孫思施 張曉卿 張 濤

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

渡槽基礎(chǔ)不整合地層巖溶地質(zhì)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(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430010；2.宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局，湖北 宜昌 433002)

本文針對(duì)蜘蛛洞渡槽不整合地層巖溶地質(zhì)缺陷，提出不同處理方案，分析各方案在安全、造價(jià)、工期等方面的利弊，進(jìn)行對(duì)比，選定處理方案圓滿解決問(wèn)題。本文中特殊地質(zhì)缺陷的處理方案體現(xiàn)了處理方法的創(chuàng)新性，可為渡槽基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷處理提供借鑒。

渡槽；地基；缺陷；處理；技術(shù)

1 項(xiàng)目概況

蜘蛛洞渡槽拆除重建工程位于宜昌市夷陵區(qū)，是宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)總干渠上的咽喉建筑物，設(shè)計(jì)流量為14.0m3/s，滿槽過(guò)流能力為16.8m3/s。蜘蛛洞渡槽9號(hào)基礎(chǔ)開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程154.88m過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)基坑下發(fā)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(fā)育。

因地質(zhì)情況變化，重新組織補(bǔ)充地勘。通過(guò)地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)雷達(dá)和電磁波穿透測(cè)試，查清該區(qū)域均為沉積巖，巖層產(chǎn)狀傾角較小，不整合面屬陸相剝蝕，除溶蝕外，無(wú)其他褶皺、斷裂等不良地質(zhì)條件；該渡槽地基下部南北向貫穿發(fā)育巖溶為受巖性控制的層間洞隙，規(guī)模不大；9號(hào)基坑開(kāi)挖面高程138.00m以下再無(wú)大的溶洞空腔，穿過(guò)地基巖溶發(fā)育層位后，巖溶不發(fā)育，不存在深層巖溶問(wèn)題。需對(duì)該不整合地層巖溶地質(zhì)缺陷進(jìn)行慎重處理，以確保工程安全。

2 處理方案與結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 溶洞擴(kuò)挖+充填灌漿+擴(kuò)大承臺(tái)方案(下稱方案一)結(jié)構(gòu)計(jì)算

9號(hào)槽墩為渡槽30mT梁第三跨基礎(chǔ)，槽墩為雙肢排架，下部實(shí)心墩結(jié)構(gòu)，排架總高43.5m，實(shí)心墩高8.5m，為該渡槽最高排架。原設(shè)計(jì)為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，建基面為154.885m(地面高程約162.00m)，基礎(chǔ)底面實(shí)際開(kāi)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(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算，每30m跨，空槽自重4363.38kN，滿槽水重3250.80kN。

按最高9號(hào)排架為例，驗(yàn)算基底壓應(yīng)力，調(diào)整基礎(chǔ)尺寸后，經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算基面平均應(yīng)力達(dá)184.38kPa，最大地基應(yīng)力為210.50 kPa、最小地基應(yīng)力為158.26kPa，遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)處理后的礫巖承載力1MPa，滿足要求。

2.2 灌注樁+承臺(tái)設(shè)計(jì)方案(下稱方案二)結(jié)構(gòu)計(jì)算

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

樁長(zhǎng)為14.8m，其中嵌巖深度為14.8m。

2.2.1 灌注樁的縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算

計(jì)算單根樁基最底部承臺(tái)以下(深度14.8m)樁底的臨界荷載PKP：

=2.81×1011kN>3301kN

遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所承受的垂直荷載。

2.2.2 單樁驗(yàn)算

按照承載樁的工作原理，為安全考慮，計(jì)算時(shí)不考慮樁四周巖體對(duì)樁的摩擦作用。

計(jì)算結(jié)果：

Qrk=ξrfrkAP=23524.25kN

Quk=23524.25+10037.95=33562.20kN

式中qsk1——強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，取180kPa；

frk——弱風(fēng)化硬質(zhì)巖極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，取20MPa；

u——樁身周長(zhǎng)。

豎向單樁特征值：

因滿槽水時(shí)，槽身、墩帽、墩柱、承臺(tái)、灌注樁垂直總重為19659kN，按照豎向軸心作用情況計(jì)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(yàn)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(xiǎn)源評(píng)價(jià)

