高速公路岩溶路基试验段的注浆施工工艺

刘 洋

(核工业华南建设工程集团公司,广东 广州 510000)

0 引 言

岩溶地质现象一直是地质部门和工程建设单位研究的课题，认为对道路的路基危害性极大。在高速公路的建设工程中，岩溶地质对很多工程施工带来困难，增加了工程的整体成本，成为道路工程建设中最不利的地质条件之一。因此，在道路交通快速发展的背景下，越来越多的专家学者一直致力于对路基岩溶现象的研究，力求在可行性、经济合理性的前提下，有效解决岩溶危害路基的问题，加快该区域高速公路建设速度。

1 岩溶勘察方式

在岩溶路基的设计与施工中，地质资料的真实性和代表性是保证其施工质量的关键因素。因此，在对岩溶地区进行勘探的时候，应该利用综合物探，而且针对代表性物探不正常的位置处设置钻孔，进行补充验证，还可以在钻探后再提取钻孔内物探，实施彼此的补充验证。需要重点调查的包括：岩溶洞隙的种类、状态、分布和发育特点，岩面覆盖的厚度、起伏状态、形态特征，易溶的岩地层的顶底板埋深，地下水的水位变化及运动规律、赋存条件、岩溶发育特征、地貌、地质的构造、地下水的关联、底层岩性以及本地治理岩溶的经验。除此之外，还要对岩溶发育强度进行判断，对岩溶地质地面坍陷可能性进行评估，为工程的设计和施工提供可靠而精准的地质资料[1]。

2 注浆方式分类

2.1 静压注浆法

静压注浆法的原理是借助电化学、液压和气压，将具备固化功能的浆液通过注浆管注入底层内，浆液利用填充、挤压、渗透、劈裂等形式，将土层颗粒或者岩石缝隙中的水分和空气挤走，填充其空间，通过浆液的固结将松散的土粒和缝隙凝结为一个整体，以此方式进行岩土物理力学的改变。该注浆法适用于湿陷性黄土、中粗砂、岩石与卵砾石、软黏土等地质。

2.2 脉状注浆

脉状注浆最初是为了增强渗透性差的土壤的抗剪强度和承载力，后来逐渐被应用到开挖隧道时预防地表沉陷或者处理路基等工程。改良劈裂注浆机制是为了将浆液渗入地基土壤中，形成的改良体表现为矿脉状、树枝状和手指状，实现对土壤的握裹和挤压。因为施工中不易控制浆液形成的脉状结构，利用该工艺施工时，必须在施工前就周密计划注浆孔的设置、注浆数量的确定、浆液是否溢流等，同时要考虑减轻对周围土体的损害[2]。

2.3 高压喷射注浆法

高压喷射注浆法的施工原理是采用高压射流切割，在预定的土层深度利用配备喷嘴的注浆管，通过高压设备把水或者浆液制成20 MPa左右或以上的高压射流，从喷嘴里喷射出来进行土体的切割，喷射流动压远远超过土体结构的强度，就会有效剥离土体中的土粒。一些细小的颗粒会随着浆液流出地面，其他稍大的土粒会在重力、离心力和冲击力的作用下，被搅拌混合在浆液内，根据特定的质量和浆土比例重新进行有规律地大小排列，凝固后的浆液及是固结体。简单地说，是利用全置换或者半置换的形式，将浆液与土有效凝固，便成为固结体。高压喷射注浆法适用的范围包括淤泥、砂类土、湿陷性黄土和粘性土等。另外，如果根据注浆工艺划分注浆方式，那么又可以划分为：以三重管、双重管、单管法为主的高压喷射注浆法；以单液、双液为主的双重钻杆过滤管法；以花管注浆、钻杆注浆为主的单层关注奖法；以袖阀管注浆、套管护壁注浆为主的双层管双栓塞注浆法。高压喷射注浆法主要应用地基加固工程，其宗旨是强化高层建筑物的地基强度。具体来说发挥如下作用：在基坑开挖时对周围建筑物进行防护；进行桥台基础以及桥墩的防护；加强顶管法和盾构法的后座，促进其反力基础的形成；预防一般性的塌方滑坡等。

