高速公路建設(shè)中的路基沉陷成因及注漿施工技術(shù)

曹威

（湖南建工交通建設(shè)有限公司，長(zhǎng)沙 430000）

1 引言

隨著公路車(chē)流量的增加，加之材料老化、降雨侵蝕等多項(xiàng)因素的共同影響，部分高速公路路基顯現(xiàn)出不同程度的沉陷病害，嚴(yán)重影響了車(chē)輛的安全通行。注漿是處治路基沉陷病害的重要方法，因具有施工便捷、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)而取得廣泛的應(yīng)用。

2 工程概況

某高速公路全線長(zhǎng)29.36 km，路基寬度為18.5 m，路面寬度為16.5 m，雙向四車(chē)道。其中，K63+400～K66+700段為高填方路基，施工階段碾壓不充分，且隨著路基使用時(shí)間的延長(zhǎng)，加之其他因素的誘發(fā)作用，產(chǎn)生沉陷病害，需加強(qiáng)處治。

鑒于該路段交通量較大，在保證路基沉陷病害處治效果的同時(shí)需最大限度地縮短工期，以免對(duì)現(xiàn)場(chǎng)交通秩序造成過(guò)多的干擾。經(jīng)研究，決定采用注漿加固技術(shù)處理路基沉陷病害。

3 高速公路路基沉陷的影響因素

1）填筑土層的質(zhì)量較差。根據(jù)工程資料可知，需填筑的土層厚度較大，但其自重固結(jié)效果差，在荷載作用下，易出現(xiàn)大幅度的工后沉降。此外，填筑土的密實(shí)度不足，土料間存在大量的空隙，這也是工后沉降現(xiàn)象的關(guān)鍵原因。

2）局部地基承載力有限?，F(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)以炭質(zhì)灰?guī)r和灰黑色粉土為主，土層厚度為5～6 m，但現(xiàn)場(chǎng)地下水豐富，由于水的侵蝕作用，削弱了土體的承載性能，外荷載作用于上方的路基、路面結(jié)構(gòu)時(shí)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉陷。

3）沉降差異導(dǎo)致路基沉陷。工程施工中存在不同性質(zhì)的填挖方工程，后續(xù)出現(xiàn)的沉降量不盡相同，有不均勻沉降現(xiàn)象，隨之導(dǎo)致路基出現(xiàn)沉陷[1-2]。例如，路段左側(cè)以較干燥的挖方路基為主，路段右側(cè)則以近似飽和軟土的填方路基居多，填、挖方路基性質(zhì)差異較大，局部因承載力不足而沉降，隨之影響到路基、路面的平整性。

4）維護(hù)不到位。在路基路面病害初期未及時(shí)采取修補(bǔ)措施，產(chǎn)生的裂縫給地表水的流動(dòng)提供了通道，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水對(duì)公路結(jié)構(gòu)的侵蝕作用加劇，加之路床填筑結(jié)構(gòu)自身本就缺乏足夠的穩(wěn)定性，因此，更易出現(xiàn)沉陷及其他形式的病害，嚴(yán)重影響公路的正常使用。

4 路基沉陷處理方案的對(duì)比分析與選擇

路基沉陷病害的處理方法多樣，常見(jiàn)的有壓漿固結(jié)、挖除換填、高壓旋噴樁等方法，各自均有獨(dú)特的應(yīng)用特點(diǎn)。其中，挖除換填法在路基沉陷病害處治中的應(yīng)用效果較好，但易影響施工進(jìn)度，需要在挖除、換填階段投入較多的時(shí)間；高壓旋噴樁的基本思路是向待處理的部位注入漿液，經(jīng)過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)土體的攪拌混合后發(fā)生固結(jié)，得到規(guī)格適宜、強(qiáng)度較高的樁體，起到加固的作用，但其具有成本較高、易污染環(huán)境等局限性。相比之下，注漿固結(jié)兼具作業(yè)便捷、加固效果好、經(jīng)濟(jì)高效等多項(xiàng)特點(diǎn)，因此，可作為路基沉陷病害處治時(shí)的關(guān)鍵方法。

