某高速公路濕陷性黃土路基沉陷病害旋噴樁處治技術研究

許 勇

（太原路橋建設有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

隨著高速公路向中西部快速延伸發展，高速公路沿線不良工程地質問題越來越突出[1]。影響高速公路建設質量的最重要的因素為路基的沉降，濕陷性黃土地區的高速公路路基的不均勻沉降越來越引起國內研究者的重視[1-2]。山西省屬黃土地區，且高速公路的荷載往往較大，高速公路黃土填方段路基運行期間，多發各種路基病害，尤其以路基不均勻沉降最為常見[3-4]。路基病害嚴重影響行車安全、行車速度及公路的使用壽命[5]。旋噴樁是處理路基沉陷病害的主要方法之一，其原理是利用設備將膠結漿液與土體充分攪拌混合，在地下形成一定范圍的固結體，從而達到地基加固的目的[6-8]。本文選取某高速公路一段路基沉陷段作為試驗研究對象，通過高壓旋噴注漿技術對沉陷段進行處治，并對處治后的區段進行沉降監測，評價處治效果。

1 研究區概況

1.1 工程地質概況

某高速公路全長31 km，位于山西省西南部，大致呈南北走向。高速公路所在區域為典型黃土高原地貌，溝間地和溝谷地形成黃土的正負地貌特色，多沖溝陡坡，地形起伏較大。區內地層主要為第四紀更新世風積黃土，具有濕陷性，工程地質條件較差，路線路基填方段較多，大部分使用粉質土填筑，填方高度在3.5～5.5 m之間。盡管公路管理部門對該高速公路因濕陷性黃土導致的路基沉陷病害，積極采取了多項治理與預防措施，大部分的路段依然存在著一定程度的沉陷病害，路基沉陷造成路面橫向開裂，波形梁護欄變形，損壞邊坡防護及部分排水設施。如圖1所示。

1.2 路基病害調查與分析

根據建設初期工程地質勘察情況，鉆探深度平均為 7 m，K99—K111段以非自重濕陷性為主，K112—K121段為自重濕陷性為主，濕陷深度在4.5 m左右，均按要求采取了處治措施，見表1所示。

本次濕陷性黃土調查以鉆探為主，采集土樣進行分析，包括原狀土和擾動土。通過分析研究區鉆探土樣，發現沿線原狀土顆粒組成以粉粒為主，且含有結晶鹽分，土樣具有明顯的多孔性，具有肉眼可見的大孔隙或蟲孔。且沿線原地表存在規模不等的陷穴，這些特征均為自重濕陷性黃土典型表現。根據本次調查結果，K112—K125沿線仍以自重濕陷為主，且自重濕陷等級比例較建設初期有所增加。表2為評價數據統計表，由表可知，區內黃土以Ⅱ、Ⅲ級濕陷性為主，均表現為自重濕陷。濕陷性最為嚴重的地段位于K112—K118段，其中K114范圍最為顯著，表現為Ⅳ級濕陷性。

表1 初建時期處治措施

表2 濕陷性黃土評價數據統計表

調查發現，運營期間高速公路路基兩側農田由原來的旱地變為水澆地，尤其以K112—K119段最為明顯。季節性灌溉水入滲至路基下的地基，導致了地基濕陷下沉。路基沉陷病害，使得原路防排水系統功能損壞，雨水不能及時排除，雨水下滲，破壞了路基及地基的土體結構，進一步加劇了路基沉陷病害。

圖2 高速公路典型縱斷面沉降速率分布圖

圖2為高速公路沉降速率沿路線走向的分布情況，反應的是典型縱斷面8年間8次累計沉降量監測值與時間的關系。圖中可知，在K113—K123段沉降速率較K99—K112段大，累計沉降平均速率與分段沉降平均速率的變化趨勢基本一致，K113—K115沉降速率最大，超過了0.5 cm/月，說明K113—K115段路基沉陷病害最為嚴重，應作為重點處治區段。

2 高壓旋噴技術在路基沉陷段的應用

針對研究區高速公路的實際情況，為減少路面開挖，降低造價，選取高速公路K114+100—K114+300段作為試驗研究區，采用旋噴樁對沉陷段病害治理，根據以往復合地基的承載能力分析數據，旋噴樁處治深度應大于濕陷性黃土層厚1～2 m。

2.1 施工工藝及參數

圖3為高壓旋噴樁施工工藝流程圖。根據本區實際地質地層情況并結合以往數據，確定研究區施工工藝參數：P·S·B32.5礦渣硅酸鹽水泥；漿液以水泥漿為主劑，水灰比為1∶1；樁徑60 cm；樁間距1.2 m，梅花型布樁，確保單樁承載力不小于190 kN；漿液量不小于240 L/每延米；單管法施工，噴射壓力最低20 MPa，提升速度為0.25 m/min，旋轉速度為20 r/min；摻入0.5%的三乙醇胺早強劑。

圖3 旋噴樁施工工藝

2.2 施工注意事項

a）施工前，場地基礎平整并且承載力符合要求，檢查并確保保密裝置及安全防護裝置的有效性。

b）旋噴樁施工過程，如出現故障則應及時停止并排除。針對常見的泵壓出現問題，即泵壓達不到設計要求，應及時檢查高壓部分、連接處、旋轉處等是否出現漏水漏氣現象。

c）冬季施工應對高壓泵采取保溫措施，施工完成排除泵體及管道內所有積水，避免設備內結冰凍脹損壞設備。

d）冒漿的處理，觀察冒漿情況是施工過程中重要的注意事項，根據冒漿情況能夠分析旋噴的速度參數設定是否合理、施工質量是否能夠滿足要求。正常條件下冒漿量小于注漿量的20%，若超過20%或完全不冒漿，應及時分析原因并正確處理。地層中存在大空間可導致不冒漿現象，處理方法，可在漿液中摻入速凝劑，以使漿液快速凝結，或加大注漿量，快速填充地層的大空隙。如果出現冒漿過大的情形，說明注漿量或者注漿壓力設定不合理，沒有能夠與噴射范圍匹配，實踐證明，采取增大噴射壓力、縮小噴嘴孔徑、加快轉速等措施效果明顯。