方案一僅需人工配合小型灌漿機(jī)具設(shè)備等施工，不需大型施工機(jī)械設(shè)備或爆破等作業(yè)，施工安全影響因子僅有高邊坡、電擊、墜物打進(jìn)等風(fēng)險(xiǎn)。按照工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)LEC法來(lái)評(píng)價(jià)作業(yè)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(xiǎn)性。

綜合評(píng)價(jià)方案一危險(xiǎn)源：

高邊坡墜落：D=1×6×15=90，可容許風(fēng)險(xiǎn)(2級(jí))。

觸電：D=0.5×3×15=22.5，可容許風(fēng)險(xiǎn)(2級(jí))。

物體打擊：D=1×6×7=42，可容許風(fēng)險(xiǎn)(2級(jí))。

綜合上述三項(xiàng)累計(jì)得分154.5分。

3.1.2 方案二危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)

方案二需要大型灌注樁施工設(shè)備輔助施工，如灌注樁施工中遇到貫通溶洞，則機(jī)械鉆進(jìn)需更改為人工挖孔，采用風(fēng)鎬或爆破等人工作業(yè)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(jī)械傷害等。

綜合評(píng)價(jià)方案二危險(xiǎn)源：

高邊坡墜落：D=1×6×15=90，可容許風(fēng)險(xiǎn)(2級(jí))。

觸電：D=0.5×3×15=22.5，可容許風(fēng)險(xiǎn)(2級(jí))。

物體打擊：D=1×6×7=42，可容許風(fēng)險(xiǎn)(2級(jí))。

爆炸：D=1×3×15=45，可容許風(fēng)險(xiǎn)(2級(jí))。

坍塌：D=1×6×15=90，可容許風(fēng)險(xiǎn)(2級(jí))。

機(jī)械傷害：D=1×6×7=42，可容許風(fēng)險(xiǎn)(2級(jí))。

綜合上述六項(xiàng)累計(jì)得分331.5分，如可機(jī)械鉆孔，則為五項(xiàng)，累計(jì)得分286.5分。

3.2 工程造價(jià)比較

綜合對(duì)比兩種方案造價(jià)，分別列出詳盡的工程量及參考類似項(xiàng)目單價(jià)，具體工程造價(jià)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 工程造價(jià)對(duì)比

經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，方案一工程造價(jià)為13.77萬(wàn)元，方案二工程造價(jià)44.29萬(wàn)元。

3.3 施工工期比較

3.3.1 溶洞擴(kuò)挖+充填灌漿+擴(kuò)大承臺(tái)基礎(chǔ)處理方案工期

方案一施工工序?yàn)椋冉M織人工清理已揭示的1號(hào)溶洞內(nèi)充填黏土及洞壁雜質(zhì)并沖洗干凈(工期1天)，再澆筑基礎(chǔ)埋石混凝土(工期1天)，然后基面鑿毛(工期0.5天)，綁扎承臺(tái)鋼筋(工期1天)，澆筑承臺(tái)混凝土(工期1天)，鉆孔、灌漿(工期13天，其中鉆15個(gè)孔126m，預(yù)計(jì)10天，灌漿3天)，灌漿質(zhì)量檢查須安排在漿液凝結(jié)后7天。該方案完成基礎(chǔ)處理到上部可施工，需累計(jì)工期24.5天。

3.3.2 灌注樁+承臺(tái)基礎(chǔ)處理方案工期

方案二施工工序?yàn)椋葹蹩ㄋ广@機(jī)鉆孔(工期11.5天，參考類似巖層工程，鉆機(jī)每小時(shí)預(yù)計(jì)鉆進(jìn)30cm，累計(jì)4孔共60m，需8.5天，考慮移機(jī)等1天，清孔及灌注2天)，灌注樁質(zhì)量檢測(cè)(工期7.5天，需待最后一孔完成7天后實(shí)施，其中基礎(chǔ)埋石混凝土在期間可施工)。該方案完成基礎(chǔ)處理到上部可施工，需累計(jì)工期19天。

