高速公路巖溶路基試驗(yàn)段的注漿施工工藝

劉 洋

(核工業(yè)華南建設(shè)工程集團(tuán)公司,廣東 廣州 510000)

0 引 言

巖溶地質(zhì)現(xiàn)象一直是地質(zhì)部門和工程建設(shè)單位研究的課題，認(rèn)為對道路的路基危害性極大。在高速公路的建設(shè)工程中，巖溶地質(zhì)對很多工程施工帶來困難，增加了工程的整體成本，成為道路工程建設(shè)中最不利的地質(zhì)條件之一。因此，在道路交通快速發(fā)展的背景下，越來越多的專家學(xué)者一直致力于對路基巖溶現(xiàn)象的研究，力求在可行性、經(jīng)濟(jì)合理性的前提下，有效解決巖溶危害路基的問題，加快該區(qū)域高速公路建設(shè)速度。

1 巖溶勘察方式

在巖溶路基的設(shè)計(jì)與施工中，地質(zhì)資料的真實(shí)性和代表性是保證其施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，在對巖溶地區(qū)進(jìn)行勘探的時(shí)候，應(yīng)該利用綜合物探，而且針對代表性物探不正常的位置處設(shè)置鉆孔，進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證，還可以在鉆探后再提取鉆孔內(nèi)物探，實(shí)施彼此的補(bǔ)充驗(yàn)證。需要重點(diǎn)調(diào)查的包括：巖溶洞隙的種類、狀態(tài)、分布和發(fā)育特點(diǎn)，巖面覆蓋的厚度、起伏狀態(tài)、形態(tài)特征，易溶的巖地層的頂?shù)装迓裆?，地下水的水位變化及運(yùn)動(dòng)規(guī)律、賦存條件、巖溶發(fā)育特征、地貌、地質(zhì)的構(gòu)造、地下水的關(guān)聯(lián)、底層巖性以及本地治理巖溶的經(jīng)驗(yàn)。除此之外，還要對巖溶發(fā)育強(qiáng)度進(jìn)行判斷，對巖溶地質(zhì)地面坍陷可能性進(jìn)行評估，為工程的設(shè)計(jì)和施工提供可靠而精準(zhǔn)的地質(zhì)資料[1]。

2 注漿方式分類

2.1 靜壓注漿法

靜壓注漿法的原理是借助電化學(xué)、液壓和氣壓，將具備固化功能的漿液通過注漿管注入底層內(nèi)，漿液利用填充、擠壓、滲透、劈裂等形式，將土層顆?；蛘邘r石縫隙中的水分和空氣擠走，填充其空間，通過漿液的固結(jié)將松散的土粒和縫隙凝結(jié)為一個(gè)整體，以此方式進(jìn)行巖土物理力學(xué)的改變。該注漿法適用于濕陷性黃土、中粗砂、巖石與卵礫石、軟黏土等地質(zhì)。

2.2 脈狀注漿

脈狀注漿最初是為了增強(qiáng)滲透性差的土壤的抗剪強(qiáng)度和承載力，后來逐漸被應(yīng)用到開挖隧道時(shí)預(yù)防地表沉陷或者處理路基等工程。改良劈裂注漿機(jī)制是為了將漿液滲入地基土壤中，形成的改良體表現(xiàn)為礦脈狀、樹枝狀和手指狀，實(shí)現(xiàn)對土壤的握裹和擠壓。因?yàn)槭┕ぶ胁灰卓刂茲{液形成的脈狀結(jié)構(gòu)，利用該工藝施工時(shí)，必須在施工前就周密計(jì)劃注漿孔的設(shè)置、注漿數(shù)量的確定、漿液是否溢流等，同時(shí)要考慮減輕對周圍土體的損害[2]。