注漿施工技術(shù)的配套作業(yè)設(shè)備包含鉆機(jī)、攪拌機(jī)、壓漿機(jī)，各類(lèi)設(shè)備的可選型號(hào)較多，可根據(jù)路基沉陷的實(shí)際程度靈活選擇，確保設(shè)備有效運(yùn)行，為路基沉陷病害的處治提供了可靠的硬件條件。即便高速公路路基沉陷地段的施工條件復(fù)雜，在優(yōu)質(zhì)設(shè)備的配合下，也依然可以高效注漿。同時(shí)，注漿施工技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的操作難度較低，設(shè)備的成本投入較少，因此，在保證注漿效果的同時(shí)可減少成本投入，兼顧質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的雙項(xiàng)要求。

總體來(lái)看，從技術(shù)可行性、施工便捷性、經(jīng)濟(jì)效益性等方面來(lái)看，注漿施工技術(shù)在路基沉陷病害的處治中均有較好的表現(xiàn)，具有突出的應(yīng)用價(jià)值。

5 注漿施工技術(shù)在高速公路路基沉陷處治中的應(yīng)用

5.1 施工準(zhǔn)備

全面的準(zhǔn)備工作能夠?yàn)檎阶{施工打好基礎(chǔ)，需加強(qiáng)對(duì)路基沉陷段的勘察，明確現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、水文的特征；經(jīng)檢測(cè)，確定沉降土體的液限、塑限、含水量等各項(xiàng)關(guān)鍵的性能指標(biāo)。在獲得勘察資料后，組織室內(nèi)試驗(yàn)，目的在于探尋最佳的配比，確保拌制的水泥漿液能夠滿(mǎn)足工程施工要求。然后，于現(xiàn)場(chǎng)選取具有代表性的路段組織試驗(yàn)，確定布孔間距、注漿用量、注漿速度等關(guān)鍵參數(shù)，以便正式施工。此外，以設(shè)計(jì)圖為準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量放樣，得到各水準(zhǔn)點(diǎn)和控制點(diǎn)的具體位置。

5.2 注漿機(jī)具的配套

在路基沉陷病害的注漿施工中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇適宜的注漿方法，若為吸漿量較小的裂隙巖體，可采用循環(huán)式注漿的方法；若為吸漿量較大的一般土體，可采用純壓力式注漿的方法。在明確注漿方法后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件合理選擇施工機(jī)具。鉆孔環(huán)節(jié)，本次路基沉陷病害注漿施工選用的是XY-100型回旋式鉆機(jī)，適配拌料筒和BW-150型注漿泵（要求此裝置的設(shè)計(jì)工作壓力達(dá)到注漿壓力最大值的1.5倍）；配套的拌和設(shè)備應(yīng)具有穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)；考慮到注漿壓力的觀測(cè)和控制要求，在注漿泵和注漿孔口處設(shè)壓力表。

5.3 注漿材料的選擇

注漿材料的性能直接影響著注漿效果，因此，需合理選擇。

1）主要材料。強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥，水∶水泥∶粉煤灰為0.5∶1∶0.35；精準(zhǔn)稱(chēng)量原材料，充分拌和，要求漿料28 d抗壓強(qiáng)度不低于5 MPa。

2）外加劑。合理選擇并適度應(yīng)用外加劑后，有利于改善漿液的性能。純水泥漿的凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，可能由于水的稀釋和沖刷而導(dǎo)致其出現(xiàn)異常，因此，可在拌制時(shí)摻入適量的速凝劑，適當(dāng)縮短漿液的凝固時(shí)間，在本工程中，采用的是水玻璃，用量取水泥質(zhì)量的3%。通過(guò)水玻璃的應(yīng)用，漿液的凝結(jié)時(shí)間縮短，但由于用量控制不當(dāng)而導(dǎo)致漿液凝結(jié)時(shí)間過(guò)短時(shí)，可摻入磷酸二氫銨或是其他具有可行性的緩凝劑，用量取水泥質(zhì)量的2%～3.5%。外加劑的應(yīng)用需以漿液的實(shí)際特性和注漿施工對(duì)漿液的性能要求為準(zhǔn)。

