河池水任至南寧高速公路巖溶路基試驗段注漿施工技術分析

摘要：文章以河池水任至南寧高速公路路基施工為例，闡述了巖溶路基的發生機理，調查了其巖溶發育的狀態，并通過多種處理方法的比較分析，得出采用注漿工藝的最終處理方案。

關鍵詞：公路;巖溶路基;注漿;施工

文獻標識碼：U416.04-A-16-046-4

0 引言

廣西地區濕熱多雨，且多為山地，對巖溶現象的發育起到了良好的促進作用。所謂“桂林山水甲天下”，也多是由于巖溶地貌所帶來的美名。而在工程領域中，巖溶則不是那么的友好，其制約了諸多工程的施工與設計，造成了大量的工程投資浪費，屬于極其不利的工程地質現象。故在交通大發展的今天，針對廣西地區巖溶現象，越來越多的學者和專家都投身于其中，力圖在施工可行、經濟合理的條件下，一次性解決巖溶災害，加快廣西的公路建設。

1 項目概況

河池水任至南寧高速公路都安至南寧段全長139.95 km，路線起于廣西河池市都安縣，經地蘇鄉，跨越紅水河進入馬山縣;經喬利鄉、林圩鄉，進入南寧市武鳴區;經府城鎮、城東鄉、城廂鎮、寧武鄉、甘圩鎮，終于南寧三岸。沿線山嶺起伏，有典型的喀斯特巖溶地形、膨脹土、濕地、軟基，也有石山區，堪稱廣西地質的“標本集”。

2 巖溶發育評價

工程場地巖溶較發育，巖溶各向異性明顯，豎向、側向溶蝕交替出現，沿其巖溶發育走向、傾向追蹤呈條帶狀分布特點較明顯，以垂直溶蝕為主[1]。工程場地巖溶形態發育特征如下：

（1）基巖表面溶蝕：基巖表面經長期溶蝕風化，形成由溶槽、溶溝、石芽組成的起伏面，是在古地貌基礎上發育的結果。

（2）溶洞（垂直高度>0.5 m）：鉆孔遇到的溶洞有32個（見表1），占洞隙的86.0%。其中絕大部分為全充填或半充填，充填物為可塑-軟塑狀紅黏土，局部由風化碎塊充填。

3 路基處理方式選擇

考慮到本項目橋梁等結構物較少，均以填方或挖方路基為主，為綜合協調施工可行性、便利性、經濟性等因素，擬決定在結構物處采用樁基礎，而路基段需另外考慮其他施工方案[2]。綜合常用的路基處理方案，換填及強夯均容易造成巖溶頂板塌陷，且工程量較大，不適應本項目;復合地基方案則由于地下孔洞較多，無法成樁，或施工期間鉆頭易墜，也不合理。故根據本項目巖溶規模較小、溶蝕率較高的特征，擬采用注漿進行地基處理，既能封堵水的進出通道，避免路基下方繼續發育巖溶，也能利用漿液凝固的強度，使溶洞填充固結，形成整體硬層，提高路基整體強度。

4 注漿方式選擇

注漿應用于地基處理在國內外有相當多的實例證明其可行性及成效，一般來說較常使用脈狀注漿及擠壓注漿兩種工法。文章將針對脈狀注漿與擠壓注漿作詳細敘述。

4.1 擠壓注漿

擠壓注漿工法的原理，系由改善土壤的疏松性質入手，借由稠度高的漿液注入地基中，形成接近均質的球形或圓柱形漿體，推移、擠壓鄰近土壤，使土壤趨于密實，減少后續所發生的沉陷，甚至補償先前土壤沉陷的體積[3]。依據ASCE注漿專業委員會對擠壓注漿的定義為：一種將坍落度<25 mm的漿材注入地基的施工方法。通常使用土與水泥的混合物為漿材，其中須有足夠的粉土使漿材有足夠的塑性，也必須有足夠的砂土使漿材有足夠的內摩擦力。一般而言，漿材并不進入土壤的孔隙之間，而是自成一體，在完全掌控位移的狀況下，擠壓松散的土層。由上述定義可知擠壓注漿材料必須滿足三個條件：（1）高粘滯性：使漿液無法滲入土壤的孔隙中;（2）低塑性：使漿液無法對土壤產生水力劈裂;（3）可流動性：在限定的操作壓力下，可使漿液在注漿管中流動。

