松散回填層及深厚淤泥地基聯合灌漿加固技術研究

趙衛全，周建華，熊基丞，王曉東

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100044； 2.北京中水科工程總公司，北京 100044；3.連云港中復連眾復合材料有限公司，江蘇 連云港 222200；4.連云港和風風電有限公司，江蘇 連云港 222200)

我國東南沿海地區淤泥層分布較為廣泛，厚度多在10 m以上。隨著沿海城鎮經濟的飛速發展，土地資源愈發緊缺，大量工程建設需要在淤泥層上進行。連云港等沿海地區淤泥及淤泥質黏土具有含水率高、滲透性弱、壓縮性高、固結速率慢、靈敏度高及強度低等特性[1-3]，工程地質條件差，天然地基承載力及沉降變形一般不能滿足工程設計要求。為保證建筑物結構的穩定、控制工后沉降，必須對淤泥地基進行加固處理。目前常用的淤泥地基加固處理方法主要有排水固結法、碎石樁法、爆炸擠淤法、深層攪拌法、鉆孔灌注樁或預制樁法、高壓旋噴樁等[4-6]。不同方法有各自的加固機理和適用范圍，需綜合考慮工程地質條件、建筑物結構類型、使用需求、處理施工條件以及技術經濟指標等因素合理選用[7-8]。另一方面，對于回填土地基若碾壓不密實，在荷載和自重作用下也會產生較大沉降[9]，影響后期工程運行。

灌漿法因設備體積小、施工靈活、地層適應能力強，對回填層及淤泥地基上既有建筑物的加固處理，具有較好的適用性[10]。但常規的水泥灌漿因漿液流動性好，在回填層及淤泥地層中灌漿的可控性差，漿液易流失過遠，造成材料浪費，增加處理成本。本文針對江蘇某風電場升壓站電纜溝遇到的嚴重沉降變形問題，研究了“水泥膏漿+穩定性漿液”、“壓力-流量雙限控制”、“深-淺孔布孔”的聯合加固灌漿技術。

1 工程概況

江蘇連云港某100 MW風電場升壓站位于當地農田中。根據站址區地質勘探成果，場內地層主要由第四系全新統海相沉積成因的淤泥質黏土、淤泥、粉質黏土、粉土、粉土夾粉砂及地表人工堆積成因的素填土等組成。各巖土層的組成及其物理力學性能指標見表1。

表1 升壓站場內各巖土層的組成及其物理力學性能指標

由于防洪等因素，整個升壓站在原農田填高，回填采用土夾塊石，回填高度約3 m。場區內主要建筑物采用了柱下樁基礎、筏板基礎及箱式基礎，但電纜溝直接坐在回填土層上。設計對場內電纜溝淤泥層采用高壓旋噴樁加固，回填土采用分層碾壓夯實。因工期等原因，施工時淤泥層未作處理，回填層僅采用挖掘機進行了簡單碾壓。升壓站投入運行不到半年，場內主要建筑物沉降變形很小，但電纜溝變形卻較大，部分沉降量超過30 cm，嚴重影響到設備的安全運行，存在極大的安全風險。前期采用普通水泥漿進行了加固處理試驗，漿材耗量大，單耗超過了2 t/m，灌漿無壓力，處理效果不理想，需要采用其他材料和工藝對電纜溝下的回填土和淤泥進行加固，且處理時場內設備要保持正常運轉，不能停電。

2 加固方案設計

2.1 工程特點和處理難點

該電纜溝地基加固處理具有以下特點和難點：

(1) 回填土層具有較大的孔隙率，與周邊溝渠水力聯系緊密，受地表水位變化影響明顯，采用普通水泥漿灌注，漿液易被水稀釋，加固效果不可靠，且普通水泥漿易擴散過遠，造成漿材浪費。為保證灌漿效果，同時減少材料浪費，需采用低流動性和抗水沖釋性能好的漿材，以控制漿液的擴散。

