復(fù)雜巖溶地區(qū)鉆探技術(shù)與溶洞灌漿工藝的探討

謝偉

摘要：巖溶發(fā)育區(qū)地層復(fù)雜，基礎(chǔ)處理難度大，實際施工中，結(jié)合施工勘察，選擇優(yōu)化施工方案，對控制工程造價、指導(dǎo)施工和確保工程質(zhì)量有很重要的意義，巖溶發(fā)育區(qū)基礎(chǔ)處理鉆探技術(shù)和灌漿工藝已經(jīng)成為一門綜合性很強的應(yīng)用研究。孟洲壩樞紐二線船閘工程作為北江航道擴能升級工程的重要項目之一，巖溶地層鉆探技術(shù)及溶洞灌漿工藝在地基加固中取得了良好的應(yīng)用效果，本文將結(jié)合孟州壩樞紐二線船閘工程實例對其進行簡要探討。

關(guān)鍵詞：巖溶發(fā)育區(qū)；溶洞；鉆探；灌漿

1.工程概況

我國巖溶地區(qū)分布甚廣，在廣東省內(nèi)，主要以粵西和粵北地區(qū)分布較多，珠江三角洲地區(qū)也有分布。巖溶對工程建設(shè)來講是一種災(zāi)害性地質(zhì)現(xiàn)象，一般情況下，應(yīng)避免在巖溶地區(qū)從事大規(guī)模工程建筑。但隨著城市化進程的飛速發(fā)展，巖溶地區(qū)的建筑物越來越多，因此，對巖溶地區(qū)鉆探技術(shù)與灌漿加固工藝的研究具有一定的經(jīng)濟價值和社會意義。

北江是粵北地區(qū)連接珠江三角洲及港澳地區(qū)唯一的水運通道，流域范圍內(nèi)氣候濕潤多雨，水體常年無冰凍，極佳的氣候和水文條件造就了悠久的水路運輸歷史以及北江突出的航運地位。然而隨著經(jīng)濟的發(fā)展，船閘及航道等級過低導(dǎo)致船舶大面積滯航的現(xiàn)象時有發(fā)生。為解決這一瓶頸限制，北江（韶關(guān)至烏石）航道孟洲壩二線船閘計劃建成為可通行1000t級船舶的Ⅲ級船閘，這將有效提高當(dāng)?shù)睾竭\經(jīng)濟的發(fā)展。工程主要包括船閘工程、上下游引航道、上下游導(dǎo)航墻（含導(dǎo)流墻）、閘橋工程、大型臨時工程等配套及附屬工程。

2.地質(zhì)條件

孟洲壩二線船閘項目區(qū)屬一級沖積堆積階地及河漫灘，局部地段為剝蝕殘丘。項目區(qū)地層巖性較均勻，層位變化一般。根據(jù)鉆探和現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)繪，工程區(qū)分布的灰?guī)r受第四系地層覆蓋，從巖溶類型劃分屬覆蓋型巖溶，主要巖溶形態(tài)有：溶孔、溶隙、溶溝和溶洞等。

工程區(qū)附近地表巖溶主要受巖性及構(gòu)造控制，一般在薄一中厚層灰?guī)r中多見巖溶裂隙，中厚層一厚層狀灰?guī)r中溶隙及小溶洞較發(fā)育。地表見洼地，并往往沿構(gòu)造裂隙和層面發(fā)育。勘察結(jié)果顯示：230個鉆孔，其中共計51個鉆孔揭露溶洞，平均遇洞率22.17%（但是下閘首4個鉆孔中2個鉆孔遇巖溶現(xiàn)象，遇洞率達(dá)50%，閘室中部～下閘首8個鉆孔中4個鉆孔遇巖溶現(xiàn)象，遇洞率達(dá)50%，屬于巖溶強發(fā)育區(qū)）；單孔線巖溶率較高，達(dá)0.75%-52.67%，平均線巖溶率15.89%；溶洞洞高（鉆孔中鉛直高度）0.2m～20.7m，平均高度2.67m，一般為全充填，有少量半充填及空洞。綜上所述，本工程區(qū)整體上屬于巖溶中等發(fā)育區(qū)，局部地段巖溶強發(fā)育。鉆孔地層情況見表1。

