注浆技术在已建成高速公路岩溶塌陷处治中的应用

黄成岑

(广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530029)

注浆技术在已建成高速公路岩溶塌陷处治中的应用

黄成岑

(广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530029)

文章针对已建成高速公路出现的岩溶塌陷问题，提出采用注浆技术进行处治，进度快、成本低，可取得较好的效果，为广西类似工程处治提供参考。

高速公路，注浆技术，岩溶塌陷

0 引言

岩溶又称喀斯特，是一种不良地质现象。岩溶在我国分布广泛，全国岩溶总面积达363多万 km2，占国土面积的1/3以上，我国西南中南地区是世界上最大的连片裸露型岩溶区。岩溶区由于下伏岩溶发育，基岩形态复杂，溶洞众多且具有一定的连通性，给工程施工带来一定困难。经过岩溶区的公路、铁路线性工程建成后容易发生岩溶塌陷，对工程结构、运营安全构成重大威胁。因此，采用相应的施工方法及病害处治技术十分重要[1]。

已建成高速公路如发生岩溶塌陷，受到交通组织、施工成本、运营及社会影响等因素限制，要采取常规方法破除路面，挖开土层揭露岩溶后进行填充、跨越、封闭等方式处理极为困难。注浆处治具有占用场地小，进度快，处治成本相对较低等优势。但目前交通主管部门尚未发布岩溶注浆技术方面的规范或指南，本文总结了已建成高速公路溶岩塌陷注浆处治施工技术，为类似工程提供参考。

1 工程地质条件

本工程场地位于广西某高速公路K57+170～K57+380段，其中在K57+170～K57+350为果峦隧道口浅挖路堑， K57+350～K57+380为中山中桥桥台填土， 发生岩溶塌陷时路面施工已经完成，项目即将开通运营，在2014年7月底台风登陆暴雨后，在路面边沟、桥台搭板侧发生多个岩溶塌陷。使用地质雷达探测预报分析预测路面下多处存在溶洞。为查明路面下岩溶发育情况，设计单位根据地质超前探测预报结果进行钻探验证。

工程场地属中山山地高峰丛洼谷地，洼地切割不深，底面积比较大，剖面呈盆状，内有较厚的土层覆盖。场地构造断层较发育，为断层交汇处。主断层展布与道路走向大致相同，次断层呈近东西向。基岩为泥盆-石炭系地层，该岩组主要岩性为灰岩、白云岩。场地岩溶以垂直形态为主，断层交汇处为地下河入口，地下河大致沿次断层向东流。场地地层自上而下依次为：道路路面、填土(局部)、第四系残坡积的黏性土，含砾黏性土、下部基岩为泥盆-石炭系灰岩。勘察场地覆盖层主要为坡残积土，岩性主要为黏性土及含砾黏性土，砾石含量由上至下逐渐增加，底部砾石含量约25%～35%；黏性土及含砾黏性土多呈硬塑-可塑状，底部局部为软塑状，依据物探预报布置的钻探未遇见土洞。

场地下伏基岩为泥盆系灰岩，以浅灰-深灰中厚层至块状灰岩为主，场地基岩面埋深变化较大，浅者3～4 m，深者>20 m，平均约12 m。总体趋势是从左幅到右幅逐渐变深，从隧道口往中桥逐渐变深。灰岩裂隙溶隙较发育，岩芯多呈短柱状，常见溶孔溶隙。溶洞较发育，钻孔遇洞率约28%。多为小充填溶洞，充填物为软塑状黏性土，洞高大多为1.0 m左右。

2 塌陷原因分析

工程地质勘察发现，在挖方路段，基岩面埋深在多在2～5 m，桥头填方段最大13 m，而地下水位在路面以下16 m甚至更深，地下水位低于基岩面。据此分析判断产生岩溶塌陷的主要原因是公路工程活动改变了场地原有地表水排水格局，地表水在新的地表排水通道处通过土中裂隙、生物孔洞、石芽边缘等渗入地下岩溶通道，导致基岩上覆盖层土体饱水增重、软化，加上距离地下河较近，可能受岩溶内空间气压正负压力变化等多因素作用，土层下渗通道逐渐形成及扩大，当遇到大量地表水时，土层下渗通道可在冲蚀作用下快速扩张并最终形成塌陷。根据物探及工程地质勘察成果，设计部门提出设计变更，采用注浆工艺封闭土石界面地表水下渗通道，同时加强地表排水，消除地表水下渗冲蚀形成岩溶塌陷的风险。

