石武客运专线路基岩溶注浆施工技术

叶中兵

(中铁十八局集团公司石武客运专线河南段项目部,河南驻马店 463200)

1 概述

石武铁路客运专线河南段,郑州至信阳段主要通过黄淮冲积平原区,局部为剥蚀丘陵、岗地及风成地貌。黄淮冲积平原,地形平坦、开阔,地势向东南微倾,支流水系发育,地面高程60～100 m;丘陵岗地主要分布在确山县中南部及信阳淮河与狮河之间,地面高程80～200 m,相对高差10～80 m;风成沙丘分布于南曹至新郑间,呈条带状分布,为黄河泛滥区经风积形成,地面高程110～160 m,相对高差3～10 m。

从地质条件来看,部分段落为岩溶路基,上覆角砾土层,下伏风化灰岩,岩溶及裂隙发育。设计采用岩溶注浆加固,其工作原理是在土石界面处压浆封堵固化浅部岩溶(溶洞、溶蚀、裂隙)和地下水侵蚀作用形成的土洞,填充土中的空隙,形成水平帷幕封堵地下水通道,隔断地下水对持力层的影响,达到加固持力层地基的目的,防止沉陷,确保行车安全。

为确保地基加固质量,选定DK932+300～DK932+400段为注浆试验段,通过试验选定注浆施工工艺、施工机具、各种注浆参数等技术指标,进而推广到全标段施工。

目前,我标段岩溶注浆工作基本结束,通过注浆前后注水试验及物探检测显示,注浆孔的浆液充分扩散填充了溶蚀裂隙和溶洞,改变了岩土结构,提高了强度,堵塞了地下水的渗透和潜蚀通道,注浆效果十分明显,从根本上消除了形成溶蚀塌陷的因素,满足路基加固质量要求。

2 施工工艺

2.1 施工设备的选定

2.1.1 钻机机械

钻机参数如表1所示,满足注浆孔的大小、深度及地质情况要求。

表1 钻机参数

2.1.2 注浆机械

注浆泵参数如表2所示,其具有泵体抗腐蚀材料,压力大,流量大,体积小,质量轻,搬运方便的特性,满足注浆工艺要求。

表2 注浆泵参数

2.2 注浆施工工艺流程(图1)

在施工过程中应注意以下事项:

(1)钻进过程中遇岩层破碎造成卡钻,应停止钻进,进行扫孔后再行钻进;

(2)注浆时当遇到钻孔串浆时,采用间隔1孔或几孔注浆方式,并将被串浆孔同时注浆或封堵;

(3)在注浆过程中遇到冒浆时,如冒浆点在3～5 m以外,则根据注浆终止条件可结束注浆。如冒浆点在3 m以内,采用开挖填堵水泥或水泥+水玻璃降低注浆压力;

图1 注浆施工工艺流程

(4)注浆量和注浆压力是注浆施工的2个关键参数,一般规律是:初始阶段压力较低,注入量较大;正常阶段压力和注入量呈小的波浪式起伏状态,但总的比较平稳;压密注满阶段注入量迅速递减而压力迅速升高;在注浆中根据设计注浆量和压力按照上述规律进行控制。

2.3 注浆施工工艺参数的选定

2.3.1 注浆材料的选定

正确地选用浆液是确保注浆效果的关键。根据地质钻探情况,选择水泥浆液,采用32.5级硅酸盐水泥。水泥基浆液分为3类:纯水泥浆液、纯水泥浆液+水玻璃浆液、中粗砂+水泥浆液和水泥+水玻璃浆液。施工表明,纯水泥浆液为悬浊液,适用于岩石裂缝的填充补强,也适合填充空洞。若遇空的岩溶通道、较大溶洞和裂隙处,视具体情况先灌入中粗砂或水泥砂浆对溶蚀腔体进行充填,再采用水泥浆液或水泥+水玻璃浆液。

水泥浆液随着水灰比的增大,浆液的黏度、密度、结石率、抗压强度都有十分明显的降低,初凝、终凝时间增长。试验段施工表明:水灰比应控制在0.8～1.0,并且以0.8为主,此时浆液的黏度、结石强度及渗透系数均能满足施工要求,效果很好。经试验测定,温度27～35℃,初凝时间120～240 min,如表3所示。

表3 水泥浆液凝结时间

施工中浆液的搅拌时间不少于30 s,使其均匀拌和。但搅拌时间也不能过长,因为浆液的黏度与搅拌时间成正比,结石强度却与搅拌时间成反比,搅拌时间过长会造成水泥水化形成的凝胶结晶结构产生破坏。实际施工中浆液搅拌时间30 s后即使用,使用前用比重计测定浆液的配比浓度,并做好施工记录。

