注漿技術(shù)在已建成高速公路巖溶塌陷處治中的應(yīng)用

黃成岑

(廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

注漿技術(shù)在已建成高速公路巖溶塌陷處治中的應(yīng)用

黃成岑

(廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

文章針對(duì)已建成高速公路出現(xiàn)的巖溶塌陷問題，提出采用注漿技術(shù)進(jìn)行處治，進(jìn)度快、成本低，可取得較好的效果，為廣西類似工程處治提供參考。

高速公路，注漿技術(shù)，巖溶塌陷

0 引言

巖溶又稱喀斯特，是一種不良地質(zhì)現(xiàn)象。巖溶在我國(guó)分布廣泛，全國(guó)巖溶總面積達(dá)363多萬 km2，占國(guó)土面積的1/3以上，我國(guó)西南中南地區(qū)是世界上最大的連片裸露型巖溶區(qū)。巖溶區(qū)由于下伏巖溶發(fā)育，基巖形態(tài)復(fù)雜，溶洞眾多且具有一定的連通性，給工程施工帶來一定困難。經(jīng)過巖溶區(qū)的公路、鐵路線性工程建成后容易發(fā)生巖溶塌陷，對(duì)工程結(jié)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)安全構(gòu)成重大威脅。因此，采用相應(yīng)的施工方法及病害處治技術(shù)十分重要[1]。

已建成高速公路如發(fā)生巖溶塌陷，受到交通組織、施工成本、運(yùn)營(yíng)及社會(huì)影響等因素限制，要采取常規(guī)方法破除路面，挖開土層揭露巖溶后進(jìn)行填充、跨越、封閉等方式處理極為困難。注漿處治具有占用場(chǎng)地小，進(jìn)度快，處治成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)。但目前交通主管部門尚未發(fā)布巖溶注漿技術(shù)方面的規(guī)范或指南，本文總結(jié)了已建成高速公路溶巖塌陷注漿處治施工技術(shù)，為類似工程提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地位于廣西某高速公路K57+170～K57+380段，其中在K57+170～K57+350為果巒隧道口淺挖路塹， K57+350～K57+380為中山中橋橋臺(tái)填土， 發(fā)生巖溶塌陷時(shí)路面施工已經(jīng)完成，項(xiàng)目即將開通運(yùn)營(yíng)，在2014年7月底臺(tái)風(fēng)登陸暴雨后，在路面邊溝、橋臺(tái)搭板側(cè)發(fā)生多個(gè)巖溶塌陷。使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)預(yù)報(bào)分析預(yù)測(cè)路面下多處存在溶洞。為查明路面下巖溶發(fā)育情況，設(shè)計(jì)單位根據(jù)地質(zhì)超前探測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

工程場(chǎng)地屬中山山地高峰叢洼谷地，洼地切割不深，底面積比較大，剖面呈盆狀，內(nèi)有較厚的土層覆蓋。場(chǎng)地構(gòu)造斷層較發(fā)育，為斷層交匯處。主斷層展布與道路走向大致相同，次斷層呈近東西向?；鶐r為泥盆-石炭系地層，該巖組主要巖性為灰?guī)r、白云巖。場(chǎng)地巖溶以垂直形態(tài)為主，斷層交匯處為地下河入口，地下河大致沿次斷層向東流。場(chǎng)地地層自上而下依次為：道路路面、填土(局部)、第四系殘坡積的黏性土，含礫黏性土、下部基巖為泥盆-石炭系灰?guī)r?？辈靾?chǎng)地覆蓋層主要為坡殘積土，巖性主要為黏性土及含礫黏性土，礫石含量由上至下逐漸增加，底部礫石含量約25%～35%；黏性土及含礫黏性土多呈硬塑-可塑狀，底部局部為軟塑狀，依據(jù)物探預(yù)報(bào)布置的鉆探未遇見土洞。

場(chǎng)地下伏基巖為泥盆系灰?guī)r，以淺灰-深灰中厚層至塊狀灰?guī)r為主，場(chǎng)地基巖面埋深變化較大，淺者3～4 m，深者>20 m，平均約12 m?？傮w趨勢(shì)是從左幅到右幅逐漸變深，從隧道口往中橋逐漸變深?；?guī)r裂隙溶隙較發(fā)育，巖芯多呈短柱狀，常見溶孔溶隙。溶洞較發(fā)育，鉆孔遇洞率約28%。多為小充填溶洞，充填物為軟塑狀黏性土，洞高大多為1.0 m左右。

