注漿技術在已建成高速公路巖溶塌陷處治中的應用

黃成岑

(廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530029)

注漿技術在已建成高速公路巖溶塌陷處治中的應用

黃成岑

(廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530029)

文章針對已建成高速公路出現的巖溶塌陷問題，提出采用注漿技術進行處治，進度快、成本低，可取得較好的效果，為廣西類似工程處治提供參考。

高速公路，注漿技術，巖溶塌陷

0 引言

巖溶又稱喀斯特，是一種不良地質現象。巖溶在我國分布廣泛，全國巖溶總面積達363多萬 km2，占國土面積的1/3以上，我國西南中南地區是世界上最大的連片裸露型巖溶區。巖溶區由于下伏巖溶發育，基巖形態復雜，溶洞眾多且具有一定的連通性，給工程施工帶來一定困難。經過巖溶區的公路、鐵路線性工程建成后容易發生巖溶塌陷，對工程結構、運營安全構成重大威脅。因此，采用相應的施工方法及病害處治技術十分重要[1]。

已建成高速公路如發生巖溶塌陷，受到交通組織、施工成本、運營及社會影響等因素限制，要采取常規方法破除路面，挖開土層揭露巖溶后進行填充、跨越、封閉等方式處理極為困難。注漿處治具有占用場地小，進度快，處治成本相對較低等優勢。但目前交通主管部門尚未發布巖溶注漿技術方面的規范或指南，本文總結了已建成高速公路溶巖塌陷注漿處治施工技術，為類似工程提供參考。

1 工程地質條件

本工程場地位于廣西某高速公路K57+170～K57+380段，其中在K57+170～K57+350為果巒隧道口淺挖路塹， K57+350～K57+380為中山中橋橋臺填土， 發生巖溶塌陷時路面施工已經完成，項目即將開通運營，在2014年7月底臺風登陸暴雨后，在路面邊溝、橋臺搭板側發生多個巖溶塌陷。使用地質雷達探測預報分析預測路面下多處存在溶洞。為查明路面下巖溶發育情況，設計單位根據地質超前探測預報結果進行鉆探驗證。

工程場地屬中山山地高峰叢洼谷地，洼地切割不深，底面積比較大，剖面呈盆狀，內有較厚的土層覆蓋。場地構造斷層較發育，為斷層交匯處。主斷層展布與道路走向大致相同，次斷層呈近東西向。基巖為泥盆-石炭系地層，該巖組主要巖性為灰巖、白云巖。場地巖溶以垂直形態為主，斷層交匯處為地下河入口，地下河大致沿次斷層向東流。場地地層自上而下依次為：道路路面、填土(局部)、第四系殘坡積的黏性土，含礫黏性土、下部基巖為泥盆-石炭系灰巖。勘察場地覆蓋層主要為坡殘積土，巖性主要為黏性土及含礫黏性土，礫石含量由上至下逐漸增加，底部礫石含量約25%～35%；黏性土及含礫黏性土多呈硬塑-可塑狀，底部局部為軟塑狀，依據物探預報布置的鉆探未遇見土洞。

場地下伏基巖為泥盆系灰巖，以淺灰-深灰中厚層至塊狀灰巖為主，場地基巖面埋深變化較大，淺者3～4 m，深者>20 m，平均約12 m。總體趨勢是從左幅到右幅逐漸變深，從隧道口往中橋逐漸變深。灰巖裂隙溶隙較發育，巖芯多呈短柱狀，常見溶孔溶隙。溶洞較發育，鉆孔遇洞率約28%。多為小充填溶洞，充填物為軟塑狀黏性土，洞高大多為1.0 m左右。

2 塌陷原因分析

工程地質勘察發現，在挖方路段，基巖面埋深在多在2～5 m，橋頭填方段最大13 m，而地下水位在路面以下16 m甚至更深，地下水位低于基巖面。據此分析判斷產生巖溶塌陷的主要原因是公路工程活動改變了場地原有地表水排水格局，地表水在新的地表排水通道處通過土中裂隙、生物孔洞、石芽邊緣等滲入地下巖溶通道，導致基巖上覆蓋層土體飽水增重、軟化，加上距離地下河較近，可能受巖溶內空間氣壓正負壓力變化等多因素作用，土層下滲通道逐漸形成及擴大，當遇到大量地表水時，土層下滲通道可在沖蝕作用下快速擴張并最終形成塌陷。根據物探及工程地質勘察成果，設計部門提出設計變更，采用注漿工藝封閉土石界面地表水下滲通道，同時加強地表排水，消除地表水下滲沖蝕形成巖溶塌陷的風險。

