葉中兵

(中鐵十八局集團(tuán)公司石武客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)河南段項(xiàng)目部,河南駐馬店 463200)

1 概述

石武鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)河南段,鄭州至信陽(yáng)段主要通過(guò)黃淮沖積平原區(qū),局部為剝蝕丘陵、崗地及風(fēng)成地貌。黃淮沖積平原,地形平坦、開(kāi)闊,地勢(shì)向東南微傾,支流水系發(fā)育,地面高程60～100 m;丘陵崗地主要分布在確山縣中南部及信陽(yáng)淮河與獅河之間,地面高程80～200 m,相對(duì)高差10～80 m;風(fēng)成沙丘分布于南曹至新鄭間,呈條帶狀分布,為黃河泛濫區(qū)經(jīng)風(fēng)積形成,地面高程110～160 m,相對(duì)高差3～10 m。

從地質(zhì)條件來(lái)看,部分段落為巖溶路基,上覆角礫土層,下伏風(fēng)化灰?guī)r,巖溶及裂隙發(fā)育。設(shè)計(jì)采用巖溶注漿加固,其工作原理是在土石界面處壓漿封堵固化淺部巖溶(溶洞、溶蝕、裂隙)和地下水侵蝕作用形成的土洞,填充土中的空隙,形成水平帷幕封堵地下水通道,隔斷地下水對(duì)持力層的影響,達(dá)到加固持力層地基的目的,防止沉陷,確保行車(chē)安全。

為確保地基加固質(zhì)量,選定DK932+300～DK932+400段為注漿試驗(yàn)段,通過(guò)試驗(yàn)選定注漿施工工藝、施工機(jī)具、各種注漿參數(shù)等技術(shù)指標(biāo),進(jìn)而推廣到全標(biāo)段施工。

目前,我標(biāo)段巖溶注漿工作基本結(jié)束,通過(guò)注漿前后注水試驗(yàn)及物探檢測(cè)顯示,注漿孔的漿液充分?jǐn)U散填充了溶蝕裂隙和溶洞,改變了巖土結(jié)構(gòu),提高了強(qiáng)度,堵塞了地下水的滲透和潛蝕通道,注漿效果十分明顯,從根本上消除了形成溶蝕塌陷的因素,滿(mǎn)足路基加固質(zhì)量要求。

2 施工工藝

2.1 施工設(shè)備的選定

2.1.1 鉆機(jī)機(jī)械

鉆機(jī)參數(shù)如表1所示,滿(mǎn)足注漿孔的大小、深度及地質(zhì)情況要求。

表1 鉆機(jī)參數(shù)

2.1.2 注漿機(jī)械

注漿泵參數(shù)如表2所示,其具有泵體抗腐蝕材料,壓力大,流量大,體積小,質(zhì)量輕,搬運(yùn)方便的特性,滿(mǎn)足注漿工藝要求。

表2 注漿泵參數(shù)

2.2 注漿施工工藝流程(圖1)

在施工過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng):

(1)鉆進(jìn)過(guò)程中遇巖層破碎造成卡鉆,應(yīng)停止鉆進(jìn),進(jìn)行掃孔后再行鉆進(jìn);

(2)注漿時(shí)當(dāng)遇到鉆孔串漿時(shí),采用間隔1孔或幾孔注漿方式,并將被串漿孔同時(shí)注漿或封堵;

(3)在注漿過(guò)程中遇到冒漿時(shí),如冒漿點(diǎn)在3～5 m以外,則根據(jù)注漿終止條件可結(jié)束注漿。如冒漿點(diǎn)在3 m以?xún)?nèi),采用開(kāi)挖填堵水泥或水泥+水玻璃降低注漿壓力;

圖1 注漿施工工藝流程

(4)注漿量和注漿壓力是注漿施工的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù),一般規(guī)律是:初始階段壓力較低,注入量較大;正常階段壓力和注入量呈小的波浪式起伏狀態(tài),但總的比較平穩(wěn);壓密注滿(mǎn)階段注入量迅速遞減而壓力迅速升高;在注漿中根據(jù)設(shè)計(jì)注漿量和壓力按照上述規(guī)律進(jìn)行控制。

2.3 注漿施工工藝參數(shù)的選定

2.3.1 注漿材料的選定

正確地選用漿液是確保注漿效果的關(guān)鍵。根據(jù)地質(zhì)鉆探情況,選擇水泥漿液,采用32.5級(jí)硅酸鹽水泥。水泥基漿液分為3類(lèi):純水泥漿液、純水泥漿液+水玻璃漿液、中粗砂+水泥漿液和水泥+水玻璃漿液。施工表明,純水泥漿液為懸濁液,適用于巖石裂縫的填充補(bǔ)強(qiáng),也適合填充空洞。若遇空的巖溶通道、較大溶洞和裂隙處,視具體情況先灌入中粗砂或水泥砂漿對(duì)溶蝕腔體進(jìn)行充填,再采用水泥漿液或水泥+水玻璃漿液。