2.3 高壓噴射注漿法

高壓噴射注漿法的施工原理是采用高壓射流切割，在預(yù)定的土層深度利用配備噴嘴的注漿管，通過高壓設(shè)備把水或者漿液制成20 MPa左右或以上的高壓射流，從噴嘴里噴射出來進(jìn)行土體的切割，噴射流動(dòng)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，就會有效剝離土體中的土粒。一些細(xì)小的顆粒會隨著漿液流出地面，其他稍大的土粒會在重力、離心力和沖擊力的作用下，被攪拌混合在漿液內(nèi)，根據(jù)特定的質(zhì)量和漿土比例重新進(jìn)行有規(guī)律地大小排列，凝固后的漿液及是固結(jié)體。簡單地說，是利用全置換或者半置換的形式，將漿液與土有效凝固，便成為固結(jié)體。高壓噴射注漿法適用的范圍包括淤泥、砂類土、濕陷性黃土和粘性土等。另外，如果根據(jù)注漿工藝劃分注漿方式，那么又可以劃分為：以三重管、雙重管、單管法為主的高壓噴射注漿法；以單液、雙液為主的雙重鉆桿過濾管法；以花管注漿、鉆桿注漿為主的單層關(guān)注獎(jiǎng)法；以袖閥管注漿、套管護(hù)壁注漿為主的雙層管雙栓塞注漿法。高壓噴射注漿法主要應(yīng)用地基加固工程，其宗旨是強(qiáng)化高層建筑物的地基強(qiáng)度。具體來說發(fā)揮如下作用：在基坑開挖時(shí)對周圍建筑物進(jìn)行防護(hù)；進(jìn)行橋臺基礎(chǔ)以及橋墩的防護(hù)；加強(qiáng)頂管法和盾構(gòu)法的后座，促進(jìn)其反力基礎(chǔ)的形成；預(yù)防一般性的塌方滑坡等。

3 試驗(yàn)段注漿施工

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在工程現(xiàn)場選擇試驗(yàn)段，進(jìn)行分組注漿試驗(yàn)工作，每個(gè)組都設(shè)置重樁9個(gè)和單樁一個(gè)，9支重樁是由彼此重疊的3行3列構(gòu)成，深度為從地表到地表下1.5 m。單樁深度為地表到地表下5 m。試灌工作在兩個(gè)組進(jìn)行，每個(gè)組都是不同的水泥配比和添加劑應(yīng)用，每個(gè)組都是利用彼此重疊的3支單樁組成。本次試驗(yàn)段的試灌采用的機(jī)具包括：一臺高壓注漿機(jī)，常規(guī)壓力200 kg/cm3，電功率為50 HP；一部油壓式KH-76型鉆機(jī)，附帶自動(dòng)控制上升裝置；鉆孔泵一臺，壓力為0～30 kg/cm3，電功率為3 HP；直徑為40.5 cm的鉆桿，噴嘴內(nèi)徑為2.4 cm。直徑為3/4英寸的高壓輸送管，耐壓力為580 kg/cm3；直徑約為20 cm的鉆頭攪拌翼；自動(dòng)流量計(jì)；其他試驗(yàn)設(shè)備包括抽水箱、儲水槽、硬化漿液拌和設(shè)備。

3.2 注漿鉆孔布置

試驗(yàn)路路基厚度通常為5 m，如果5 m處遇到巖溶，那么孔深下延到溶洞，鉆孔通常在路基的縱向布設(shè)3排，具體位置是中線的左邊6.5 m和右邊的6.5 m，鉆孔間距6.5 m，可布置為梅花形。鉆孔注漿的原則是壓漿封堵土石界面處，進(jìn)行固化的對象是溶洞和溶蝕裂縫組成的淺部巖溶，地下水潛蝕導(dǎo)致的土洞，利用漿液填充空隙，構(gòu)建水平帷幕對地下水通道進(jìn)行封堵，以消除地下水對持力層的影響。中線左邊的注漿孔編號為1、4、7……281，正中線為3、6、9……283，中線右邊注漿孔編號為2、5、8……282，針對發(fā)育段良好的巖溶，如果需要較高的路堤時(shí)，要添加1排或者2排注漿孔。針對表土很薄的覆蓋層、過薄的灰?guī)r頂板、下伏灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育并且地下暗河遍布的地方，可設(shè)置4排注漿孔，孔間距為5 m，鉆孔為梅花型布置，分別是中線、中線左5 m、中線右5 m、右10 m，或者是中線、中線左5m、左10 m、中線右5 m和中線右10 m。注漿壓力參數(shù)為：灰?guī)r中采取0.1～0.3 MPa，巖土界面周圍開始增大到0.3～0.5 MPa，最大值為1.4 MPa。鉆孔注漿的原則是邊探邊灌、探灌結(jié)合。

3.3 清孔

清孔工序在設(shè)計(jì)上通常利用鉆桿注水的方式，但在具體的工程實(shí)踐中，因?yàn)楹苌畹你@孔和較厚的土層，會含有很多的碎石顆粒沉渣，該方式效率低且效果不佳，而改進(jìn)工藝中加工的直徑為≠50 mm的小導(dǎo)管，可以直接探入鉆孔底部，借助注漿泵大流量、大壓力清孔，尤其是清理巖溶發(fā)育區(qū)域的充填物效果最佳。工藝改進(jìn)后，既確保了清孔質(zhì)量，更提升了作業(yè)效率。

