鋼花管注漿加固技術(shù)在軟土路基裂縫及涵洞沉降病害中的應(yīng)用

秘文輝

（中鐵交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530219）

0 引言

高速公路管養(yǎng)中匯水段路基沉降，是誘發(fā)路面病害的重要因素，根據(jù)工程情況差異，治理方案主要采取橋梁跨越或軟土地基處理[1]。但受建設(shè)工程成本及巖土體轉(zhuǎn)運(yùn)問(wèn)題等條件制約，軟土地基處理常成為匯水路段路基處理的首選。然而，在軟土路基處理過(guò)程中，由于受地質(zhì)勘探技術(shù)及路基處置技術(shù)等多方面限制，使得軟土路基處置后，呈現(xiàn)出復(fù)合地基的特點(diǎn)，其破壞形式表現(xiàn)為刺入破壞、滑動(dòng)破壞、鼓脹破壞及整體剪切破壞[2]。隨之而來(lái)的則是路基不均勻沉降及路基各類變形破壞，并逐漸反射至路面，導(dǎo)致各類病害問(wèn)題頻發(fā)。

一些學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了研究，陳洪濤等[3]選取巖溶軟土地區(qū)高速公路三維有限差分模型，并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了CFG 樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)軟土路基不均勻沉降的敏感性；劉光明[4]在總結(jié)了軟土地基公路路基加寬工程差異沉降特征和影響因素及常規(guī)處治措施后，就降低市政道路加寬工程差異沉降提出了新的處治思路；楊瑞芳等[5]建立了混沌遺傳算法優(yōu)化下的GRNN 預(yù)測(cè)分析模型，并運(yùn)用于預(yù)測(cè)高速公路軟土路基不均勻沉降；謝劍康等[6]采用Geostudio 有限元軟件對(duì)軟土路基沉降進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，并對(duì)軟土地基上路基不均勻沉降的趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其模擬結(jié)果顯示：路基沉降先快后慢，在豎向位移的基礎(chǔ)上，存在一定的側(cè)向位移。上述研究對(duì)認(rèn)識(shí)和揭示軟土地基不均勻沉降機(jī)理，提供了重要的理論依據(jù)。然而，上述研究結(jié)論在獲取時(shí)，僅針對(duì)某一具體的施工方法或某些數(shù)學(xué)理論模型和有限元模擬，缺乏實(shí)際工程效果的檢驗(yàn)。為此，本文基于實(shí)際工程，針對(duì)高速公路管養(yǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的路基裂縫及涵洞沉降病害，采取鋼花管注漿加固技術(shù)手段，對(duì)裂縫和沉降位置進(jìn)行處治，并就鋼花管施工前后的路基沉降和地表側(cè)向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以分析鋼花管注漿加固處治效果。本文依托實(shí)際工程，可為相似工程中路基裂縫及涵洞沉降處治提供一定的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高速公路病害路段位于河流沖洪積區(qū)，第四系覆蓋層相對(duì)較厚，且分布有淤泥質(zhì)軟土，屬地質(zhì)、地形地貌、水文地質(zhì)條件較復(fù)雜的工程區(qū)。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在K168+200～K168+320 段內(nèi)附近，分布有大小不等的各類魚(yú)塘，塘內(nèi)存在0.5～10m 厚的軟弱土層，且表現(xiàn)為流塑-軟塑狀。通車5 年后，在道路管養(yǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：在K168+230 蓋板涵進(jìn)水口路段前后出現(xiàn)縱向裂縫，并在涵洞左幅洞口發(fā)生不均勻沉降。其中，在K168+190～K168+304 左幅路段出現(xiàn)縱向裂縫3 條，縫長(zhǎng)115m、寬0.5～1.0cm；在K168+205～K168+260 左幅路面出現(xiàn)縱向裂縫2 條，縫長(zhǎng)56m、寬0.5～1.0cm。同時(shí)，在K168+230 處涵洞位置，涵洞左幅和右幅進(jìn)水口端基礎(chǔ)部位分別下沉約0.2m 和0.1m，涵洞墻身發(fā)生不均勻沉降，錯(cuò)臺(tái)約5cm，涵洞頂部路面沉降約10cm。

