軌道交通工程勘察鉆孔封孔水泥漿離析與下沉試驗研究

陳春明

（江蘇蘇州地質(zhì)工程勘察院，江蘇 蘇州 215129）

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展時期。國務(wù)院《中國交通運(yùn)輸發(fā)展》白皮書中指出，“十三五”期間我國要建設(shè)現(xiàn)代高效的城際城市交通，新增城市軌道交通運(yùn)營里程逾3000 公里。到2020年，通車?yán)锍踢€將保持年均13.9%左右的增長率。工程勘察作為工程基本建設(shè)程序中的先導(dǎo)性工作，把好勘察安全關(guān)、質(zhì)量關(guān)，對于推進(jìn)軌道交通高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。

鉆探是工程勘察中獲取地質(zhì)資料最直觀、最重要的方法之一。通過鉆探分回次鉆進(jìn)取芯，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，采取不擾動土樣及擾動土樣，獲得巖土體物理力學(xué)參數(shù)。鉆孔封孔作為鉆探施工的最后一個環(huán)節(jié)，是鉆孔質(zhì)量的重要組成部分，封孔效果好壞直接影響到后續(xù)土建施工的安危。

目前，對鉆孔封孔材料、材料用量的研究較少。本文分析了鉆孔封孔的必要性，總結(jié)了常用的鉆孔封孔方法。以無錫至江陰城際軌道交通工程勘察02 標(biāo)為研究背景，在分析區(qū)域地質(zhì)背景和研究區(qū)巖土層的基礎(chǔ)上，通過理論分析、現(xiàn)場試驗和室內(nèi)對比實驗，有針對性地開展鉆孔封孔水泥漿離析與下沉試驗，對水泥漿參數(shù)進(jìn)行了深入研究與優(yōu)化。結(jié)果表明當(dāng)水灰比為0.499 時，收縮比為1.01%，注漿效果較好，滿足鉆孔封孔質(zhì)量要求；定量化封孔流程可執(zhí)行性強(qiáng)，便于監(jiān)督。為該區(qū)域開展工程勘察鉆孔封孔提供方法借鑒。、

1 鉆孔封孔的必要性及常用封孔方法

1.1 鉆孔封孔的必要性

（1）避免人員受傷，保護(hù)地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境。為了滿足勘探取樣、試驗要求，工程鉆機(jī)鉆探孔徑通常為開孔168mm，終孔91mm。這樣的鉆孔結(jié)構(gòu)，如果不及時封孔，極容易發(fā)生行人腿腳陷入孔中，或自行車車輪打滑，造成路人的扭傷、摔傷事故。在特殊性土地區(qū)，回填要求更為嚴(yán)格。

（2）避免工程事故、保證安全施工。對于軌道交通工程，當(dāng)存在承壓含水層時，鉆孔在隔水層中形成通道，若鉆孔未及時封孔或封孔深度不夠，尤其是承壓水頂板封孔深度短，開挖過程中，地下水在失去上覆地層壓力的條件下極易引發(fā)突水事故。

1.2 常用鉆孔封孔方法

《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》(JGJT87-2012) 13.0.1 條對鉆孔回填材料及方法做了詳細(xì)規(guī)定，詳見表1。

表1 鉆孔回填材料及方法[3]

采用何種回填材料及方法，需根據(jù)場地具體情況選用。當(dāng)采用水泥漿封孔時，對水灰比規(guī)范上沒有明確規(guī)定。

水灰比即加水量和水泥用量之比。不合理的水灰比配置出來的水泥漿液，因水泥漿的離析與下沉作用，其凝固前后體積變化差異較大，在鉆孔封孔上表現(xiàn)為水泥漿凝固后，在孔口水泥柱體下沉量過大，形成凹坑；在孔內(nèi)水泥柱體呈松脆散體狀，強(qiáng)度降低。

因此，對于水泥漿封孔，確定合理的水灰比，可以最大限度降低因水泥漿的離析與下沉作用導(dǎo)致的封孔質(zhì)量問題。

1.3 常用鉆孔封孔流程

根據(jù)經(jīng)驗，目前鉆孔封孔一般按鉆孔孔徑調(diào)節(jié)水泥用量，一般直徑108mm 鉆孔按每包水泥封4m，直徑91mm 鉆孔按每包水泥封5m 設(shè)計，其加水量、工具無固定要求，封孔質(zhì)量難以定量控制。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

2.1 區(qū)域地層巖性

無錫至江陰城際軌道交通工程勘察02 標(biāo)包含江陰高鐵站～南閘站（2 站1 區(qū)間）、出入段線、車輛段，總長約8.5km。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本區(qū)域構(gòu)造簡單，上覆土和下伏巖石穩(wěn)定，屬地殼穩(wěn)定區(qū)域。研究區(qū)內(nèi)地層包含前第四紀(jì)地層、第四紀(jì)地層。