(2) 淤泥及淤泥質黏土層呈流塑狀、壓縮性高、承載力低、深度大、排水固結不充分、后期變形大。為確保加固效果，減少加固后的附加沉降，處理深度需穿過淤泥層，進入粉質黏土層(層④)，處理深度大。

(3) 加固過程中既要保證電纜溝有抬升來抵消運行后的附加沉降，又不能使電纜溝開裂，處理時需要實時監測，精確控制灌漿壓力和灌漿量。

(4) 電纜溝附近雨水管、污水管和電纜等管線分布復雜，孔位布置受管線及附近建筑物影響時需調整孔位，灌漿參數也應實時調整，避免灌漿損壞管線，因此需要準確控制漿液的擴散范圍。

(5) 電纜溝緊鄰帶電高壓設備，施工空間受限，排水固結及高噴灌漿等施工機械高度超過安全控制要求，需要選用體積小的施工設備。

(6) 電纜溝附件設備帶電工作，對施工中的安全要求很高，不允許漿液噴濺到帶電設備上，施工時需要精細化操作。

(7) 為防止雨季電纜溝沉降進一步加劇，保證設備安全，需在1個月內完成加固工作，工期緊、任務重，處理效果要求高。

2.2 加固處理方案

鑒于前期采用普通水泥漿灌漿時漏漿、跑漿嚴重，考慮到本工程的特點和難點，結合以往工程經驗，研究決定采用“水泥膏漿+穩定性漿液”的聯合灌漿技術進行處理。水泥膏漿和穩定性漿液析水少、附加沉降小，通過壓力擠入地層后，漿液不會流失太遠，材料利用率高，且結石體密實性好、強度高、耐久性好。水泥膏漿具有自堆積性、觸變性質、凝結時間可調、抗水稀釋能力強等特性，通過調整外加劑的摻量，可較準確控制水泥膏漿的凝結時間和擴散范圍，因此對孔隙率大、壓縮性高的回填土層采用水泥膏漿進行灌漿加固[11-13]。對淤泥質黏土和淤泥層采用穩定性漿液灌注漿，可使漿液對軟弱地層產生劈裂、壓密和膠結作用，漿液通過裂隙進入淤泥層形成漿脈，在壓力作用下可對地層進行二次壓縮，加速軟弱地層的固結，形成復合地基，有效提高淤泥層的承載能力和抗變形能力。

灌漿孔沿電纜溝兩側布置，深-淺孔結合，深孔穿過淤泥層，淺孔深度約為深孔一半。深孔主要作用為加固地基，提高其彈性模量和抵抗變形能力，減少淤泥層的垂向變形和側向變形；淺孔主要減少淤泥層的側向變形。通過灌漿，一方面可提高淤泥層的地基承載力，減少沉降；另一方面可對電纜溝地基形成相對封閉區域，減少淤泥層的側向變形。采用“深-淺孔”結合的處理方案，可使漿液在有效范圍內擴散和凝結，減少漿液的浪費，也可有效地提高灌漿效果和施工工效。

對水泥膏漿及穩定性漿液均采用“壓力-流量”雙限控制技術進行灌注，以控制漿材的擴散范圍、用量及地層抬動，保證灌漿效果。

2.3 灌漿設計

2.3.1 理論計算

(1)工后沉降控制。根據相關研究成果及工程經驗，深厚淤泥層地基加固處理以工后沉降控制為主。漿液在淤泥層中形成一道道漿脈，隨著擴散半徑增大，漿液壓力越來越小，對土體加固效果越來越弱，加固體形成的復合地基性質與柔性樁復合地基類似，可將加固土體分為“樁體”和“樁間土”兩部分[14]。水泥膏漿加固后的回填層壓縮變形量較小，可忽略不計，則柔性樁復合地基壓縮變形計算公式如式(1)、式(2)所示[15]：

(1)

Espi=mEpi+(1-m)Esi

(2)