2 塌陷原因分析

工程地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，在挖方路段，基巖面埋深在多在2～5 m，橋頭填方段最大13 m，而地下水位在路面以下16 m甚至更深，地下水位低于基巖面。據(jù)此分析判斷產(chǎn)生巖溶塌陷的主要原因是公路工程活動(dòng)改變了場(chǎng)地原有地表水排水格局，地表水在新的地表排水通道處通過土中裂隙、生物孔洞、石芽邊緣等滲入地下巖溶通道，導(dǎo)致基巖上覆蓋層土體飽水增重、軟化，加上距離地下河較近，可能受巖溶內(nèi)空間氣壓正負(fù)壓力變化等多因素作用，土層下滲通道逐漸形成及擴(kuò)大，當(dāng)遇到大量地表水時(shí)，土層下滲通道可在沖蝕作用下快速擴(kuò)張并最終形成塌陷。根據(jù)物探及工程地質(zhì)勘察成果，設(shè)計(jì)部門提出設(shè)計(jì)變更，采用注漿工藝封閉土石界面地表水下滲通道，同時(shí)加強(qiáng)地表排水，消除地表水下滲沖蝕形成巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。

3 注漿施工技術(shù)

3.1 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

巖溶塌陷注漿主要目的是封閉地下水以上的土石界面，形成隔水帷幕，堵住基巖面巖溶開口阻止地表水下滲，隔斷地下水的浸蝕風(fēng)險(xiǎn)。其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)深度：巖溶塌陷注漿孔主注漿段(注漿花管開孔段)為基巖面上下各2 m。注漿孔設(shè)計(jì)深度以進(jìn)入基巖面2 m控制孔深，但最小孔深≥5 m，最大孔深≤17 m。

(2)孔距：注漿孔有效擴(kuò)散半徑在硬-可塑黏性土中按0.5 m考慮，底部近基巖面含礫黏土按1.0～1.5 m考慮，下伏基巖溶隙裂隙按4 m考慮。對(duì)于已發(fā)生巖溶塌陷部位，以巖溶塌陷坑周邊外擴(kuò)3.0 m為注漿范圍，注漿孔有效擴(kuò)散半徑按3 m考慮，采用梅花形布孔。未塌陷部分在路基邊溝縱向布設(shè)，避免過多鉆傷瀝青路面，因此孔距按3 m布孔。并與路面上原有地質(zhì)鉆探孔形成三角形布孔。

(3)注漿壓力：注漿本處注漿以填充溶洞、裂隙，阻隔水流通道為目的，也避免對(duì)路面造成抬升。因此采用低壓或無壓注漿。注漿壓力在巖層處0.1～0.3 MPa，土層處0.3～0.5 MPa。巖溶空洞初期采取自流無壓，終注壓力0.3～0.5 MPa。水溝及路面上注漿壓力≤0.5 MPa，路面以外的巖溶塌陷處理可適當(dāng)提高注漿壓力，注漿壓力控制在0.8 MPa內(nèi)。

處治范圍內(nèi)預(yù)估注漿量Q=Vnm，主要考慮巖體的注漿體積y、孔隙率n及漿液的損失系數(shù)m，但計(jì)算結(jié)果只能是一個(gè)理論值，實(shí)際注漿量以現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)為準(zhǔn)。

根據(jù)《注漿技術(shù)規(guī)程》(YSJ211-1992)，單孔注漿量按下式估算：

Q=AπR2Hnβ

(1)

式中：Q——漿液注入量(m3)；A——注漿損耗系數(shù)，一般取1.15～1.3；

R——注漿有效擴(kuò)散半徑(m)；

H——注漿段長(zhǎng)度(m)；

n——孔隙率，取0.5%～5.0%；

β——漿液充填系數(shù)[3]。

本工程設(shè)計(jì)新鉆注漿孔295個(gè)，平均孔深14m，總孔深4 130m；利用原勘察鉆孔55個(gè)，預(yù)計(jì)注漿孔共350個(gè)，預(yù)估平均單孔注漿量10m3，總注漿量約3 500m3，耗用水泥約2 625t。

