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1、溶洞处理技术总结一、前言w溶洞是石灰岩的节理裂隙经流水的溶蚀作用，经过百万年、几百万年 或者更久远的时间不断地溶蚀发育所形成的洞。同样是流水溶蚀形成 的由于其形态不同而有的叫溶穴，溶沟或溶槽等。 w由于地壳的升降运动，现在的溶洞、溶穴和溶沟有的出现在山上，有 的埋藏于地下。现在埋藏在地下的是由于该地段或称地块在不断的下 降，致使在岩面上沉积了河、湖相的冲（洪）积层第四系砂、土 层。 w土洞是埋藏在岩溶地区可溶性岩层上覆土层里的空洞。当上覆有适宜 被冲蚀的土体，其下又有排泄，储存冲蚀物的通道和空间，经地表水 往下渗透或地下水位在岩土层交界附近做频繁升降，由于水对土层的 潜蚀作用所产生的洞称为土洞
2、。土洞继续发展，会造成地表塌陷。土 洞的生成、发育与岩溶的发育和上覆土层的土质、厚度以及地下水的 活动等因素密切相关。 w由于溶洞处理费用很高，对于一般的建构（筑）物不考虑对溶洞进行 处理，基础可采用桩基础形式，将桩的底端进入到岩面或者穿过溶洞 进入到溶洞底板作为桩的持力层；而地铁是修建在地下的结构物，当 隧道底有溶洞而地基承载力不能满足要求时，则必须对其进行处理。 隧道有其特殊性，考虑施工条件和经济的合理性等，难以采用钻孔桩 、冲孔桩、沉管灌注桩来支撑隧道的管片，可以对溶洞进行填充处理 提高地基的承载力或增加溶洞顶板的厚度来保证地铁施工和运营的安 全需要。二、岩溶处理方案w1、溶洞处理的原则
3、 w 溶洞处理采用地面上加固的方法，即溶洞处理 +岩面注浆。 w 溶洞处理钻孔要钻到溶洞底部，由底部向上进 行溶洞加固，岩面注浆钻孔要进入岩面0.5米后开 始注浆。 w 溶洞处理利用加密注浆孔进行。 w 重点对隧道一定影响范围内的溶（土）洞填充 物进行处理。 w 溶洞处理效果要通过控制参数和抽芯试验确定 。w2、溶洞是否需要处理的判定 w溶洞不是全部进行处理，而是针对溶洞与隧 道的位置关系，对隧道周边一定范围内的溶 洞进行处理： w隧道结构底板下5m内（隧道底板到溶洞顶 板的距离不计沙层的厚度）和结构边线外 5m之内的溶洞。w为确保施工和使用安全的其他要求。w3、岩溶处理方法w溶洞处理方法主要
4、三种：岩面注浆、吹砂夹 石、注浆。w因溶洞的不规则性，决定了其处理的最有效 和比较经济的方法是灌浆法、回填砂及碎石 等综合施工方法。3.1、岩溶处理方法 wA、全填充溶洞处理w全填充溶洞处理的原理是：通过高压注浆 ，使填充物被压溃、劈裂、挤压、水化、 置换等物理填充和化学填充，达到封堵溶 缝隔断水源，并将填充物转变为具有一定 强度的结石体或硬塑状土。具体加固方法 见图1。 图1 全填充溶洞注浆加固图wB、半填充、未填充溶洞处理 w采用吹砂夹石+灌浆的方法。对于溶洞高度大于 2m，且少填充的情况采用吹砂夹石回填，然后静 压灌浆的方法。对于溶洞高度小于2m，且半填充 或未填充时采用水泥浆直接填充，
5、见图2。吹砂夹 石施工工艺如下： w选择探到有溶洞的钻孔，放入钢套管并固定，将 注砂管（采用喷射混凝土用的黑皮胶管）放至溶 洞上，在注浆前灌砂。用高压风机将干砂压入， 为防止洞内高压阻止灌砂，利用其它钻孔作为减 压孔，待达到计算的填充体积，压力稳定时，即 可停止。或采用石料充填，钻大直径钻孔，下入 钢套管护壁，然后直接从孔口投入小石料充填溶 洞。对于小于2m的溶洞直接灌入水泥浆进行回填 。 w溶洞填充物填满后采用静压化学灌浆法，与全填 充溶洞处理方法相同。图2 大体积半填充、未填充溶洞注浆加固图 灌浆方法及工艺w 灌浆法的加固机理：对溶洞中的粘土、砂和碎石等，浆液是通过渗透作用板结砂和碎石的；