水泥砂浆液中,水∶水泥∶砂一般控制在(0.8～1.0)∶1.0∶1.0。水泥加水玻璃浆液克服了纯水泥浆液凝结时间长,结石率低等缺点,提高了注浆效果。水玻璃掺入量是水泥量的8%～20%,混合浆液质量配比是:水∶水泥∶水玻璃约为(0.8～1.0)∶1∶(0.08～0.20),水玻璃波美度为38～43Be′。施工表明:水玻璃能显著加快水泥浆液的凝结时间。经试验测定,水灰比0.8～1.0,水玻璃掺入量2%～20%,波美度38～43Be′,温度27～35℃时,水泥浆液的凝结时间20～80min。

水泥加水玻璃浆液如果胶凝时间过短,不能满足施工要求时,可加入缓凝剂,抑制水泥和水玻璃反应速度,控制调节水泥+水玻璃浆液凝结时间,提高浆液的渗透力,增大浆液扩散距离。采用磷酸二氢钠做缓凝剂效果很好。缓凝剂用量按水泥质量的2.5%～3.0%选定为好。这个用量既可增长凝胶时间,使水泥浆液的凝结时间调整,又能确保固结强度不显著下降。使用缓凝剂时应注意加料顺序、搅拌时间和放置时间。加料顺序为:水→缓凝剂→水泥,搅拌时间应不少于5 min,放置时间不宜超过30min。

水泥水化过程中大约需要自身质量25%的水,按水灰比0.8～1.0计算,有55%～75%的水属于多余的。它仅用于浆液输送,将水泥颗粒载运到预定地点后,多余的水分就应排出。由于基岩坚硬,上覆不透水的黏土,水泥浆不能固结排水,多余的水分是通过沉积层顶部微小的缝隙内以清水形式流到路基外,或与水玻璃反应形成晶体。

2.3.2 注浆压力的选定

在注浆过程中对于注浆压力参数控制相当重要,它直接影响注浆质量。施工中当岩溶一般发育时,采用注浆压力0.3～0.5 MPa,当岩溶极发育时,采用注浆压力0.1～0.3 MPa,上述压力能够满足注浆要求。注浆压力在岩土界面附近可逐渐加大,最大注浆压力不得超过0.8～1.0 MPa。在注浆过程中遇到冒浆时,如冒浆点在3～5 m以外,则根据注浆终止条件可结束注浆。如冒浆点在3 m以内,采用开挖填堵水泥或水泥+水玻璃,降低注浆压力措施。当遇到钻孔串浆时,可将被串浆孔同时注浆或封堵被串浆孔。

理论计算和实践经验可知:基岩上部黏土劈裂注浆的初始注浆压力值 P0稍大于2倍土层质量的压力,在该压力作用下软黏土开始产生劈裂。当注浆压力达到P0后,进入劈裂注浆的劈裂流动阶段,随后压力降低,裂缝发展到一定程度之后,注浆压力又重新上升进入劈裂注浆的被动土压力阶段。这时需要有更大的注浆压力才能使土中裂隙加宽或产生新的裂缝,出现第二个压力峰值,在产生水平劈裂后形成水平方向的浆脉时,就可能使基础上抬。基础上抬会破坏上部硬壳结构,特别是土层抬升会引起注浆范围内的CFG桩或树根桩上移断裂,因此应控制注浆压力尽可能减少地表抬升变形。实际施工中注浆最大压力控制在0.8～1.0 MPa。

2.3.3 桩位布置

采用坐标和钢尺相结合的办法确定桩位。

(1)根据设计桩位,用全站仪在路基断面内每20～30m施放定位控制桩;

(2)根据施工平面布置图及定位控制桩,用钢尺逐桩放样,并打入竹片定位。

用上述方法布置桩位,桩偏差小于50 mm,满足规范要求。

2.3.4 钻机垂直度控制

现场采用锤球法控制钻机垂直度,此法简单实用,能满足规范要求。

3 注浆效果检验

3.1 注水(压水)试验和验证钻孔

注浆后,以总孔数5%作注水(压水)试验,压水试验结果表明:注浆后再压水时压水压力陡升。注水试验单位长度吸水量仅为注浆前的1%～2%,注浆效果明显。合格率100%。

通过钻取岩芯检查浆液充填情况,灰岩中的节理裂隙为水泥填充,溶洞中钻出柱状水泥块。

3.2 物探检测

由中国科学研究院武汉岩土力学研究所对注浆试验段进行物探检测,注浆效果明显。

以试验段DK932+300～DK932+400为例,该段的覆盖层厚度在15～17 m,同一场地的未注浆部分,覆盖层电阻率在35～120 Ω◦m,试验段经注浆后,在15～17 m深度范围内,电阻率在40～140 Ω◦m。两者相比较,在覆盖层内,注浆段比未注浆段电阻率值提高10%～20%。

