基于室内物探模型试验的岩溶注浆效果研究

刘圣东 陈俊生 徐梓舒 刘亚威 刘叔灼 马超

1.中交第三航务工程局有限公司交建工程分公司，上海 200032；2.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510610；3.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510610；4.华南岩土工程研究院，广州 510610

城市地下工程建设中不可避免地会遇到岩溶区，其岩溶发育强烈，地下水含量高，地质条件差，可能存在岩溶空洞、岩溶塌陷等地质灾害，对地下工程建设安全造成严重威胁［1］。注浆充填是处理城市内岩溶空洞等问题的常用方法，注浆材料的配比和选择更是注浆充填法的关键技术之一［2］，但现阶段主流的普通水泥浆液仍采用水灰比1∶1或2∶1，浆液含水量较高且凝结时间偏长，浆液反应形成的结石体强度不高且水稳定性差，导致充填和注浆效果不理想［3］。针对注浆材料已进行了一定的研究，如文献［4］针对铁路路基岩溶注浆提供了不同的注浆材料设计方案以达到良好的注浆效果。但这些研究方案均有较强的针对性和特殊性，常规施工中难以参考。同时，在实际注浆充填中注浆效果检测较为困难，且注浆工作不具有重复性，因此注浆前注浆材料效果检测尤为重要。文献［5］通过大量室内压水试验对覆盖型岩溶塌陷路基的注浆效果进行了分析评价；文献［6］应用地质雷达测试方法反映注浆后加固情况；文献［7］通过瞬态面波法检测数据模拟岩溶注浆质量；文献［8-10］通过模型试验对高密度电法测量参数和解释方法进行了研究。但在将室内模型注浆检测试验应用于室外注浆效果的检验方面仍不够全面。

本文以存在较大石灰岩溶洞的广州十二号线槎头车辆段为例，通过试验获得改良岩溶注浆材料，对浆液的性能进行测试分析，同时与高密度电法检测注浆情况的室内模型试验相结合，综合讨论改良岩溶注浆材料的注浆效果。

1 改良岩溶注浆材料性能

室内模型注浆中所用的两种浆液材料，原注浆材料为普通水泥浆液，改良岩溶注浆材料则按比例掺入硅粉、铝粉并重新调整水灰比。材料配比见表1。

表1 注浆材料配比

水泥浆液与改良岩溶注浆材料在流动度、凝结时间、水稳定性、强度等性能见图1。可知：①普通水泥浆液流动度为187 mm，改良岩溶注浆材料流动度为99 mm，普通水泥浆液的流动性更好，改良岩溶注浆材料更为黏稠。②改良岩溶注浆材料比普通水泥浆液快2.5 h 凝结，便于更快封堵溶洞裂隙。③普通水泥浆液平均析水率为19%，改良岩溶注浆材料为5%，普通水泥浆液析水率较大且明显大于改良岩溶注浆材料，表明改良岩溶注浆材料稳定性优于普通水泥浆液，更加均匀。④普通水泥浆液平均结石率为81%，浆液凝结后结石体没有收缩或膨胀。改良岩溶注浆材料结石率达到117%，可见在浆液凝结后，改良岩溶注浆材料膨胀明显，达到约1.2 倍。⑤改良岩溶注浆材料结石体的抗压强度明显优于普通水泥浆液，注浆时抗压强度越大越有利于提高地层的地基承载力，弥补溶洞空洞及裂隙部分对地基承载力造成的影响。

图1 浆液性能分析

2 室内模型注浆效果检测

2.1 模型设计

考虑电测深检测效果及实际需求，设计模型箱尺寸为1.5 m（长）× 0.5 m（宽）× 0.5 m（高），模型中溶洞埋深5 cm，溶洞为0.5 m（长）× 0.2 m（宽）× 0.3 m（高），见图2。模型下配合需要的电极距AB/2 能较好地消除边界效应对试验数据的影响［11］。建造两个相同的模型进行对比试验。由于石膏电阻率与现场灰岩视电阻率相近且便于溶洞模型构筑，因此模型采用同一配比的石膏材料制成并通过固定的木制模箱分层浇筑。

图2 模型尺寸示意（单位：cm）

2.2 注浆设计

注浆所用浆液分别为改良岩溶注浆材料与普通水泥浆液，注浆方式为浆液通过同一搅拌机搅拌制作后，直接以人工方式充填满原有的溶洞空间，然后封上石膏盖板用以检测。

2.3 检测方法及其原理

模型注浆后，检测方法采用高密度电法中对称四极电测深装置温纳α，探测水泥浆液在浅表层溶洞充填加固效果。通过反演软件处理高密度电法仪获得的模型试验实测视电阻率数据及反演色谱图，并以此解读地下电阻率分布规律，确定改良岩溶注浆材料的注浆效果。注浆后，随着凝固时间的增长，含水率不断减小，视电阻率也在不断升高，水泥浆液在7～8 d后视电阻率趋于稳定，水泥浆液基本凝固，因此高密度电法检测的最佳时间为7～8 d。

3 模型注浆效果检测分析

3.1 普通水泥浆液

普通水泥浆液模型注浆前后视电阻率等值线见图3。由图3（a）可知：模型背景视电阻率为40～180 Ω·m，注浆前溶洞模型区域部分出现了视电阻率高于200 Ω·m 的高阻异常区域，相较于较低的背景视电阻率，可明显识别出其轮廓；由于石膏模型整体分层浇筑制作，在视电阻率上模型也出现均匀的分层。由图3（b）可知，注入普通水泥浆液后，溶洞模型中视电阻率发生明显变化，由注浆前200 Ω·m 以上降低至原来的55～80 Ω·m，溶洞周围未受水泥浆液影响，背景视电阻率基本无变化。由图3（c）可知，在7 d 水泥浆液视电阻率稳定后，溶洞区域视电阻率相比之前注浆时略有上升，最终稳定在90～110 Ω·m，浆液流动进入石膏模型裂隙导致背景视电阻率有所降低。