沉降計算經驗系數ψs取1.0，加固后復合土體壓縮模量Esp取12 MPa，注漿孔周圍“樁體”的壓縮模量可達到25 MPa，淤泥層厚15 m，根據設計要求，上部荷載作用下淤泥層中平均附加應力增量Δp為80 kPa。代入公式(1)計算可知，經灌漿加固后電纜溝地基工后沉降最大約100 mm?？紤]到灌漿過程中電纜溝會有部分抬升，可抵消部分沉降，故工后沉降基本滿足電纜溝對于地基沉降變形的要求。

(2) 孔距。加固前淤泥及淤泥質黏土層平均壓縮模量Es為2.32 MPa，代入公式(2)計算可知，面積置換率m約為0.4，根據規范公式，m=d2/(1.05s)2，假定灌漿形成樁體直徑為1. 0 m，則可求得灌漿孔間距s≈1.5 m，取孔距為1.5 m。

(3) 最小灌漿壓力。根據規范及相應工程經驗，最小注漿壓力可按式(3)計算[16]：

(3)

式中:pmin為最小注漿壓力，MPa；γi為灌漿孔以上第i層土的天然重度，kN/m3；σi為土的抗拉強度，根據規范推薦值，淤泥可取10 kPa。

灌漿孔最大深度為19 m，則最小注漿壓力取0. 2 MPa。

(4) 灌漿量。根據規范推薦公式，初始注漿量按式(4)計算[17]：

(4)

式中：Q為灌漿量，m3；V為土體體積，m3；dg為土顆粒相對密度；e0為初始孔隙比；w0為土的天然含水率；wp為土的塑限；f為加壓系數，取1.05～1.20。

灌漿有效樁體直徑按1 m計算，結合淤泥層地質勘探成果，代入公式計算可知，每延米注漿量0. 68 m3～0. 82 m3，對應水灰比1. 0時，水泥用量約700 kg/m。

2.3.2 灌漿設計

(1) 孔位布置。綜合考慮本工程的特點，結合理論計算及類似工程經驗，電纜溝兩側各布置1排灌漿孔，“深-淺孔”結合，深孔進入粉質黏土層0.5 m，孔深19.0 m，淺孔深0.9 m，孔距1.5 m。當孔位靠近暗埋電纜、高壓線或遇到大塊石而成孔困難時，增加孔距，并加大灌漿壓力以保證灌漿效果。對電纜溝沉降變形嚴重部位，將淺孔改為深孔，以提高加固效果。

根據現場實際情況，電纜溝共布置灌漿加固孔36個，其中深孔21個，淺孔15個，并布置9個沉降觀測點。灌漿孔位和沉降觀測點布置如圖1所示。

圖1 電纜溝加固施工孔位布置圖

(2)灌漿漿液。水泥膏漿采用在水泥漿液中添加自主研發的SK-P膏漿外加劑和膨潤土配制而成，外加劑摻量為水泥的2%～5%，膨潤土摻量為水泥的3%～5%，水灰比0.50～0.45；穩定性漿液采用在水泥漿中直接添加膨潤土配制而成，膨潤土摻量為水泥的3%～5%，水灰比1.0～0.8。水泥為中聯P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，膨潤土為浙江安吉生產的鈉基膨潤土。

考慮到被灌地層的孔隙大小不同，為保證漿液的擴散范圍，水泥膏漿采用3級配比，穩定性漿液采用2級配比。經現場多次配比和性能試驗，確定現場水泥膏漿及穩定漿液的配比如表2和表3所示。采用黏度較小的膏漿或穩定性漿液開灌。

表2 現場水泥膏漿配比及性能

注：性能參數均為現場取樣測定。

3 灌漿施工工藝

因電纜溝附近主變等設備均帶電運行，施工時水、泥漿、水泥漿等不能噴濺到設備上，以免引起短路造成事故。常規軟基灌漿采用的潛孔錘風動跟管鉆進及利用套管灌漿等工藝不適用于本工程，為此對鉆孔和灌漿設備進行了改進。

表3 現場穩定性漿液配比及性能

注：性能參數均為現場取樣測定。

(1) 灌漿工藝。灌漿采用孔口封閉、孔內純壓、自下而上、分段灌注的灌注工藝。具體流程為：鉆至設計孔深(-19 m)→分段灌注穩定性漿液至回填層底部(-3 m)→分段灌注水泥膏漿至地表→達到結束標準后，結束→下一孔鉆孔、灌漿。