2.1.1 前第四紀(jì)地層

研究區(qū)前第四紀(jì)地層隸屬于揚(yáng)子地層區(qū)江南地層小區(qū)。區(qū)內(nèi)前第四紀(jì)地層發(fā)育比較齊全，志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系，第三系均有分布。

江陰高鐵站—南閘站區(qū)間（花山區(qū)域）一帶有基巖出露，主要為志留系茅山組（Sm）、泥盆系五通組（Dw）砂巖、粉砂巖，除此之外，均被第四系覆蓋。花山區(qū)域段為基底隆起區(qū)，基巖面埋深可小于5m，揭露巖性為志留系茅山組（Sm）石英砂巖、泥質(zhì)砂巖。其它區(qū)段基巖面埋深均大于80m。

2.1.2 第四紀(jì)地層

研究區(qū)自第四紀(jì)以來，地殼升降不平衡，山區(qū)間歇性振蕩上升，接受構(gòu)造剝蝕；平原區(qū)則持續(xù)緩慢下降，接受古長江所攜帶的大量泥沙沉積。此外，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造活動頻繁，引起海岸的遷徙，海水的多次進(jìn)退，其間堆積和侵蝕作用互為演變，加之第四紀(jì)氣候冷暖交替，冰期和間冰期相互更迭頻繁，造成了區(qū)內(nèi)第四紀(jì)極為復(fù)雜的沉積環(huán)境。

第四紀(jì)地層發(fā)育，沉積相以河流、河湖相為主，厚度變化在0～160m 之間。

根據(jù)無錫地區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合上述分析，本研究區(qū)（江陰）地層分布與無錫市區(qū)巖土層分布具有極高的一致性。根據(jù)無錫地區(qū)軌道交通工程勘察經(jīng)驗，適宜采用水泥漿作為鉆孔封孔材料。

2.2 場地巖土層

根據(jù)鉆探資料，本場地105m 以淺地基土主要為第四系全新統(tǒng)至下更新統(tǒng)下段沉積地層，江陰高鐵站、花山及周邊區(qū)域地段揭示下伏基巖為志留系上統(tǒng)茅山組石英砂巖，江陰南站出入線附近第四系覆蓋層以下揭示三疊系青龍組灰?guī)r。本標(biāo)段巖土層按其成因類型、巖性和工程特性可劃分18 個工程地質(zhì)層，36 個工程地質(zhì)亞層。限于篇幅，以江陰高鐵站～南閘站區(qū)間部分鉆孔為例，各巖土層分布情況詳見工程地質(zhì)剖面圖1。

圖1 江陰高鐵站～南閘站工程地質(zhì)剖面圖

從工程地質(zhì)剖面圖上可以看出，本研究區(qū)地層分布以黏性土為主，在局部區(qū)域（花山）地形起伏較大，巖土分布稍有變化。淺部填土層受人類活動影響分布厚度變化較大，其余巖土層分布相對穩(wěn)定，局部受古地理環(huán)境及水動力作用的影響，有缺失或有起伏。總體而言地層層序較完整，各土層分布總體具沉積韻律的特征，巖土類型為軟弱土～軟質(zhì)巖石。

由于水泥顆粒呈粉末狀，需要在與水充分拌和的條件下，才能溶解并與水分進(jìn)行化合、凝結(jié)。水灰比過高或者過低都不利于水泥與水分的化合與凝結(jié)。研究區(qū)巖土類型為軟弱土～軟質(zhì)巖石，根據(jù)蘇錫地區(qū)軌道交通工程勘察經(jīng)驗，鉆孔封孔推薦使用0.5 的水灰比。水灰比高于0.5 時，水泥長期不凝固，強(qiáng)度降低；水灰比低于0.5 時，水泥不能完全水化，強(qiáng)度不能完全發(fā)揮。

3 試驗研究

通過對區(qū)域地質(zhì)背景和研究區(qū)巖土層的分析，結(jié)合無錫地區(qū)軌道交通工程勘察經(jīng)驗，鉆孔封孔推薦使用0.5的水灰比。通過開展水泥漿離析與下沉試驗，對該結(jié)論進(jìn)行驗證。為了使驗證結(jié)果更充分，同時進(jìn)行了現(xiàn)場試驗和室內(nèi)對比實驗。

3.1 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗使用水、水泥、標(biāo)準(zhǔn)泥漿桶，采用稱重法進(jìn)行。選用水泥標(biāo)號32.5 的硅酸鹽水泥，重量50kg/包；標(biāo)準(zhǔn)泥漿桶直徑D（內(nèi)徑0.52m）、高度H（桶內(nèi)凈高0.90m）。

