溶洞上覆土層注漿加固應(yīng)用分析*

朱耀庭 胡文華 吳福泉 張 愷

(江西省交通科學(xué)研究院1) 南昌 330200) (江西省高速公路投資集團(tuán)有限公司2) 南昌 330025)

溶洞上覆土層注漿加固應(yīng)用分析*

朱耀庭1)胡文華2)吳福泉2)張 愷1)

(江西省交通科學(xué)研究院1)南昌 330200) (江西省高速公路投資集團(tuán)有限公司2)南昌 330025)

基于研究區(qū)域的工程概況，提出一種新型逐序加深注漿工藝及其施工技術(shù)要點(diǎn)，并與傳統(tǒng)的孔口管注漿工藝、袖閥管注漿工藝進(jìn)行比較.通過分析p-Q-t曲線、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)分析和壓水試驗(yàn)分析驗(yàn)證了注漿成果.結(jié)果表明，先序注漿可能會出現(xiàn)灌注量過大的問題，可以間歇注漿或者摻加速凝劑解決，其主要目的在于降低粉細(xì)砂層、卵石層等大孔隙地層的滲透率，其次也可使淺層地層得到整體加固.后序孔在先序孔中間隔布置，由于15.0 m深度以內(nèi)地層滲透率已經(jīng)降低，此時便可實(shí)現(xiàn)深層地層的重點(diǎn)加固.而在應(yīng)用逐序加深注漿工藝之后，溶洞頂板附近粉質(zhì)粘性土的標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)平均提高了5次以上，包括粉質(zhì)粘性土在內(nèi)的各個層位的滲透性均已得到明顯改善，表明逐序加深注漿工藝的應(yīng)用有效實(shí)現(xiàn)了溶洞上覆土層的注漿加固.

巖溶；注漿；p-Q-t曲線；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)；壓水試驗(yàn)

0 引 言

在我國西南部，公路建設(shè)往往需要穿過巖溶地區(qū)，尤其是隱伏型巖溶地區(qū)潛在的塌陷風(fēng)險，溶洞對工程建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)重危害[1].隱伏型巖溶地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜(包含溶洞及其上覆土層，常常要考慮水的作用)，破壞形式多樣，除了要考慮溶洞頂板破壞這一種常規(guī)的破壞形式外，還要考慮由于地下水位變化造成的溶洞上覆土層破壞(抽排水引發(fā)的侵蝕等，多發(fā)生于基巖面附近)[2].根據(jù)溶洞頂板的厚薄、埋深，又可將隱伏型巖溶劃分為深埋薄頂、淺埋薄頂、深埋厚頂、淺埋厚頂?shù)人姆N類型.深埋薄頂型巖溶和淺埋薄頂型巖溶都屬于巖溶破壞的高發(fā)類型，其中又以深埋薄頂型巖溶難以處治.一方面，深埋意味著富含承壓地下水，在地下水的浸泡下，基巖面(溶洞頂板)附近土層將呈可塑甚至軟塑狀態(tài)，一經(jīng)擾動即可引發(fā)變形.另一方面，薄頂意味著可能存在開口巖溶形態(tài)，覆蓋土層很有可能在這一位置逐漸侵蝕塌陷,因此，研究相應(yīng)的處治策略十分必要.

文中介紹了研究區(qū)域的工程概況，提出一種新型逐序加深注漿工藝及其施工技術(shù)要點(diǎn)，并與傳統(tǒng)的孔口管注漿工藝、袖閥管注漿工藝進(jìn)行比較.最后通過p-Q-t曲線分析、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)分析和壓水試驗(yàn)分析驗(yàn)證了注漿成果.

