高速公路巖溶路基試驗段的注漿施工工藝

劉 洋

(核工業華南建設工程集團公司,廣東 廣州 510000)

0 引 言

巖溶地質現象一直是地質部門和工程建設單位研究的課題，認為對道路的路基危害性極大。在高速公路的建設工程中，巖溶地質對很多工程施工帶來困難，增加了工程的整體成本，成為道路工程建設中最不利的地質條件之一。因此，在道路交通快速發展的背景下，越來越多的專家學者一直致力于對路基巖溶現象的研究，力求在可行性、經濟合理性的前提下，有效解決巖溶危害路基的問題，加快該區域高速公路建設速度。

1 巖溶勘察方式

在巖溶路基的設計與施工中，地質資料的真實性和代表性是保證其施工質量的關鍵因素。因此，在對巖溶地區進行勘探的時候，應該利用綜合物探，而且針對代表性物探不正常的位置處設置鉆孔，進行補充驗證，還可以在鉆探后再提取鉆孔內物探，實施彼此的補充驗證。需要重點調查的包括：巖溶洞隙的種類、狀態、分布和發育特點，巖面覆蓋的厚度、起伏狀態、形態特征，易溶的巖地層的頂底板埋深，地下水的水位變化及運動規律、賦存條件、巖溶發育特征、地貌、地質的構造、地下水的關聯、底層巖性以及本地治理巖溶的經驗。除此之外，還要對巖溶發育強度進行判斷，對巖溶地質地面坍陷可能性進行評估，為工程的設計和施工提供可靠而精準的地質資料[1]。

2 注漿方式分類

2.1 靜壓注漿法

靜壓注漿法的原理是借助電化學、液壓和氣壓，將具備固化功能的漿液通過注漿管注入底層內，漿液利用填充、擠壓、滲透、劈裂等形式，將土層顆粒或者巖石縫隙中的水分和空氣擠走，填充其空間，通過漿液的固結將松散的土粒和縫隙凝結為一個整體，以此方式進行巖土物理力學的改變。該注漿法適用于濕陷性黃土、中粗砂、巖石與卵礫石、軟黏土等地質。

2.2 脈狀注漿

脈狀注漿最初是為了增強滲透性差的土壤的抗剪強度和承載力，后來逐漸被應用到開挖隧道時預防地表沉陷或者處理路基等工程。改良劈裂注漿機制是為了將漿液滲入地基土壤中，形成的改良體表現為礦脈狀、樹枝狀和手指狀，實現對土壤的握裹和擠壓。因為施工中不易控制漿液形成的脈狀結構，利用該工藝施工時，必須在施工前就周密計劃注漿孔的設置、注漿數量的確定、漿液是否溢流等，同時要考慮減輕對周圍土體的損害[2]。

2.3 高壓噴射注漿法

高壓噴射注漿法的施工原理是采用高壓射流切割，在預定的土層深度利用配備噴嘴的注漿管，通過高壓設備把水或者漿液制成20 MPa左右或以上的高壓射流，從噴嘴里噴射出來進行土體的切割，噴射流動壓遠遠超過土體結構的強度，就會有效剝離土體中的土粒。一些細小的顆粒會隨著漿液流出地面，其他稍大的土粒會在重力、離心力和沖擊力的作用下，被攪拌混合在漿液內，根據特定的質量和漿土比例重新進行有規律地大小排列，凝固后的漿液及是固結體。簡單地說，是利用全置換或者半置換的形式，將漿液與土有效凝固，便成為固結體。高壓噴射注漿法適用的范圍包括淤泥、砂類土、濕陷性黃土和粘性土等。另外，如果根據注漿工藝劃分注漿方式，那么又可以劃分為：以三重管、雙重管、單管法為主的高壓噴射注漿法；以單液、雙液為主的雙重鉆桿過濾管法；以花管注漿、鉆桿注漿為主的單層關注獎法；以袖閥管注漿、套管護壁注漿為主的雙層管雙栓塞注漿法。高壓噴射注漿法主要應用地基加固工程，其宗旨是強化高層建筑物的地基強度。具體來說發揮如下作用：在基坑開挖時對周圍建筑物進行防護；進行橋臺基礎以及橋墩的防護；加強頂管法和盾構法的后座，促進其反力基礎的形成；預防一般性的塌方滑坡等。

