复杂岩溶地区钻探技术与溶洞灌浆工艺的探讨

谢伟

摘要：岩溶发育区地层复杂，基础处理难度大，实际施工中，结合施工勘察，选择优化施工方案，对控制工程造价、指导施工和确保工程质量有很重要的意义，岩溶发育区基础处理钻探技术和灌浆工艺已经成为一门综合性很强的应用研究。孟洲坝枢纽二线船闸工程作为北江航道扩能升级工程的重要项目之一，岩溶地层钻探技术及溶洞灌浆工艺在地基加固中取得了良好的应用效果，本文将结合孟州坝枢纽二线船闸工程实例对其进行简要探讨。

关键词：岩溶发育区；溶洞；钻探；灌浆

1.工程概况

我国岩溶地区分布甚广，在广东省内，主要以粤西和粤北地区分布较多，珠江三角洲地区也有分布。岩溶对工程建设来讲是一种灾害性地质现象，一般情况下，应避免在岩溶地区从事大规模工程建筑。但随着城市化进程的飞速发展，岩溶地区的建筑物越来越多，因此，对岩溶地区钻探技术与灌浆加固工艺的研究具有一定的经济价值和社会意义。

北江是粤北地区连接珠江三角洲及港澳地区唯一的水运通道，流域范围内气候湿润多雨，水体常年无冰冻，极佳的气候和水文条件造就了悠久的水路运输历史以及北江突出的航运地位。然而随着经济的发展，船闸及航道等级过低导致船舶大面积滞航的现象时有发生。为解决这一瓶颈限制，北江（韶关至乌石）航道孟洲坝二线船闸计划建成为可通行1000t级船舶的Ⅲ级船闸，这将有效提高当地航运经济的发展。工程主要包括船闸工程、上下游引航道、上下游导航墙（含导流墙）、闸桥工程、大型临时工程等配套及附属工程。

2.地质条件

孟洲坝二线船闸项目区属一级冲积堆积阶地及河漫滩，局部地段为剥蚀残丘。项目区地层岩性较均匀，层位变化一般。根据钻探和现场工程地质调绘，工程区分布的灰岩受第四系地层覆盖，从岩溶类型划分属覆盖型岩溶，主要岩溶形态有：溶孔、溶隙、溶沟和溶洞等。

工程区附近地表岩溶主要受岩性及构造控制，一般在薄一中厚层灰岩中多见岩溶裂隙，中厚层一厚层状灰岩中溶隙及小溶洞较发育。地表见洼地，并往往沿构造裂隙和层面发育。勘察结果显示：230个钻孔，其中共计51个钻孔揭露溶洞，平均遇洞率22.17%（但是下闸首4个钻孔中2个钻孔遇岩溶现象，遇洞率达50%，闸室中部～下闸首8个钻孔中4个钻孔遇岩溶现象，遇洞率达50%，属于岩溶强发育区）；单孔线岩溶率较高，达0.75%-52.67%，平均线岩溶率15.89%；溶洞洞高（钻孔中铅直高度）0.2m～20.7m，平均高度2.67m，一般为全充填，有少量半充填及空洞。綜上所述，本工程区整体上属于岩溶中等发育区，局部地段岩溶强发育。钻孔地层情况见表1。

参考水工建筑设计标准以及船闸建设施工经验，为避免洞壁和基础崩塌以及水土流失，需充填洞体内空隙并堵塞溶洞与外界的直接漏水通道，另一方面要加固洞内原充填欠固结的软弱土体，防止软弱土体在受附加应力及自重影响下产生较大的固结沉降变形，使洞内充填物与洞壁间产生过大的空隙，并一定程度提高洞内填充物承载力特征值。

3.超前钻孔

3.1钻探工作通常按照如下步骤进行：

在地下连续墙基础逐个槽段布置超前钻孔，每个地连墙槽段两个钻孔。灌注桩按一桩一孔的密度进行布置超前钻，超前钻孔深度应取地连墙（灌注桩）底部以下5m和进入完整中风化灰岩5m两者的大值。钻进过程中，保证钻杆垂直。若未发现溶洞则停止钻孔，若发现溶洞，则继续钻进至溶洞底部岩层3m～5m。

