基于室內物探模型試驗的巖溶注漿效果研究

劉圣東 陳俊生 徐梓舒 劉亞威 劉叔灼 馬超

1.中交第三航務工程局有限公司交建工程分公司，上海 200032；2.華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510610；3.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣州 510610；4.華南巖土工程研究院，廣州 510610

城市地下工程建設中不可避免地會遇到巖溶區，其巖溶發育強烈，地下水含量高，地質條件差，可能存在巖溶空洞、巖溶塌陷等地質災害，對地下工程建設安全造成嚴重威脅［1］。注漿充填是處理城市內巖溶空洞等問題的常用方法，注漿材料的配比和選擇更是注漿充填法的關鍵技術之一［2］，但現階段主流的普通水泥漿液仍采用水灰比1∶1或2∶1，漿液含水量較高且凝結時間偏長，漿液反應形成的結石體強度不高且水穩定性差，導致充填和注漿效果不理想［3］。針對注漿材料已進行了一定的研究，如文獻［4］針對鐵路路基巖溶注漿提供了不同的注漿材料設計方案以達到良好的注漿效果。但這些研究方案均有較強的針對性和特殊性，常規施工中難以參考。同時，在實際注漿充填中注漿效果檢測較為困難，且注漿工作不具有重復性，因此注漿前注漿材料效果檢測尤為重要。文獻［5］通過大量室內壓水試驗對覆蓋型巖溶塌陷路基的注漿效果進行了分析評價；文獻［6］應用地質雷達測試方法反映注漿后加固情況；文獻［7］通過瞬態面波法檢測數據模擬巖溶注漿質量；文獻［8-10］通過模型試驗對高密度電法測量參數和解釋方法進行了研究。但在將室內模型注漿檢測試驗應用于室外注漿效果的檢驗方面仍不夠全面。

本文以存在較大石灰巖溶洞的廣州十二號線槎頭車輛段為例，通過試驗獲得改良巖溶注漿材料，對漿液的性能進行測試分析，同時與高密度電法檢測注漿情況的室內模型試驗相結合，綜合討論改良巖溶注漿材料的注漿效果。

1 改良巖溶注漿材料性能

室內模型注漿中所用的兩種漿液材料，原注漿材料為普通水泥漿液，改良巖溶注漿材料則按比例摻入硅粉、鋁粉并重新調整水灰比。材料配比見表1。

表1 注漿材料配比

水泥漿液與改良巖溶注漿材料在流動度、凝結時間、水穩定性、強度等性能見圖1。可知：①普通水泥漿液流動度為187 mm，改良巖溶注漿材料流動度為99 mm，普通水泥漿液的流動性更好，改良巖溶注漿材料更為黏稠。②改良巖溶注漿材料比普通水泥漿液快2.5 h 凝結，便于更快封堵溶洞裂隙。③普通水泥漿液平均析水率為19%，改良巖溶注漿材料為5%，普通水泥漿液析水率較大且明顯大于改良巖溶注漿材料，表明改良巖溶注漿材料穩定性優于普通水泥漿液，更加均勻。④普通水泥漿液平均結石率為81%，漿液凝結后結石體沒有收縮或膨脹。改良巖溶注漿材料結石率達到117%，可見在漿液凝結后，改良巖溶注漿材料膨脹明顯，達到約1.2 倍。⑤改良巖溶注漿材料結石體的抗壓強度明顯優于普通水泥漿液，注漿時抗壓強度越大越有利于提高地層的地基承載力，彌補溶洞空洞及裂隙部分對地基承載力造成的影響。