3 試驗段注漿施工

3.1 試驗準備

在工程現場選擇試驗段，進行分組注漿試驗工作，每個組都設置重樁9個和單樁一個，9支重樁是由彼此重疊的3行3列構成，深度為從地表到地表下1.5 m。單樁深度為地表到地表下5 m。試灌工作在兩個組進行，每個組都是不同的水泥配比和添加劑應用，每個組都是利用彼此重疊的3支單樁組成。本次試驗段的試灌采用的機具包括：一臺高壓注漿機，常規壓力200 kg/cm3，電功率為50 HP；一部油壓式KH-76型鉆機，附帶自動控制上升裝置；鉆孔泵一臺，壓力為0～30 kg/cm3，電功率為3 HP；直徑為40.5 cm的鉆桿，噴嘴內徑為2.4 cm。直徑為3/4英寸的高壓輸送管，耐壓力為580 kg/cm3；直徑約為20 cm的鉆頭攪拌翼；自動流量計；其他試驗設備包括抽水箱、儲水槽、硬化漿液拌和設備。

3.2 注漿鉆孔布置

試驗路路基厚度通常為5 m，如果5 m處遇到巖溶，那么孔深下延到溶洞，鉆孔通常在路基的縱向布設3排，具體位置是中線的左邊6.5 m和右邊的6.5 m，鉆孔間距6.5 m，可布置為梅花形。鉆孔注漿的原則是壓漿封堵土石界面處，進行固化的對象是溶洞和溶蝕裂縫組成的淺部巖溶，地下水潛蝕導致的土洞，利用漿液填充空隙，構建水平帷幕對地下水通道進行封堵，以消除地下水對持力層的影響。中線左邊的注漿孔編號為1、4、7……281，正中線為3、6、9……283，中線右邊注漿孔編號為2、5、8……282，針對發育段良好的巖溶，如果需要較高的路堤時，要添加1排或者2排注漿孔。針對表土很薄的覆蓋層、過薄的灰巖頂板、下伏灰巖節理裂隙發育并且地下暗河遍布的地方，可設置4排注漿孔，孔間距為5 m，鉆孔為梅花型布置，分別是中線、中線左5 m、中線右5 m、右10 m，或者是中線、中線左5m、左10 m、中線右5 m和中線右10 m。注漿壓力參數為：灰巖中采取0.1～0.3 MPa，巖土界面周圍開始增大到0.3～0.5 MPa，最大值為1.4 MPa。鉆孔注漿的原則是邊探邊灌、探灌結合。

3.3 清孔

清孔工序在設計上通常利用鉆桿注水的方式，但在具體的工程實踐中，因為很深的鉆孔和較厚的土層，會含有很多的碎石顆粒沉渣，該方式效率低且效果不佳，而改進工藝中加工的直徑為≠50 mm的小導管，可以直接探入鉆孔底部，借助注漿泵大流量、大壓力清孔，尤其是清理巖溶發育區域的充填物效果最佳。工藝改進后，既確保了清孔質量，更提升了作業效率。

3.4 漿液制作

單孔注漿量為

Q=πR2LKaβ=3.14×32×5.5×0.35×0.7×1.2=49 m3

式中：R為漿液擴散半徑設定；L為試驗段注漿長度；a為土層孔隙率設定為K：漿液充填系數設定；β為漿液形成損失系數。注漿量地設定為單孔的水平帷幕標準，在溶洞區域，溶洞的容積就是單孔注漿量。確定漿液的材料配比后，準確稱量材料，確保單漿液以及雙漿液的黏稠度、結石率和緊密度。為了漿液均勻性，攪拌時間必須保持30 s以上。施工前要經過比重計的測試，確定配比漿液的密度，同時要確保施工記錄的翔實性。

3.5 注漿過程的質量控制

(1)注漿工序中，及時記錄各個注漿孔的穩定水位，對進漿液情況隨時掌握，詳細記載漿液量、壓力和地表冒漿情況。一旦出現特殊狀況要及時調整相關的參數，以符合設計的標準。終孔時要認真觀測鉆孔內的地下水位，并對比開孔時的數據，對注漿效果實施檢驗。清洗鉆孔符合標準后，在注漿施工前要進行全部注漿管路系統的耐壓試驗，設定的終孔壓力為1.3～1.6倍。對孔口套管固結密封度進行檢查，對漿液的種類和濃度進行確定，此次耐壓試驗時間不能低于16 min，只有確定沒有任何滲漏方可開始注漿施工。綜合考慮工程段巖溶路基的地質特點和設計標準，參照《注漿技術規程》相關標準和工程地質勘探數據，在確保注漿質量的基礎上選擇注漿段的長度和注漿方法，對整體工程有關鍵的影響。