3 注漿施工技術

3.1 注漿參數設計

巖溶塌陷注漿主要目的是封閉地下水以上的土石界面，形成隔水帷幕，堵住基巖面巖溶開口阻止地表水下滲，隔斷地下水的浸蝕風險。其設計參數如下：

(1)深度：巖溶塌陷注漿孔主注漿段(注漿花管開孔段)為基巖面上下各2 m。注漿孔設計深度以進入基巖面2 m控制孔深，但最小孔深≥5 m，最大孔深≤17 m。

(2)孔距：注漿孔有效擴散半徑在硬-可塑黏性土中按0.5 m考慮，底部近基巖面含礫黏土按1.0～1.5 m考慮，下伏基巖溶隙裂隙按4 m考慮。對于已發生巖溶塌陷部位，以巖溶塌陷坑周邊外擴3.0 m為注漿范圍，注漿孔有效擴散半徑按3 m考慮，采用梅花形布孔。未塌陷部分在路基邊溝縱向布設，避免過多鉆傷瀝青路面，因此孔距按3 m布孔。并與路面上原有地質鉆探孔形成三角形布孔。

(3)注漿壓力：注漿本處注漿以填充溶洞、裂隙，阻隔水流通道為目的，也避免對路面造成抬升。因此采用低壓或無壓注漿。注漿壓力在巖層處0.1～0.3 MPa，土層處0.3～0.5 MPa。巖溶空洞初期采取自流無壓，終注壓力0.3～0.5 MPa。水溝及路面上注漿壓力≤0.5 MPa，路面以外的巖溶塌陷處理可適當提高注漿壓力，注漿壓力控制在0.8 MPa內。

處治范圍內預估注漿量Q=Vnm，主要考慮巖體的注漿體積y、孔隙率n及漿液的損失系數m，但計算結果只能是一個理論值，實際注漿量以現場注漿試驗為準。

根據《注漿技術規程》(YSJ211-1992)，單孔注漿量按下式估算：

Q=AπR2Hnβ

(1)

式中：Q——漿液注入量(m3)；A——注漿損耗系數，一般取1.15～1.3；

R——注漿有效擴散半徑(m)；

H——注漿段長度(m)；

n——孔隙率，取0.5%～5.0%；

β——漿液充填系數[3]。

本工程設計新鉆注漿孔295個，平均孔深14m，總孔深4 130m；利用原勘察鉆孔55個，預計注漿孔共350個，預估平均單孔注漿量10m3，總注漿量約3 500m3，耗用水泥約2 625t。

3.2 施工程序及工藝

本次注漿施工順序：(1)對場地左右幅路面兩側邊溝進行無壓或低壓注漿，充填該部位地表水下滲通道，防止地表水下滲。每一序施工按照孔距6m順序施工，逐漸加密。發生于邊溝處的巖溶塌陷注漿處理可與邊溝注漿同時進行。(2)對場地勘察鉆孔進行注漿。(3)土夾石邊坡施工時，每一序施工按照孔距8m順序施工，逐漸加密。(4)進行巖溶塌陷注漿處理施工時，應按先外圍、后中心的施工順序進行注漿施工。

本工程采用水、水泥作為漿液主材料。注漿用水泥采用42.5MPa普通硅酸鹽水泥。水應采用清潔的地表水或地下水，避免采用污水、泥水。注漿平均水灰比采用1∶1。

鉆孔施工工藝：確定孔位→鉆孔→鉆機移位→安放注漿管→水泥砂漿封孔口→場地清理。注漿施工工藝：人工運料→制漿→準備→注漿→封孔→孔位轉移→場地清理。

3.3 終止注漿的條件

達到下述條件之一可停止注漿：

(1)孔口注漿壓力維持在0.2MPa，吸漿量≤40L/min，持續30min，可以停止注漿。

(2) 達到終注壓力，吸漿量<5L/min，并持續10min，可以結束灌漿。

(3)在距孔口3～5m出現帽漿點，也可以結束灌漿。

(4)單孔注漿量達到平均注漿量的1.5～2.0倍，且吸漿量明顯減少時(正常值的70%以下)，也可以結束灌漿。

3.4 異常情況處理

因施工場地巖溶較發育，部分注漿孔注漿量很大，施工過程中如遇注漿量很大時可采用低壓濃漿，水灰比提升至1∶0.8、1∶0.6，必要時在漿液中添加砂子，形成稀砂漿；限量、間歇8～12h注漿等方法。當注漿量達到設計平均注漿量200%，注漿表仍顯示無壓力，將該孔列為異常孔，暫停注漿。待路面周邊全部注漿孔施工完成后，重新對異常孔進行二次注漿。在路面荷載的影響范圍內，勘察鉆孔揭露空洞處理方法是灌注稀砂漿充填固結。如洞深度已到地下水變化帶范圍內，進行充填堵塞處理有可能影響地下河通道，因此該孔處理方法是處理深度到上層充填洞，下部空洞不進行處理。