水泥漿液隨著水灰比的增大,漿液的黏度、密度、結(jié)石率、抗壓強(qiáng)度都有十分明顯的降低,初凝、終凝時(shí)間增長(zhǎng)。試驗(yàn)段施工表明:水灰比應(yīng)控制在0.8～1.0,并且以0.8為主,此時(shí)漿液的黏度、結(jié)石強(qiáng)度及滲透系數(shù)均能滿(mǎn)足施工要求,效果很好。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定,溫度27～35℃,初凝時(shí)間120～240 min,如表3所示。

表3 水泥漿液凝結(jié)時(shí)間

施工中漿液的攪拌時(shí)間不少于30 s,使其均勻拌和。但攪拌時(shí)間也不能過(guò)長(zhǎng),因?yàn)闈{液的黏度與攪拌時(shí)間成正比,結(jié)石強(qiáng)度卻與攪拌時(shí)間成反比,攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成水泥水化形成的凝膠結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。實(shí)際施工中漿液攪拌時(shí)間30 s后即使用,使用前用比重計(jì)測(cè)定漿液的配比濃度,并做好施工記錄。

水泥砂漿液中,水∶水泥∶砂一般控制在(0.8～1.0)∶1.0∶1.0。水泥加水玻璃漿液克服了純水泥漿液凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng),結(jié)石率低等缺點(diǎn),提高了注漿效果。水玻璃摻入量是水泥量的8%～20%,混合漿液質(zhì)量配比是:水∶水泥∶水玻璃約為(0.8～1.0)∶1∶(0.08～0.20),水玻璃波美度為38～43Be′。施工表明:水玻璃能顯著加快水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定,水灰比0.8～1.0,水玻璃摻入量2%～20%,波美度38～43Be′,溫度27～35℃時(shí),水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間20～80min。

水泥加水玻璃漿液如果膠凝時(shí)間過(guò)短,不能滿(mǎn)足施工要求時(shí),可加入緩凝劑,抑制水泥和水玻璃反應(yīng)速度,控制調(diào)節(jié)水泥+水玻璃漿液凝結(jié)時(shí)間,提高漿液的滲透力,增大漿液擴(kuò)散距離。采用磷酸二氫鈉做緩凝劑效果很好。緩凝劑用量按水泥質(zhì)量的2.5%～3.0%選定為好。這個(gè)用量既可增長(zhǎng)凝膠時(shí)間,使水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間調(diào)整,又能確保固結(jié)強(qiáng)度不顯著下降。使用緩凝劑時(shí)應(yīng)注意加料順序、攪拌時(shí)間和放置時(shí)間。加料順序?yàn)?水→緩凝劑→水泥,攪拌時(shí)間應(yīng)不少于5 min,放置時(shí)間不宜超過(guò)30min。

水泥水化過(guò)程中大約需要自身質(zhì)量25%的水,按水灰比0.8～1.0計(jì)算,有55%～75%的水屬于多余的。它僅用于漿液輸送,將水泥顆粒載運(yùn)到預(yù)定地點(diǎn)后,多余的水分就應(yīng)排出。由于基巖堅(jiān)硬,上覆不透水的黏土,水泥漿不能固結(jié)排水,多余的水分是通過(guò)沉積層頂部微小的縫隙內(nèi)以清水形式流到路基外,或與水玻璃反應(yīng)形成晶體。

2.3.2 注漿壓力的選定

在注漿過(guò)程中對(duì)于注漿壓力參數(shù)控制相當(dāng)重要,它直接影響注漿質(zhì)量。施工中當(dāng)巖溶一般發(fā)育時(shí),采用注漿壓力0.3～0.5 MPa,當(dāng)巖溶極發(fā)育時(shí),采用注漿壓力0.1～0.3 MPa,上述壓力能夠滿(mǎn)足注漿要求。注漿壓力在巖土界面附近可逐漸加大,最大注漿壓力不得超過(guò)0.8～1.0 MPa。在注漿過(guò)程中遇到冒漿時(shí),如冒漿點(diǎn)在3～5 m以外,則根據(jù)注漿終止條件可結(jié)束注漿。如冒漿點(diǎn)在3 m以?xún)?nèi),采用開(kāi)挖填堵水泥或水泥+水玻璃,降低注漿壓力措施。當(dāng)遇到鉆孔串漿時(shí),可將被串漿孔同時(shí)注漿或封堵被串漿孔。