參考水工建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及船閘建設(shè)施工經(jīng)驗，為避免洞壁和基礎(chǔ)崩塌以及水土流失，需充填洞體內(nèi)空隙并堵塞溶洞與外界的直接漏水通道，另一方面要加固洞內(nèi)原充填欠固結(jié)的軟弱土體，防止軟弱土體在受附加應(yīng)力及自重影響下產(chǎn)生較大的固結(jié)沉降變形，使洞內(nèi)充填物與洞壁間產(chǎn)生過大的空隙，并一定程度提高洞內(nèi)填充物承載力特征值。

3.超前鉆孔

3.1鉆探工作通常按照如下步驟進行：

在地下連續(xù)墻基礎(chǔ)逐個槽段布置超前鉆孔，每個地連墻槽段兩個鉆孔。灌注樁按一樁一孔的密度進行布置超前鉆，超前鉆孔深度應(yīng)取地連墻（灌注樁）底部以下5m和進入完整中風(fēng)化灰?guī)r5m兩者的大值。鉆進過程中，保證鉆桿垂直。若未發(fā)現(xiàn)溶洞則停止鉆孔，若發(fā)現(xiàn)溶洞，則繼續(xù)鉆進至溶洞底部巖層3m～5m。

首先應(yīng)按樁基設(shè)計的平面尺寸、鉆機數(shù)量和鉆機底座平面尺寸、鉆機移位要求、施工方法以及其他配合施工機具設(shè)施布置等情況確定施工平臺的平面尺寸，并進行平整壓實。

然后依據(jù)鉆孔平面布置圖進行測量放樣，鉆孔位置前后對照復(fù)核樁點，確認(rèn)無誤后將鉆機固定牢固，鉆桿對準(zhǔn)測量放樣樁點。工藝流程詳見圖1。

不同的地層采取不同規(guī)格的鉆頭進行鉆孔，填土層～強風(fēng)化石灰?guī)r采用146mm合金鉆頭鉆孔取芯，為防止孔壁坍塌，采用146mm或127mm套管跟進護壁，進人中風(fēng)化灰?guī)r后改用89mm金剛石鉆頭鉆進。在取芯過程中，應(yīng)詳細(xì)記錄巖面的高程、返水的變化情況、溶洞的位置及填充情況。滿足終孔條件后及時通知監(jiān)理工程師進行驗收確認(rèn)，并按要求及時進行封孔。所有芯樣均應(yīng)排放整齊、編號齊全，裝入巖芯箱，拍照存檔以備核查。鉆孔完成后及時對地質(zhì)情況進行編錄。

無溶洞的超前鉆孔工作結(jié)束后，進行封孔。堤防鉆孔土層一般以土還土，以砂還砂，土料以粘土為主，砂料以粗砂為主，并分層搗實；臨近堤防的鉆孔采用干粘土球回填，邊回填邊夯實；船閘開挖范圍內(nèi)鉆孔土層采用純水泥漿封孔；有套管護壁的鉆孔邊起拔套管邊回填。并做好封孔全過程記錄。

3.2超前鉆孔加密原則

第一步：在施工圖設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上進行超前鉆探施工，超前鉆按“一槽兩鉆、一樁一鉆”原則施工；第二步：在“一槽兩鉆”施工基礎(chǔ)上，針對已經(jīng)探明的溶洞進行邊界探測施工，即“探邊”施工；第三步：針對已經(jīng)完成“探邊”的溶洞，根據(jù)其充填情況，分別進行注漿試驗，試驗過程中根據(jù)地層情況、溶洞充填情況、注漿情況等調(diào)整施工參數(shù)并進行分析，研究最適合的注漿參數(shù)；第四步：對注漿試驗情況進行總結(jié)，根據(jù)試驗結(jié)果展開溶洞注漿填充施工；第五步：注漿完成后對注漿效果進行質(zhì)量檢測。