1 工程概況

研究區(qū)域位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺與華南褶皺系交接的江西著名地質(zhì)構(gòu)造—萍鄉(xiāng)至樂平近東西向拗陷帶內(nèi)的西北緣，區(qū)內(nèi)土層結(jié)構(gòu)和巖性非常復(fù)雜，隱伏型巖溶構(gòu)造非常發(fā)育，呈現(xiàn)為深埋薄頂?shù)奶卣?以K11+727為例，初見水位5.8 m，穩(wěn)定水位10.4 m，自14.4 m至基巖面(18 m)分布粉質(zhì)粘性土，自16 m開始向下由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浰軤顟B(tài)，性狀極為軟弱.經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)驗(yàn)證，越靠近基巖面擊數(shù)越少，承載能力逐漸變差，見表1.

基于以上工程概況，文中提出適用于K11+680～K11+740段的新型逐序加深注漿工藝，并通過壓水試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)觀察加固結(jié)果.主要有三個目的，①排出水分，將覆蓋層軟塑狀態(tài)提高為可塑至硬塑狀態(tài)，提高抗沖刷侵蝕能力；②提高覆蓋層模量、減小泊松比，改善溶洞頂板受力狀況；③提高防滲水能力，減小地下水位變化速度和對覆蓋層的影響程度.

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

2 新型逐序加深注漿工藝的提出

我國在覆蓋層中注漿始于20世紀(jì)50年代，曾在北京密云水庫、河北岳城水庫等大型工程中應(yīng)用，后來由于混凝土防滲墻技術(shù)的快速發(fā)展，使得覆蓋層灌漿工程減少，漸少見于較大規(guī)模的應(yīng)用.一般有兩種成本較高的工藝可用于覆蓋層注漿:袖閥管注漿和孔口管注漿.論及工藝，這兩種方法也存在頗多缺點(diǎn).袖閥管注漿工藝繁雜，封口復(fù)雜，對施工隊(duì)素質(zhì)要求過高；孔口管注漿則消耗大量管材，還需要多次成孔，尤其不便于大面積推廣使用.

孔口管注漿方法是把止?jié){塞設(shè)置在孔口，自上而下分段鉆進(jìn)，逐段注漿并不待凝的一種分段注漿方法.其缺點(diǎn)是在自上而下分段注漿的過程中需要多次復(fù)鉆和復(fù)注，與通長注漿所需的工作量相比，孔口管注漿的工作量翻了數(shù)番.此外，孔口管注漿不僅需要消耗大量孔口管，而且在復(fù)鉆的過程中又造成許多水泥漿不必要的浪費(fèi).

袖閥管注漿方法是在注漿孔內(nèi)，預(yù)先安置特制帶有孔眼的注漿管，稱為花管.在花管與孔壁間填入被稱為填料的漿液，并在花管內(nèi)用雙栓塞式注漿塞分段進(jìn)行注漿.但在注漿后，花管難于拔出重復(fù)使用，管材耗費(fèi)較多，成本較為昂貴.其中，填料澆注的好壞對注漿成功與否有很大影響，要求既能在一定的壓力下，壓開填料進(jìn)行橫向注漿，又能在高壓注漿時，阻止?jié){液沿孔壁或管壁流出地表，對施工隊(duì)素質(zhì)要求很高.

為提出適用于K11+680～K11+740段的覆蓋層注漿工藝，前期已進(jìn)行地質(zhì)鉆孔、壓水試驗(yàn)、注漿試驗(yàn)等大量工作.經(jīng)前期地質(zhì)鉆孔發(fā)現(xiàn)，K11+680～K11+710段地質(zhì)情況較為復(fù)雜，溶洞頂板上覆砂礫層及粘土層間互成層，有些鉆孔甚至還發(fā)現(xiàn)有半米厚的卵石層，見圖1.

圖1 溶洞上覆砂礫層及粘土層間互成層的特殊現(xiàn)象

經(jīng)壓水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，11 m附近的粉細(xì)砂層、15 m附近的卵石層透水率極好.隨后在前期試驗(yàn)孔的試注漿過程中發(fā)現(xiàn)，普遍都有壓力回落、地層貫通、鄰孔串漿等現(xiàn)象發(fā)生，按照傳統(tǒng)方法處理起來有相當(dāng)大的難度.為解決上述問題，提出“逐序加深”這一工藝，首先在K11+700～K11+710段小范圍試驗(yàn)成功，隨后推廣至K11+710～K11+740段.