2.3 質量控制

a）試樁，施工前，在分析本區地質條件的基礎上，在研究段進行工藝性試樁，其數量原則上最少布置5根樁。獲取試樁的數據，并進行分析，根據分析結果確定和調整施工工藝參數，比如轉速、噴射漿液壓力、水壓力、用水量和注漿量等。試樁過程應嚴謹認真，數據嚴格分析并應記錄備案，如有問題及時提出并分析原因，確保數據合格有效。試樁結果將作為施工控制參數和操作流程，為大面積應用提供指導數據。

b）施工質量控制標準[6]。在施工過程中嚴格執行試樁工藝參數及相關施工質量標準，比如，樁位誤差及鉆孔垂直度分別應控制在5 cm以內和1%以內，為保證孔的深度符合要求，不應直接對孔深進行測量，而應該對鉆桿進行量測；注漿漿液應嚴格控制，按照施工配合比進行。配制好的漿液應盡快用完，一般情況下最長放置時間不應超過2 h，溫度超過30℃時，不應超過1.5 h。施工過程中，高壓泵的壓力是關鍵，是影響施工進度的最關鍵因素。旋噴樁提升噴漿時，為防止鉆桿堵塞等事故，鉆桿應拆下放至指定的位置；重新工作時，再把鉆桿重新安裝，安裝要求符合規范，鉆桿連接空間要留取不小于10 cm。隨時觀察高壓泵和設備管道的壓力，確保壓力正常，并檢查壓力和流量，確保在設定的施工工藝參數范圍內。

c）質量檢查，規定28 d后需要對高壓旋噴注漿效果進行檢查，主要檢查樁體質量，包括樁體的成型情況、完整程度、有效直徑等參數[7]。檢查的方法嚴格按照規范執行，主要檢查方法包括樁體開挖和樁體的中心鉆芯。具體要求按照表3高壓旋噴樁施工質量控制指標執行。樁位應在研究區內隨機選擇，重點控制部位及可能影響施工質量的部位，應重點抽查，抽查比例應不小于總數的1%，若研究段較短，檢測點也不應小于3點；取芯實驗合格標注應為抗壓強度大于1.5 MPa。

表3 高壓旋噴樁施工質量控制指標

3 旋噴樁處治效果評價

3.1 旋噴樁施工質量

檢驗試驗段處治效果，目的是為了獲取機具參數、施工工藝數據，為大范圍施工應用提供依據。施工過程嚴格遵守設定的參數和工藝要求，試驗段抽查成樁效果，結果見表4。表中顯示，高壓旋噴樁強度全部滿足設計要求，雖然部分樁徑不滿足設計要求，但是偏差不大，而且數量很少，因此施工質量基本符合評價要求。通過試驗段旋噴樁質量檢驗，表明在該區旋噴樁施工質量能夠得到保證。但要說明旋噴樁處治技術是否能夠有效解決研究區高速公路路基沉陷問題，需要結合處治后的路基沉降監測數據。

表4 試驗段成樁效果檢查結果

3.2 沉降監測

在路基沉降處治技術的研究過程中，現場沉降數據的監測分析尤為重要。通過對比處治前及處治后路基沉降量及沉降速率等數據，分析處治效果的有效性。

選擇典型斷面進行路基沉降監測，通過分析路基沉降特征，反映路基沉降情況。沉降監測精度的等級為二等水準測量。選取K114+200截面為監測斷面，路堤高度為5.3 m，在路堤基底埋設剖面沉降管，沉降管全長27 m，如圖4所示。對其進行為期14個月的沉降觀測分析，K114+200路基全斷面沉降量隨時間變化曲線如圖5所示。圖中顯示，整體上，路基斷面各個測點均發生了不同程度的沉降，全斷面沉降具有一定的差異性，路基中心線附近靠右側位置沉降量最大，最大沉降量約為 15 cm，在第7個月以后，路基全斷面各點沉降量不再發展，路基趨于穩定。目前該試驗段路面平整，說明運用高壓旋噴樁技術處治研究區高速公路路基沉陷病害是合理可行的。

圖4 K114+200路基全斷面監測布置圖（單位：cm）

圖5 K114+200路基全斷面沉降量-時間曲線

4 結論

a）通過分析高速公路沉降速率沿路線走向的分布情況，發現研究區高速公路路基沉陷嚴重，且沉降仍在以較快速度發展，應及時采取處治措施。

b）選取高速公路路基沉陷病害最為嚴重的一段作為試驗研究對象，采用高壓旋噴樁處治技術對試驗段進行處治，并選取合適的施工工藝參數，制定質量控制措施。

c）對旋噴樁成樁效果進行檢驗，發現樁體質量符合要求，施工工藝參數及質量控制措施合理；處治后沉降量監測數據顯示，一段時間后，沉降量不再發展，路基趨于穩定，說明運用高壓旋噴樁技術處治研究區高速公路路基沉陷病害具有良好的效果。