6、对 于溶洞中的粘土、砂等，浆液是通过劈裂、挤密 作用加固土体；对于无填充物和半填充溶洞的空 间，浆液是通过充填作用填满溶洞的。浆液在充 填物的渗透扩散方向是往小主应力面方向，浆液 固化后，小主应力面得到加固，而原次小主应力 面变成小主应力面。这样反复不断的，渗透、挤 密和加固溶洞，从而提高溶洞中充填物的强度。w 灌浆采用袖阀管(PVC花管)注浆，袖阀 管采用48mm PVC管，袖阀管下到溶洞 底面，在溶洞段的管壁上钻花眼6300作为出浆孔，外包橡皮箍作为单向阀。对 于高度02m的溶洞，把送浆管直接连通花管，对溶洞内的充填物进行压力注浆； 对于高度2m以上的溶洞，在袖阀管内下入双塞芯管，对溶洞内
7、的充填物分层进行 压力注浆，分层厚度为0.51.0m。w 单液浆（水泥浆）设计配比参数： wa、注浆压力0.21.5MPa；注浆压力从0.4 MPa 逐步提高，达到注浆终压1.2MPa并继续注浆 10min以上； wb、水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥；水灰比= 0.5：11：1； wc、注浆速度：3070L/min； wd、注浆扩散半径设计为1.5m； we、每个注浆孔每米的灌浆量初步按8.0立方米考 虑。实际灌浆参数根据现场实验确定。对于溶洞 水有流动性时，周边孔应在浆液中加入速凝剂或 采用水泥-水玻璃双液浆，浓度Be3040。 灌浆设备w采用BW-150型注浆机，设置回浆管路和 溢流阀，
8、在设计范围内可调节注浆压力，当 工作压力超过设计压力时，溢流阀会自动开 启，油缸停止工作，起到安全保护作用。 w注浆泵主要性能要求：流量80L/min，最大 压力4.5Mpa，动力7.5KW，重量516kg。 w浆液搅拌采用自制的500L快速搅拌筒， 转速250r/min，制浆量为6m3/h。 w灌浆管采用322.5无缝钢管和32五层 钢丝编织胶管，工作压力为9Mpa。 灌浆法加固的实施要点w注浆孔布置 w区间钻孔间距2.0m2.0m，对于有管线和建 筑物的地方施作斜孔。 w 单孔注浆结束标准 w要求少量多次、反复灌浆；每孔注浆都正常 进行，至少复灌两次以上。 w注浆终压达到设计终压，注浆量达
9、到设计注 浆量的80% ；或虽未达到设计终压，但注 浆量已达到设计注浆量，即可结束本孔注浆 。3.2、施工方法和步骤w 全充填溶洞处理方法和步骤w见表一 半充填、未充填（大体积）溶洞处理方法 和步骤 见表二 半充填、未充填（小体积）溶洞处理方法 和步骤 见表三3.3、溶洞处理施工机具及材料w 钻孔 w成孔设备 w选用GY-1A型钻机，不同的孔径采用不同的钻 头。 w钻孔护壁： w采用优质稀泥浆护壁。当砂层较厚、孔内塌孔 时，用108mm套管护孔，待孔内注入套壳料 并下入袖阀管后，才将108mm套管提出孔外 。 w钻孔深度： w溶洞处理孔至溶洞底部。 w注意事项： w钻孔布置注意避开管线和既有建
10、筑物基础。 w钻机必须保证安放水平、牢固。 w确保钻孔深度满足要求。 安装袖阀管(花管)、浇注套壳料及固管止浆w成孔后清水洗孔，立即将套壳料通过钻杆泵送至孔底，自下 而上灌注套壳料至孔口溢出符合浓度要求的原浆液为止。 w依次下入按注浆段配备的袖阀管（花管）和芯管，下管时及 时向管内加入清水，克服浮力，顺畅下入至孔底。 w套壳料采用粘土和水泥配制，配比为水泥：粘土：水 =1:1.5:1.88，浆液比重约为1.5，粘度24-26s；实际施工时应 通过多组室内及现场试验，选取最佳配比。根据工程中的要求 ，套壳料凝固时间和强度增长速率应控制在2-5d内可灌浆。 w袖阀管（花管）采用48的聚氯乙烯塑料管
11、，在管子注浆段 上每隔30cm钻一排（3-4个）孔眼，孔眼直径6mm。针对每排 孔眼，在管子外面套上一段长10cm厚1-2mm紧贴的橡皮箍并 加以固定。 w固管止浆：在袖阀管（花管）与孔壁之间的环状间隙处下入 注浆管，在孔口上部2米孔段压入止浆固管料，直至孔口返浓 浆为止。止浆固管料采用速凝水泥浆，水:水泥=1：1.5。可采 用水玻璃或氯化钙作速凝剂。图3 袖阀管结构示意图 待凝要待孔口段止浆料凝固后才能灌浆。待 凝时间控制在25天以内。 开环注浆w浆液：采用32.5普硅水泥，注浆时按先灌入稀浆后灌入浓 浆的原则逐渐调整水灰比。 w开环：注浆的前期阶段，使用稀浆（或清水）加压开环 。在加压过程