3.2 施工程序及工藝

本次注漿施工順序：(1)對(duì)場(chǎng)地左右幅路面兩側(cè)邊溝進(jìn)行無壓或低壓注漿，充填該部位地表水下滲通道，防止地表水下滲。每一序施工按照孔距6m順序施工，逐漸加密。發(fā)生于邊溝處的巖溶塌陷注漿處理可與邊溝注漿同時(shí)進(jìn)行。(2)對(duì)場(chǎng)地勘察鉆孔進(jìn)行注漿。(3)土夾石邊坡施工時(shí)，每一序施工按照孔距8m順序施工，逐漸加密。(4)進(jìn)行巖溶塌陷注漿處理施工時(shí)，應(yīng)按先外圍、后中心的施工順序進(jìn)行注漿施工。

本工程采用水、水泥作為漿液主材料。注漿用水泥采用42.5MPa普通硅酸鹽水泥。水應(yīng)采用清潔的地表水或地下水，避免采用污水、泥水。注漿平均水灰比采用1∶1。

鉆孔施工工藝：確定孔位→鉆孔→鉆機(jī)移位→安放注漿管→水泥砂漿封孔口→場(chǎng)地清理。注漿施工工藝：人工運(yùn)料→制漿→準(zhǔn)備→注漿→封孔→孔位轉(zhuǎn)移→場(chǎng)地清理。

3.3 終止注漿的條件

達(dá)到下述條件之一可停止注漿：

(1)孔口注漿壓力維持在0.2MPa，吸漿量≤40L/min，持續(xù)30min，可以停止注漿。

(2) 達(dá)到終注壓力，吸漿量<5L/min，并持續(xù)10min，可以結(jié)束灌漿。

(3)在距孔口3～5m出現(xiàn)帽漿點(diǎn)，也可以結(jié)束灌漿。

(4)單孔注漿量達(dá)到平均注漿量的1.5～2.0倍，且吸漿量明顯減少時(shí)(正常值的70%以下)，也可以結(jié)束灌漿。

3.4 異常情況處理

因施工場(chǎng)地巖溶較發(fā)育，部分注漿孔注漿量很大，施工過程中如遇注漿量很大時(shí)可采用低壓濃漿，水灰比提升至1∶0.8、1∶0.6，必要時(shí)在漿液中添加砂子，形成稀砂漿；限量、間歇8～12h注漿等方法。當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)平均注漿量200%，注漿表仍顯示無壓力，將該孔列為異?？?，暫停注漿。待路面周邊全部注漿孔施工完成后，重新對(duì)異?？走M(jìn)行二次注漿。在路面荷載的影響范圍內(nèi)，勘察鉆孔揭露空洞處理方法是灌注稀砂漿充填固結(jié)。如洞深度已到地下水變化帶范圍內(nèi)，進(jìn)行充填堵塞處理有可能影響地下河通道，因此該孔處理方法是處理深度到上層充填洞，下部空洞不進(jìn)行處理。

3.5 質(zhì)量控制措施

施灌前，充分作好灌漿準(zhǔn)備工作，配備充足的灌漿設(shè)備和材料，保證壓力表、灌漿泵、流量計(jì)等灌漿設(shè)備的完好和準(zhǔn)確性，確保灌漿作業(yè)連續(xù)進(jìn)行；注漿嚴(yán)格按照程序進(jìn)行，杜絕漏灌現(xiàn)象；及時(shí)作好資料匯總分析，適當(dāng)調(diào)整施工技術(shù)參數(shù)；在灌漿過程中，如吸漿量較大，且長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不減少，可采取增大漿液黏度，或使用間歇灌漿處理；在灌漿中，如發(fā)現(xiàn)有串漿現(xiàn)象，如串漿量小，可不處理；如串漿量較大，可采用降低壓力、灌注濃漿等方法處理；在注漿過程中，安排專人進(jìn)行變形觀測(cè)，當(dāng)變形值接近允許值時(shí)及時(shí)通知記錄員，以便采取降壓等措施進(jìn)行處理，并做好詳細(xì)記錄、及時(shí)向監(jiān)理工程師報(bào)告；所有材料都進(jìn)行驗(yàn)收抽檢，不合格的材料不準(zhǔn)用在工程上。安排人員對(duì)水泥進(jìn)場(chǎng)、消耗量進(jìn)行全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

4 注漿效果檢測(cè)

巖溶注漿常用的質(zhì)量檢測(cè)方法為：鉆孔注水、鉆孔取芯、電磁波ct等。取芯為眼觀鑒別定性檢測(cè)，注水試驗(yàn)可定量檢測(cè)。根據(jù)本工程情況采取取芯和注水相結(jié)合方式進(jìn)行。本工程設(shè)計(jì)要求抽取3%的孔位進(jìn)行抽芯及注水試驗(yàn)[2，3]。

