河池水任至南宁高速公路岩溶路基试验段注浆施工技术分析

摘要：文章以河池水任至南宁高速公路路基施工为例，阐述了岩溶路基的发生机理，调查了其岩溶发育的状态，并通过多种处理方法的比较分析，得出采用注浆工艺的最终处理方案。

关键词：公路;岩溶路基;注浆;施工

文献标识码：U416.04-A-16-046-4

0 引言

广西地区湿热多雨，且多为山地，对岩溶现象的发育起到了良好的促进作用。所谓“桂林山水甲天下”，也多是由于岩溶地貌所带来的美名。而在工程领域中，岩溶则不是那么的友好，其制约了诸多工程的施工与设计，造成了大量的工程投资浪费，属于极其不利的工程地质现象。故在交通大发展的今天，针对广西地区岩溶现象，越来越多的学者和专家都投身于其中，力图在施工可行、经济合理的条件下，一次性解决岩溶灾害，加快广西的公路建设。

1 项目概况

河池水任至南宁高速公路都安至南宁段全长139.95 km，路线起于广西河池市都安县，经地苏乡，跨越红水河进入马山县;经乔利乡、林圩乡，进入南宁市武鸣区;经府城镇、城东乡、城厢镇、宁武乡、甘圩镇，终于南宁三岸。沿线山岭起伏，有典型的喀斯特岩溶地形、膨胀土、湿地、软基，也有石山区，堪称广西地质的“标本集”。

2 岩溶发育评价

工程场地岩溶较发育，岩溶各向异性明显，竖向、侧向溶蚀交替出现，沿其岩溶发育走向、倾向追踪呈条带状分布特点较明显，以垂直溶蚀为主[1]。工程场地岩溶形态发育特征如下：

（1）基岩表面溶蚀：基岩表面经长期溶蚀风化，形成由溶槽、溶沟、石芽组成的起伏面，是在古地貌基础上发育的结果。

（2）溶洞（垂直高度>0.5 m）：钻孔遇到的溶洞有32个（见表1），占洞隙的86.0%。其中绝大部分为全充填或半充填，充填物为可塑-软塑状红黏土，局部由风化碎块充填。

3 路基处理方式选择

考虑到本项目桥梁等结构物较少，均以填方或挖方路基为主，为综合协调施工可行性、便利性、经济性等因素，拟决定在结构物处采用桩基础，而路基段需另外考虑其他施工方案[2]。综合常用的路基处理方案，换填及强夯均容易造成岩溶顶板塌陷，且工程量较大，不适应本项目;复合地基方案则由于地下孔洞较多，无法成桩，或施工期间钻头易坠，也不合理。故根据本项目岩溶规模较小、溶蚀率较高的特征，拟采用注浆进行地基处理，既能封堵水的进出通道，避免路基下方继续发育岩溶，也能利用浆液凝固的强度，使溶洞填充固结，形成整体硬层，提高路基整体强度。

4 注浆方式选择

注浆应用于地基处理在国内外有相当多的实例证明其可行性及成效，一般来说较常使用脉状注浆及挤压注浆两种工法。文章将针对脉状注浆与挤压注浆作详细叙述。

4.1 挤压注浆

挤压注浆工法的原理，系由改善土壤的疏松性质入手，借由稠度高的浆液注入地基中，形成接近均质的球形或圆柱形浆体，推移、挤压邻近土壤，使土壤趋于密实，减少后续所发生的沉陷，甚至补偿先前土壤沉陷的体积[3]。依据ASCE注浆专业委员会对挤压注浆的定义为：一种将坍落度<25 mm的浆材注入地基的施工方法。通常使用土与水泥的混合物为浆材，其中须有足够的粉土使浆材有足够的塑性，也必须有足够的砂土使浆材有足够的内摩擦力。一般而言，浆材并不进入土壤的孔隙之间，而是自成一体，在完全掌控位移的状况下，挤压松散的土层。由上述定义可知挤压注浆材料必须满足三个条件：（1）高粘滞性：使浆液无法渗入土壤的孔隙中;（2）低塑性：使浆液无法对土壤产生水力劈裂;（3）可流动性：在限定的操作压力下，可使浆液在注浆管中流动。

本工法的适用地基，决定于两个主要因素：（1）土壤的压缩性（即空气与水是否能排出）;（2） 改良范围以外区域能否提供足够的束制力，以提供挤压或上顶时的反力。从理论上来说，只要时间允许，各种土壤皆适用本工法，但因黏土的渗透性低，挤压注浆成效会受到较大的限制。再者，在近地表处及无侧限的边坡，因其束制力不足，挤压注浆所能产生的效果较差。

4.2 脉状注浆

脉状注浆工法原是用来增加不易渗透土壤的承载力与抗剪强度，近二十年来则开始应用于隧道开挖时防止地表沉陷以及路基处理等项目。劈裂注浆的改良机制为浆液侵入地基土壤中，形成手指状、树枝状或者矿脉状的改良体，达到压挤、握裹土壤（类似加劲土壤）的效果。由于浆液所形成的脉状结构不易控制，故采用该工法时，对于注浆孔的配置、注浆量的掌控以及浆液是否溢流等因素，均需事先计划周详以达到预期成效或者避免损害周边土体。

目前许多文献所认同对脉状注浆的定义为：以流体浆液，使土体产生局部的围束及受控制的劈裂行为，而未对土壤结构产生显著影响。大量学者提出脉状注浆工法浆液材料需满足的条件为：（1）在维持可输送性的情况下，提高浆液的粘滞度，用以控制浆液在地基中的传播距离，必要时可缩短凝结时间至10 s左右;（2）提高浆液的触变性，促使浆液在各个不同方向产生劈裂，以补强土体;（3）减少泌水现象，以免浆体稠度增加，减少劈裂土体的可能性。

