钢花管注浆加固技术在软土路基裂缝及涵洞沉降病害中的应用

秘文辉

（中铁交通投资集团有限公司，广西 南宁 530219）

0 引言

高速公路管养中汇水段路基沉降，是诱发路面病害的重要因素，根据工程情况差异，治理方案主要采取桥梁跨越或软土地基处理[1]。但受建设工程成本及岩土体转运问题等条件制约，软土地基处理常成为汇水路段路基处理的首选。然而，在软土路基处理过程中，由于受地质勘探技术及路基处置技术等多方面限制，使得软土路基处置后，呈现出复合地基的特点，其破坏形式表现为刺入破坏、滑动破坏、鼓胀破坏及整体剪切破坏[2]。随之而来的则是路基不均匀沉降及路基各类变形破坏，并逐渐反射至路面，导致各类病害问题频发。

一些学者对此开展了研究，陈洪涛等[3]选取岩溶软土地区高速公路三维有限差分模型，并设计正交试验，研究了CFG 桩复合地基设计参数对软土路基不均匀沉降的敏感性；刘光明[4]在总结了软土地基公路路基加宽工程差异沉降特征和影响因素及常规处治措施后，就降低市政道路加宽工程差异沉降提出了新的处治思路；杨瑞芳等[5]建立了混沌遗传算法优化下的GRNN 预测分析模型，并运用于预测高速公路软土路基不均匀沉降；谢剑康等[6]采用Geostudio 有限元软件对软土路基沉降进行有限元数值模拟，并对软土地基上路基不均匀沉降的趋势进行预测，其模拟结果显示：路基沉降先快后慢，在竖向位移的基础上，存在一定的侧向位移。上述研究对认识和揭示软土地基不均匀沉降机理，提供了重要的理论依据。然而，上述研究结论在获取时，仅针对某一具体的施工方法或某些数学理论模型和有限元模拟，缺乏实际工程效果的检验。为此，本文基于实际工程，针对高速公路管养过程中发现的路基裂缝及涵洞沉降病害，采取钢花管注浆加固技术手段，对裂缝和沉降位置进行处治，并就钢花管施工前后的路基沉降和地表侧向位移进行监测，以分析钢花管注浆加固处治效果。本文依托实际工程，可为相似工程中路基裂缝及涵洞沉降处治提供一定的指导意义。

1 工程背景

调查发现，高速公路病害路段位于河流冲洪积区，第四系覆盖层相对较厚，且分布有淤泥质软土，属地质、地形地貌、水文地质条件较复杂的工程区。进一步调查发现，在K168+200～K168+320 段内附近，分布有大小不等的各类鱼塘，塘内存在0.5～10m 厚的软弱土层，且表现为流塑-软塑状。通车5 年后，在道路管养过程中发现：在K168+230 盖板涵进水口路段前后出现纵向裂缝，并在涵洞左幅洞口发生不均匀沉降。其中，在K168+190～K168+304 左幅路段出现纵向裂缝3 条，缝长115m、宽0.5～1.0cm；在K168+205～K168+260 左幅路面出现纵向裂缝2 条，缝长56m、宽0.5～1.0cm。同时，在K168+230 处涵洞位置，涵洞左幅和右幅进水口端基础部位分别下沉约0.2m 和0.1m，涵洞墙身发生不均匀沉降，错台约5cm，涵洞顶部路面沉降约10cm。

2 软土路基病害分析

2.1 病害成因分析

为探明病害路段路基深部工程地质状况，经现场钻芯检测，对病害路段进行补充地质钻探。采用XY-2型液压钻机对K168+190～K168+304 段病害路基进行补充工程地质勘察，完成地质钻孔25 个，详勘钻孔3个，钻探孔总进尺760.8m，取得原状试样30 件，完成室内土工试验30 组，标贯试验75 次，以查明场区工程地质条件，为病害机理分析及处治方案提供依据。

地质钻勘结果显示：在病害路段勘察深度内，主要存在素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、弱泥炭质土、强风化灰岩、全风化泥质砂岩、强风化炭质页岩和全风化泥质页岩等（图1）。

图1 病害路段补充地质钻勘结果

2.2 病害结果分析

室内土工试验测试结果显示：病害路段路基土层存在“三高”，即含水率高（12.5%＜＜124.4%）、孔隙率高（1.2＜＜4.245）、有机质含量高（6.65%～34.67%），且含较多中-高压缩性土，压缩系数在0.5～2.86 之间，路基土承载能力较弱。