圖1 漿液性能分析

2 室內模型注漿效果檢測

2.1 模型設計

考慮電測深檢測效果及實際需求，設計模型箱尺寸為1.5 m（長）× 0.5 m（寬）× 0.5 m（高），模型中溶洞埋深5 cm，溶洞為0.5 m（長）× 0.2 m（寬）× 0.3 m（高），見圖2。模型下配合需要的電極距AB/2 能較好地消除邊界效應對試驗數據的影響［11］。建造兩個相同的模型進行對比試驗。由于石膏電阻率與現場灰巖視電阻率相近且便于溶洞模型構筑，因此模型采用同一配比的石膏材料制成并通過固定的木制模箱分層澆筑。

圖2 模型尺寸示意（單位：cm）

2.2 注漿設計

注漿所用漿液分別為改良巖溶注漿材料與普通水泥漿液，注漿方式為漿液通過同一攪拌機攪拌制作后，直接以人工方式充填滿原有的溶洞空間，然后封上石膏蓋板用以檢測。

2.3 檢測方法及其原理

模型注漿后，檢測方法采用高密度電法中對稱四極電測深裝置溫納α，探測水泥漿液在淺表層溶洞充填加固效果。通過反演軟件處理高密度電法儀獲得的模型試驗實測視電阻率數據及反演色譜圖，并以此解讀地下電阻率分布規律，確定改良巖溶注漿材料的注漿效果。注漿后，隨著凝固時間的增長，含水率不斷減小，視電阻率也在不斷升高，水泥漿液在7～8 d后視電阻率趨于穩定，水泥漿液基本凝固，因此高密度電法檢測的最佳時間為7～8 d。

3 模型注漿效果檢測分析

3.1 普通水泥漿液

普通水泥漿液模型注漿前后視電阻率等值線見圖3。由圖3（a）可知：模型背景視電阻率為40～180 Ω·m，注漿前溶洞模型區域部分出現了視電阻率高于200 Ω·m 的高阻異常區域，相較于較低的背景視電阻率，可明顯識別出其輪廓；由于石膏模型整體分層澆筑制作，在視電阻率上模型也出現均勻的分層。由圖3（b）可知，注入普通水泥漿液后，溶洞模型中視電阻率發生明顯變化，由注漿前200 Ω·m 以上降低至原來的55～80 Ω·m，溶洞周圍未受水泥漿液影響，背景視電阻率基本無變化。由圖3（c）可知，在7 d 水泥漿液視電阻率穩定后，溶洞區域視電阻率相比之前注漿時略有上升，最終穩定在90～110 Ω·m，漿液流動進入石膏模型裂隙導致背景視電阻率有所降低。

圖3 普通水泥漿液模型注漿前后視電阻率等值線

3.2 改良巖溶注漿材料

改良巖溶注漿材料模型注漿前后視電阻率等值線見圖4。由圖4（a）可知，模型背景視電阻率為40～240 Ω·m，已基本達到穩定，由于石膏模型制作先于灌注普通水泥漿液模型，使得模型背景視電阻率偏大，但溶洞模型區域仍存在明顯的高阻異常區域（電阻高于340 Ω·m）。由圖4（b）可知，使用改良巖溶注漿材料注漿后，溶洞區域視電阻率出現降低，由注漿前340 Ω·m 以上降低至原來的240～280 Ω·m，周圍未受漿液影響，背景視電阻率則基本無變化，改良巖溶注漿材料視電阻率明顯高于普通水泥漿液溶洞，且與背景視電阻率相近。由圖4（c）可知，溶洞區域在電阻率基本穩定后，溶洞注漿處視電阻率上升至320～380 Ω·m，改良巖溶注漿材料充實溶洞模型且視電阻率與背景基本一致，圖中已無法識別溶洞區域，與石膏模型融為一體。

