一般在含砂量較多的地層中，常采用多洞、并行、中間留有支撐方法進行采挖，也就是說，在掏砂洞的周邊，可能存在多個平行或交叉的洞。為簡化施工現(xiàn)場布孔工序、提高探查概率、減少鉆孔數(shù)量，在灌漿、鉆孔所發(fā)現(xiàn)的掏砂洞孔號和灌漿量較大的鉆孔號旁施工加密孔，加密孔呈“十”字型、按孔距4 m→2 m逐漸加密的原則布置。

試驗結(jié)果如表5。

表5 掏砂洞探查結(jié)果統(tǒng)計表

對孔內(nèi)灌漿異常和鉆到掏砂洞的孔周圍布置加密布孔后，鉆孔施工直接探到了較多新的掏砂洞，但存在較多的重復(fù)。經(jīng)灌漿后，加密鉆孔可以確定為探到新的掏砂洞的數(shù)量為15處左右，說明加密鉆孔能夠有效的繼續(xù)探查新的掏砂洞，可以進一步保證掏砂洞探查較完全。

通過概率公式推導(dǎo)、計算、分析，確定采用8m鉆孔間距，梅花型布孔，通過鉆孔灌漿直接探查到掏砂洞的為35個，占總數(shù)的70%左右；通過對灌漿、鉆孔所發(fā)現(xiàn)的掏砂洞孔號和灌漿量較大的鉆孔號旁施工加密孔，加密孔呈“十”字型、按孔距4 m→2 m逐漸加密的原則布置，探查到掏砂洞的個數(shù)約為15個，占總數(shù)的30%左右。

4 結(jié)論

本文針對特殊地層探查掏砂洞具體位置的難題，通過概率分析、計算，較好地解決了鉆孔、灌漿探查掏砂洞的孔距問題，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，采用灌漿鉆孔結(jié)合探查掏砂洞是一種可行、經(jīng)濟、有效的施工方法，通過對疑似掏砂洞加密孔有效地解決了掏砂洞查找問題，并大大降低了工程造價。

1 周天福.工程物探[M].北京∶中國水利水電出版社，1996.

2 余艷，陳磊.廣州白云機場地下孔洞處理技術(shù)[J].人民長江,2008,39(10)∶20-23.

3 陳希孺.概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M].合肥∶科學(xué)出版社，2000.77-79.