浅谈超大溶洞处理灌注水泥砂浆工法

张剑辉

摘要：广州市轨道交通八号线北延段平沙站地层主要是微风化灰岩或碎屑基岩，其中的溶洞均较发育，对车站施工和将来地铁运营的安全带来一定的风险，需对溶洞进行处理。根据设计要求，灌注水泥砂浆是溶洞处理的重要方法之一。但在实际施工中，灌注单液浆、双液浆来处理的方法较多，而采用水泥砂浆灌注处理的工法并不多见。本文针对洞高大于3 m的溶洞采用直径200mm的灌浆孔进行水泥砂浆灌注处理的工法，进行了阶段性总结。

关键词：地铁车站;溶洞处理;灌注水泥砂浆

一、工程概况

广州市轨道交通八号线北延段施工6标平沙站，全长231m，标准段宽20.1m，覆土3m，底板标准段埋深16.41m。 平沙站地质情况从上至下依次为：人工杂填土、淤泥、粉细砂、中粗砂、砾砂、粉质粘土、残积土层、灰岩微风化岩。根据“一槽两钻”与地质详勘报告，地质剖面情况（节选D33—D34槽段）如下所示。同时，车站的地下水位较浅，稳定水位线埋深约0.9—6.7 m，标高为 1.5—7.3m。地下水存在于松散层孔隙水（主要在冲积砂层）和基岩裂隙水（主要在碎屑岩的强、中风化带）中。

根据地质钻孔揭露，车站灰岩为可溶性岩石，其微风化层存在大量溶洞，一旦溶洞周边水土体的流失，造成失稳会导致地面沉降和塌陷。为减少围护结构在施工时发生坍塌的风险，预防溶土洞在地下水作用下迅速发展的风险，减少后期运营的风险，必须对溶洞加以处理。

二、溶洞处理原则、范围及措施

（一）处理原则

遵循岩溶处理、基底处理、围护结构、主体结构、抗浮方案、施工期涌水及运营风险防治方案等多方面协调统一考虑的原则，对工程影响范围内的非全填充溶洞均应处理。

（二） 处理范围

对于围护结构连续墙底标高以下3 m范围的、基坑底板以下2 m范围的所有溶洞均应处理。

（三）处理措施

溶洞采用压力注浆的方法进行处理，注浆压力从低到高，间歇、反复压浆。注浆液体分为单液浆、双液浆及水泥砂浆。

三、灌注水泥砂浆工法

（一）选择溶洞

根据一槽两钻的地质资料，选取在基坑东侧的D33-D34槽段位置进行该溶洞的水泥砂浆灌注，此溶洞相对位置远离交通道路，影响较小;同时，经过槽段周边的探边钻孔得知，此溶洞较大，包络图容积约为1300m3。该位置一槽两钻D33-D34的钻孔施工记录综上可知，该溶洞平均高度7～8米，为大溶洞，呈少量砂粒及粉质粘土填充状态。

（二） 机具准备

本次试验需用到的机械设备详见下表，施工前确保各机械运作正常。

（三）材料准备

水泥砂浆根据设计图纸要求的配合比，采用搅拌站供应的M5水泥砂浆;水泥砂浆配比为：水泥：砂：水=1：6：1.1，水泥强度等级采用425R。

（四）监测布点

为确保施工安全，控制施工风险，对该位置进行地面沉降点的布置，监测点采用没有下管的靠近试验孔的探边钻孔打入1m螺纹钢筋，顶部齐平地面。施工前先测得初始值。具体监测：钻孔成孔前监测一次作为初始值，成孔完成后监测一次与初始值对比，灌浆完成后再继续监测，连续3天监测数据稳定后停止监测，同时对整个施工过程中进行加密监测，将监测数据信息及时反馈，指导施工。

（五）施工流程

1、布孔

布孔原则是每组灌砂浆孔成孔两个。根据探孔资料，选取溶洞最高处布一个孔作为主灌浆孔，另选一个作为主排气孔及副灌孔（二次灌浆孔），二洞间距约为1000mm。如果溶洞范围大，需多管多点施工灌浆，则每组砂浆孔间距不超过4m，可根据溶洞大小适当调整。