图3 普通水泥浆液模型注浆前后视电阻率等值线

3.2 改良岩溶注浆材料

改良岩溶注浆材料模型注浆前后视电阻率等值线见图4。由图4（a）可知，模型背景视电阻率为40～240 Ω·m，已基本达到稳定，由于石膏模型制作先于灌注普通水泥浆液模型，使得模型背景视电阻率偏大，但溶洞模型区域仍存在明显的高阻异常区域（电阻高于340 Ω·m）。由图4（b）可知，使用改良岩溶注浆材料注浆后，溶洞区域视电阻率出现降低，由注浆前340 Ω·m 以上降低至原来的240～280 Ω·m，周围未受浆液影响，背景视电阻率则基本无变化，改良岩溶注浆材料视电阻率明显高于普通水泥浆液溶洞，且与背景视电阻率相近。由图4（c）可知，溶洞区域在电阻率基本稳定后，溶洞注浆处视电阻率上升至320～380 Ω·m，改良岩溶注浆材料充实溶洞模型且视电阻率与背景基本一致，图中已无法识别溶洞区域，与石膏模型融为一体。

图4 改良岩溶注浆材料模型注浆前后视电阻率等值线

3.3 注浆效果对比

对比两种不同注浆模型视电阻率等值线可知：普通水泥浆液石膏模型中背景视电阻率不如改良岩溶注浆材料模型稳定，在后续时间段视电阻率仍会升高40～240 Ω·m，与视电阻率不再变化的注浆溶洞区域产生更明显的区别，差距在150 Ω·m 以上；改良岩溶注浆材料模型在浆液稳定后已基本与地层背景相融，难以辨别溶洞区域。在两者的视电阻率图中，普通水泥浆液模型溶洞区域远不如改良岩溶注浆材料模型均匀，溶洞区域中出现小范围的显著视电阻率差异，色彩差异部分视电阻率为70～80 Ω·m，而其余部分为90～100 Ω·m，表明在普通水泥浆液注浆下可能由于普通水泥浆液本身19%的高析水率导致析水分层，出现上浮水体但下层结石体已凝固的现象，在实际工程中会对地基承载力的提升产生较大影响，注浆效果不佳。改良岩溶注浆材料膨胀特性的优势在室内模型中有很好的体现，模型溶洞区域均匀充实，同深度下视电阻率与石膏模型基本相同为280～360 Ω·m，且改良岩溶注浆材料凝结后本身具有优于普通水泥浆液2～4 kPa 抗压强度，能够让原本空洞的地层拥有更好的地基承载力，可见改良岩溶注浆材料相比普通水泥浆液能够更好地填充溶洞模型，注浆效果更理想。

4 开挖断面对比验证

在现场模型试验完成后，对整个模型箱进行断面开挖，以便直观了解注浆后模型溶洞断面情况，并与之前检测结果对照，验证注浆效果检测的可靠性。

1）普通水泥浆液模型的开挖断面表明，浆液基本填充溶洞模型的80%，溶洞模型中浆液结石体与溶洞模型盖板之间仍存在7 cm 的空洞区域，并且在开挖时仍有残留的少量悬浮水流出，与注浆稳定后的视电阻率图中深度0.2 m 处出现的小范围显著视电阻率差相应。由于溶洞模型注浆时均已注满且未有遗漏，故认为在注浆后普通水泥浆液出现析水分层现象，并且部分悬浮水或浆液渗入周边裂隙，其断面结果与注浆效果检测试验所得的结论相符合。

2）改良岩溶注浆材料模型中断面显示结石体充盈，结石体与溶洞模型边界以及上方盖板紧密黏结，与石膏材料黏结成一个整体。断面结果与注浆效果检测试验所得的结论相符合。

通过高密度电法检测与浆液本身性能试验分析相结合，能够较好地反映出注浆后的注浆效果与填充情况。

5 结论与建议

1）改良岩溶注浆材料的析水率有所改善，仅为原浆液的1/4，解决了析水分层问题，且抗压强度平均增加2～4 kPa，结构更均匀、密实。虽然流动度偏低能避免浆液流失且可以结合更短暂的凝结时间封堵空洞及裂隙，但也增大了注浆阻力。

2）改良岩溶注浆材料具有膨胀特性，浆液完全固化时膨胀至原容量的120%～130%，结石体能够与周围岩层土体紧密结合起来，对于实际工程中注浆填充溶洞、改善地层条件起到很大的作用。

3）两种不同注浆模型对比，普通水泥浆液仅填充溶洞模型的80%，并且仍存在高7 cm 的空洞区域，在注浆稳定后的视电阻率图中，深度0.2 m 处存在10～30 Ω·m小部分视电阻率色彩差异，仍能显示出溶洞轮廓，未能满足填充满溶洞的要求；改良岩溶注浆材料在膨胀作用下，填充率基本达到100%，注浆稳定后视电阻率图显示模型溶洞区域均匀充实，同深度下视电阻率与石膏模型基本相同，在280～360 Ω·m。

改良岩溶注浆材料有着更好的注浆填充效果，更适于注浆填充溶洞、改善地层条件。但材料配比仍未并达到最佳条件，注浆效果检测方法也有待进一步优化，需对浆液实际注浆效果评判标准进行更深入研究分析。