方案一施工較為簡(jiǎn)單，無(wú)需另行調(diào)用大型鉆機(jī)，施工質(zhì)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(chǔ)漏漿問(wèn)題，一旦漏漿嚴(yán)重將影響施工方案，由鉆機(jī)鉆進(jìn)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(kuò)挖+充填灌漿+擴(kuò)大承臺(tái)基礎(chǔ)處理方案與灌注樁+承臺(tái)基礎(chǔ)處理方案在技術(shù)上均可行，現(xiàn)從施工安全、工程投資、施工進(jìn)度等方面對(duì)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(xiǎn)源不一致，從危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)累計(jì)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(xiǎn)源少，且基本沒(méi)有不可預(yù)見(jiàn)的施工風(fēng)險(xiǎn)因素，風(fēng)險(xiǎn)因子全程可控；方案二如不能順利采用鉆機(jī)鉆孔，更改為人工挖孔后存在不可預(yù)見(jiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)因素。同時(shí)，改用人工挖孔+爆破勢(shì)必會(huì)對(duì)處于臨近的雙曲連拱老渡槽產(chǎn)生較大不確定性，安全風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于方案二。

工程造價(jià)：從工程造價(jià)上看，方案一工程造價(jià)為13.77萬(wàn)元，而方案二工程造價(jià)為44.29萬(wàn)元，較方案一多30.52萬(wàn)元。從造價(jià)方面比較，方案二明顯不如方案一。

工程工期：如工程施工進(jìn)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(yōu)于方案一。而一旦鉆機(jī)鉆進(jìn)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(jiǎn)便易行的、投資節(jié)省的溶洞擴(kuò)挖+充填灌漿+擴(kuò)大承臺(tái)基礎(chǔ)處理方案，即方案一作為9號(hào)槽墩的基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷處理方案。

3.5 方案細(xì)化

對(duì)已揭示的大溶洞人工清除充填物，順溶洞方向在基礎(chǔ)外1m處擴(kuò)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(shí)結(jié)束，清理完畢后沖洗回填C20埋石混凝土(回填面高程154.885m)；對(duì)154.885～155.885m高程段采取現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土，滿倉(cāng)不立模板澆筑，增加承臺(tái)面與基礎(chǔ)四周巖面結(jié)合面積，以利于向四周巖體擴(kuò)散應(yīng)力，減小對(duì)下部基礎(chǔ)應(yīng)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(chǔ)處理完成，混凝土達(dá)7天齡期后，開(kāi)始鉆孔灌漿，經(jīng)對(duì)地質(zhì)情況分析，溶洞下游側(cè)巖石較完整，溶洞上游側(cè)裂隙溶孔發(fā)育，目前揭示9號(hào)基礎(chǔ)上游側(cè)深度9～14.5m范圍有夾泥現(xiàn)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(duì)上游側(cè)灌漿孔位加深，1～7號(hào)孔灌漿底部高程為140.00m，8～15號(hào)孔灌漿底部高程為148.00m。

對(duì)裂隙溶孔以充填注漿為主，嚴(yán)格控制注漿壓力，以水泥砂漿(砂細(xì)度模數(shù)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(rùn)土，以改善流動(dòng)性。

鉆孔注漿結(jié)合原地質(zhì)勘察鉆孔，共設(shè)計(jì)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(nèi)預(yù)埋灌漿花管，具體布置如下圖所示。孔深超過(guò)9m時(shí)，最大灌漿壓力控制在0.15～0.2MPa；孔深不足9m時(shí)，最大灌漿壓力控制在0.1～0.15MPa。當(dāng)灌漿注入率小于1L/min后，持續(xù)灌注10分鐘，封孔，結(jié)束灌漿。

蜘蛛洞渡槽9號(hào)基礎(chǔ)灌漿孔位布置圖

為防止基礎(chǔ)處理對(duì)水文地質(zhì)條件改變，特別是9號(hào)基礎(chǔ)回填后對(duì)上游沖溝水流改道，控制地表水不能進(jìn)入渡槽基礎(chǔ)，在承臺(tái)頂面布設(shè)導(dǎo)滲措施，利用基坑右側(cè)下游天然溶腔通道排出基礎(chǔ)滲水，采用Φ200PVC花管外包土工織物沿基礎(chǔ)邊緣布設(shè)連接南北溶洞口。

