泵壓水泥砂漿充填溶洞關鍵技術及工藝參數

施冠洲

(1.江蘇省有色金屬華東地質勘查局八0五隊，江蘇 南京 210001;2.江蘇華東建設基礎工程有限公司，江蘇 南京 210007)

1 概述

城市軌道交通建設項目一般劃分為車站工程和區間工程。在地面交通和環境條件允許情況下，車站工程一般采用明挖順作法施工，即先施工支護結構后，從地表面向下逐層開挖至設計高程，然后在基坑底部由下往上施工站內防水措施和主體結構，回填土并恢復路面。明挖法具有施工作業面多、施工速度快、施工風險小、工程質量可控、工程造價低等優點。

事實上，明挖順作法施工地下工程的難易程度、施工進度取決于地質情況。在地下工程施工中，常會遇到深埋地下的古喀斯特地貌發育的巖溶區域，而地下巖溶屬于施工難度大、風險高的地質類型，一般需要對地下巖溶區域進行預處理后再進行地下工程施工。國內外對于地下巖溶處理的方法，一般采用鉆機開孔，放入袖閥管注漿的方式對溶洞進行人工充填，以降低施工風險，充填的漿液一般分為單液漿和雙液漿。單液漿即水泥漿，將水泥與水按一定的比例進行混合攪拌，注水泥漿具有方便、經濟、流動性強等優點，但水泥漿凝固時間較長，在地下水豐富的溶洞里，固結效果較差，充填效果得不到保證；雙液漿，即把水玻璃溶液、水泥漿液按一定比例混合，雙液漿具有快速凝固的特點，固結效果較好，但由于不同配合比下凝固時間有較大變化，因此需要嚴格控制兩者配合比，對施工技術、作業人員要求較高，溶洞充填效果往往得不到保證。

鑒于常規溶洞人工充填預處理的不足，作者提出了一種泵壓水泥砂漿充填溶洞施工技術、工藝參數和質量檢測，在常規巖溶注漿處理工藝上開拓了新的技術領域，供同行在類似工程中借鑒參考。

2 工程及地質概況

南方××市軌道交通八號線北延線××地鐵車站為地下兩層島式站臺車站，采用兩層兩跨全明挖框架結構。車站總長度311 m，標準斷面處開挖深度16.41 m，車站外包寬度為20.1 m，車站總建筑面積為17 226 m2，頂板覆土厚度3.0 m。車站主體圍護結構采用800 mm厚地下連續墻+三道內支撐體系(見圖1)，其中，地下連續墻墻深18 m～25 m，第一支撐和二道支撐采用鋼筋混凝土八字撐，第三道支撐形式采用鋼管內支撐。

根據車站地質詳勘報告，施工范圍內涉及的巖土層特征自上而下分為：

①人工填土層：紅褐色，由粉質黏土、中粗砂等回填而成。

③-1,③-2沖-洪積砂層：淺黃、灰白等顏色，以粉細砂為主，飽和，松散～稍密狀，局部含少量淤泥，級配不良，標貫實測平均13擊。

④N-2，④-2A沖-洪積土層：深灰色，流塑，含少量有機質或粉細砂，標貫試驗40次，實測擊數1擊～9擊，平均值3.4擊。

⑤C-1B灰巖殘積土層：由灰黑色石炭系灰巖風化殘積土而成，可塑～硬塑狀，標貫試驗22次，實測擊數6擊～23擊，平均值11.4擊。

⑨C-2灰巖微風化層：炭質灰巖，隱晶質結構，中厚層～巨厚層狀構造，裂隙面強度低，巖塊強度較高，天然巖石單軸抗壓強度35.1 MPa～159.6 MPa，平均值75.9 MPa，標準值67.1 MPa。

基底⑨C-2灰巖微風化帶基巖埋深變化大，巖溶發育，在地質詳勘階段28個詳勘鉆孔中，有13個揭露到有溶洞，見洞率為46.4%，溶洞多為半填充和無填充，溶洞串珠狀形態較多見，且伴有多個超過高度3 m以上的大型溶洞，最大溶洞高度達到了15.2 m，在地下連續墻及基坑開挖施工過程中，極有可能引起溶洞塌陷、塌孔引起施工設備被埋以及基坑底突水等安全事故。