3 注浆施工技术

3.1 注浆参数设计

岩溶塌陷注浆主要目的是封闭地下水以上的土石界面，形成隔水帷幕，堵住基岩面岩溶开口阻止地表水下渗，隔断地下水的浸蚀风险。其设计参数如下：

(1)深度：岩溶塌陷注浆孔主注浆段(注浆花管开孔段)为基岩面上下各2 m。注浆孔设计深度以进入基岩面2 m控制孔深，但最小孔深≥5 m，最大孔深≤17 m。

(2)孔距：注浆孔有效扩散半径在硬-可塑黏性土中按0.5 m考虑，底部近基岩面含砾黏土按1.0～1.5 m考虑，下伏基岩溶隙裂隙按4 m考虑。对于已发生岩溶塌陷部位，以岩溶塌陷坑周边外扩3.0 m为注浆范围，注浆孔有效扩散半径按3 m考虑，采用梅花形布孔。未塌陷部分在路基边沟纵向布设，避免过多钻伤沥青路面，因此孔距按3 m布孔。并与路面上原有地质钻探孔形成三角形布孔。

(3)注浆压力：注浆本处注浆以填充溶洞、裂隙，阻隔水流通道为目的，也避免对路面造成抬升。因此采用低压或无压注浆。注浆压力在岩层处0.1～0.3 MPa，土层处0.3～0.5 MPa。岩溶空洞初期采取自流无压，终注压力0.3～0.5 MPa。水沟及路面上注浆压力≤0.5 MPa，路面以外的岩溶塌陷处理可适当提高注浆压力，注浆压力控制在0.8 MPa内。

处治范围内预估注浆量Q=Vnm，主要考虑岩体的注浆体积y、孔隙率n及浆液的损失系数m，但计算结果只能是一个理论值，实际注浆量以现场注浆试验为准。

根据《注浆技术规程》(YSJ211-1992)，单孔注浆量按下式估算：

Q=AπR2Hnβ

(1)

式中：Q——浆液注入量(m3)；A——注浆损耗系数，一般取1.15～1.3；

R——注浆有效扩散半径(m)；

H——注浆段长度(m)；

n——孔隙率，取0.5%～5.0%；

β——浆液充填系数[3]。

本工程设计新钻注浆孔295个，平均孔深14m，总孔深4 130m；利用原勘察钻孔55个，预计注浆孔共350个，预估平均单孔注浆量10m3，总注浆量约3 500m3，耗用水泥约2 625t。

3.2 施工程序及工艺

本次注浆施工顺序：(1)对场地左右幅路面两侧边沟进行无压或低压注浆，充填该部位地表水下渗通道，防止地表水下渗。每一序施工按照孔距6m顺序施工，逐渐加密。发生于边沟处的岩溶塌陷注浆处理可与边沟注浆同时进行。(2)对场地勘察钻孔进行注浆。(3)土夹石边坡施工时，每一序施工按照孔距8m顺序施工，逐渐加密。(4)进行岩溶塌陷注浆处理施工时，应按先外围、后中心的施工顺序进行注浆施工。

本工程采用水、水泥作为浆液主材料。注浆用水泥采用42.5MPa普通硅酸盐水泥。水应采用清洁的地表水或地下水，避免采用污水、泥水。注浆平均水灰比采用1∶1。

钻孔施工工艺：确定孔位→钻孔→钻机移位→安放注浆管→水泥砂浆封孔口→场地清理。注浆施工工艺：人工运料→制浆→准备→注浆→封孔→孔位转移→场地清理。

3.3 终止注浆的条件

达到下述条件之一可停止注浆：

(1)孔口注浆压力维持在0.2MPa，吸浆量≤40L/min，持续30min，可以停止注浆。

(2) 达到终注压力，吸浆量<5L/min，并持续10min，可以结束灌浆。

(3)在距孔口3～5m出现帽浆点，也可以结束灌浆。

(4)单孔注浆量达到平均注浆量的1.5～2.0倍，且吸浆量明显减少时(正常值的70%以下)，也可以结束灌浆。

3.4 异常情况处理

因施工场地岩溶较发育，部分注浆孔注浆量很大，施工过程中如遇注浆量很大时可采用低压浓浆，水灰比提升至1∶0.8、1∶0.6，必要时在浆液中添加砂子，形成稀砂浆；限量、间歇8～12h注浆等方法。当注浆量达到设计平均注浆量200%，注浆表仍显示无压力，将该孔列为异常孔，暂停注浆。待路面周边全部注浆孔施工完成后，重新对异常孔进行二次注浆。在路面荷载的影响范围内，勘察钻孔揭露空洞处理方法是灌注稀砂浆充填固结。如洞深度已到地下水变化带范围内，进行充填堵塞处理有可能影响地下河通道，因此该孔处理方法是处理深度到上层充填洞，下部空洞不进行处理。