4.1 取芯檢查

取芯檢測(cè)孔均位于兩注漿孔之間，距注漿孔約1.5m。在軟-流塑黏性土中，注漿液充填置換軟-流塑黏性土，形成塊狀水泥結(jié)石體，該部位芯樣呈整體致密堅(jiān)硬的水泥結(jié)石體。在含礫黏性土中，注漿液沿土層中孔隙裂隙滲透充填，該部位芯樣中有片狀致密堅(jiān)硬的水泥結(jié)石體。在基巖地層中，因巖溶裂隙以垂直發(fā)育為主，由于地質(zhì)體的各向異性和不均勻性，導(dǎo)致水泥漿液滲透方向和注入量的不定性，因此鉆孔取芯觀察水泥結(jié)石率具有一定的偶然性。本次檢測(cè)孔在基巖段多為較完整基巖，檢測(cè)孔芯樣有灰?guī)r裂隙間致密堅(jiān)硬的水泥結(jié)石體，將灰?guī)r良好膠結(jié)成整體，大小裂隙均充填良好[2]。

4.2 注水試驗(yàn)

參照高鐵有關(guān)規(guī)定，注水試驗(yàn)亦有2種評(píng)價(jià)方式。(1)基巖溶整治技術(shù)壓水試驗(yàn)檢測(cè)通常是以注漿前后的透水率比值(≤1/10)作為合格評(píng)價(jià)；(2)《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦注漿后巖體的單位吸水量合格標(biāo)準(zhǔn)(<42Lu)，根據(jù)西南交通大學(xué)的研究，以注漿前后透水率或注漿吸漿率比值作為合格與否的評(píng)價(jià)尺度時(shí)，透水率較大的高危區(qū)合格標(biāo)準(zhǔn)要求相對(duì)不足，路基仍存在潛在危險(xiǎn)性；對(duì)于透水率<100Lu以微裂隙為主的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)則要求相對(duì)過高，施工技術(shù)難度大，難以達(dá)到[2]。

因此，本工程采取《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦注漿后巖體的單位吸水量作為合格標(biāo)準(zhǔn)。注水試驗(yàn)參照《水利電力工程注水試驗(yàn)規(guī)程》(SL345-2007)進(jìn)行，結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范整理計(jì)算，取得路基巖土體注漿后滲透系數(shù)K、透水率Lu、單位吸水量ω并參照相關(guān)規(guī)程規(guī)范綜合評(píng)定注漿施工效果。注水試驗(yàn)結(jié)果表明：本工程注漿后路基巖土滲透系數(shù)K為10-4～10-6，滲透系數(shù)平均值為1.3×10-4，巖土滲透性等級(jí)為弱透水至微透水；注漿后路基巖土透水率Lu為0.74～40.47，平均值為16；注漿后單位吸水量ω為0.01～0.41，平均值為0.16。參照鐵路“路基巖土體注漿質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)”，注漿后巖層單位吸水量滿足<0.42(即42lu)的要求，評(píng)定為合格。

5 結(jié)語

針對(duì)高速公路建成后發(fā)生多個(gè)巖溶塌陷的問題，進(jìn)行地質(zhì)超前探測(cè)及地質(zhì)鉆探，并通過注漿技術(shù)對(duì)巖溶塌陷路段進(jìn)行處治。結(jié)果表明，注漿處治技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行，處理費(fèi)用與挖開處治相比，估算費(fèi)用不及后者的40%，從檢測(cè)及運(yùn)營(yíng)后的觀測(cè)結(jié)果看，處理效果良好，可為類似工程病害的處治提供參考。

[1]王 浩.蒙新高速公路巖溶路基處治技術(shù)[J].公路交通科技，2008(5)：7-8.

[2]GB500212001，巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)[S].

[3]孫健家，汪水清.鐵路巖溶路基與注漿技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

Application of Grouting Technology in Karst Collapse Treatment of Comple-ted Expressways

HUANG Cheng-cen

(Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530029)

Regarding the karst collapse problem of completed expressways，this article proposed the treatment by using the grouting technology，with fast progress and low cost，which can achieve better results，thereby providing the reference for similar engineering treatment in Guangxi.

Expressway，Grouting technology，Karst collapse

黃成岑(1972—)，高級(jí)工程師，從事高速公路建設(shè)管理工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.014

1673-4874(2015)07-0059-04

2015-05-02