3 试验段注浆施工

3.1 试验准备

在工程现场选择试验段，进行分组注浆试验工作，每个组都设置重桩9个和单桩一个，9支重桩是由彼此重叠的3行3列构成，深度为从地表到地表下1.5 m。单桩深度为地表到地表下5 m。试灌工作在两个组进行，每个组都是不同的水泥配比和添加剂应用，每个组都是利用彼此重叠的3支单桩组成。本次试验段的试灌采用的机具包括：一台高压注浆机，常规压力200 kg/cm3，电功率为50 HP；一部油压式KH-76型钻机，附带自动控制上升装置；钻孔泵一台，压力为0～30 kg/cm3，电功率为3 HP；直径为40.5 cm的钻杆，喷嘴内径为2.4 cm。直径为3/4英寸的高压输送管，耐压力为580 kg/cm3；直径约为20 cm的钻头搅拌翼；自动流量计；其他试验设备包括抽水箱、储水槽、硬化浆液拌和设备。

3.2 注浆钻孔布置

试验路路基厚度通常为5 m，如果5 m处遇到岩溶，那么孔深下延到溶洞，钻孔通常在路基的纵向布设3排，具体位置是中线的左边6.5 m和右边的6.5 m，钻孔间距6.5 m，可布置为梅花形。钻孔注浆的原则是压浆封堵土石界面处，进行固化的对象是溶洞和溶蚀裂缝组成的浅部岩溶，地下水潜蚀导致的土洞，利用浆液填充空隙，构建水平帷幕对地下水通道进行封堵，以消除地下水对持力层的影响。中线左边的注浆孔编号为1、4、7……281，正中线为3、6、9……283，中线右边注浆孔编号为2、5、8……282，针对发育段良好的岩溶，如果需要较高的路堤时，要添加1排或者2排注浆孔。针对表土很薄的覆盖层、过薄的灰岩顶板、下伏灰岩节理裂隙发育并且地下暗河遍布的地方，可设置4排注浆孔，孔间距为5 m，钻孔为梅花型布置，分别是中线、中线左5 m、中线右5 m、右10 m，或者是中线、中线左5m、左10 m、中线右5 m和中线右10 m。注浆压力参数为：灰岩中采取0.1～0.3 MPa，岩土界面周围开始增大到0.3～0.5 MPa，最大值为1.4 MPa。钻孔注浆的原则是边探边灌、探灌结合。

3.3 清孔

清孔工序在设计上通常利用钻杆注水的方式，但在具体的工程实践中，因为很深的钻孔和较厚的土层，会含有很多的碎石颗粒沉渣，该方式效率低且效果不佳，而改进工艺中加工的直径为≠50 mm的小导管，可以直接探入钻孔底部，借助注浆泵大流量、大压力清孔，尤其是清理岩溶发育区域的充填物效果最佳。工艺改进后，既确保了清孔质量，更提升了作业效率。

3.4 浆液制作

单孔注浆量为

Q=πR2LKaβ=3.14×32×5.5×0.35×0.7×1.2=49 m3

式中：R为浆液扩散半径设定；L为试验段注浆长度；a为土层孔隙率设定为K：浆液充填系数设定；β为浆液形成损失系数。注浆量地设定为单孔的水平帷幕标准，在溶洞区域，溶洞的容积就是单孔注浆量。确定浆液的材料配比后，准确称量材料，确保单浆液以及双浆液的黏稠度、结石率和紧密度。为了浆液均匀性，搅拌时间必须保持30 s以上。施工前要经过比重计的测试，确定配比浆液的密度，同时要确保施工记录的翔实性。

3.5 注浆过程的质量控制

(1)注浆工序中，及时记录各个注浆孔的稳定水位，对进浆液情况随时掌握，详细记载浆液量、压力和地表冒浆情况。一旦出现特殊状况要及时调整相关的参数，以符合设计的标准。终孔时要认真观测钻孔内的地下水位，并对比开孔时的数据，对注浆效果实施检验。清洗钻孔符合标准后，在注浆施工前要进行全部注浆管路系统的耐压试验，设定的终孔压力为1.3～1.6倍。对孔口套管固结密封度进行检查，对浆液的种类和浓度进行确定，此次耐压试验时间不能低于16 min，只有确定没有任何渗漏方可开始注浆施工。综合考虑工程段岩溶路基的地质特点和设计标准，参照《注浆技术规程》相关标准和工程地质勘探数据，在确保注浆质量的基础上选择注浆段的长度和注浆方法，对整体工程有关键的影响。