地质剖面结果进一步显示：在岩土界面上等高线起伏较大，在路基左侧土体中存在较多软-流塑状态的淤泥质-泥炭质土，导致路基整体左侧下沉。另外，区段内地下水位较浅，且在涵洞范围内存在泉眼，加上地基中存在的软弱夹层，极不利于路基整体稳定。同时，据区域气象资料显示，病害路段所在区域雨量充沛、暴雨频发，并伴有持续集中强降雨，加之局部坡面和排水沟被冲毁，使得大量雨水沿坡面下渗进入坡体，致使坡体下部地下水位抬升，坡体内部孔隙水压力增大，内部软弱夹层因吸水而逐渐形成软化带。

进一步调查发现，在病害路段路基施工时期，路基施工受当地征地拆迁进度影响，区段路基施工间隔时间较长，导致病害路段先后填筑路基的工后沉降不一致，进而诱发路面结构底基层出现反射裂缝，并逐渐贯穿至下基层，形成局部纵向开裂。在道路通车后，在交通荷载及外部环境的综合影响下，基层纵向裂缝反射至面层，形成反射缝。

总之，对现有资料分析发现：由于病害路段地基底层保留有较厚的淤泥质粉质黏土层，且在涵洞范围内残留泉眼，加之地基内尚留软弱夹层，基岩面起伏较大，导致软弱土层分布不均，在交通荷载及外部降雨作用下，路基产生不均匀沉降，故产生路基裂缝并延伸至水泥稳定碎石下基层，并逐渐反射至路面表层，形成反射裂缝。

3 软土路基病害处治

3.1 路基沉降处治

根据病害路段现场勘查及地质补充勘测，参考国内外既有处治技术和工程实际情况，针对病害路段路基沉降，拟采用钢花管注浆加固技术[7-9]对其进行加固。

图2 路基钢花管注浆孔布置示意

（2）待一级平台钢花管注浆完成后，在钢花管顶部浇筑宽4.5m、厚30cm 的混凝土板。

（3）当坡体基岩为中风化岩层时，钢花管插入基岩深度应＞1.5m；若基岩为强风化岩层时，其钢花管进入基岩深度应＞2.0m。

（4）在钢花管施工期间及开通运营后，还需定期巡查、监测，且在处治过程中，应密切关注路基沉降和边坡侧向位移情况。

3.2 涵洞沉降处治

根据病害路段现场勘查及地质补充勘测，参考国内外既有处治技术和工程实际情况，对病害路段涵洞沉降问题拟采用如下加固处治方案[10-12]：

在左侧路基范围内，按横、纵向间距1.5m×1.5m 布置4 排梅花型108mm 钢花管，并注入水泥浆（图3）。水泥浆采用P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，一次注浆为压密注浆，水灰比0.7；二次注浆为劈裂注浆，水灰比为1。水泥浆用量按0.2m3/m 控制，注浆压力0.8～1MPa。当路基为换填路段时，注浆深度应深入基岩≥2m。同时，在钢花管施工期间和道路运营期间，应定期巡查、监测，密切关注涵洞变形情况。

图3 涵洞位置钢花管注浆孔布置示意

3.3 防反射裂缝措施

为保证K168+190～K168+304 段内钢筋混凝土板与沥青面层间的黏结效果，也为减少由于纵缝、横缝及施工缝不均匀沉降而引起沥青面层产生反射裂缝。在中面层和下基层间，铺设无碱自粘式玻璃纤维土工格栅（图4），其碱金属氧化物含量≤0.8%，极限伸长率≤4%，极限抗拉强度≥50kN/m，且经1h 的170℃热处理后，其经、纬向拉伸断裂强度≥原强度的90%。

图4 无碱自粘式玻璃纤维土工格栅

4 沉降及侧向位移监测分析

4.1 沉降监测分析

为检测钢花管注浆加固技术的加固效果，在病害路段K168+190～K168+304 范围内K168+230 和K168+250 坡脚边坡和一级边坡平台位置，分别设置一组测斜点，用以监测钢花管施工前后路基沉降差异。钢花管注浆加固施工前，自2018 年7 月至9 月对病害路段路基沉降状况进行监测，其沉降-时间曲线如图5 所示。由图5 可知，K168+250 左幅和K168+268 右幅沉降监测结果显示：K168+250 左幅段在监测周期内所有观测点的累计沉降量均已＞10mm，其中，最大沉降点在K168+250 左幅段的中心观测点附近，其累计沉降量近18mm，且有持续发展的趋势，K168+268 右幅段，在监测周期内各观测点的累计沉降量小于K168+250 左幅路段，导致病害路段左幅纵向裂缝多余右幅，其右路肩累计沉降量＞中心点≥左路肩。