溶洞注漿充填施工前根據(jù)注漿材料及地質(zhì)條件，結(jié)合類似工程的施工經(jīng)驗進行注漿試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果對各項施工參數(shù)進行修正。

有溶洞的超前鉆孔，在鉆至溶洞底部位置時，在起拔跟管鉆進的套管之前，須下直徑100mm并滿足壓力要求的PVC給水管至巖面以下50mm位置，然后置換出套管，等待摸清整體溶洞界面后實施灌漿工作。

每個溶洞邊界探測施工完成后，根據(jù)每個鉆孔所探測到的溶洞頂部、底部的埋深或標(biāo)高，結(jié)合其平面位置、水平間距，繪制出每個溶洞的包絡(luò)圖，以確定其大小。包絡(luò)圖繪制完成后，計算其理論注漿量，注漿充填系數(shù)參考類似工程經(jīng)驗暫取1.5～2.5，要根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整和確定。endprint

4.灌漿工藝

4.1無填充溶洞處理方法

①單層溶洞處理：遇無填充溶洞時，為保證鉆孔安全，確保鉆進順利進行，空洞部位采用89mm套管護壁跟進后，改用76mm鉆頭鉆進取芯，直至超前鉆孔深滿足設(shè)計要求為止，溶洞位置探明后，下放100mmPVC管置換127/146mm外套管，從四周封閉開始向中間灌注雙液砂漿，并采用純水泥漿壓密灌漿。砂漿配比初定為砂：膠凝材料：水：水玻璃=2：1：0.6：0.3，最終數(shù)據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

如果溶洞包絡(luò)范圍較大，或空洞較高（>1m），可先向孔內(nèi)填入5mm～10mm碎石，初次填料高度為溶洞高度的一半，然后灌注雙液水泥漿。水泥水玻璃雙液漿的配比是水泥漿與水玻璃的體積比為4：1，水玻璃比重為1.125g/ML，水泥漿水灰質(zhì)量配比為0.8：1，水泥漿拌制采用32.5級水泥，注漿壓力控制在0.1MPa～0.4MPa，注漿速度為30L/min～70L/min；水泥水玻璃雙液漿注漿體積為初次填料體積的三分之二，以保證其封閉初次填料的整個邊界。待漿液與填料凝結(jié)形成固體后，重復(fù)填料直至填充物充滿溶洞高度，重復(fù)進行雙液漿注漿封閉整個邊界。

②多層溶洞處理：如果下鉆過程遇到第2層溶洞，這時應(yīng)停止鉆進，拔起鉆具及89mm套管，下放100mmPVC管置換外套管，然后按設(shè)計要求進行溶洞探邊孔施工，探邊孔完成后，按一層溶洞的處理方法先對溶洞進行處理，待灌漿結(jié)束并待凝后采用76mm鉆頭重新掃孔，繼續(xù)鉆探。由于受100mmPVC管的限制，第2層以下溶洞鉆進已不可能采用套管跟進的施工工藝。如果第2層為無填充溶洞，鉆穿溶洞后停鉆，待第2層溶洞所有探孔灌漿并待凝后繼續(xù)鉆進，以此類推第3層及以下各層溶洞的施工，直至超前鉆孔深滿足設(shè)計要求。如果第2層為有填充溶洞，將采用：水泥漿造孔→護壁→待凝→掃孔的循環(huán)施工工藝，直至穿越第2層溶洞成孔，成孔后，采用純水泥漿對溶洞進行壓密灌漿，以此類推第3層及以下各層溶洞的施工，直至超前鉆孔深滿足設(shè)計要求。全孔結(jié)束后，對基巖段全孔進行壓密灌漿。

③水泥漿進行壓密注漿

在完成水泥水玻璃雙液注漿封閉整個邊界后，再采用水泥漿進行壓密注漿，至達(dá)到停止注漿的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。壓密注漿采用栓塞封閉，逐層溶洞處理，純壓式注漿方式。管路連接如圖2所示。