所謂逐序加深法，即分為先序、后序兩個次序，后序孔在先序孔中間布置，并在先序孔的基礎(chǔ)上加深孔深.以K11+710～K11+740段為例，先序孔孔深15 m，后序孔孔深18 m.先序注漿可能會出現(xiàn)灌注量過大等問題，可以間歇注漿或者摻加速凝劑解決，其主要目的在于降低粉細(xì)砂層、卵石層等大孔隙地層的滲透率，其次也可使15 m深度以內(nèi)地層得到整體加固.后序孔在先序孔中間隔布置，由于15 m深度以內(nèi)地層滲透率已經(jīng)大大降低，此時便可實(shí)現(xiàn)15～18 m深度范圍內(nèi)地層的重點(diǎn)加固.

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，若在第四系覆蓋土層內(nèi)注漿，注漿孔距一般取1～2 m.注漿孔距與擴(kuò)散半徑有很大的關(guān)系，土層滲透率越低，擴(kuò)散半徑越小，應(yīng)采用較小的注漿孔距，反之則采用較大的孔距，布孔見圖2.待處治段溶洞頂板上覆粉細(xì)砂層、卵石層，再往上則沉積分布粘性土層以及含角礫的粘性土層，滲透率差異較大.由前述分析可知，巖溶路基覆蓋層固結(jié)注漿的主要目的在于固結(jié)溶洞上覆土層，尤其是溶洞頂板附近的粉細(xì)砂層及卵石層.因此在K11+710～K11+740段注漿工作中采用較大的鉆孔間距(2 m)，足夠在大空隙地層中充分?jǐn)U散，同時也可以有效控制處治成本.

圖2 布孔示意圖

鉆孔完畢，檢查鉆孔深度，在確認(rèn)沒有塌孔的情況下再安放花管，否則，應(yīng)采用鉆機(jī)清孔到位.有的鉆孔成孔之后來不及注漿，常常放置一天甚至幾天，期間如果再遇到降雨，塌孔的可能性就非常大了,因此，安放花管之前都應(yīng)該檢查鉆孔深度，以免注漿不到位.花管底部開有花孔，花孔外側(cè)應(yīng)事先纏繞好塑料膠帶，以免在安放的過程中被鉆渣阻塞.而在注入漿液的過程中，塑料膠帶將在漿液的作用下脫落，使花孔貫通，并不會影響注漿.

為防止鄰孔串漿和減少漿液的無效漏失，注漿順序應(yīng)按跳孔間隔注漿方式，建議按自路基坡腳向路線中心的順序進(jìn)行，以防止鄰孔串漿，保證注漿質(zhì)量.如出現(xiàn)串漿現(xiàn)象，應(yīng)盡量同時對注漿孔和串漿孔進(jìn)行注漿處理，否則至少應(yīng)該阻塞串漿孔.而在阻塞串漿孔的過程中發(fā)現(xiàn)，僅有少數(shù)串漿孔壓力可以達(dá)到0.1 MPa，往往又在數(shù)分鐘內(nèi)回落至0 MPa，效果不甚理想.因此，若具備條件，建議盡量對注漿孔和串漿孔同時進(jìn)行注漿處理.只有在地層貫通性較好且不向外滲漏的情況下，阻塞串漿孔可以使其壓力與注漿孔壓力相差無幾，反而有利于提高注漿效率，但這種情況十分少見，試驗(yàn)現(xiàn)場幾十例串漿中僅有數(shù)例串漿孔壓力可以達(dá)到0.1 MPa以上.