理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知:基巖上部黏土劈裂注漿的初始注漿壓力值 P0稍大于2倍土層質(zhì)量的壓力,在該壓力作用下軟黏土開(kāi)始產(chǎn)生劈裂。當(dāng)注漿壓力達(dá)到P0后,進(jìn)入劈裂注漿的劈裂流動(dòng)階段,隨后壓力降低,裂縫發(fā)展到一定程度之后,注漿壓力又重新上升進(jìn)入劈裂注漿的被動(dòng)土壓力階段。這時(shí)需要有更大的注漿壓力才能使土中裂隙加寬或產(chǎn)生新的裂縫,出現(xiàn)第二個(gè)壓力峰值,在產(chǎn)生水平劈裂后形成水平方向的漿脈時(shí),就可能使基礎(chǔ)上抬。基礎(chǔ)上抬會(huì)破壞上部硬殼結(jié)構(gòu),特別是土層抬升會(huì)引起注漿范圍內(nèi)的CFG樁或樹(shù)根樁上移斷裂,因此應(yīng)控制注漿壓力盡可能減少地表抬升變形。實(shí)際施工中注漿最大壓力控制在0.8～1.0 MPa。

2.3.3 樁位布置

采用坐標(biāo)和鋼尺相結(jié)合的辦法確定樁位。

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)樁位,用全站儀在路基斷面內(nèi)每20～30m施放定位控制樁;

(2)根據(jù)施工平面布置圖及定位控制樁,用鋼尺逐樁放樣,并打入竹片定位。

用上述方法布置樁位,樁偏差小于50 mm,滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.3.4 鉆機(jī)垂直度控制

現(xiàn)場(chǎng)采用錘球法控制鉆機(jī)垂直度,此法簡(jiǎn)單實(shí)用,能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 注漿效果檢驗(yàn)

3.1 注水(壓水)試驗(yàn)和驗(yàn)證鉆孔

注漿后,以總孔數(shù)5%作注水(壓水)試驗(yàn),壓水試驗(yàn)結(jié)果表明:注漿后再壓水時(shí)壓水壓力陡升。注水試驗(yàn)單位長(zhǎng)度吸水量?jī)H為注漿前的1%～2%,注漿效果明顯。合格率100%。

通過(guò)鉆取巖芯檢查漿液充填情況,灰?guī)r中的節(jié)理裂隙為水泥填充,溶洞中鉆出柱狀水泥塊。

3.2 物探檢測(cè)

由中國(guó)科學(xué)研究院武漢巖土力學(xué)研究所對(duì)注漿試驗(yàn)段進(jìn)行物探檢測(cè),注漿效果明顯。

以試驗(yàn)段DK932+300～DK932+400為例,該段的覆蓋層厚度在15～17 m,同一場(chǎng)地的未注漿部分,覆蓋層電阻率在35～120 Ω?m,試驗(yàn)段經(jīng)注漿后,在15～17 m深度范圍內(nèi),電阻率在40～140 Ω?m。兩者相比較,在覆蓋層內(nèi),注漿段比未注漿段電阻率值提高10%～20%。

注漿段 17 m以下為基巖,電阻率值在 140～1 800 Ω?m。該段基巖面有一定的起伏,基巖面下約6 m范圍內(nèi)電阻率在140～450 Ω?m,反應(yīng)出基巖表層有風(fēng)化或巖溶裂隙,電阻率等值線(xiàn)呈水平近似平行分布,說(shuō)明注漿雖然沒(méi)使巖石電阻率有明顯提高,但對(duì)基巖表層變得相對(duì)均勻方面起了一定的作用,基巖面6 m以下電阻率絕對(duì)值大于450 Ω?m,電阻率等值線(xiàn)呈水平層狀,并快速增大,反映出注漿區(qū)下部基巖整體較為完整。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工問(wèn)題及處理

4.1 溶洞處理措施

通過(guò)先導(dǎo)孔探明溶洞發(fā)育情況,根據(jù)溶洞發(fā)育的特點(diǎn),可將其分為 3類(lèi):輕微溶蝕、一般溶洞、復(fù)雜溶洞。由于巖溶發(fā)育復(fù)雜,對(duì)于溶洞注漿處理,應(yīng)遵循先易后難的施工原則,即先處理輕微溶蝕或一般溶洞,基本摸清溶洞發(fā)育情況后,再處理復(fù)雜溶洞。據(jù)其特點(diǎn)采用相應(yīng)的施工方案。

(1)輕微溶蝕

輕微溶蝕是指節(jié)理巖體、節(jié)理化巖體、巖溶發(fā)育輕微及封閉的比較小的溶洞。該類(lèi)輕微溶蝕吸漿量一般比較小,適合于單液注漿工法。若洞內(nèi)無(wú)填充物或填充物不滿(mǎn)時(shí),注漿開(kāi)始及前期注漿量較大,可適當(dāng)添加中粗砂擠密填筑溶洞,直至停止漏漿;若充填物呈松散或軟塑,或已固結(jié)呈硬塑狀態(tài)時(shí),直接注漿固結(jié)即可。