圖4 改良巖溶注漿材料模型注漿前后視電阻率等值線

3.3 注漿效果對比

對比兩種不同注漿模型視電阻率等值線可知：普通水泥漿液石膏模型中背景視電阻率不如改良巖溶注漿材料模型穩定，在后續時間段視電阻率仍會升高40～240 Ω·m，與視電阻率不再變化的注漿溶洞區域產生更明顯的區別，差距在150 Ω·m 以上；改良巖溶注漿材料模型在漿液穩定后已基本與地層背景相融，難以辨別溶洞區域。在兩者的視電阻率圖中，普通水泥漿液模型溶洞區域遠不如改良巖溶注漿材料模型均勻，溶洞區域中出現小范圍的顯著視電阻率差異，色彩差異部分視電阻率為70～80 Ω·m，而其余部分為90～100 Ω·m，表明在普通水泥漿液注漿下可能由于普通水泥漿液本身19%的高析水率導致析水分層，出現上浮水體但下層結石體已凝固的現象，在實際工程中會對地基承載力的提升產生較大影響，注漿效果不佳。改良巖溶注漿材料膨脹特性的優勢在室內模型中有很好的體現，模型溶洞區域均勻充實，同深度下視電阻率與石膏模型基本相同為280～360 Ω·m，且改良巖溶注漿材料凝結后本身具有優于普通水泥漿液2～4 kPa 抗壓強度，能夠讓原本空洞的地層擁有更好的地基承載力，可見改良巖溶注漿材料相比普通水泥漿液能夠更好地填充溶洞模型，注漿效果更理想。

4 開挖斷面對比驗證

在現場模型試驗完成后，對整個模型箱進行斷面開挖，以便直觀了解注漿后模型溶洞斷面情況，并與之前檢測結果對照，驗證注漿效果檢測的可靠性。

1）普通水泥漿液模型的開挖斷面表明，漿液基本填充溶洞模型的80%，溶洞模型中漿液結石體與溶洞模型蓋板之間仍存在7 cm 的空洞區域，并且在開挖時仍有殘留的少量懸浮水流出，與注漿穩定后的視電阻率圖中深度0.2 m 處出現的小范圍顯著視電阻率差相應。由于溶洞模型注漿時均已注滿且未有遺漏，故認為在注漿后普通水泥漿液出現析水分層現象，并且部分懸浮水或漿液滲入周邊裂隙，其斷面結果與注漿效果檢測試驗所得的結論相符合。

2）改良巖溶注漿材料模型中斷面顯示結石體充盈，結石體與溶洞模型邊界以及上方蓋板緊密黏結，與石膏材料黏結成一個整體。斷面結果與注漿效果檢測試驗所得的結論相符合。

通過高密度電法檢測與漿液本身性能試驗分析相結合，能夠較好地反映出注漿后的注漿效果與填充情況。

5 結論與建議

1）改良巖溶注漿材料的析水率有所改善，僅為原漿液的1/4，解決了析水分層問題，且抗壓強度平均增加2～4 kPa，結構更均勻、密實。雖然流動度偏低能避免漿液流失且可以結合更短暫的凝結時間封堵空洞及裂隙，但也增大了注漿阻力。

2）改良巖溶注漿材料具有膨脹特性，漿液完全固化時膨脹至原容量的120%～130%，結石體能夠與周圍巖層土體緊密結合起來，對于實際工程中注漿填充溶洞、改善地層條件起到很大的作用。

3）兩種不同注漿模型對比，普通水泥漿液僅填充溶洞模型的80%，并且仍存在高7 cm 的空洞區域，在注漿穩定后的視電阻率圖中，深度0.2 m 處存在10～30 Ω·m小部分視電阻率色彩差異，仍能顯示出溶洞輪廓，未能滿足填充滿溶洞的要求；改良巖溶注漿材料在膨脹作用下，填充率基本達到100%，注漿穩定后視電阻率圖顯示模型溶洞區域均勻充實，同深度下視電阻率與石膏模型基本相同，在280～360 Ω·m。

改良巖溶注漿材料有著更好的注漿填充效果，更適于注漿填充溶洞、改善地層條件。但材料配比仍未并達到最佳條件，注漿效果檢測方法也有待進一步優化，需對漿液實際注漿效果評判標準進行更深入研究分析。