4 效果觀察

4.1 p-Q-t曲線分析

根據(jù)注漿施工中所記錄的注漿壓力p、注漿速度Q繪制相應(yīng)的p-Q-t曲線，見圖3[3].一般而言，盡管p-t曲線和Q-t曲線大都呈現(xiàn)波動性，只要p-t曲線總的呈上升趨勢，Q-t曲線總的呈下降趨勢，注漿結(jié)束時，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓(常取0.25～0.35 MPa)，終注速度小于15 L/min，注漿效果基本是可以滿足要求的，地層也較為正常.反之，若某些注漿孔p-Q-t曲線出現(xiàn)異常情況，例如注漿流量過大，注漿壓力過低等，說明該處土層支離破碎已形成通道，這很可能是開口巖溶形態(tài)的象征，需要特別留意，并作為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔和壓水試驗(yàn)孔的備選孔.

圖3 注漿過程中的典型p-Q-t曲線

由圖3可知，開始注漿時，注漿壓力為0 MPa，注漿速度為80 L/min，這主要是漿液自由流動填充鉆孔的過程；鉆孔被填滿之后，注漿壓力開始不斷上升，注漿速度隨之下降，表明漿液開始填充溶洞上覆砂礫層、卵石層等類型的大空隙地層；隨著大空隙地層的填充，注漿壓力升高到0.23 MPa，注漿速度降至30 L/min；在持續(xù)約10～20 min之后，漿液開始劈裂粘土層，形成新的裂隙，注漿壓力再次下降，隨著劈裂的形成和再次填充，注漿壓力重新上升上升到0.3 MPa，注漿速度下降到5 L/min以下，進(jìn)漿量明顯減少，在這種情況持續(xù)10 min后結(jié)束注漿.

4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)分析

在注漿結(jié)束5 d后，選擇在注漿前的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔附近1 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)[4]，試驗(yàn)結(jié)果見圖4.ZK1為注漿前的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔，注漿后ZK1中已經(jīng)形成高強(qiáng)度的純水泥結(jié)石體，無法再在ZK1中檢測注漿效果，因此需要在ZK1附近(50%的注漿孔距)進(jìn)行注漿后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn).圖4為ZK1,ZK2,ZK3等三個檢查孔在注漿前后的標(biāo)準(zhǔn)貫入結(jié)果，從17 m深開始每0.1 m記錄一次標(biāo)貫擊數(shù)，直至17.6 m深.在應(yīng)用逐序加深注漿工藝之后，溶洞頂板附近粉質(zhì)粘性土的標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)平均提高了5次以上，說明這種逐序加深注漿工藝可以有效實(shí)現(xiàn)溶洞附近土層的加固.

圖4 注漿前后擊數(shù)

4.3 壓水試驗(yàn)分析

注漿后地層的滲透系數(shù)下降，是注漿見效的重要表征[5-8].文中在標(biāo)貫檢查結(jié)束后，在標(biāo)貫檢查孔內(nèi)實(shí)行壓水試驗(yàn)，通過壓水試驗(yàn)對比注漿前后巖溶路基覆蓋層滲透系數(shù)是否已經(jīng)得到改善，試驗(yàn)結(jié)果見表2～3.其中，滲透系數(shù)K在壓水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)其與透水率q的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行估算：K=q×1.5×10-5.透水率為在壓水壓力p為1 MPa時，每米試段長度L每分鐘的注入水量Q，即q=Q/(p·L).此外，考慮到壓水試驗(yàn)需要以一定的水壓向路基和地基之內(nèi)大量注水，對于路基穩(wěn)定性具有顯著的不利影響，因此，僅針對ZK1檢查孔進(jìn)行壓水試驗(yàn).

