淺談超大溶洞處理灌注水泥砂漿工法

張劍輝

摘要：廣州市軌道交通八號(hào)線北延段平沙站地層主要是微風(fēng)化灰?guī)r或碎屑基巖，其中的溶洞均較發(fā)育，對(duì)車站施工和將來(lái)地鐵運(yùn)營(yíng)的安全帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)溶洞進(jìn)行處理。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，灌注水泥砂漿是溶洞處理的重要方法之一。但在實(shí)際施工中，灌注單液漿、雙液漿來(lái)處理的方法較多，而采用水泥砂漿灌注處理的工法并不多見(jiàn)。本文針對(duì)洞高大于3 m的溶洞采用直徑200mm的灌漿孔進(jìn)行水泥砂漿灌注處理的工法，進(jìn)行了階段性總結(jié)。

關(guān)鍵詞：地鐵車站;溶洞處理;灌注水泥砂漿

一、工程概況

廣州市軌道交通八號(hào)線北延段施工6標(biāo)平沙站，全長(zhǎng)231m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.1m，覆土3m，底板標(biāo)準(zhǔn)段埋深16.41m。 平沙站地質(zhì)情況從上至下依次為：人工雜填土、淤泥、粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂、粉質(zhì)粘土、殘積土層、灰?guī)r微風(fēng)化巖。根據(jù)“一槽兩鉆”與地質(zhì)詳勘報(bào)告，地質(zhì)剖面情況（節(jié)選D33—D34槽段）如下所示。同時(shí)，車站的地下水位較淺，穩(wěn)定水位線埋深約0.9—6.7 m，標(biāo)高為 1.5—7.3m。地下水存在于松散層孔隙水（主要在沖積砂層）和基巖裂隙水（主要在碎屑巖的強(qiáng)、中風(fēng)化帶）中。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露，車站灰?guī)r為可溶性巖石，其微風(fēng)化層存在大量溶洞，一旦溶洞周邊水土體的流失，造成失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致地面沉降和塌陷。為減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工時(shí)發(fā)生坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防溶土洞在地下水作用下迅速發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)，減少后期運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)，必須對(duì)溶洞加以處理。

二、溶洞處理原則、范圍及措施

（一）處理原則

遵循巖溶處理、基底處理、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)、抗浮方案、施工期涌水及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)防治方案等多方面協(xié)調(diào)統(tǒng)一考慮的原則，對(duì)工程影響范圍內(nèi)的非全填充溶洞均應(yīng)處理。

（二） 處理范圍

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)墻底標(biāo)高以下3 m范圍的、基坑底板以下2 m范圍的所有溶洞均應(yīng)處理。

（三）處理措施

溶洞采用壓力注漿的方法進(jìn)行處理，注漿壓力從低到高，間歇、反復(fù)壓漿。注漿液體分為單液漿、雙液漿及水泥砂漿。

三、灌注水泥砂漿工法

（一）選擇溶洞

根據(jù)一槽兩鉆的地質(zhì)資料，選取在基坑?xùn)|側(cè)的D33-D34槽段位置進(jìn)行該溶洞的水泥砂漿灌注，此溶洞相對(duì)位置遠(yuǎn)離交通道路，影響較小;同時(shí)，經(jīng)過(guò)槽段周邊的探邊鉆孔得知，此溶洞較大，包絡(luò)圖容積約為1300m3。該位置一槽兩鉆D33-D34的鉆孔施工記錄綜上可知，該溶洞平均高度7～8米，為大溶洞，呈少量砂粒及粉質(zhì)粘土填充狀態(tài)。

（二） 機(jī)具準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)需用到的機(jī)械設(shè)備詳見(jiàn)下表，施工前確保各機(jī)械運(yùn)作正常。

（三）材料準(zhǔn)備

水泥砂漿根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求的配合比，采用攪拌站供應(yīng)的M5水泥砂漿;水泥砂漿配比為：水泥：砂：水=1：6：1.1，水泥強(qiáng)度等級(jí)采用425R。

（四）監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

為確保施工安全，控制施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)該位置進(jìn)行地面沉降點(diǎn)的布置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用沒(méi)有下管的靠近試驗(yàn)孔的探邊鉆孔打入1m螺紋鋼筋，頂部齊平地面。施工前先測(cè)得初始值。具體監(jiān)測(cè)：鉆孔成孔前監(jiān)測(cè)一次作為初始值，成孔完成后監(jiān)測(cè)一次與初始值對(duì)比，灌漿完成后再繼續(xù)監(jiān)測(cè)，連續(xù)3天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后停止監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程中進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息及時(shí)反饋，指導(dǎo)施工。

（五）施工流程

1、布孔

布孔原則是每組灌砂漿孔成孔兩個(gè)。根據(jù)探孔資料，選取溶洞最高處布一個(gè)孔作為主灌漿孔，另選一個(gè)作為主排氣孔及副灌孔（二次灌漿孔），二洞間距約為1000mm。如果溶洞范圍大，需多管多點(diǎn)施工灌漿，則每組砂漿孔間距不超過(guò)4m，可根據(jù)溶洞大小適當(dāng)調(diào)整。