(2)因為因該段巖溶處理用套管護壁，而且旋轉工作時在基巖上固結套管，注漿可利用分段上行的措施，也就是首先對施工巖層注漿，選擇5 m的注漿長度，終壓實現后上提套管1～1.5 m，進行土體注漿，為了避免漿液從套管壁冒出后降低注漿質量，施工過程可二次固結套管。具體的措施是：在管口附近將表土下挖0.3～0.36 m，根據土體結構確定直徑，通常為1.3～2.4 m，利用規格為M7.5的水泥砂漿與水玻璃混合實施管口固結，具有良好的效果。要時刻觀察注漿過程中的吸漿量的增減和壓力的變化，進行詳細地記錄，要保證漿液由稀到濃，壓力從低到高，以及由長到短的漿液凝膠時間，如此處理可以保證較遠的漿液擴散距離，確保注漿的質量。針對如何控制注漿壓力和吸漿量，可以根據實際情況調整，通常情況下，在注漿壓力沒有變化且保持均勻的吸漿量的時候，或者是壓力均勻升高且吸漿量不變時，要進行持續注漿而且水灰比例不變。如果采取雙液注漿的模式，重點是要合理控制兩種漿液的比例，水泥和水玻璃漿液持續灌注20 min后，如果還沒有上升壓力，就要控制水泥的用量，具體方式為提升漿液的濃度、縮短凝結時間以及調整兩種材料的體積比例，確保注漿孔符合《注漿技術規程》的相關標準。

(3)一旦因為漿液擴散過遠或者過深，發生跑漿現象，應該采取如下措施：第一，采用中粗砂灌注堵塞溶洞和溶蝕縫隙，讓過水斷面減小增強水流壓力；第二，灌注濃漿；第三，添加速凝劑；第四，減少壓力；第五，實施間歇定量灌漿，通常為6～7 h的間歇時間，最適宜的水泥量為每次2～3 t。注漿過程中針對特殊情況，必須采用對應的處理手段。在處理冒漿問題時，要嚴格封堵套管周圍表面，可以降低壓力和加大漿液濃度；在處理串漿時，可以將被串孔的孔口直接封閉，隨后連續澆筑注漿孔，完成注漿后及時清掃串孔，為后續注漿做準備；如果吸漿量大，難以滿足注漿結束的要求，可以合理限流、讓間歇時間延長或者將惰性材料注入孔內。

(4)為了確保注漿質量，必須優化注漿工藝。例如將≠50 mm的小導管接在套管內，可以直接探入溶洞底部進行分段上行式注漿，同時將小導管連接在法蘭盤的壓力表上。因為套管的截面是小導管的2.5倍多，小導管可以把漿液直接送入洞內，減小了壓力損失，顯著增加了漿液填充溶洞和裂隙的密實度，注漿效果十分理想[3]。

(5)在下列情況時允許使用雙漿液。

①溶槽現象在孔內發生時，要通過附近探孔進行分析，如果溶槽向線路外側延伸，當注漿量高出設計量，可利用雙漿液；

②地表發生冒漿，如果已經采取間隔注漿或者改變漿液濃度的措施后沒有效果，可以采用雙漿液；

③如果有破碎帶存在鉆孔內巖層以及鉆孔不返水，該鉆孔都是表現很大吸漿量，注漿量高于設計量，可以利用雙漿液。另外，參考鉆探勘察資料增加鉆孔的補漿可以促進填充的密實度，補漿的位置為路基下伏灰巖巖溶洞穴極發育處。完成注漿的標準為：注漿量符合設計標準，注漿壓力達到設計標準，注漿孔吸漿量不超過35 L/min。

4 注漿檢驗

注漿試驗完成后，對質量的評估利用鉆芯取樣并結合實驗室試驗的措施，施工單位負責鉆芯采樣，取樣利用三套巖芯管，由監理工程師綜合具體的注漿程序確定。取樣按照三次試驗灌注完成的16孔，具體位置是兩支或者三支改良樁未曾重疊處。由監理工程師分析現場的實際取樣情形，原則上將鉆芯的樣品根據膠結的程度劃分為5個等級：(1)膠結良好；(2)膠結一般；(3)膠結差；(4)未注漿；(5)缺失。如圖1所示。

圖1 鉆芯取樣觀測分布圖

針對軸抗壓強度試驗，一共為45組。只有兩組單軸抗壓強度沒有達到設計規范，分別為12.2 kg/cm3和及13.5 kg/cm3，其余都可以滿足設計標準，單軸抗壓強度值都高于21 kg/cm3，并且多數處于21 kg/cm到75 kg/cm3之間，符合設計標準。根據此施工參數，完全可以對后續所有巖溶路段實施該模式的注漿施工，效果滿意且符合設計要求[4]。

5 結 論

通過對本文工程案例試驗段的試驗結果進行論述與分析，得出相關結論：(1)案例高速公路沿線呈現強烈的巖溶發育，而且充填性溶洞居多，基于沿線較少的結構物，如果利用樁基礎處理費用極高，所以考慮諸多方案，注漿工藝是最佳的處理手段；(2)對兩種常用注漿方式的研究，比較其適用條件，針對閉口型巖溶洞穴，利用脈狀注漿方式可以促進漿體與巖體的握裹能力，確保其強度，是最佳的注漿方式；(3)通過試驗段的注漿試驗顯示，利用脈狀注漿可以顯著提升地基的承載力，能夠滿足設計要求。