2、成孔

采用螺旋空压机钻200mm孔径，钻至溶洞底0.5mm为止。具体工法：履带式锚固钻机通过60mm钻杆钢管与135mm的钻头相联，由电机带动液压动力，使钻杆转动、向下进尺，同时，12 m?的空压机提供气压动力，高压气通过钻杆内空作用于钻头，使钻头工作。當有气压压力时，钻头头部会突出，与钢管处呈陀螺状铰接，钻头呈陀螺状摇动、钻进可形成200mm左右直径的孔;其中钻头面是凸齿磨牙状，中心有两个直径约1cm的气孔，同时对地层产生扰动、破碎压力并能将渣土压出钢管外。由于钢管钻杆与周围土层间始终存在气压力，来平衡土压力并能密实部份土体，保证不会塌孔。

3、下套管

成空完毕后，中断气压，利用液压撤出钻杆及钻头，埋设146mm孔径的钢套管于200mm孔中，作为护壁管及注浆管。埋设深度至溶洞中部（即洞高的一半），并用夹具固定防止掉落，同时管的上部预留足够长度与混凝土泵车泵管连接。用同样的方法埋设一条钢套管深度至溶洞顶往下500mm的位置作为排气孔和二次灌浆孔。

（六）灌注砂浆

采用泵送水泥砂浆。灌浆孔平面布置如上部灌浆管（146钢管）与泵车管连接后，直接泵送水泥砂浆（M5）;在灌浆前，先对146管进行泵气通管;为保持二次灌浆孔贯通，需间隔进行通气防止堵塞。

（七）灌浆终止

观察地面冒浆情况，泵车的灌砂浆压力一般控制在3-5MPa，灌注不下即可终止。不可强行加大压力，以免周围空孔气压过大造成冒涌，泻压时造成塌孔塌方。第一次灌浆完成后，对二次灌浆孔继续灌注水泥砂浆，作为第一次灌浆的补充，此时其它探边孔可作为排气孔。二次灌浆的终止，可以以第一次的灌浆孔反冒出砂浆为准。此时，可视为两个灌浆孔都已填充满了。

四、效果检测

注浆效果检验，主要是检查填充率及密实程度。

（一）密实程度检验

灌浆结束28天后进行了抽芯检测。此特大溶洞检测抽取了3个孔，发现砂浆样品比较完整、不破碎，抗压强度平均值为0.8MPa，而设计要求抗压强度是不小于0.2MPa。表明砂浆固结状态及效果较好;同时采用原位标准贯入试验9次，实测击数为13～23，平均值为17击，设计要求是标贯击数应不小于10击，表明砂浆固结强度也达到合格。

（二）填充率检验

采用“二次压浆”方法检验。针对灌注砂浆孔不再进行二次压注砂浆，而是注水泥单液浆检验，压力值很快稳压达到0.6MPa，证明此孔内灌注效果较理想。

五、技术及经济效益总结

（一）本工法优点

1、砂浆坍落度虽大，但其堆积率远大于单纯的水泥浆液，故填充密实度也相较水泥单液浆而言更好。

2、砂浆灌注后的固结强度一般而言，也大于单液浆的固结强度。

3、砂浆灌注的速率工效较快，一般一小时可灌注40～60m?，而单纯水泥浆一般一小时20～30m?，二者存在明显差别。

4、 由于砂浆是搅拌站供料，对于工程计量更加清楚直观，可控性更强。本溶洞共计三组六个孔，灌注砂浆860m?，补充单液浆约250m?，相较包络图的1300m?，节约效果明显。

（二）本工法缺点

1、本工法在钻孔及灌浆施工过程中存在两个不足：一是气压带出渣土泥浆，四处飞溅，不利于文明施工;二是气压或泵送压过大，对地下水及土层扰动较大时，易造成孔洞周围甚至更大面积的路面塌陷，不利于安全施工。

2、砂浆遇到地下水丰富且流动性较大时，极易产生砂、浆分离现象，达不到固结强度。

参考文献：

[1]竺维彬、鞠世健：《复合地层中的盾构施工技术》，中国科学技术出版社2004年版;

[2]竺维彬、鞠世健等：《地铁盾构施工风险源及典型事故的研究》，暨南大学出版社2009年版。