首先应按桩基设计的平面尺寸、钻机数量和钻机底座平面尺寸、钻机移位要求、施工方法以及其他配合施工机具设施布置等情况确定施工平台的平面尺寸，并进行平整压实。

然后依据钻孔平面布置图进行测量放样，钻孔位置前后对照复核桩点，确认无误后将钻机固定牢固，钻杆对准测量放样桩点。工艺流程详见图1。

不同的地层采取不同规格的钻头进行钻孔，填土层～强风化石灰岩采用146mm合金钻头钻孔取芯，为防止孔壁坍塌，采用146mm或127mm套管跟进护壁，进人中风化灰岩后改用89mm金刚石钻头钻进。在取芯过程中，应详细记录岩面的高程、返水的变化情况、溶洞的位置及填充情况。满足终孔条件后及时通知监理工程师进行验收确认，并按要求及时进行封孔。所有芯样均应排放整齐、编号齐全，装入岩芯箱，拍照存档以备核查。钻孔完成后及时对地质情况进行编录。

无溶洞的超前钻孔工作结束后，进行封孔。堤防钻孔土层一般以土还土，以砂还砂，土料以粘土为主，砂料以粗砂为主，并分层捣实；临近堤防的钻孔采用干粘土球回填，边回填边夯实；船闸开挖范围内钻孔土层采用纯水泥浆封孔；有套管护壁的钻孔边起拔套管边回填。并做好封孔全过程记录。

3.2超前钻孔加密原则

第一步：在施工图设计阶段工程地质勘察的基础上进行超前钻探施工，超前钻按“一槽两钻、一桩一钻”原则施工；第二步：在“一槽两钻”施工基础上，针对已经探明的溶洞进行边界探测施工，即“探边”施工；第三步：针对已经完成“探边”的溶洞，根据其充填情况，分别进行注浆试验，试验过程中根据地层情况、溶洞充填情况、注浆情况等调整施工参数并进行分析，研究最适合的注浆参数；第四步：对注浆试验情况进行总结，根据试验结果展开溶洞注浆填充施工；第五步：注浆完成后对注浆效果进行质量检测。

溶洞注浆充填施工前根据注浆材料及地质条件，结合类似工程的施工经验进行注浆试验，并根据试验结果对各项施工参数进行修正。

有溶洞的超前钻孔，在钻至溶洞底部位置时，在起拔跟管钻进的套管之前，须下直径100mm并满足压力要求的PVC给水管至岩面以下50mm位置，然后置换出套管，等待摸清整体溶洞界面后实施灌浆工作。

每个溶洞边界探测施工完成后，根据每个钻孔所探测到的溶洞顶部、底部的埋深或标高，结合其平面位置、水平间距，绘制出每个溶洞的包络图，以确定其大小。包络图绘制完成后，计算其理论注浆量，注浆充填系数参考类似工程经验暂取1.5～2.5，要根据现场实际情况调整和确定。endprint

4.灌浆工艺

4.1无填充溶洞处理方法

①单层溶洞处理：遇无填充溶洞时，为保证钻孔安全，确保钻进顺利进行，空洞部位采用89mm套管护壁跟进后，改用76mm钻头钻进取芯，直至超前钻孔深满足设计要求为止，溶洞位置探明后，下放100mmPVC管置换127/146mm外套管，从四周封闭开始向中间灌注双液砂浆，并采用纯水泥浆压密灌浆。砂浆配比初定为砂：胶凝材料：水：水玻璃=2：1：0.6：0.3，最终数据现场试验确定。

如果溶洞包络范围较大，或空洞较高（>1m），可先向孔内填入5mm～10mm碎石，初次填料高度为溶洞高度的一半，然后灌注双液水泥浆。水泥水玻璃双液浆的配比是水泥浆与水玻璃的体积比为4：1，水玻璃比重为1.125g/ML，水泥浆水灰质量配比为0.8：1，水泥浆拌制采用32.5级水泥，注浆压力控制在0.1MPa～0.4MPa，注浆速度为30L/min～70L/min；水泥水玻璃双液浆注浆体积为初次填料体积的三分之二，以保证其封闭初次填料的整个边界。待浆液与填料凝结形成固体后，重复填料直至填充物充满溶洞高度，重复进行双液浆注浆封闭整个边界。