5.4 漿液的制備方法

制漿材料的用量應(yīng)準(zhǔn)確，稱(chēng)量誤差在5%以?xún)?nèi)。漿液攪拌必須充分，以便原材料均勻混合。根據(jù)攪拌設(shè)備的特性控制純水泥漿的攪拌時(shí)間，普通拌和機(jī)至少為90 s，應(yīng)用高速拌和機(jī)時(shí)可適當(dāng)縮短攪拌時(shí)間，但至少達(dá)到30 s。漿液拌制后，過(guò)篩處理，并隨拌隨用，制漿后的4 h內(nèi)使用完畢。在漿液拌制時(shí)摻入減水劑后，可用高速攪拌機(jī)充分拌和。漿液拌制后加強(qiáng)檢驗(yàn)，溫度10～40℃，輸送速度1.5～2.0 m/s。

5.5 勘探孔和注漿孔的設(shè)置

在各加固段布設(shè)2～3個(gè)勘探孔，經(jīng)由該處檢查處理段的實(shí)際情況，包含填筑土厚度、結(jié)構(gòu)組成等，進(jìn)而根據(jù)掌握的信息判斷導(dǎo)致路基沉陷及各類(lèi)病害的關(guān)鍵成因，在全面掌握病害的基本狀況后，確定注漿孔深度。具體至本工程中，要求鉆孔穿過(guò)路基，且深入原狀粉質(zhì)土1～2 m。

注漿孔的布設(shè)方式多樣，其中，梅花形布置方式存在注漿孔補(bǔ)加難度大的局限性，方格形布孔的特點(diǎn)在于方便注漿孔的補(bǔ)加，在地形復(fù)雜的地區(qū)具有較高的可行性。結(jié)合本工程實(shí)際施工條件來(lái)看，雨季注漿后無(wú)須補(bǔ)加，因此，采取的是梅花狀布孔的方式，第Ⅰ序孔距、第Ⅱ序孔距分別為5.0 m、2.5 m，孔位偏差需在5 cm以?xún)?nèi)且盡可能減小，孔垂直度偏差≤1.5%。鉆孔期間產(chǎn)生的鉆渣將堆積在孔內(nèi)，為便于壓力注漿，要求孔底沉渣厚度≤20 cm，否則需予以處理。

5.6 注漿方法

經(jīng)試驗(yàn)后確定注漿壓力，在本次路基沉陷病害的注漿加固施工中，注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa。每孔注漿均按照自下而上的順序分段完成，單段深度0.75 m，在該方式下，每孔注漿2～3遍。

注漿前，全面檢查儀器儀表、注漿管路、漿液等，要求各自的性能均滿(mǎn)足要求，確保正式注漿作業(yè)能夠連續(xù)進(jìn)行。注漿量以8～10 L/s較為合適，盡可能均勻注漿。壓注漿液時(shí)仍需攪拌，以保證漿液具有均勻性。注漿初期壓力較低，后續(xù)逐步增加，直至達(dá)到合適的注漿壓力區(qū)間為止，待注漿壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí)，穩(wěn)壓3 min，使?jié){液有效注入，保證孔內(nèi)漿液的飽滿(mǎn)性。若注漿量異常增加，揭示現(xiàn)場(chǎng)注漿狀況出現(xiàn)異常，需考慮注漿孔內(nèi)是否存在裂隙或是其他原因，針對(duì)具體情況妥善處理。