(2)一般溶洞

一般溶洞是指溶洞發(fā)育明顯,無(wú)大裂隙穿過(guò),鉆機(jī)注漿孔鉆進(jìn)成孔施工時(shí),鉆進(jìn)冷卻水和泥漿會(huì)明顯瀉漏,需及時(shí)補(bǔ)充。處理方法是施工時(shí)鉆機(jī)鉆孔穿過(guò)溶洞至溶洞底部后,再鉆進(jìn)1.0 m;首先選用單液注漿,并且添加中粗砂擠密填筑溶洞;如果注漿流量較大或注漿量超過(guò)設(shè)計(jì)量1.5倍,改用雙液注漿工法。

(3)復(fù)雜溶洞

復(fù)雜溶洞是指溶洞發(fā)育明顯或斷裂帶高度發(fā)育地區(qū),并有明顯裂隙,空隙相當(dāng)發(fā)育、分布廣泛、孔徑大、連通性好,鉆機(jī)注漿孔鉆進(jìn)成孔施工時(shí),鉆進(jìn)冷卻水和泥漿泄漏漿嚴(yán)重。處理方法是施工時(shí)鉆機(jī)鉆孔穿過(guò)溶洞至溶洞底部后,再鉆進(jìn)1.0 m;先進(jìn)行溶洞內(nèi)的充填加固,將溶洞用水泥、中粗砂灰漿填滿(mǎn),該地區(qū)吸漿量一般均比較大,注漿采用雙液注漿工法。

對(duì)于較大溶洞、大裂隙,漿液遇水易稀釋而不易固結(jié),在動(dòng)水或大溶洞、裂隙中,甚至多年不固結(jié),很難形成整體的堵水帷幕,因而會(huì)導(dǎo)致注漿帷幕的堵水效率低,通過(guò)注漿孔觀察發(fā)現(xiàn)地下水位較高時(shí),漿液濃度可先稀后稠,適當(dāng)降低水灰比,提高漿液濃度;對(duì)于較大溶洞,水泥或雙液漿液以膠結(jié)方式充填于地下裂隙中并將其膠結(jié)起來(lái),對(duì)裂隙起封閉作用,因固化后所形成結(jié)石體積較大,因而注漿應(yīng)在預(yù)應(yīng)力管樁后續(xù)施工,以避免管樁施工振動(dòng)。

4.2 根據(jù)擴(kuò)散半徑調(diào)整注漿壓力

所謂擴(kuò)散半徑,并非漿液最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離,而是符合設(shè)計(jì)要求的擴(kuò)散距離。在試驗(yàn)過(guò)程中鉆孔取芯觀察,在0.1～0.3 MPa的注漿壓力下,由于注漿壓力低,壓力穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間短,在灰?guī)r與土層交接面,擴(kuò)散半徑約為1 m;在有充填的溶洞中,擴(kuò)散半徑受到巖溶裂隙的充填程度、發(fā)育方向及連通程度的影響,擴(kuò)散距離大小不等,在紅黏土層,擴(kuò)散半徑為50～80 cm,未有效形成帷幕。后將注漿壓力提高到0.6～0.8 MPa,擴(kuò)散半徑大幅提高,在孔與孔之間形成了交叉區(qū)域,基本保證了帷幕的形成。

5 結(jié)語(yǔ)

從石武客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)DK932+300～DK932+400段路基巖溶注漿效果來(lái)看,注漿后形成的新土體和帷幕有效地保證了地層的穩(wěn)定,在地基加固中取得了預(yù)期的效果。施工過(guò)程中得到了如下體會(huì)。

(1)巖溶發(fā)育區(qū)地質(zhì)情況是十分復(fù)雜的,注漿過(guò)程中反映出的不同現(xiàn)象需要分析判定并采取相應(yīng)措施。判定不同現(xiàn)象的主要依據(jù)是鉆孔記錄、注漿壓力、注漿數(shù)量、冒漿情況等,這些數(shù)據(jù)應(yīng)集中綜合分析,不能只看一項(xiàng)數(shù)據(jù)而確定措施。

(2)注漿過(guò)程是控制整個(gè)巖溶注漿質(zhì)量的關(guān)鍵,是重點(diǎn)控制的過(guò)程。注漿工藝必須按照試驗(yàn)先行的原則進(jìn)行工藝性試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)確定設(shè)備參數(shù)、漿液配合比等,注漿過(guò)程控制重點(diǎn)是壓力和流量,應(yīng)指派專(zhuān)人實(shí)施監(jiān)控。

(3)注漿過(guò)程中相關(guān)問(wèn)題的處理是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素,對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題要及時(shí)采取有效措施加以解決。

(4)注漿施工完成后要及時(shí)組織檢測(cè),對(duì)不合格點(diǎn)要補(bǔ)充注漿。

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