12、中，一旦出现压力突降，进浆量剧增，表示 已经“开环”。开环后即按设计配比开始正式注浆。开环压力 为0.35mpa。 w注浆：采用双栓塞芯管进行注浆。从孔底自下而上进行 注浆，每排孔眼作为一个注浆段，段长为1m。正常注浆压 力为0.40.8mpa。注浆压力控制在0.41.2MPa以内，并 由下而上逐渐减小，视具体情况分别采用或作适当调整。 w注浆次序：每次都必须跳开一个孔进行注浆，以防止发 生窜浆现象。 w间歇注浆：全孔段注浆完成后，间歇一段时间再进行第 二次注浆，间歇时间控制在610h之内。 终灌标准 w当地层中有了足够的注入浆量时。w当注浆压力达到设计值时。w发现被加固建筑物有上抬的趋势时，
13、立即 停止注浆。 w发生窜浆或浆液漏失严重时，立即停止注 浆。 后备注浆措施w每孔注完浆后，用20水管插入袖阀管内， 泵入清水把袖阀管内残留水泥浆冲洗干净， 以备复注。 压力注浆时的监测w在注浆过程中，要密切监测地面及建筑物的 沉降情况，如发现建筑物有上抬的趋势，立 即停止注浆，严格控制注浆前后建筑物的上 抬量不得超过2mm。 灌注材料及配比w用32.5R普通硅酸盐水泥作灌注主料，确定各种灌 注材料的合理配比，在施工中使用的材料配比（ 重量比）如下： w浆液配合比： w水泥：水1：1（重量比，配方由现场试验最 后确定）； w水泥浆：水玻璃1：0.1 w速凝剂： w如发现孔内漏浆严重时，可掺入适
14、量的的水玻璃 作为速凝剂。实例(一)、工程概况w广州地铁三号线北延段施工10标，盾构隧道结构底板埋深为 4.517m，隧道洞身范围内的主要岩土层为粉细砂、中 粗砂、砾砂，岩土分界面距隧道底板613m，大部 分为8m。 w本标段先后进行了三次地质详勘和补勘，根据第三次广州市 轨道交通三号线北延段（新机场线）人和高增区间岩溶发育 区补充详细勘察阶段岩土工程勘察报告（2008年12月，广州 省重工建筑设计院），场地钻探局部地段岩溶发育，主要分布 在三个区段。其中，科技城岩溶区段为其中之一，包括右线 140m，里程YDK-24-078YDK-24-213；左线150m，里程 ZDK-24-095ZDK
15、-24-241。 w根据重工院地质勘察报告，该区段前后三次勘察钻孔56孔，揭 露到溶土洞29个，见洞率为51.8%。溶洞高度0.206.50m，平 均洞高度为1.38m。溶洞有充填物的占溶洞总数的47.6%。 w受业主委托，广东省重工建筑设计院于2009年4月份进场，进 一步补勘，施工一序孔56个，其中30个钻孔揭露到溶洞，见洞 率53%。其中，揭露洞高大于3m的钻孔2个，洞内均有软塑-可 塑状粉质粘土填充物。揭露到溶洞的钻孔有填充的占76.7%， 洞内堆填物质多为灰色、黑色软塑或可塑状粉质粘土。与施工 方钻孔揭露溶洞发育情况基本相似。见表四见图4(二)、溶洞处理的目的w1、满足永久隧道结构的
16、承载力要求，通过 对溶洞洞体的填充加固处理，提高其强度， 从而提高洞体的稳定性，减少不同地层之间 的差异沉降，减少隧道管片的变形渗水，以 满足地铁安全运营。 w2、防止盾构机施工时,溶、土洞发生坍塌, 引起盾构机载头,发生安全事故。w3、降低了新生土洞对隧道稳定性的不利影 响。（三）、溶洞处理原则 w1、由于隧道底板下只有510m的砂层，粉质粘土层，溶 洞发育于基岩为灰岩的岩面附近，而且溶洞的顶板岩都较 薄，经地质勘察所揭示的溶洞必须从地面钻孔进行填充注 浆处理。 w2、除对已揭示的溶洞进行加固处理，其余隧道底下伏基 岩为石灰岩岩层的地段需补充钻孔进行探查溶洞发育的可 能，发现有溶洞一并进行处理。 w3、溶洞处理范围：沿隧道横向到左、右线隧道边缘外5m ，沿隧道纵向到揭示有溶洞的范围，在盾构掘进之前完成 处理施工。 w4、岩溶地段的隧道管片及道床预留注浆管，盾构隧道成 型后，监测发现异常情况时，如发生局部沉降，可通过