為了確保施工安全，根據補充勘察結果繪制的溶洞邊界包絡線，在探明溶洞發育情況后，選擇在溶洞發育位置中心部位或溶洞高度最大值處布置溶洞預處理作業孔。作業孔布置要求：

1)作業孔一組三孔，呈等邊三角形布置，每個作業孔之間距離1 m(見圖2)。

2)按溶洞平均平面面積2 m2布置一組作業孔。

3)為了避免注漿孔直徑較大引起的應力集中，導致泵壓水泥砂漿過程中溶洞坍塌，一組作業孔與另一組作業孔之間的距離不能小于2 m[1-4]。

3 泵壓水泥砂漿技術

3.1 施工工藝流程

泵壓水泥砂漿充填大型溶洞施工技術主要采用地面鉆孔[5-8]，通過注漿管對溶洞壓注水泥砂漿的方式對溶洞進行人工充填，從而消除了基坑開挖及上部結構物的施工風險，其施工工藝流程如圖3所示。

3.2 施工工藝參數

采用泵壓水泥砂漿施工技術時，傳統注漿工藝所采用的袖閥管管道直徑太小，并不能滿足水泥砂漿泵送需要，經過比選后選用直徑200 mm的鋼套管作為注漿管。注漿孔采用潛孔鉆機成孔，成孔過程中同步埋設注漿管，注漿管埋設長度為地面到溶洞頂板下500 mm。注漿管地面部分應固定好，并連接水泥泵車，使水泥砂漿直接通過泵車往溶洞壓注充填(見圖4，圖5)。

每組三個作業孔中，其中一個作為注漿孔用，另外兩個分別作為通氣孔、補漿孔。泵送水泥砂漿前，宜對每個注漿孔進行壓氣通管，以保證管道通暢，防止堵管。水泥砂漿灌注壓力宜控制為1 MPa～3 MPa，可根據溶洞體積及溶洞頂板厚度不同適當調整壓力值，但注漿壓力不宜大于4 MPa。為保持非注漿管道的通暢，壓注水泥砂漿時適時對通氣孔、補漿孔進行通氣。第一個注漿孔壓注完成后，借助補漿孔進行二次泵壓水泥砂漿，以保證溶洞的充填率。當多次換作業孔壓注后，地面仍出現冒漿，且并非管道堵塞原因造成，可認為溶洞已基本完成填充。

需要提醒的是，不宜同時泵壓水泥砂漿，避免溶洞內壓力過大，導致溶洞坍塌。

壓注水泥砂漿結束后，提拔注漿管，并向注漿孔注漿封孔，封孔采用水灰比1∶1水泥單漿，宜從孔底回灌，灌滿后漿液面穩定10 min即可，封孔24 h后再進行二次封堵[9]。

3.3 質量檢測

為了保證地鐵車站長期安全地運營[10]，需要對溶洞處理效果進行質量檢測[11]，檢測要求如下：

1)溶洞充填注漿效果檢驗，主要檢查填充率及密實程度：采用“二次壓漿”方法進行檢查填充率；關于密實程度檢查，采用標貫法測定，若標貫值達到“堅硬”狀土為優，“硬塑”狀土則為合格。

2)對于基底至基底下1.5倍基坑開挖深度范圍內的溶洞，按下述檢查方法與標準進行檢測：采用隨機原位標貫試驗，標貫擊數應不小于10擊；檢查原則和數量：按1%孔數抽查，且不小于3點，要求每個溶洞均要檢測一次。

3)當水泥砂漿達到齡期后，才可以對溶洞處理效果進行質量檢驗。檢測方法采用隨機原位標貫試驗，要求標貫擊數應不小于10擊；檢查孔數按1%孔數抽查，且不小于3孔，要求每個溶洞均要檢測一次。

3.4 安全質量保證措施

溶洞預處理過程本身具備一定的風險和不可預見性，施工過程應嚴格按照施工工藝參數和施工工序，特別需要注意的有以下幾點：

1)補勘及鉆孔前，必須對場地周邊地下管線進行摸查，掌握管線的走向以及權屬管理單位，避免因破壞管線造成安全事故。

2)地質鉆孔施工前應做好相關應急預案，預計事故發生的可能性，做好搶險加固的準備工作，包括回填、加固用的材料、機械的儲備、應急物資等。

3)壓注水泥砂漿前應對注漿孔進行壓氣通管，保證注漿管通暢，避免堵塞。

4)水泥砂漿泵送壓力宜為1 MPa～3 MPa，可根據溶洞體積及溶洞頂板厚度不同適當調整，不宜大于4 MPa。

5)為防止壓注過程中發生溶洞塌陷、地面嚴重沉降等安全事故，泵送砂漿過程中需對施工范圍附近進行實時沉降監測。監測包括有周邊地面沉降監測以及周邊建筑物沉降監測。在注漿前1天對各監測點分別測量一次，并錄入初始值，注漿期間監測頻率為2 h一次，非施工階段監測頻率原則上1 d 1次。