試驗過程如下：

（1）向標(biāo)準(zhǔn)泥漿桶內(nèi)注水至高度0.47m，此時水的質(zhì)量為99.76kg；

（2）向標(biāo)準(zhǔn)泥漿桶內(nèi)倒入4 包水泥并攪拌均勻，此時水泥的質(zhì)量為200.00kg；

（3）充分?jǐn)嚢柰瓿珊螅瑴y量水泥漿液面到桶口的距離h0=19.40cm；

（4）將含水泥漿的標(biāo)準(zhǔn)泥漿桶，靜置24 小時后，測量水泥漿液面到桶口的距離hn=20.11cm；

（5）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算水灰比、收縮比a=（hn-h0）/（H-h0）。

試驗過程中相關(guān)計算參數(shù)量測見圖2～圖5。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)泥漿桶內(nèi)徑D

圖3 標(biāo)準(zhǔn)泥漿桶凈高H

圖4 攪拌完成后h0

圖5 凝固24 小時后hn

試驗數(shù)據(jù)計算分析：

經(jīng)計算本次試驗用水99.76kg，水泥200.00kg，水灰比為0.499；充分?jǐn)嚢柰瓿珊蟮乃酀{液面到桶口為19.4cm，靜置24 小時后，水泥漿液面到桶口的距離為20.11cm，收縮比為1.01%。

3.2 室內(nèi)對比試驗

為了對現(xiàn)場水泥漿離析與下沉試驗效果進(jìn)行驗證，同步進(jìn)行了室內(nèi)對比實驗。

室內(nèi)對比試驗采用玻璃試管代替標(biāo)準(zhǔn)泥漿桶，試管體積1000ml，實驗過程同現(xiàn)場試驗。經(jīng)計算，水灰比為0.5，收縮比小于1%。結(jié)果表明室內(nèi)實驗結(jié)果與現(xiàn)場試驗基本一致。

4 定量封孔流程

為保障封孔質(zhì)量，避免人為失誤，封孔使用統(tǒng)一度量化器具，按如下規(guī)程執(zhí)行：

（1）封孔前需將水泥一次性放至孔位處，噴漆標(biāo)識，確保全部使用完畢，并防止偷工減料；

（2）采用標(biāo)準(zhǔn)桶(直徑0.5m，高度1m)進(jìn)行水泥拌和，桶內(nèi)水位高度為0.47m（在該高度紅漆標(biāo)注，確保水量滿足要求。其它直徑標(biāo)準(zhǔn)桶另行計算加水高度并紅漆標(biāo)注）。每桶4 包水泥，并確保攪拌均勻。

（3）鉆桿放至勘探孔底，排出孔內(nèi)泥漿至特定泥漿收集桶，后期統(tǒng)一運(yùn)走；輸送水泥漿至孔內(nèi)，邊輸送邊上拔鉆桿及套管，直至孔口返漿。

（4）以上步驟均需拍照存檔保留。

5 結(jié)論

本文在分析區(qū)域地質(zhì)背景和研究區(qū)巖土層的基礎(chǔ)上，通過理論分析、現(xiàn)場試驗和室內(nèi)對比實驗，得到了以下結(jié)論：

（1）鉆孔封孔作為鉆探施工的最后一個環(huán)節(jié)，是鉆孔質(zhì)量的重要組成部分，對其進(jìn)行封孔是非常重要和必要的；

（2）研究區(qū)地層層序較完整，各土層分布總體具沉積韻律的特征，巖土類型為軟弱土～軟質(zhì)巖石；

（3）根據(jù)無錫地區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，本研究區(qū)地層分布無錫地區(qū)巖土層分布具有極高的一致性。根據(jù)無錫地區(qū)軌道交通工程勘察經(jīng)驗，適宜采用水泥漿作為鉆孔封孔材料；

（4）通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)對比實驗表明，使用0.499的水灰比，收縮比為1.01%。該水灰比對應(yīng)的收縮比情況下，現(xiàn)場施工設(shè)計深度為50m 的機(jī)鉆孔理論累計沉降為0.5m，設(shè)計深度為90m 的機(jī)鉆孔理論累計沉降為0.9m，滿足實際施工風(fēng)險控制要求。

（5）封孔時采用標(biāo)準(zhǔn)器具進(jìn)行水泥漿制作，同時各步驟均拍照保留，確保封孔質(zhì)量并便于復(fù)查。

（6）在農(nóng)田區(qū)域上部按規(guī)范使用黏性土回填、道路區(qū)域使用瀝青等回填輔助措施，可以滿足一次性封孔要求。