壓密注漿壓力為1.0Mpa以上，灌人濃度大、配合比為1：1的水泥漿；壓密注漿開始時漿液先充填大的空隙，然后在壓力下滲入周圍土體孔隙。

停止注漿的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為兩種情況，當(dāng)滿足以下任意一種即可停止注漿：①注漿鉆孔基巖完整，注漿孔口壓力維持在0.2MPa～0.5MPa，且連續(xù)30min，吸漿量小于40L/min；②多次注漿，孔口壓力超過0.5MPa，而且單孔注漿量達(dá)到平均注漿量115～210倍，且進漿量明顯減少。

4.2有填充溶洞處理方法

（1）劃分溶洞處理范圍。劃分溶洞范圍，以每處溶洞為單位進行注漿處理。

（2）鉆孔及注漿方式?；鶐r及溶洞采用89mm鉆頭鉆進，下栓塞進行純水泥漿純壓式全孔段灌漿，該方法如果水泥漿護壁成功，施工將比較簡便。對于已經(jīng)探查清溶洞范圍的溶洞，采用單液漿處理；對于未探查清溶洞范圍的溶洞，周邊孔采用雙液注漿，中間孔采用單液注漿。在每一組注漿完成后再進行下一組的注漿工作。

（3）注漿材料。中間孔：采用水泥漿單液注漿。水泥采用32.5級水泥，水灰比=1.0～1.5，注漿速度為：30L/min～70L/min。周邊孔：采用水玻璃和水泥漿雙液注漿。配比建議為水泥：水：水玻璃=1：1 38：0.3（質(zhì)量比），水玻璃模數(shù)m=2.4～3.2（濃度Be=30～40），水泥采用32.5級水泥。

（4）注漿壓力與終孔條件。注漿壓力控制在0.1Mpa～0.5Mpa。每個孔注漿時間根據(jù)壓力大小決定，如果注漿壓力一直達(dá)不到0.3MPa，則每個孔每次注漿量不得超過30m3，注漿未達(dá)到0.3MPa要求間隔24h后繼續(xù)注漿，如此反復(fù)直至注漿達(dá)到終孔條件為止。

如果注漿壓力達(dá)到0.3MPa并有上升趨勢，則繼續(xù)注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.5MPa的注漿終壓時，繼續(xù)注漿10min以上，則可終孔。

（5）封孔。當(dāng)注漿結(jié)束拔出注漿管后，立即用M7.5號水泥砂漿封孔；封孔完畢后，位于該注漿孔周邊的溶洞即完成了封閉。

5.質(zhì)量檢測

對同一個溶洞，應(yīng)按鉆孔數(shù)的3%，且不少于1個檢測鉆孔，1個檢測鉆孔應(yīng)不少于3個標(biāo)貫檢測點，檢查孔盡量利用已有的鉆孔。對加固地層進行隨機原位標(biāo)貫試驗，標(biāo)貫擊數(shù)應(yīng)不小于10擊。

6.結(jié)語

（1）本工程根據(jù)所在部位的巖溶特性，灌漿材料就地選材，水玻璃從廣州化工原料市場采購，節(jié)省了成本。

（2）實際施工中，溶洞類型基本屬于半充填、全充填類型，初次灌漿先采用以水泥和水玻璃為主的雙液灌漿方法進行施工，然后再采用純水泥漿液進行二次壓密灌漿處理，灌漿順序為由外至內(nèi)、分工序施工的原則。灌漿方法選擇合理，效果良好。

（3）對于無充填物或充填物少的溶洞，因洞內(nèi)滲漏嚴(yán)重，溶洞灌漿難度大，原則上先間歇充填粗骨料、細(xì)料；再充填固結(jié)料的方法進行施工。粗骨料可選擇細(xì)礫、粗礫和細(xì)砂；細(xì)料為含砂粉土；固結(jié)料主要指水泥和水玻璃混合料。結(jié)合洞內(nèi)充填淤積情況，選擇合適的充填材料。

（4）巖溶地層地質(zhì)情況復(fù)雜，同一鉆孔經(jīng)常存在多層溶洞情況，所以鉆探上宜選擇146mm或127mm鉆具開孔，127mm套管跟管鉆進。endprint