(2) 鉆孔。選用150型地質鉆機進行鉆孔，考慮到現場施工安全，加工了專用短鉆桿，長度1.5 m。根據現場試驗，回填層含有大量塊石，采用巖芯鉆頭鉆進，鉆進效率低，但在淤泥層中，鉆頭過水流量大，不容易堵塞，成孔的可灌性保證率高。牙輪鉆頭對含塊石的回填層鉆進效率高，但在淤泥層中易堵塞。為加快鉆孔效率，保證鉆孔成功率，鉆進過程中先用牙輪鉆開孔，穿過回填層后，再改用巖芯鉆頭鉆至設計孔深。

(3) 灌漿。

① 灌漿設備。漿液攪拌采用專用水泥膏漿攪拌機，灌漿泵采用螺桿泵?？變壬錆{管直接采用鉆桿，加工專用灌漿蓋頭，使其能夠順利連接到鉆桿上，鉆孔結束后擰緊蓋頭即可進行灌漿，減少了提鉆、下射漿管和塌孔事故，提高了施工效率。

② 灌漿次序。先施工深孔(I序孔)，再施工淺孔(II序孔)。灌漿次序為：溝左 I序孔→溝右I序孔→溝左II序孔→溝右II序孔。灌漿于孔底開始，先灌注穩定性漿液，灌至淤泥與回填層交界面處，將穩定性漿液變換為水泥膏漿再進行灌注。

③ 灌漿壓力、灌漿量。為降低加固成本,減少材料耗量，灌漿時采用了灌漿壓力和灌漿量雙限控制技術。I序孔水泥耗量上限控制在700 kg/m，達到灌漿量后結束；II序孔灌漿時，以灌漿壓力控制為主，盡量達到設計灌漿壓力。結合類似工程經驗及現場試驗結果，本工程Ⅰ序孔采用0.2 MPa～0.3 MPa的灌漿壓力，II序孔采用0.3 MPa～0.6 MPa的灌漿壓力。灌漿壓力可根據現場進漿情況進行適當調整。

④ 變漿標準。對于各灌漿段，若灌注10 min后孔口不返漿或無壓，變換一次配比；當材料干耗量大于700 kg/m，變換一次漿液。

⑤ 結束標準。正常情況下，應以達到規定的灌漿壓力為終止灌漿標準，以保證漿液在有效范圍內充分擴散，并依靠灌漿壓力對地層進行一定程度的壓密。

⑥ 抬動監測。灌漿施工過程中對電纜溝進行監測，發現有害抬動時立即停止灌漿，查明原因后再重新灌漿或在附近重新鉆孔補強灌漿。

⑦ 特殊情況處理。施工初期，每段灌漿結束拆卸鉆桿時，有漿液沿鉆桿內壁冒出，為減少漿液浪費，后期施工拆卸鉆桿前先上提5 cm～10 cm，等待5 min后再進行拆卸，孔口基本無返漿現象。在灌漿過程中，對地表出現的冒漿、跑漿和串漿主要采用待凝措施進行處理；對孔口冒漿主要采用在孔口塞水泥袋處理。

4 加固效果分析及評價

4.1 灌漿成果分析

經過30 d的施工(純施工工期20 d)，共完成鉆孔灌漿36個，合計孔深534 m，灌漿534 m，其中水泥膏漿灌注108 m，穩定性漿液灌注426 m，共灌注水泥151.6 t，膏漿外加劑1.44 t，膨潤土6.16 t。水泥膏漿灌漿成果統計如表4所示，穩定性漿液灌漿成果統計如表5所示。