5.7 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿壓力達(dá)到終壓并且穩(wěn)壓15 min后，結(jié)束注漿，安排封孔處理，填封深度至少達(dá)到30 cm，隨著封層混凝土強(qiáng)度的提高，待其達(dá)到設(shè)計(jì)終凝強(qiáng)度后，完成一孔的注漿作業(yè)，按照計(jì)劃移動(dòng)至下一孔位，繼續(xù)注漿。若注漿時(shí)地面有冒漿現(xiàn)象，暫停注漿，尋找冒漿口，做封堵處理，或采取間歇式注漿的方法，直至實(shí)際測(cè)定的注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。

5.8 施工注意事項(xiàng)

1）合理設(shè)置注漿孔。以干鉆成孔的方法施工合適規(guī)格的注漿孔，若由于現(xiàn)場(chǎng)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜而無(wú)法正常注漿，視實(shí)際情況采取針對(duì)性的處理措施。例如，地層偏干燥時(shí)，以加水的方法潤(rùn)濕，在此前提下繼續(xù)鉆進(jìn)；若地層含水量較高，安排一段時(shí)間用于晾曬，降低降水量，待實(shí)測(cè)值穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)后繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)成孔后，采取防護(hù)措施，如封孔，以免由于雨水、雜物進(jìn)入孔內(nèi)而影響后續(xù)的注漿施工。

2）冒漿。注漿期間，注入的漿液沿土體縫隙向上涌出，稱(chēng)為冒漿現(xiàn)象。若有冒漿，先確定具體發(fā)生部位，判斷冒漿處的孔隙發(fā)展程度，用速凝水泥、麻絮或其他可行的材料封堵孔隙，阻止?jié){液冒出。若封堵效果較差，采取孔隙灌濃水泥漿的方法，或調(diào)節(jié)漿液的水灰比，直至冒漿問(wèn)題得到解決。

6 注漿施工質(zhì)量的檢驗(yàn)與分析

注漿后，在現(xiàn)場(chǎng)選取長(zhǎng)度為200 mm的路段，對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷路基沉陷部位的注漿施工效果。質(zhì)量檢驗(yàn)的方法較多，包含標(biāo)準(zhǔn)貫入法、鉆芯取樣法等，分析指標(biāo)包含承載力、密實(shí)度等，綜合多項(xiàng)實(shí)測(cè)結(jié)果判斷注漿效果。以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)為例，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1展開(kāi)分析：注漿前的錘擊次數(shù)平均值為6，在注漿作業(yè)后，該值增加至16；路基承載力平均值也在注漿后有著顯著的提升，注漿前承載力平均值為126 kPa，注漿后承載力平均值達(dá)到281 kPa?？傮w來(lái)看，無(wú)論是路基的密實(shí)度還是承載力均有較大幅度的提升。

從鉆芯取樣結(jié)果來(lái)看，試樣中含豐富的水泥塊，表明注漿效果較佳。經(jīng)過(guò)后期觀察發(fā)現(xiàn)，注漿完畢28 d后未見(jiàn)沉降，表明路基具有足夠的穩(wěn)定性。

綜合各項(xiàng)檢驗(yàn)情況，可以判斷路基沉陷病害在注漿施工后得到有效的處理，路基的密實(shí)性、承載性能等方面均得到改善，注漿施工技術(shù)的應(yīng)用效果較好。

7 結(jié)語(yǔ)

高速公路路基易在施工方法不合理、材料老化、車(chē)輛荷載、降雨等多項(xiàng)因素的共同作用下出現(xiàn)沉陷病害，用注漿施工技術(shù)對(duì)該類(lèi)病害進(jìn)行處治后，可有效提高路基的密實(shí)性和承載性能，路基病害處治效果較好。在實(shí)際施工中，工程人員需注重規(guī)范鉆孔、漿液制備、注漿參數(shù)控制等工作，保證注漿的有效性，有效處治路基沉陷病害。