②多层溶洞处理：如果下钻过程遇到第2层溶洞，这时应停止钻进，拔起钻具及89mm套管，下放100mmPVC管置换外套管，然后按设计要求进行溶洞探边孔施工，探边孔完成后，按一层溶洞的处理方法先对溶洞进行处理，待灌浆结束并待凝后采用76mm钻头重新扫孔，继续钻探。由于受100mmPVC管的限制，第2层以下溶洞钻进已不可能采用套管跟进的施工工艺。如果第2层为无填充溶洞，钻穿溶洞后停钻，待第2层溶洞所有探孔灌浆并待凝后继续钻进，以此类推第3层及以下各层溶洞的施工，直至超前钻孔深满足设计要求。如果第2层为有填充溶洞，将采用：水泥浆造孔→护壁→待凝→扫孔的循环施工工艺，直至穿越第2层溶洞成孔，成孔后，采用纯水泥浆对溶洞进行压密灌浆，以此类推第3层及以下各层溶洞的施工，直至超前钻孔深满足设计要求。全孔结束后，对基岩段全孔进行压密灌浆。

③水泥浆进行压密注浆

在完成水泥水玻璃双液注浆封闭整个边界后，再采用水泥浆进行压密注浆，至达到停止注浆的技术标准。压密注浆采用栓塞封闭，逐层溶洞处理，纯压式注浆方式。管路连接如图2所示。

压密注浆压力为1.0Mpa以上，灌人浓度大、配合比为1：1的水泥浆；压密注浆开始时浆液先充填大的空隙，然后在压力下渗入周围土体孔隙。

停止注浆的技术标准分为两种情况，当满足以下任意一种即可停止注浆：①注浆钻孔基岩完整，注浆孔口压力维持在0.2MPa～0.5MPa，且连续30min，吸浆量小于40L/min；②多次注浆，孔口压力超过0.5MPa，而且单孔注浆量达到平均注浆量115～210倍，且进浆量明显减少。

4.2有填充溶洞处理方法

（1）划分溶洞处理范围。划分溶洞范围，以每处溶洞为单位进行注浆处理。

（2）钻孔及注浆方式。基岩及溶洞采用89mm钻头钻进，下栓塞进行纯水泥浆纯压式全孔段灌浆，该方法如果水泥浆护壁成功，施工将比较简便。对于已经探查清溶洞范围的溶洞，采用单液浆处理；对于未探查清溶洞范圍的溶洞，周边孔采用双液注浆，中间孔采用单液注浆。在每一组注浆完成后再进行下一组的注浆工作。

（3）注浆材料。中间孔：采用水泥浆单液注浆。水泥采用32.5级水泥，水灰比=1.0～1.5，注浆速度为：30L/min～70L/min。周边孔：采用水玻璃和水泥浆双液注浆。配比建议为水泥：水：水玻璃=1：1 38：0.3（质量比），水玻璃模数m=2.4～3.2（浓度Be=30～40），水泥采用32.5级水泥。

（4）注浆压力与终孔条件。注浆压力控制在0.1Mpa～0.5Mpa。每个孔注浆时间根据压力大小决定，如果注浆压力一直达不到0.3MPa，则每个孔每次注浆量不得超过30m3，注浆未达到0.3MPa要求间隔24h后继续注浆，如此反复直至注浆达到终孔条件为止。

如果注浆压力达到0.3MPa并有上升趋势，则继续注浆，当注浆压力达到0.5MPa的注浆终压时，继续注浆10min以上，则可终孔。

（5）封孔。当注浆结束拔出注浆管后，立即用M7.5号水泥砂浆封孔；封孔完毕后，位于该注浆孔周边的溶洞即完成了封闭。

5.质量检测

对同一个溶洞，应按钻孔数的3%，且不少于1个检测钻孔，1个检测钻孔应不少于3个标贯检测点，检查孔尽量利用已有的钻孔。对加固地层进行随机原位标贯试验，标贯击数应不小于10击。

6.结语

（1）本工程根据所在部位的岩溶特性，灌浆材料就地选材，水玻璃从广州化工原料市场采购，节省了成本。

（2）实际施工中，溶洞类型基本属于半充填、全充填类型，初次灌浆先采用以水泥和水玻璃为主的双液灌浆方法进行施工，然后再采用纯水泥浆液进行二次压密灌浆处理，灌浆顺序为由外至内、分工序施工的原则。灌浆方法选择合理，效果良好。

（3）对于无充填物或充填物少的溶洞，因洞内渗漏严重，溶洞灌浆难度大，原则上先间歇充填粗骨料、细料；再充填固结料的方法进行施工。粗骨料可选择细砾、粗砾和细砂；细料为含砂粉土；固结料主要指水泥和水玻璃混合料。结合洞内充填淤积情况，选择合适的充填材料。

（4）岩溶地层地质情况复杂，同一钻孔经常存在多层溶洞情况，所以钻探上宜选择146mm或127mm钻具开孔，127mm套管跟管钻进。endprint