3.5 質量控制措施

施灌前，充分作好灌漿準備工作，配備充足的灌漿設備和材料，保證壓力表、灌漿泵、流量計等灌漿設備的完好和準確性，確保灌漿作業連續進行；注漿嚴格按照程序進行，杜絕漏灌現象；及時作好資料匯總分析，適當調整施工技術參數；在灌漿過程中，如吸漿量較大，且長時間內不減少，可采取增大漿液黏度，或使用間歇灌漿處理；在灌漿中，如發現有串漿現象，如串漿量小，可不處理；如串漿量較大，可采用降低壓力、灌注濃漿等方法處理；在注漿過程中，安排專人進行變形觀測，當變形值接近允許值時及時通知記錄員，以便采取降壓等措施進行處理，并做好詳細記錄、及時向監理工程師報告；所有材料都進行驗收抽檢，不合格的材料不準用在工程上。安排人員對水泥進場、消耗量進行全過程動態監控。

4 注漿效果檢測

巖溶注漿常用的質量檢測方法為：鉆孔注水、鉆孔取芯、電磁波ct等。取芯為眼觀鑒別定性檢測，注水試驗可定量檢測。根據本工程情況采取取芯和注水相結合方式進行。本工程設計要求抽取3%的孔位進行抽芯及注水試驗[2，3]。

4.1 取芯檢查

取芯檢測孔均位于兩注漿孔之間，距注漿孔約1.5m。在軟-流塑黏性土中，注漿液充填置換軟-流塑黏性土，形成塊狀水泥結石體，該部位芯樣呈整體致密堅硬的水泥結石體。在含礫黏性土中，注漿液沿土層中孔隙裂隙滲透充填，該部位芯樣中有片狀致密堅硬的水泥結石體。在基巖地層中，因巖溶裂隙以垂直發育為主，由于地質體的各向異性和不均勻性，導致水泥漿液滲透方向和注入量的不定性，因此鉆孔取芯觀察水泥結石率具有一定的偶然性。本次檢測孔在基巖段多為較完整基巖，檢測孔芯樣有灰巖裂隙間致密堅硬的水泥結石體，將灰巖良好膠結成整體，大小裂隙均充填良好[2]。

4.2 注水試驗

參照高鐵有關規定，注水試驗亦有2種評價方式。(1)基巖溶整治技術壓水試驗檢測通常是以注漿前后的透水率比值(≤1/10)作為合格評價；(2)《鐵路特殊路基設計規范》推薦注漿后巖體的單位吸水量合格標準(<42Lu)，根據西南交通大學的研究，以注漿前后透水率或注漿吸漿率比值作為合格與否的評價尺度時，透水率較大的高危區合格標準要求相對不足，路基仍存在潛在危險性；對于透水率<100Lu以微裂隙為主的低風險區則要求相對過高，施工技術難度大，難以達到[2]。

因此，本工程采取《鐵路特殊路基設計規范》推薦注漿后巖體的單位吸水量作為合格標準。注水試驗參照《水利電力工程注水試驗規程》(SL345-2007)進行，結合相關規程規范整理計算，取得路基巖土體注漿后滲透系數K、透水率Lu、單位吸水量ω并參照相關規程規范綜合評定注漿施工效果。注水試驗結果表明：本工程注漿后路基巖土滲透系數K為10-4～10-6，滲透系數平均值為1.3×10-4，巖土滲透性等級為弱透水至微透水；注漿后路基巖土透水率Lu為0.74～40.47，平均值為16；注漿后單位吸水量ω為0.01～0.41，平均值為0.16。參照鐵路“路基巖土體注漿質量檢測標準”，注漿后巖層單位吸水量滿足<0.42(即42lu)的要求，評定為合格。

5 結語

針對高速公路建成后發生多個巖溶塌陷的問題，進行地質超前探測及地質鉆探，并通過注漿技術對巖溶塌陷路段進行處治。結果表明，注漿處治技術經濟可行，處理費用與挖開處治相比，估算費用不及后者的40%，從檢測及運營后的觀測結果看，處理效果良好，可為類似工程病害的處治提供參考。

[1]王 浩.蒙新高速公路巖溶路基處治技術[J].公路交通科技，2008(5)：7-8.

[2]GB500212001，巖土工程勘察規范(2009年版)[S].

[3]孫健家，汪水清.鐵路巖溶路基與注漿技術[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

Application of Grouting Technology in Karst Collapse Treatment of Comple-ted Expressways

HUANG Cheng-cen

(Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530029)

Regarding the karst collapse problem of completed expressways，this article proposed the treatment by using the grouting technology，with fast progress and low cost，which can achieve better results，thereby providing the reference for similar engineering treatment in Guangxi.

Expressway，Grouting technology，Karst collapse

黃成岑(1972—)，高級工程師，從事高速公路建設管理工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.014

1673-4874(2015)07-0059-04

2015-05-02