2 軟土路基病害分析

2.1 病害成因分析

為探明病害路段路基深部工程地質(zhì)狀況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯檢測(cè)，對(duì)病害路段進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)鉆探。采用XY-2型液壓鉆機(jī)對(duì)K168+190～K168+304 段病害路基進(jìn)行補(bǔ)充工程地質(zhì)勘察，完成地質(zhì)鉆孔25 個(gè)，詳勘鉆孔3個(gè)，鉆探孔總進(jìn)尺760.8m，取得原狀試樣30 件，完成室內(nèi)土工試驗(yàn)30 組，標(biāo)貫試驗(yàn)75 次，以查明場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件，為病害機(jī)理分析及處治方案提供依據(jù)。

地質(zhì)鉆勘結(jié)果顯示：在病害路段勘察深度內(nèi)，主要存在素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、弱泥炭質(zhì)土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖和全風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖等（圖1）。

圖1 病害路段補(bǔ)充地質(zhì)鉆勘結(jié)果

2.2 病害結(jié)果分析

室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示：病害路段路基土層存在“三高”，即含水率高（12.5%＜＜124.4%）、孔隙率高（1.2＜＜4.245）、有機(jī)質(zhì)含量高（6.65%～34.67%），且含較多中-高壓縮性土，壓縮系數(shù)在0.5～2.86 之間，路基土承載能力較弱。

地質(zhì)剖面結(jié)果進(jìn)一步顯示：在巖土界面上等高線起伏較大，在路基左側(cè)土體中存在較多軟-流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)-泥炭質(zhì)土，導(dǎo)致路基整體左側(cè)下沉。另外，區(qū)段內(nèi)地下水位較淺，且在涵洞范圍內(nèi)存在泉眼，加上地基中存在的軟弱夾層，極不利于路基整體穩(wěn)定。同時(shí)，據(jù)區(qū)域氣象資料顯示，病害路段所在區(qū)域雨量充沛、暴雨頻發(fā)，并伴有持續(xù)集中強(qiáng)降雨，加之局部坡面和排水溝被沖毀，使得大量雨水沿坡面下滲進(jìn)入坡體，致使坡體下部地下水位抬升，坡體內(nèi)部孔隙水壓力增大，內(nèi)部軟弱夾層因吸水而逐漸形成軟化帶。

進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在病害路段路基施工時(shí)期，路基施工受當(dāng)?shù)卣鞯夭疬w進(jìn)度影響，區(qū)段路基施工間隔時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致病害路段先后填筑路基的工后沉降不一致，進(jìn)而誘發(fā)路面結(jié)構(gòu)底基層出現(xiàn)反射裂縫，并逐漸貫穿至下基層，形成局部縱向開(kāi)裂。在道路通車后，在交通荷載及外部環(huán)境的綜合影響下，基層縱向裂縫反射至面層，形成反射縫。

總之，對(duì)現(xiàn)有資料分析發(fā)現(xiàn)：由于病害路段地基底層保留有較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，且在涵洞范圍內(nèi)殘留泉眼，加之地基內(nèi)尚留軟弱夾層，基巖面起伏較大，導(dǎo)致軟弱土層分布不均，在交通荷載及外部降雨作用下，路基產(chǎn)生不均勻沉降，故產(chǎn)生路基裂縫并延伸至水泥穩(wěn)定碎石下基層，并逐漸反射至路面表層，形成反射裂縫。

3 軟土路基病害處治

3.1 路基沉降處治

根據(jù)病害路段現(xiàn)場(chǎng)勘查及地質(zhì)補(bǔ)充勘測(cè)，參考國(guó)內(nèi)外既有處治技術(shù)和工程實(shí)際情況，針對(duì)病害路段路基沉降，擬采用鋼花管注漿加固技術(shù)[7-9]對(duì)其進(jìn)行加固。

圖2 路基鋼花管注漿孔布置示意

（2）待一級(jí)平臺(tái)鋼花管注漿完成后，在鋼花管頂部澆筑寬4.5m、厚30cm 的混凝土板。

（3）當(dāng)坡體基巖為中風(fēng)化巖層時(shí)，鋼花管插入基巖深度應(yīng)＞1.5m；若基巖為強(qiáng)風(fēng)化巖層時(shí)，其鋼花管進(jìn)入基巖深度應(yīng)＞2.0m。