3.5 质量控制措施

施灌前，充分作好灌浆准备工作，配备充足的灌浆设备和材料，保证压力表、灌浆泵、流量计等灌浆设备的完好和准确性，确保灌浆作业连续进行；注浆严格按照程序进行，杜绝漏灌现象；及时作好资料汇总分析，适当调整施工技术参数；在灌浆过程中，如吸浆量较大，且长时间内不减少，可采取增大浆液黏度，或使用间歇灌浆处理；在灌浆中，如发现有串浆现象，如串浆量小，可不处理；如串浆量较大，可采用降低压力、灌注浓浆等方法处理；在注浆过程中，安排专人进行变形观测，当变形值接近允许值时及时通知记录员，以便采取降压等措施进行处理，并做好详细记录、及时向监理工程师报告；所有材料都进行验收抽检，不合格的材料不准用在工程上。安排人员对水泥进场、消耗量进行全过程动态监控。

4 注浆效果检测

岩溶注浆常用的质量检测方法为：钻孔注水、钻孔取芯、电磁波ct等。取芯为眼观鉴别定性检测，注水试验可定量检测。根据本工程情况采取取芯和注水相结合方式进行。本工程设计要求抽取3%的孔位进行抽芯及注水试验[2，3]。

4.1 取芯检查

取芯检测孔均位于两注浆孔之间，距注浆孔约1.5m。在软-流塑黏性土中，注浆液充填置换软-流塑黏性土，形成块状水泥结石体，该部位芯样呈整体致密坚硬的水泥结石体。在含砾黏性土中，注浆液沿土层中孔隙裂隙渗透充填，该部位芯样中有片状致密坚硬的水泥结石体。在基岩地层中，因岩溶裂隙以垂直发育为主，由于地质体的各向异性和不均匀性，导致水泥浆液渗透方向和注入量的不定性，因此钻孔取芯观察水泥结石率具有一定的偶然性。本次检测孔在基岩段多为较完整基岩，检测孔芯样有灰岩裂隙间致密坚硬的水泥结石体，将灰岩良好胶结成整体，大小裂隙均充填良好[2]。

4.2 注水试验

参照高铁有关规定，注水试验亦有2种评价方式。(1)基岩溶整治技术压水试验检测通常是以注浆前后的透水率比值(≤1/10)作为合格评价；(2)《铁路特殊路基设计规范》推荐注浆后岩体的单位吸水量合格标准(<42Lu)，根据西南交通大学的研究，以注浆前后透水率或注浆吸浆率比值作为合格与否的评价尺度时，透水率较大的高危区合格标准要求相对不足，路基仍存在潜在危险性；对于透水率<100Lu以微裂隙为主的低风险区则要求相对过高，施工技术难度大，难以达到[2]。

因此，本工程采取《铁路特殊路基设计规范》推荐注浆后岩体的单位吸水量作为合格标准。注水试验参照《水利电力工程注水试验规程》(SL345-2007)进行，结合相关规程规范整理计算，取得路基岩土体注浆后渗透系数K、透水率Lu、单位吸水量ω并参照相关规程规范综合评定注浆施工效果。注水试验结果表明：本工程注浆后路基岩土渗透系数K为10-4～10-6，渗透系数平均值为1.3×10-4，岩土渗透性等级为弱透水至微透水；注浆后路基岩土透水率Lu为0.74～40.47，平均值为16；注浆后单位吸水量ω为0.01～0.41，平均值为0.16。参照铁路“路基岩土体注浆质量检测标准”，注浆后岩层单位吸水量满足<0.42(即42lu)的要求，评定为合格。

5 结语

针对高速公路建成后发生多个岩溶塌陷的问题，进行地质超前探测及地质钻探，并通过注浆技术对岩溶塌陷路段进行处治。结果表明，注浆处治技术经济可行，处理费用与挖开处治相比，估算费用不及后者的40%，从检测及运营后的观测结果看，处理效果良好，可为类似工程病害的处治提供参考。

[1]王 浩.蒙新高速公路岩溶路基处治技术[J].公路交通科技，2008(5)：7-8.

[2]GB500212001，岩土工程勘察规范(2009年版)[S].

[3]孙健家，汪水清.铁路岩溶路基与注浆技术[M].北京：中国铁道出版社，2014.

Application of Grouting Technology in Karst Collapse Treatment of Comple-ted Expressways

HUANG Cheng-cen

(Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530029)

Regarding the karst collapse problem of completed expressways，this article proposed the treatment by using the grouting technology，with fast progress and low cost，which can achieve better results，thereby providing the reference for similar engineering treatment in Guangxi.

Expressway，Grouting technology，Karst collapse

黄成岑(1972—)，高级工程师，从事高速公路建设管理工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.014

1673-4874(2015)07-0059-04

2015-05-02