3.4 漿液制作

單孔注漿量為

Q=πR2LKaβ=3.14×32×5.5×0.35×0.7×1.2=49 m3

式中：R為漿液擴(kuò)散半徑設(shè)定；L為試驗(yàn)段注漿長度；a為土層孔隙率設(shè)定為K：漿液充填系數(shù)設(shè)定；β為漿液形成損失系數(shù)。注漿量地設(shè)定為單孔的水平帷幕標(biāo)準(zhǔn)，在溶洞區(qū)域，溶洞的容積就是單孔注漿量。確定漿液的材料配比后，準(zhǔn)確稱量材料，確保單漿液以及雙漿液的黏稠度、結(jié)石率和緊密度。為了漿液均勻性，攪拌時(shí)間必須保持30 s以上。施工前要經(jīng)過比重計(jì)的測試，確定配比漿液的密度，同時(shí)要確保施工記錄的翔實(shí)性。

3.5 注漿過程的質(zhì)量控制

(1)注漿工序中，及時(shí)記錄各個(gè)注漿孔的穩(wěn)定水位，對進(jìn)漿液情況隨時(shí)掌握，詳細(xì)記載漿液量、壓力和地表冒漿情況。一旦出現(xiàn)特殊狀況要及時(shí)調(diào)整相關(guān)的參數(shù)，以符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。終孔時(shí)要認(rèn)真觀測鉆孔內(nèi)的地下水位，并對比開孔時(shí)的數(shù)據(jù)，對注漿效果實(shí)施檢驗(yàn)。清洗鉆孔符合標(biāo)準(zhǔn)后，在注漿施工前要進(jìn)行全部注漿管路系統(tǒng)的耐壓試驗(yàn)，設(shè)定的終孔壓力為1.3～1.6倍。對孔口套管固結(jié)密封度進(jìn)行檢查，對漿液的種類和濃度進(jìn)行確定，此次耐壓試驗(yàn)時(shí)間不能低于16 min，只有確定沒有任何滲漏方可開始注漿施工。綜合考慮工程段巖溶路基的地質(zhì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，參照《注漿技術(shù)規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，在確保注漿質(zhì)量的基礎(chǔ)上選擇注漿段的長度和注漿方法，對整體工程有關(guān)鍵的影響。

(2)因?yàn)橐蛟摱螏r溶處理用套管護(hù)壁，而且旋轉(zhuǎn)工作時(shí)在基巖上固結(jié)套管，注漿可利用分段上行的措施，也就是首先對施工巖層注漿，選擇5 m的注漿長度，終壓實(shí)現(xiàn)后上提套管1～1.5 m，進(jìn)行土體注漿，為了避免漿液從套管壁冒出后降低注漿質(zhì)量，施工過程可二次固結(jié)套管。具體的措施是：在管口附近將表土下挖0.3～0.36 m，根據(jù)土體結(jié)構(gòu)確定直徑，通常為1.3～2.4 m，利用規(guī)格為M7.5的水泥砂漿與水玻璃混合實(shí)施管口固結(jié)，具有良好的效果。要時(shí)刻觀察注漿過程中的吸漿量的增減和壓力的變化，進(jìn)行詳細(xì)地記錄，要保證漿液由稀到濃，壓力從低到高，以及由長到短的漿液凝膠時(shí)間，如此處理可以保證較遠(yuǎn)的漿液擴(kuò)散距離，確保注漿的質(zhì)量。針對如何控制注漿壓力和吸漿量，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，通常情況下，在注漿壓力沒有變化且保持均勻的吸漿量的時(shí)候，或者是壓力均勻升高且吸漿量不變時(shí)，要進(jìn)行持續(xù)注漿而且水灰比例不變。如果采取雙液注漿的模式，重點(diǎn)是要合理控制兩種漿液的比例，水泥和水玻璃漿液持續(xù)灌注20 min后，如果還沒有上升壓力，就要控制水泥的用量，具體方式為提升漿液的濃度、縮短凝結(jié)時(shí)間以及調(diào)整兩種材料的體積比例，確保注漿孔符合《注漿技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)一旦因?yàn)闈{液擴(kuò)散過遠(yuǎn)或者過深，發(fā)生跑漿現(xiàn)象，應(yīng)該采取如下措施：第一，采用中粗砂灌注堵塞溶洞和溶蝕縫隙，讓過水?dāng)嗝鏈p小增強(qiáng)水流壓力；第二，灌注濃漿；第三，添加速凝劑；第四，減少壓力；第五，實(shí)施間歇定量灌漿，通常為6～7 h的間歇時(shí)間，最適宜的水泥量為每次2～3 t。注漿過程中針對特殊情況，必須采用對應(yīng)的處理手段。在處理冒漿問題時(shí)，要嚴(yán)格封堵套管周圍表面，可以降低壓力和加大漿液濃度；在處理串漿時(shí)，可以將被串孔的孔口直接封閉，隨后連續(xù)澆筑注漿孔，完成注漿后及時(shí)清掃串孔，為后續(xù)注漿做準(zhǔn)備；如果吸漿量大，難以滿足注漿結(jié)束的要求，可以合理限流、讓間歇時(shí)間延長或者將惰性材料注入孔內(nèi)。