注浆段 17 m以下为基岩,电阻率值在 140～1 800 Ω◦m。该段基岩面有一定的起伏,基岩面下约6 m范围内电阻率在140～450 Ω◦m,反应出基岩表层有风化或岩溶裂隙,电阻率等值线呈水平近似平行分布,说明注浆虽然没使岩石电阻率有明显提高,但对基岩表层变得相对均匀方面起了一定的作用,基岩面6 m以下电阻率绝对值大于450 Ω◦m,电阻率等值线呈水平层状,并快速增大,反映出注浆区下部基岩整体较为完整。

4 现场施工问题及处理

4.1 溶洞处理措施

通过先导孔探明溶洞发育情况,根据溶洞发育的特点,可将其分为 3类:轻微溶蚀、一般溶洞、复杂溶洞。由于岩溶发育复杂,对于溶洞注浆处理,应遵循先易后难的施工原则,即先处理轻微溶蚀或一般溶洞,基本摸清溶洞发育情况后,再处理复杂溶洞。据其特点采用相应的施工方案。

(1)轻微溶蚀

轻微溶蚀是指节理岩体、节理化岩体、岩溶发育轻微及封闭的比较小的溶洞。该类轻微溶蚀吸浆量一般比较小,适合于单液注浆工法。若洞内无填充物或填充物不满时,注浆开始及前期注浆量较大,可适当添加中粗砂挤密填筑溶洞,直至停止漏浆;若充填物呈松散或软塑,或已固结呈硬塑状态时,直接注浆固结即可。

(2)一般溶洞

一般溶洞是指溶洞发育明显,无大裂隙穿过,钻机注浆孔钻进成孔施工时,钻进冷却水和泥浆会明显泻漏,需及时补充。处理方法是施工时钻机钻孔穿过溶洞至溶洞底部后,再钻进1.0 m;首先选用单液注浆,并且添加中粗砂挤密填筑溶洞;如果注浆流量较大或注浆量超过设计量1.5倍,改用双液注浆工法。

(3)复杂溶洞

复杂溶洞是指溶洞发育明显或断裂带高度发育地区,并有明显裂隙,空隙相当发育、分布广泛、孔径大、连通性好,钻机注浆孔钻进成孔施工时,钻进冷却水和泥浆泄漏浆严重。处理方法是施工时钻机钻孔穿过溶洞至溶洞底部后,再钻进1.0 m;先进行溶洞内的充填加固,将溶洞用水泥、中粗砂灰浆填满,该地区吸浆量一般均比较大,注浆采用双液注浆工法。

对于较大溶洞、大裂隙,浆液遇水易稀释而不易固结,在动水或大溶洞、裂隙中,甚至多年不固结,很难形成整体的堵水帷幕,因而会导致注浆帷幕的堵水效率低,通过注浆孔观察发现地下水位较高时,浆液浓度可先稀后稠,适当降低水灰比,提高浆液浓度;对于较大溶洞,水泥或双液浆液以胶结方式充填于地下裂隙中并将其胶结起来,对裂隙起封闭作用,因固化后所形成结石体积较大,因而注浆应在预应力管桩后续施工,以避免管桩施工振动。

4.2 根据扩散半径调整注浆压力

所谓扩散半径,并非浆液最远扩散距离,而是符合设计要求的扩散距离。在试验过程中钻孔取芯观察,在0.1～0.3 MPa的注浆压力下,由于注浆压力低,压力稳定持续时间短,在灰岩与土层交接面,扩散半径约为1 m;在有充填的溶洞中,扩散半径受到岩溶裂隙的充填程度、发育方向及连通程度的影响,扩散距离大小不等,在红黏土层,扩散半径为50～80 cm,未有效形成帷幕。后将注浆压力提高到0.6～0.8 MPa,扩散半径大幅提高,在孔与孔之间形成了交叉区域,基本保证了帷幕的形成。

5 结语

从石武客运专线DK932+300～DK932+400段路基岩溶注浆效果来看,注浆后形成的新土体和帷幕有效地保证了地层的稳定,在地基加固中取得了预期的效果。施工过程中得到了如下体会。

(1)岩溶发育区地质情况是十分复杂的,注浆过程中反映出的不同现象需要分析判定并采取相应措施。判定不同现象的主要依据是钻孔记录、注浆压力、注浆数量、冒浆情况等,这些数据应集中综合分析,不能只看一项数据而确定措施。

(2)注浆过程是控制整个岩溶注浆质量的关键,是重点控制的过程。注浆工艺必须按照试验先行的原则进行工艺性试验,通过试验确定设备参数、浆液配合比等,注浆过程控制重点是压力和流量,应指派专人实施监控。

(3)注浆过程中相关问题的处理是保证工程质量的关键因素,对施工过程中出现的问题要及时采取有效措施加以解决。

(4)注浆施工完成后要及时组织检测,对不合格点要补充注浆。

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