一般而言，脉状注浆多使用水泥系悬浊溶液为主要浆液成份，再加上水玻璃溶液混合，用来控制凝结时间，以达到上述的浆材条件。脉状注浆中浆体的发展模式可分为两个阶段：

（1）压实阶段：浆脉的形成主要往垂直方向发展，对土壤水平方向产生挤压;

（2）隆起阶段：持续注浆后，浆脉在垂直及水平发展的机会趋于相同，各方向产生约略相等的应力增量，此时再灌入的浆液便对土壤产生上举的现象。

在球形地基土壤（砂土）中，漿体会寻找、填充缝隙，产生镜状体，同时对土壤产生挤压作用;而在片状形地基土壤中，由于水泥中Ca2+ 离子的交换作用，使土壤的塑性指数降低。承上所述，在各种土壤中此工法皆可适用，唯在黏土层施作时可能需考虑压密回沉现象。

4.3 挤压注浆工法与脉状注浆工法的相同点

根据前述挤压及脉状注浆工法力学机制的论述，可以整理出两种工艺的相同点：

（1）浆液不会渗透土壤或与土壤混合。

（2）浆体将使周围土壤产生推移挤压。

（3）控制浆液的流动距离。

（4）在影响范围内，灌注体积与土壤密实度改变量的关系相同。

（5）注浆后土壤的性质与浆体本身的性质无关。

事实上，无論是挤压注浆工法或是脉状注浆工法，都可对土壤产生密实、上举的效果。然而，如前所述，虽然这两种注浆工艺已发展了几十年，但是其运作的机制理论仍然悬而未决，其中尤以脉状注浆为甚，几乎全部依赖于实际工程累积经验和判断。综上所述，由于本项目岩溶均为闭口岩溶，且充填物较多，属于具备侧限的充填，因而较适用于脉状注浆，故本次路基注浆采用脉状注浆工法。

5 注浆工艺及相关检验

5.1 注浆试验

现场进行试注浆工作，每组均包括单桩1支和重桩9支，其中单桩深度为地表至地表下5 m，而重桩系由9支单桩以3行3列彼此重叠方式所组成，深度则由地表至地表下15 m。

进行两组不同水泥配合比和添加剂的试灌工作，每组均为3支单桩以彼此重叠方式所组成，其注浆分布如图1所示。有关本次试灌所采用机具种类和性能如下：

（1） 高压注浆机一部：常用压力为200 kg/cm3，电功率为50 HP。

（2） 钻机一部，附有自动控制上升装置——油压式KH-76型。

（3）钻孔泵：电功率为3 HP，压力约0～30 kg/cm3。

（4）钻杆：直径为40.5 cm，喷嘴内径为2.5 cm。

（5） 高压输送管：直径为3/4英寸，耐压力为600 kg/cm3。

（6） 钻头搅拌翼：直径约20 cm。

（7） 自动流量计。

（8） 其他必备装置：抽水箱、储水槽及硬化浆液拌和设备等。

5.2 注浆检验

试验完成后，评估采用以钻芯取样并配合试验室试验方式进行，其中钻芯工作系由施工单位自行负责，以三套岩芯管进行取样，而取样的位置则由监理工程师根据实际的注浆过程选定[4]。本次钻芯取样依三次试灌总共完成16孔，其位置主要选择在二支或三支改良桩未重叠处。

钻芯样品的描述，由监理工程师针对现场实际的取样情形进行分析，原则上将钻芯样品按其胶结的程度区分为胶结良好、胶结一般、胶结差、未注浆者及缺失等五个等级，如图2所示。

所有钻芯取得的改良土样均送至试验室进行单轴抗压强度试验，总共计46组。其中除2 组的单轴抗压强度为13.2 kg/cm3及14.0 kg/cm3，未达规范的规定外，其余皆符合规范要求，单轴抗压强度值超过20 kg/cm3且大部分介于20 kg/cm3至80 kg/cm3间，符合规范的要求。

按照此施工参数，对后续所有岩溶段路基进行注浆处理，效果均较好，满足设计要求。

6 结语

通过本文的论述与分析，得到以下结论：

（1）河池水任至南宁高速公路沿线岩溶发育较为强烈，且多为充填型溶洞，由于沿线结构物较少，采用桩基础处理路基经济性较差，故综合多种方案，采用注浆处理方案为最优处理工艺。

（2）通过分析两种常用注浆方式，对比其原理及适用条件，说明在闭口性岩溶洞穴内，采用脉状注浆能有效增强岩体与注浆体的握裹能力，提高整体强度，是优选的注浆方式。

（3）通过试验段注浆说明，采用脉状注浆能有效提高地基承载能力，满足设计要求，证明本次所选择的注浆工艺及其参数是合理有效的。

参考文献

[1]王曰国，王星华，杨秀竹. 铁路岩溶路基注浆材料试验研究[J]. 岩土力学，2003（S2）：495-498.

[2]袁红庆，王再喜，汪海生. 高速公路岩溶路基处理措施研究[J]. 华东交通大学学报，2007，24（2）：33-36.

[3]李毅军. 常张高速公路岩溶路基稳定性评价及其处理方法[J]. 湖南交通科技，2005，31（4）：13-15.

[4]姚裕春，李安洪，陈裕刚，等. 洛湛铁路岩溶路基加固分析[J]. 铁道工程学报，2009，26（6）：41-43.

收稿日期：2021-03-18

作者简介：

梁启省（1981—），工程师，研究方向：基础设施建设。