（4）在鋼花管施工期間及開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，還需定期巡查、監(jiān)測(cè)，且在處治過(guò)程中，應(yīng)密切關(guān)注路基沉降和邊坡側(cè)向位移情況。

3.2 涵洞沉降處治

根據(jù)病害路段現(xiàn)場(chǎng)勘查及地質(zhì)補(bǔ)充勘測(cè)，參考國(guó)內(nèi)外既有處治技術(shù)和工程實(shí)際情況，對(duì)病害路段涵洞沉降問(wèn)題擬采用如下加固處治方案[10-12]：

在左側(cè)路基范圍內(nèi)，按橫、縱向間距1.5m×1.5m 布置4 排梅花型108mm 鋼花管，并注入水泥漿（圖3）。水泥漿采用P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，一次注漿為壓密注漿，水灰比0.7；二次注漿為劈裂注漿，水灰比為1。水泥漿用量按0.2m3/m 控制，注漿壓力0.8～1MPa。當(dāng)路基為換填路段時(shí)，注漿深度應(yīng)深入基巖≥2m。同時(shí)，在鋼花管施工期間和道路運(yùn)營(yíng)期間，應(yīng)定期巡查、監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注涵洞變形情況。

圖3 涵洞位置鋼花管注漿孔布置示意

3.3 防反射裂縫措施

為保證K168+190～K168+304 段內(nèi)鋼筋混凝土板與瀝青面層間的黏結(jié)效果，也為減少由于縱縫、橫縫及施工縫不均勻沉降而引起瀝青面層產(chǎn)生反射裂縫。在中面層和下基層間，鋪設(shè)無(wú)堿自粘式玻璃纖維土工格柵（圖4），其堿金屬氧化物含量≤0.8%，極限伸長(zhǎng)率≤4%，極限抗拉強(qiáng)度≥50kN/m，且經(jīng)1h 的170℃熱處理后，其經(jīng)、緯向拉伸斷裂強(qiáng)度≥原強(qiáng)度的90%。

圖4 無(wú)堿自粘式玻璃纖維土工格柵

4 沉降及側(cè)向位移監(jiān)測(cè)分析

4.1 沉降監(jiān)測(cè)分析

為檢測(cè)鋼花管注漿加固技術(shù)的加固效果，在病害路段K168+190～K168+304 范圍內(nèi)K168+230 和K168+250 坡腳邊坡和一級(jí)邊坡平臺(tái)位置，分別設(shè)置一組測(cè)斜點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)鋼花管施工前后路基沉降差異。鋼花管注漿加固施工前，自2018 年7 月至9 月對(duì)病害路段路基沉降狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其沉降-時(shí)間曲線如圖5 所示。由圖5 可知，K168+250 左幅和K168+268 右幅沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：K168+250 左幅段在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)所有觀測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量均已＞10mm，其中，最大沉降點(diǎn)在K168+250 左幅段的中心觀測(cè)點(diǎn)附近，其累計(jì)沉降量近18mm，且有持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，K168+268 右幅段，在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量小于K168+250 左幅路段，導(dǎo)致病害路段左幅縱向裂縫多余右幅，其右路肩累計(jì)沉降量＞中心點(diǎn)≥左路肩。

圖5 鋼花管注漿施工前病害路基沉降監(jiān)測(cè)

鋼花管注漿施工完成后，由于現(xiàn)場(chǎng)施工損壞了原有的部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，故選擇病害路段K168+190～K168+304 范圍內(nèi)的K168+230、K168+242 和K168+254 三處監(jiān)測(cè)斷面的左側(cè)沉降點(diǎn)，作為新的地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其沉降-時(shí)間曲線如圖6 所示。

圖6 鋼花管注漿施工后路基沉降監(jiān)測(cè)

由圖6 可知，鋼花管注漿施工后K168+230、K168+242 和K168+254 三處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量均＜10mm，路基沉降監(jiān)測(cè)最大點(diǎn)在左幅K168+254 斷面左側(cè)；最大沉降量2mm，平均沉降速率0.25mm/d。在監(jiān)測(cè)期最后一周內(nèi)，K168+230 斷面所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量均為0；K168+242 斷面左路肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)和右路肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量為0，中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量為1mm；K168+254 斷面左路肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)和右路肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量約1mm，中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量約2mm。