表2 ZK1注漿前壓水試驗(yàn)成果

表3 ZK1左1.0 m注漿后壓水試驗(yàn)成果

由表2可知，溶洞頂板附近粉質(zhì)粘性土(15～18 m深度范圍)的透水率已達(dá)到62.19 Lu，超過文獻(xiàn)[9]提出的巖溶塌陷臨界裂隙透水率(50 Lu)，容易在地下水的作用下侵蝕塌陷.因此，有必要應(yīng)用注漿技術(shù)手段降低溶洞上覆土層的透水率，防止土體產(chǎn)生裂隙，從而預(yù)防土洞的形成.但是，該段地質(zhì)情況較為復(fù)雜，溶洞頂板上覆礫質(zhì)粘性土(12～15 m)及粉質(zhì)粘性土(6～12，15～18 m)間互成層，由于礫質(zhì)粘性土的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于粉質(zhì)粘性土，若采用常規(guī)的注漿方式，很大一部分漿液都將流入礫質(zhì)粘性土，而緊鄰溶洞頂板的粉質(zhì)粘性土很難得到加固.

由表3可知，在應(yīng)用逐序加深注漿工藝之后，包括粉質(zhì)粘性土在內(nèi)的各個層位的滲透性均已得到明顯改善.礫質(zhì)粘性土(12～15 m)的滲透性得到大幅度改善的原因?yàn)橄刃蜃{(0～15 m)通過灌入大量漿液降低了此類大孔隙地層的滲透率.礫質(zhì)粘性土(12～15 m)的滲透性得到大幅度改善，則是因?yàn)?～15 m范圍內(nèi)地層的滲透性已經(jīng)顯著下降，此時再進(jìn)行后序注漿，便可實(shí)現(xiàn)15～18 m深度范圍內(nèi)地層的重點(diǎn)加固.

5 結(jié) 束 語

文中介紹了溶洞上覆土層的處治難點(diǎn)及一種新型逐序加深注漿工藝.從施工方法來看，逐序加深法十分類似于通長注漿，不同之處在于先序孔主要起到降低淺層地層滲透率的作用，而后序孔又較先序孔進(jìn)一步加深了孔深.這樣，逐序加深法既達(dá)到了類似于分段注漿的效果，實(shí)現(xiàn)了溶洞頂板附近土層的重點(diǎn)加固，又如同通長注漿那般便捷，無需埋設(shè)孔口管或是花管，更無需反復(fù)鉆進(jìn)，工作量大為減少，工期大為縮短.

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Application Analyse on Grouting Reinforcement in Overburden Layer of Karst Cave

ZHUYaoting1)HUWenhua2)WUFuquan2)ZHANGKai1)

(JiangxiTransportationInstitute,Nanchang330200,China)1)(JiangxiProvincialExpresswayInvestmentGroupCo.Ltd.,Nanchang330025,China)2)

Based on the engineering situation of research area, a new type of grouting process with deepening gradually and the corresponding key points of construction technology are proposed, compared with the traditional orifice pipe grouting process and the sleeve pipe grouting process. Finally, the results of grouting are verified byp-Q-tcurve analysis, standard penetration test and water pressure test. The results show that the pre-batch grouting may have the problem of excessive pouring, which can be solved by using the intermittent grouting or mixing with quick-setting agent. The main purpose is to reduce the permeability of large pore strata, such as fine sand layer and pebble layer, as well as to make the shallow strata reinforced overall. In addition, the posterior pore is arranged at the interval of the first-order holes, and the reinforcement of the deep stratum can be realized at this time, due to the permeability of strata under the depth of 15.0 m being reduced. Meanwhile, after the application of the grouting process with deepening gradually, the standard penetration number of the silty clay near the top of the cave is increased by more than 5 times on average. The permeability of each layer, including the silty clay, has been improved obviously, which indicates that the application of the grouting process with gradual deepening can effectively improve the grouting reinforcement in the caverns.

karst; grouting;p-Q-tcurve; standard penetration test; water pressure test

U416.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.013

2017-10-16

朱耀庭(1982—)：男，博士，高級工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槁访婀こ碳安牧?/p>

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508246)、江西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2015C0022)資助