本工法的適用地基，決定于兩個主要因素：（1）土壤的壓縮性（即空氣與水是否能排出）;（2） 改良范圍以外區域能否提供足夠的束制力，以提供擠壓或上頂時的反力。從理論上來說，只要時間允許，各種土壤皆適用本工法，但因黏土的滲透性低，擠壓注漿成效會受到較大的限制。再者，在近地表處及無側限的邊坡，因其束制力不足，擠壓注漿所能產生的效果較差。

4.2 脈狀注漿

脈狀注漿工法原是用來增加不易滲透土壤的承載力與抗剪強度，近二十年來則開始應用于隧道開挖時防止地表沉陷以及路基處理等項目。劈裂注漿的改良機制為漿液侵入地基土壤中，形成手指狀、樹枝狀或者礦脈狀的改良體，達到壓擠、握裹土壤（類似加勁土壤）的效果。由于漿液所形成的脈狀結構不易控制，故采用該工法時，對于注漿孔的配置、注漿量的掌控以及漿液是否溢流等因素，均需事先計劃周詳以達到預期成效或者避免損害周邊土體。

目前許多文獻所認同對脈狀注漿的定義為：以流體漿液，使土體產生局部的圍束及受控制的劈裂行為，而未對土壤結構產生顯著影響。大量學者提出脈狀注漿工法漿液材料需滿足的條件為：（1）在維持可輸送性的情況下，提高漿液的粘滯度，用以控制漿液在地基中的傳播距離，必要時可縮短凝結時間至10 s左右;（2）提高漿液的觸變性，促使漿液在各個不同方向產生劈裂，以補強土體;（3）減少泌水現象，以免漿體稠度增加，減少劈裂土體的可能性。

一般而言，脈狀注漿多使用水泥系懸濁溶液為主要漿液成份，再加上水玻璃溶液混合，用來控制凝結時間，以達到上述的漿材條件。脈狀注漿中漿體的發展模式可分為兩個階段：

（1）壓實階段：漿脈的形成主要往垂直方向發展，對土壤水平方向產生擠壓;

（2）隆起階段：持續注漿后，漿脈在垂直及水平發展的機會趨于相同，各方向產生約略相等的應力增量，此時再灌入的漿液便對土壤產生上舉的現象。

在球形地基土壤（砂土）中，漿體會尋找、填充縫隙，產生鏡狀體，同時對土壤產生擠壓作用;而在片狀形地基土壤中，由于水泥中Ca2+ 離子的交換作用，使土壤的塑性指數降低。承上所述，在各種土壤中此工法皆可適用，唯在黏土層施作時可能需考慮壓密回沉現象。

4.3 擠壓注漿工法與脈狀注漿工法的相同點

根據前述擠壓及脈狀注漿工法力學機制的論述，可以整理出兩種工藝的相同點：

（1）漿液不會滲透土壤或與土壤混合。

（2）漿體將使周圍土壤產生推移擠壓。

（3）控制漿液的流動距離。

（4）在影響范圍內，灌注體積與土壤密實度改變量的關系相同。

（5）注漿后土壤的性質與漿體本身的性質無關。

事實上，無論是擠壓注漿工法或是脈狀注漿工法，都可對土壤產生密實、上舉的效果。然而，如前所述，雖然這兩種注漿工藝已發展了幾十年，但是其運作的機制理論仍然懸而未決，其中尤以脈狀注漿為甚，幾乎全部依賴于實際工程累積經驗和判斷。綜上所述，由于本項目巖溶均為閉口巖溶，且充填物較多，屬于具備側限的充填，因而較適用于脈狀注漿，故本次路基注漿采用脈狀注漿工法。