(4)為了確保注漿質(zhì)量，必須優(yōu)化注漿工藝。例如將≠50 mm的小導(dǎo)管接在套管內(nèi)，可以直接探入溶洞底部進(jìn)行分段上行式注漿，同時(shí)將小導(dǎo)管連接在法蘭盤的壓力表上。因?yàn)樘坠艿慕孛媸切?dǎo)管的2.5倍多，小導(dǎo)管可以把漿液直接送入洞內(nèi)，減小了壓力損失，顯著增加了漿液填充溶洞和裂隙的密實(shí)度，注漿效果十分理想[3]。

(5)在下列情況時(shí)允許使用雙漿液。

①溶槽現(xiàn)象在孔內(nèi)發(fā)生時(shí)，要通過附近探孔進(jìn)行分析，如果溶槽向線路外側(cè)延伸，當(dāng)注漿量高出設(shè)計(jì)量，可利用雙漿液；

②地表發(fā)生冒漿，如果已經(jīng)采取間隔注漿或者改變漿液濃度的措施后沒有效果，可以采用雙漿液；

③如果有破碎帶存在鉆孔內(nèi)巖層以及鉆孔不返水，該鉆孔都是表現(xiàn)很大吸漿量，注漿量高于設(shè)計(jì)量，可以利用雙漿液。另外，參考鉆探勘察資料增加鉆孔的補(bǔ)漿可以促進(jìn)填充的密實(shí)度，補(bǔ)漿的位置為路基下伏灰?guī)r巖溶洞穴極發(fā)育處。完成注漿的標(biāo)準(zhǔn)為：注漿量符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，注漿孔吸漿量不超過35 L/min。

4 注漿檢驗(yàn)

注漿試驗(yàn)完成后，對質(zhì)量的評估利用鉆芯取樣并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的措施，施工單位負(fù)責(zé)鉆芯采樣，取樣利用三套巖芯管，由監(jiān)理工程師綜合具體的注漿程序確定。取樣按照三次試驗(yàn)灌注完成的16孔，具體位置是兩支或者三支改良樁未曾重疊處。由監(jiān)理工程師分析現(xiàn)場的實(shí)際取樣情形，原則上將鉆芯的樣品根據(jù)膠結(jié)的程度劃分為5個(gè)等級：(1)膠結(jié)良好；(2)膠結(jié)一般；(3)膠結(jié)差；(4)未注漿；(5)缺失。如圖1所示。

圖1 鉆芯取樣觀測分布圖

針對軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，一共為45組。只有兩組單軸抗壓強(qiáng)度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范，分別為12.2 kg/cm3和及13.5 kg/cm3，其余都可以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，單軸抗壓強(qiáng)度值都高于21 kg/cm3，并且多數(shù)處于21 kg/cm到75 kg/cm3之間，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此施工參數(shù)，完全可以對后續(xù)所有巖溶路段實(shí)施該模式的注漿施工，效果滿意且符合設(shè)計(jì)要求[4]。

5 結(jié) 論

通過對本文工程案例試驗(yàn)段的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行論述與分析，得出相關(guān)結(jié)論：(1)案例高速公路沿線呈現(xiàn)強(qiáng)烈的巖溶發(fā)育，而且充填性溶洞居多，基于沿線較少的結(jié)構(gòu)物，如果利用樁基礎(chǔ)處理費(fèi)用極高，所以考慮諸多方案，注漿工藝是最佳的處理手段；(2)對兩種常用注漿方式的研究，比較其適用條件，針對閉口型巖溶洞穴，利用脈狀注漿方式可以促進(jìn)漿體與巖體的握裹能力，確保其強(qiáng)度，是最佳的注漿方式；(3)通過試驗(yàn)段的注漿試驗(yàn)顯示，利用脈狀注漿可以顯著提升地基的承載力，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。