(2)因为因该段岩溶处理用套管护壁，而且旋转工作时在基岩上固结套管，注浆可利用分段上行的措施，也就是首先对施工岩层注浆，选择5 m的注浆长度，终压实现后上提套管1～1.5 m，进行土体注浆，为了避免浆液从套管壁冒出后降低注浆质量，施工过程可二次固结套管。具体的措施是：在管口附近将表土下挖0.3～0.36 m，根据土体结构确定直径，通常为1.3～2.4 m，利用规格为M7.5的水泥砂浆与水玻璃混合实施管口固结，具有良好的效果。要时刻观察注浆过程中的吸浆量的增减和压力的变化，进行详细地记录，要保证浆液由稀到浓，压力从低到高，以及由长到短的浆液凝胶时间，如此处理可以保证较远的浆液扩散距离，确保注浆的质量。针对如何控制注浆压力和吸浆量，可以根据实际情况调整，通常情况下，在注浆压力没有变化且保持均匀的吸浆量的时候，或者是压力均匀升高且吸浆量不变时，要进行持续注浆而且水灰比例不变。如果采取双液注浆的模式，重点是要合理控制两种浆液的比例，水泥和水玻璃浆液持续灌注20 min后，如果还没有上升压力，就要控制水泥的用量，具体方式为提升浆液的浓度、缩短凝结时间以及调整两种材料的体积比例，确保注浆孔符合《注浆技术规程》的相关标准。

(3)一旦因为浆液扩散过远或者过深，发生跑浆现象，应该采取如下措施：第一，采用中粗砂灌注堵塞溶洞和溶蚀缝隙，让过水断面减小增强水流压力；第二，灌注浓浆；第三，添加速凝剂；第四，减少压力；第五，实施间歇定量灌浆，通常为6～7 h的间歇时间，最适宜的水泥量为每次2～3 t。注浆过程中针对特殊情况，必须采用对应的处理手段。在处理冒浆问题时，要严格封堵套管周围表面，可以降低压力和加大浆液浓度；在处理串浆时，可以将被串孔的孔口直接封闭，随后连续浇筑注浆孔，完成注浆后及时清扫串孔，为后续注浆做准备；如果吸浆量大，难以满足注浆结束的要求，可以合理限流、让间歇时间延长或者将惰性材料注入孔内。

(4)为了确保注浆质量，必须优化注浆工艺。例如将≠50 mm的小导管接在套管内，可以直接探入溶洞底部进行分段上行式注浆，同时将小导管连接在法兰盘的压力表上。因为套管的截面是小导管的2.5倍多，小导管可以把浆液直接送入洞内，减小了压力损失，显著增加了浆液填充溶洞和裂隙的密实度，注浆效果十分理想[3]。

(5)在下列情况时允许使用双浆液。

①溶槽现象在孔内发生时，要通过附近探孔进行分析，如果溶槽向线路外侧延伸，当注浆量高出设计量，可利用双浆液；

②地表发生冒浆，如果已经采取间隔注浆或者改变浆液浓度的措施后没有效果，可以采用双浆液；

③如果有破碎带存在钻孔内岩层以及钻孔不返水，该钻孔都是表现很大吸浆量，注浆量高于设计量，可以利用双浆液。另外，参考钻探勘察资料增加钻孔的补浆可以促进填充的密实度，补浆的位置为路基下伏灰岩岩溶洞穴极发育处。完成注浆的标准为：注浆量符合设计标准，注浆压力达到设计标准，注浆孔吸浆量不超过35 L/min。

4 注浆检验

注浆试验完成后，对质量的评估利用钻芯取样并结合实验室试验的措施，施工单位负责钻芯采样，取样利用三套岩芯管，由监理工程师综合具体的注浆程序确定。取样按照三次试验灌注完成的16孔，具体位置是两支或者三支改良桩未曾重叠处。由监理工程师分析现场的实际取样情形，原则上将钻芯的样品根据胶结的程度划分为5个等级：(1)胶结良好；(2)胶结一般；(3)胶结差；(4)未注浆；(5)缺失。如图1所示。

图1 钻芯取样观测分布图

针对轴抗压强度试验，一共为45组。只有两组单轴抗压强度没有达到设计规范，分别为12.2 kg/cm3和及13.5 kg/cm3，其余都可以满足设计标准，单轴抗压强度值都高于21 kg/cm3，并且多数处于21 kg/cm到75 kg/cm3之间，符合设计标准。根据此施工参数，完全可以对后续所有岩溶路段实施该模式的注浆施工，效果满意且符合设计要求[4]。

5 结 论

通过对本文工程案例试验段的试验结果进行论述与分析，得出相关结论：(1)案例高速公路沿线呈现强烈的岩溶发育，而且充填性溶洞居多，基于沿线较少的结构物，如果利用桩基础处理费用极高，所以考虑诸多方案，注浆工艺是最佳的处理手段；(2)对两种常用注浆方式的研究，比较其适用条件，针对闭口型岩溶洞穴，利用脉状注浆方式可以促进浆体与岩体的握裹能力，确保其强度，是最佳的注浆方式；(3)通过试验段的注浆试验显示，利用脉状注浆可以显著提升地基的承载力，能够满足设计要求。