图5 钢花管注浆施工前病害路基沉降监测

钢花管注浆施工完成后，由于现场施工损坏了原有的部分监测点，故选择病害路段K168+190～K168+304 范围内的K168+230、K168+242 和K168+254 三处监测断面的左侧沉降点，作为新的地表位移监测点，其沉降-时间曲线如图6 所示。

图6 钢花管注浆施工后路基沉降监测

由图6 可知，钢花管注浆施工后K168+230、K168+242 和K168+254 三处监测点的累计沉降量均＜10mm，路基沉降监测最大点在左幅K168+254 断面左侧；最大沉降量2mm，平均沉降速率0.25mm/d。在监测期最后一周内，K168+230 断面所有监测点的累计沉降量均为0；K168+242 断面左路肩监测点和右路肩监测点的累计沉降量为0，中心监测点的累计沉降量为1mm；K168+254 断面左路肩监测点和右路肩监测点的累计沉降量约1mm，中心监测点的累计沉降量约2mm。

综上分析，病害路段在钢花管注浆施工完成后，其路基地表沉降量迅速减小，沉降速率大幅降低，加固效果明显。

4.2 侧向位移监测分析

为检测钢花管注浆加固技术对侧向位移的抑制效果，在病害路段K168+190～K168+304 范围内的K168+230 和K168+250 处分别设置一组检测点，用以监测钢花管注浆施工前后地表侧向位移差异。钢花管注浆加固施工前，其位移-深度曲线如图7 所示。

由图7 可知，钢花管施工前K168+230 和K168+250左幅断面的侧向位移均呈现增长趋势，且现有的K168+231 左幅监测孔侧向位移偏量仍在不断增大。结合现场病害特征及监测数据可以判断，K168+230～K168+265 左幅段换填路基目前仍处于欠稳定状态，其变形仍将继续发展。此外，从图7 还可发现：在K168+230 左幅坡脚6m位置和一级平台9m 位置处其侧向位移量最大；在K168+250 左幅坡脚9m 位置出现“拐点”，其一级平台深层侧向11m 处位移量最大。

图7 钢花管施工前侧向位移监测

钢花管注浆加固施工完成后，由于现场施工损坏了原有的部分监测点，故选择病害路段K168+190～K168+304 范围内的K168+230、K168+242 和K168+254 监测断面的左侧沉降点作为新的地表侧向位移监测点。同时，又在路堤边坡K168+240 位置新增一组深部位移监测孔，其位移-时间曲线和位移-深度曲线如图8 所示。

图8 钢花管施工后侧向位移监测

由图8 知，一级平台在钢花管施工完成后其深部侧向位移变化量明显减小。进一步分析发现：钢花管注浆施工完成后，其测点处的地表侧向位移均较小，监测断面侧向位移总量＜2.47mm，总体位移速率＜0.1mm/d，且变化速率较小，满足相关要求，钢花管注浆加固效果明显。

5 结束语

本文对高速公路管养中不良地质条件诱发的涵洞及路基沉降病害展开研究，针对病害路基和涵洞不均匀沉降，利用钢花管注浆加固技术对病害路段进行处治，并对路基沉降和地表侧向位移进行实时监测，得到以下结论：

（1）通过地质钻孔及室内土工试验发现，较厚的淤泥质粉质黏土、弱泥炭质土及“三高”不良地质土层（含水率高、空隙率高和有机质含量高）是诱发高速公路水泥稳定碎石下基层产生不均匀沉降，并导致路基开裂的主要原因。

（2）病害路段范围内存在的素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、弱泥炭质土、强风化灰岩、全风化泥质砂岩、强风化炭质页岩和全风化泥质页岩等不良深部地层弱化了地基承载力。同时，路基左侧土体的软-流塑状态淤泥质土和涵洞范围内的泉眼涌水，在交通荷载及外部环境的共同作用下，引发病害路段路基整体左侧下沉及涵洞不均匀沉降。

（3）对钢花管注浆加固技术施工前后的路基沉降及地表侧向位移监测结果显示：采用钢花管注浆加固技术可使病害路基地表沉降量迅速减小，沉降速率大幅降低，地表和深部侧向位移变化量明显减小，变化速率显著降低，加固效果明显。