5 注漿工藝及相關檢驗

5.1 注漿試驗

現場進行試注漿工作，每組均包括單樁1支和重樁9支，其中單樁深度為地表至地表下5 m，而重樁系由9支單樁以3行3列彼此重疊方式所組成，深度則由地表至地表下15 m。

進行兩組不同水泥配合比和添加劑的試灌工作，每組均為3支單樁以彼此重疊方式所組成，其注漿分布如圖1所示。有關本次試灌所采用機具種類和性能如下：

（1） 高壓注漿機一部：常用壓力為200 kg/cm3，電功率為50 HP。

（2） 鉆機一部，附有自動控制上升裝置——油壓式KH-76型。

（3）鉆孔泵：電功率為3 HP，壓力約0～30 kg/cm3。

（4）鉆桿：直徑為40.5 cm，噴嘴內徑為2.5 cm。

（5） 高壓輸送管：直徑為3/4英寸，耐壓力為600 kg/cm3。

（6） 鉆頭攪拌翼：直徑約20 cm。

（7） 自動流量計。

（8） 其他必備裝置：抽水箱、儲水槽及硬化漿液拌和設備等。

5.2 注漿檢驗

試驗完成后，評估采用以鉆芯取樣并配合試驗室試驗方式進行，其中鉆芯工作系由施工單位自行負責，以三套巖芯管進行取樣，而取樣的位置則由監理工程師根據實際的注漿過程選定[4]。本次鉆芯取樣依三次試灌總共完成16孔，其位置主要選擇在二支或三支改良樁未重疊處。

鉆芯樣品的描述，由監理工程師針對現場實際的取樣情形進行分析，原則上將鉆芯樣品按其膠結的程度區分為膠結良好、膠結一般、膠結差、未注漿者及缺失等五個等級，如圖2所示。

所有鉆芯取得的改良土樣均送至試驗室進行單軸抗壓強度試驗，總共計46組。其中除2 組的單軸抗壓強度為13.2 kg/cm3及14.0 kg/cm3，未達規范的規定外，其余皆符合規范要求，單軸抗壓強度值超過20 kg/cm3且大部分介于20 kg/cm3至80 kg/cm3間，符合規范的要求。

按照此施工參數，對后續所有巖溶段路基進行注漿處理，效果均較好，滿足設計要求。

6 結語

通過本文的論述與分析，得到以下結論：

（1）河池水任至南寧高速公路沿線巖溶發育較為強烈，且多為充填型溶洞，由于沿線結構物較少，采用樁基礎處理路基經濟性較差，故綜合多種方案，采用注漿處理方案為最優處理工藝。

（2）通過分析兩種常用注漿方式，對比其原理及適用條件，說明在閉口性巖溶洞穴內，采用脈狀注漿能有效增強巖體與注漿體的握裹能力，提高整體強度，是優選的注漿方式。

（3）通過試驗段注漿說明，采用脈狀注漿能有效提高地基承載能力，滿足設計要求，證明本次所選擇的注漿工藝及其參數是合理有效的。

參考文獻

[1]王曰國，王星華，楊秀竹. 鐵路巖溶路基注漿材料試驗研究[J]. 巖土力學，2003（S2）：495-498.

[2]袁紅慶，王再喜，汪海生. 高速公路巖溶路基處理措施研究[J]. 華東交通大學學報，2007，24（2）：33-36.

[3]李毅軍. 常張高速公路巖溶路基穩定性評價及其處理方法[J]. 湖南交通科技，2005，31（4）：13-15.

[4]姚裕春，李安洪，陳裕剛，等. 洛湛鐵路巖溶路基加固分析[J]. 鐵道工程學報，2009，26（6）：41-43.

收稿日期：2021-03-18

作者簡介：

梁啟?。?981—），工程師，研究方向：基礎設施建設。