表4 水泥膏漿灌漿成果統計

注：成果統計不含棄漿。

由表4可以看出，回填層中水泥膏漿灌漿，溝左Ⅰ序孔的平均單位耗灰量(干料)為470.9 kg/m，Ⅱ序孔平均單位耗灰量為 214.7 kg/m，為Ⅰ序孔的45.6%，單位耗灰量隨灌漿序次遞減了54.4%；溝右Ⅰ序孔平均單位耗灰量為377.9 kg/m，Ⅱ序孔平均單位耗灰量為117.2 kg/m，為Ⅰ序孔的31.0%，單位耗灰量隨灌漿序次遞減了69.0%。

表5 穩定性漿液灌漿成果統計

注：成果統計不含棄漿。

由表5可以看出，淤泥層中穩定性漿液灌漿，溝左Ⅰ序孔平均單位耗灰量為409.7 kg/m，Ⅱ序孔的平均單位耗灰量為 204.7 kg/m，為Ⅰ序孔的50.0%，單位耗灰量隨灌漿序次遞減了50.0%；溝右Ⅰ序孔平均單位耗灰量為 286.8 kg/m，Ⅱ序孔平均單位耗灰量為81.8 kg/m，為Ⅰ序孔的28.5%，單位耗灰量隨灌漿序次遞減了71.5%。

分析表4、表5，水泥膏漿和穩定性漿液單位耗灰量均隨灌漿序次遞減明顯，符合分序灌漿的一般規律；在同一序次中后施工的溝右灌漿孔的平均單位耗灰量明顯低于先施工的溝左灌漿孔。鉆孔過程中鉆進速度也有呈孔序遞減規律，溝右Ⅱ序孔進尺速度明顯減慢，約為溝左Ⅰ序孔的1/5。以上分析表明，電纜溝回填層及淤泥層灌漿加固處理效果較為明顯。

由表5還可以看出，回填層水泥膏漿灌漿平均單位耗灰量為308.8 kg/m，淤泥層穩定性漿液平均單位耗灰量為295.4 kg/m，均遠小于前期普通水泥灌漿試驗平均單位耗灰量2 t/m，采用水泥膏漿和穩定性漿液灌注能有效控制漿液的擴散范圍，減少漿材浪費。

4.2 沉降監測分析

灌漿施工過程中及施工完成后，電纜溝上設置的9個沉降監測點與固定點間相對高差測量結果如圖2所示。

監測結果表明，灌漿施工過程中各監測點均有抬升，抬升值約為5 mm～24 mm，距離灌漿孔越近，抬升越明顯；施工結束約兩周，各測點相對高程變化趨勢變緩，接近水平，灌漿抬升可抵消部分工后沉降，滿足設計要求。

圖2 沉降監測點與固定點相對高差變化曲線

目前電纜溝已安全運行1年多，電纜溝表面無新的裂縫產生，電纜溝頂部高程也無明顯變化，表明灌漿加固處理效果可靠。

5 結 語

(1) 灌漿技術的關鍵是漿材配比、壓力控制和灌漿工藝，采用“水泥膏漿+穩定性漿液”、“壓力-流量雙限控制”和“深-淺孔布孔”相結合的聯合灌漿技術對松散回填層及深厚淤泥層地基加固效果明顯，既保證了減沉加固要求，又節約了材料用量，縮短了工期，可為類似地基加固處理提供參考。

(2) 水泥膏漿具有自堆積性和觸變性，可有效控制大孔隙地層灌漿漿液的擴散范圍，減少漿材浪費，節省灌漿成本。穩定性漿液不析水，在灌漿過程中對地層的附加沉降影響小，適合于淤泥層的加固處理。

(3) 采用孔口封閉、自下而上、分序加密、逐級加壓等施工工藝對本工程灌漿處理是合適的。因電纜溝場地條件限制，通過加工短鉆桿及專用灌漿蓋頭等措施滿足了現場安全施工要求，保證了灌漿的順利實施。

(4) 灌漿處理因其設備小、占用空間少、移動方便、施工靈活，漿液擴散范圍可通過灌漿壓力和漿材配比進行調整和控制，對施工條件苛刻的地基處理適用性好，特別是對既有建筑物的地基加固處理，很多時候較其他地基處理方法優勢明顯。