2、成孔

采用螺旋空壓機(jī)鉆200mm孔徑，鉆至溶洞底0.5mm為止。具體工法：履帶式錨固鉆機(jī)通過(guò)60mm鉆桿鋼管與135mm的鉆頭相聯(lián)，由電機(jī)帶動(dòng)液壓動(dòng)力，使鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)、向下進(jìn)尺，同時(shí)，12 m?的空壓機(jī)提供氣壓動(dòng)力，高壓氣通過(guò)鉆桿內(nèi)空作用于鉆頭，使鉆頭工作。當(dāng)有氣壓壓力時(shí)，鉆頭頭部會(huì)突出，與鋼管處呈陀螺狀鉸接，鉆頭呈陀螺狀搖動(dòng)、鉆進(jìn)可形成200mm左右直徑的孔;其中鉆頭面是凸齒磨牙狀，中心有兩個(gè)直徑約1cm的氣孔，同時(shí)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)、破碎壓力并能將渣土壓出鋼管外。由于鋼管鉆桿與周圍土層間始終存在氣壓力，來(lái)平衡土壓力并能密實(shí)部份土體，保證不會(huì)塌孔。

3、下套管

成空完畢后，中斷氣壓，利用液壓撤出鉆桿及鉆頭，埋設(shè)146mm孔徑的鋼套管于200mm孔中，作為護(hù)壁管及注漿管。埋設(shè)深度至溶洞中部（即洞高的一半），并用夾具固定防止掉落，同時(shí)管的上部預(yù)留足夠長(zhǎng)度與混凝土泵車泵管連接。用同樣的方法埋設(shè)一條鋼套管深度至溶洞頂往下500mm的位置作為排氣孔和二次灌漿孔。

（六）灌注砂漿

采用泵送水泥砂漿。灌漿孔平面布置如上部灌漿管（146鋼管）與泵車管連接后，直接泵送水泥砂漿（M5）;在灌漿前，先對(duì)146管進(jìn)行泵氣通管;為保持二次灌漿孔貫通，需間隔進(jìn)行通氣防止堵塞。

（七）灌漿終止

觀察地面冒漿情況，泵車的灌砂漿壓力一般控制在3-5MPa，灌注不下即可終止。不可強(qiáng)行加大壓力，以免周圍空孔氣壓過(guò)大造成冒涌，瀉壓時(shí)造成塌孔塌方。第一次灌漿完成后，對(duì)二次灌漿孔繼續(xù)灌注水泥砂漿，作為第一次灌漿的補(bǔ)充，此時(shí)其它探邊孔可作為排氣孔。二次灌漿的終止，可以以第一次的灌漿孔反冒出砂漿為準(zhǔn)。此時(shí)，可視為兩個(gè)灌漿孔都已填充滿了。

四、效果檢測(cè)

注漿效果檢驗(yàn)，主要是檢查填充率及密實(shí)程度。

（一）密實(shí)程度檢驗(yàn)

灌漿結(jié)束28天后進(jìn)行了抽芯檢測(cè)。此特大溶洞檢測(cè)抽取了3個(gè)孔，發(fā)現(xiàn)砂漿樣品比較完整、不破碎，抗壓強(qiáng)度平均值為0.8MPa，而設(shè)計(jì)要求抗壓強(qiáng)度是不小于0.2MPa。表明砂漿固結(jié)狀態(tài)及效果較好;同時(shí)采用原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)9次，實(shí)測(cè)擊數(shù)為13～23，平均值為17擊，設(shè)計(jì)要求是標(biāo)貫擊數(shù)應(yīng)不小于10擊，表明砂漿固結(jié)強(qiáng)度也達(dá)到合格。

（二）填充率檢驗(yàn)

采用“二次壓漿”方法檢驗(yàn)。針對(duì)灌注砂漿孔不再進(jìn)行二次壓注砂漿，而是注水泥單液漿檢驗(yàn)，壓力值很快穩(wěn)壓達(dá)到0.6MPa，證明此孔內(nèi)灌注效果較理想。

五、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益總結(jié)

（一）本工法優(yōu)點(diǎn)

1、砂漿坍落度雖大，但其堆積率遠(yuǎn)大于單純的水泥漿液，故填充密實(shí)度也相較水泥單液漿而言更好。

2、砂漿灌注后的固結(jié)強(qiáng)度一般而言，也大于單液漿的固結(jié)強(qiáng)度。

3、砂漿灌注的速率工效較快，一般一小時(shí)可灌注40～60m?，而單純水泥漿一般一小時(shí)20～30m?，二者存在明顯差別。

4、 由于砂漿是攪拌站供料，對(duì)于工程計(jì)量更加清楚直觀，可控性更強(qiáng)。本溶洞共計(jì)三組六個(gè)孔，灌注砂漿860m?，補(bǔ)充單液漿約250m?，相較包絡(luò)圖的1300m?，節(jié)約效果明顯。

（二）本工法缺點(diǎn)

1、本工法在鉆孔及灌漿施工過(guò)程中存在兩個(gè)不足：一是氣壓帶出渣土泥漿，四處飛濺，不利于文明施工;二是氣壓或泵送壓過(guò)大，對(duì)地下水及土層擾動(dòng)較大時(shí)，易造成孔洞周圍甚至更大面積的路面塌陷，不利于安全施工。

2、砂漿遇到地下水豐富且流動(dòng)性較大時(shí)，極易產(chǎn)生砂、漿分離現(xiàn)象，達(dá)不到固結(jié)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]竺維彬、鞠世健：《復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)》，中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社2004年版;

[2]竺維彬、鞠世健等：《地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)源及典型事故的研究》，暨南大學(xué)出版社2009年版。