綜上分析，病害路段在鋼花管注漿施工完成后，其路基地表沉降量迅速減小，沉降速率大幅降低，加固效果明顯。

4.2 側(cè)向位移監(jiān)測(cè)分析

為檢測(cè)鋼花管注漿加固技術(shù)對(duì)側(cè)向位移的抑制效果，在病害路段K168+190～K168+304 范圍內(nèi)的K168+230 和K168+250 處分別設(shè)置一組檢測(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)鋼花管注漿施工前后地表側(cè)向位移差異。鋼花管注漿加固施工前，其位移-深度曲線如圖7 所示。

由圖7 可知，鋼花管施工前K168+230 和K168+250左幅斷面的側(cè)向位移均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且現(xiàn)有的K168+231 左幅監(jiān)測(cè)孔側(cè)向位移偏量仍在不斷增大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)病害特征及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以判斷，K168+230～K168+265 左幅段換填路基目前仍處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其變形仍將繼續(xù)發(fā)展。此外，從圖7 還可發(fā)現(xiàn)：在K168+230 左幅坡腳6m位置和一級(jí)平臺(tái)9m 位置處其側(cè)向位移量最大；在K168+250 左幅坡腳9m 位置出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，其一級(jí)平臺(tái)深層側(cè)向11m 處位移量最大。

圖7 鋼花管施工前側(cè)向位移監(jiān)測(cè)

鋼花管注漿加固施工完成后，由于現(xiàn)場(chǎng)施工損壞了原有的部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，故選擇病害路段K168+190～K168+304 范圍內(nèi)的K168+230、K168+242 和K168+254 監(jiān)測(cè)斷面的左側(cè)沉降點(diǎn)作為新的地表側(cè)向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，又在路堤邊坡K168+240 位置新增一組深部位移監(jiān)測(cè)孔，其位移-時(shí)間曲線和位移-深度曲線如圖8 所示。

圖8 鋼花管施工后側(cè)向位移監(jiān)測(cè)

由圖8 知，一級(jí)平臺(tái)在鋼花管施工完成后其深部側(cè)向位移變化量明顯減小。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：鋼花管注漿施工完成后，其測(cè)點(diǎn)處的地表側(cè)向位移均較小，監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)认蛭灰瓶偭浚?.47mm，總體位移速率＜0.1mm/d，且變化速率較小，滿足相關(guān)要求，鋼花管注漿加固效果明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高速公路管養(yǎng)中不良地質(zhì)條件誘發(fā)的涵洞及路基沉降病害展開(kāi)研究，針對(duì)病害路基和涵洞不均勻沉降，利用鋼花管注漿加固技術(shù)對(duì)病害路段進(jìn)行處治，并對(duì)路基沉降和地表側(cè)向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)地質(zhì)鉆孔及室內(nèi)土工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、弱泥炭質(zhì)土及“三高”不良地質(zhì)土層（含水率高、空隙率高和有機(jī)質(zhì)含量高）是誘發(fā)高速公路水泥穩(wěn)定碎石下基層產(chǎn)生不均勻沉降，并導(dǎo)致路基開(kāi)裂的主要原因。

（2）病害路段范圍內(nèi)存在的素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、弱泥炭質(zhì)土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖和全風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖等不良深部地層弱化了地基承載力。同時(shí)，路基左側(cè)土體的軟-流塑狀態(tài)淤泥質(zhì)土和涵洞范圍內(nèi)的泉眼涌水，在交通荷載及外部環(huán)境的共同作用下，引發(fā)病害路段路基整體左側(cè)下沉及涵洞不均勻沉降。

（3）對(duì)鋼花管注漿加固技術(shù)施工前后的路基沉降及地表側(cè)向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：采用鋼花管注漿加固技術(shù)可使病害路基地表沉降量迅速減小，沉降速率大幅降低，地表和深部側(cè)向位移變化量明顯減小，變化速率顯著降低，加固效果明顯。