6)施工過程現場派駐專職安全員，負責現場安全管理，避免因機械傷人、施工不當引起安全事故。

7)注漿結束后，提拔注漿管，并向注漿孔注漿封孔，封孔采用水灰比1∶1水泥單漿，從孔底回灌，灌滿后漿液面穩定10 min即可，封孔24 h后再進行二次封堵。

4 經濟效益分析

采用泵壓水泥砂漿充填大型溶洞施工技術，不僅能夠有效處理大型溶洞，使處理效果質量滿足設計要求，而且施工現場僅需簡單的設備就能完成整個作業過程。該技術的運用使施工現場基本實現了零污染、零排放，達到節地、節水和環境保護的要求，實現了綠色施工。

根據在該軌道交通八號線北延段工程××地鐵車站實踐所得，采用該技術對大型溶洞壓注砂漿，施工現場僅需配置一臺潛孔鉆機和水泥泵車，水泥砂漿由攪拌站制作好，通過攪拌車直接運送到現場。由于免去現場拌制漿液的環節，施工現場不必再預留場地供注漿設備放置使用，同時施工人員的數量也能減少50%。

1)若采用常規注漿方法，現場需放置立式水泥罐，按購置兩個80 t水泥罐以及安裝措施費合計約35萬元。注漿孔利用探邊孔，探到溶洞即下袖閥管，按平均每孔下管25 m計算，考慮綜合單價，本項共計花費40萬元。根據目前市場價格，采用注漿泵壓注水泥漿，每立方米綜合單價(不包括材料)75元，水泥單價每噸310元，算上擴散系數，則完成所有本地鐵車站溶洞處理需要費用：

1.9×75+1.9×0.76×310+40+35=665.1萬元。

2)采用溶洞水泥砂漿壓注技術，省去了水泥罐購置安裝費用和注漿管費用40萬元，同時需投入泵車臺班費共計30萬元。根據目前市場價格，商品水泥砂漿300元/m3，潛孔鉆機每米鉆進綜合單價95元，據統計共鉆注漿孔28組，平均孔深20 m，算上擴散系數，則完成所有大型溶洞處理需要費用：

28×3×20×95+1.5×270+30=451萬元。

3)則整個大型溶洞處理壓注水泥砂漿對比常規注漿技術節省費用：

665.1-451.0=214.1萬元。

綜上所述，運用泵壓水泥砂漿充填技術對大型溶洞進行人工充填處理能夠有效節約施工成本，能產生明顯的經濟效益。此外，該技術的運用為車站溶洞處理工序節省了超過25%溶洞處理計劃工期，節約了時間成本，并為后續施工工序爭取了寶貴時間。此外，因為水泥砂漿采用攪拌站統一拌制，節約了原材料，另外，免除了地面人工拌制漿液的過程，有利于環境保護。

5 結語

本項目選用了泵壓水泥砂漿的方法對大型溶洞進行人工充填，該技術針對大型溶洞處理，注漿孔成孔同步埋設注漿管，使用M5水泥砂漿作為溶洞充填材料。經實踐驗證，處理效果良好，達到設計要求，為溶洞處理技術領域提供了新方法，在本文提到的泵壓水泥砂漿充填施工技術具有以下特點：

1)泵壓水泥砂漿充填溶洞施工技術免去了現場配制水泥砂漿液的工序，極大地提高了施工速度，實現了綠色施工。2)目前泵壓水泥砂漿充填技術需先對整個溶洞進行探邊，然后通過打豎直注漿孔往溶洞進行壓注水泥砂漿，故地面需要有足夠的工作面。如果溶洞大部分處于現有建筑物下方或地面沒有足夠的工作面，則壓注作業將難以執行。能否通過地面打斜管或其他方式處理這一類的溶洞，有待往后進一步研究完善。3)本技術僅在經探邊所知總體上封閉的大型溶洞處理上實踐應用，因此限制了本技術的應用范圍。在開放性的大型溶洞，或者是存在地下河情況的大型溶洞處理上能否成功應用本技術，將是本項目下一步研究的方向之一。