4 結(jié) 論

按照上述確定的地質(zhì)缺陷處理方案對(duì)9號(hào)基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷在回填完埋石混凝土及澆筑承臺(tái)后，進(jìn)行鉆孔灌漿處理，鉆灌漿孔共計(jì)15孔，其揭示下部地質(zhì)缺陷與該次地質(zhì)鉆孔、物探結(jié)論基本吻合；每孔詳細(xì)灌漿數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2。灌漿次數(shù)兩次及以上、持續(xù)灌漿超過(guò)1m3，而灌漿壓力始終為0MPa的孔，暫停15～30min后，再次復(fù)灌；灌漿結(jié)束28天后，鉆檢查孔檢查，布置2個(gè)檢查孔鉆進(jìn)過(guò)程均無(wú)異常，芯樣完整，鉆孔完畢后，發(fā)現(xiàn)布置于ZG-1與ZG-8中間偏外側(cè)JC-1孔口有持續(xù)往外返水現(xiàn)象，判定所灌漿液基本將基礎(chǔ)下部裂隙、空腔等滲漏水通道封閉，但基礎(chǔ)外圍仍存在水體下滲現(xiàn)象。

表2 9號(hào)基礎(chǔ)灌漿參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注 灌注ZG-2時(shí)，ZG-5孔口冒漿；灌漿次數(shù)在2次及以上、持續(xù)灌漿超過(guò)1m3，壓力為0MPa的孔；其中累計(jì)注漿量已扣除鉆孔孔徑充填數(shù)量。

統(tǒng)計(jì)灌漿數(shù)據(jù)可知，灌漿量超過(guò)0.5m3的基本上均分布于基礎(chǔ)外圍，考慮基礎(chǔ)溶蝕裂隙發(fā)育成因及產(chǎn)狀，分析外圍孔灌漿液向基礎(chǔ)外漫溢程度，分析可知基礎(chǔ)下部溶蝕裂隙及溶洞總體積為6.03～7.5m3，占應(yīng)力影響下部基礎(chǔ)區(qū)域體積的不足1%，且不集中。

由以上結(jié)論可知，利用地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)雷達(dá)及電磁波CT掃描等綜合勘察、物探技術(shù)對(duì)該工程9號(hào)基礎(chǔ)不整合接觸溶蝕裂隙的地質(zhì)缺陷成因推斷準(zhǔn)確，缺陷分布分析基本無(wú)誤，缺陷影響范圍分析正確，制定的溶洞擴(kuò)挖+充填灌漿+擴(kuò)大承臺(tái)基礎(chǔ)處理方案經(jīng)濟(jì)、合理、有效。蜘蛛洞渡槽經(jīng)過(guò)為期1年的緊張施工，現(xiàn)已建成投入使用，工程運(yùn)行正常，9號(hào)基礎(chǔ)無(wú)任何異常。

5 展 望

隨著施工技術(shù)不斷創(chuàng)新和突破，渡槽基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷處理技術(shù)在工程應(yīng)用中得到進(jìn)一步的普及和發(fā)展，今后如何針對(duì)特殊地質(zhì)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(chǔ)地質(zhì)缺陷處理方案成為一個(gè)新的研究方向，該項(xiàng)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(yán)江華. 渡槽基礎(chǔ)不整合地層巖溶地質(zhì)缺陷勘察與分析[J]. 水利建設(shè)與管理, 2016(9):46-52.

[2] 麥騏, 閆常赫, 白雪飛. 某不整合接觸帶地質(zhì)特征及隧道工程實(shí)例分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2014(z1): 174-176.

[3] 沈永炬, 萬(wàn)鵬, 王永濤. 不整合帶的巖土工程特征及應(yīng)對(duì)措施淺析[J]. 科技致富向?qū)? 2010(7): 232-232.

[4] 張建鋒, 張興昕, 賈城琿. 地質(zhì)雷達(dá)特征影像與巖溶不良地質(zhì)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系[J]. 市政技術(shù), 2015, 33(3): 163-165.

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