渗透灌浆在武昌中大·长江紫都岩溶地基处理中的应用

李爱军,樊永生,董艳平

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

渗透灌浆在武昌中大·长江紫都岩溶地基处理中的应用

李爱军,樊永生,董艳平

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

通过对武昌中大·长江紫都工程项目岩溶地基处理设计及施工实例的研究,阐述了渗透灌浆法处理岩溶地基的机理、设计计算方法、施工工艺及处理效果,为同行在类似工程地质条件下的岩溶地基处理设计、施工提供借鉴。

渗透灌浆;岩溶;地基处理

0 引言

渗透灌浆是指在一定压力作用下,将具有流动性和胶结性能的浆液注入土层中的孔隙及岩石的裂隙中,形成强度高、防渗性能好的固结体,而基本上不改变原状土的结构和体积,地层结构不受扰动和破坏,浆液运动形式以渗透为主的灌浆方法。在武昌中大·长江紫都工程项目岩溶地基处理中,利用渗透灌浆技术成功完成了岩溶地基处理施工,创造了武汉地区一级阶地岩溶地基处理施工的新工法。

1 工程概况

中大·长江紫都(F地块)商住小区项目位于武昌倒口湖地区江民路—江泰路之间,西临长江,地貌单位属长江一级阶地。经勘察,本项目二期工程中4、5、6、7、8、11号楼及一期工程中31、32号楼,小学(部分)等9栋建筑物场地范围的下伏基岩为灰岩,岩溶发育。历史上该区域曾多次发生岩溶地面塌陷地质灾害,为了保证工程的安全性,建设单位拟对该地块岩溶地基进行处理,以期达到对岩溶地面塌陷地质灾害进行防治、保障建筑物安全使用的目的。

2 场地工程地质、水文地质条件[1]

2.1 地层岩性

(1)填土(Qml) 分杂填土和素填土,层厚在1.00～8.30 m之间。

粘性土层:岩性主要为淤泥、粉质粘土,局部夹薄层粉砂,灰黑色、褐灰色,流—可塑,分布不均匀,层厚和顶板埋深均有较大的变化,层厚2.50～16.00 m。

砂性土层:岩性自上而下主要为粉砂、细砂、砾砂,灰色,饱和,中密—密实,该层总体层厚9.00～18.00 m。其中砾砂层平均厚度约2.40 m。

(3)基岩 为三叠系下统大冶组(T1d)灰岩,灰白色、浅灰色为主,局部为紫红色,岩性主要为微晶灰岩、条带状泥质灰岩,微晶、泥质结构,薄—中层状构造。节理裂隙较发育,岩层产状陡倾,倾角在65°左右。溶蚀作用较强烈,岩溶发育,在基岩面下5 m范围内最强,往下渐变弱。岩层顶板埋深30.30～37.70 m。

2.2 水文地质条件

松散岩类孔隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水是区内主要地下水类型。松散岩类孔隙水赋存于场区上覆第四系全新统冲积的粉砂、细砂和砾砂中,主要靠汛期长江侧渗补给和大气降水入渗补给及地表水的越流补给,富水性强,孔隙承压水水位标高一般在16.80～20.70 m之间,水位年变幅在4.20 m左右。碳酸盐岩裂隙岩溶水主要赋存下伏三叠系下统大冶组(T1d)灰岩中,其富水性及透水性与岩溶发育状况关系密切,岩溶地下水位标高一般在12.40～17.60 m之间,岩溶水水位年变幅在5.20 m左右。区内孔隙承压水水位常年高于裂隙岩溶水水位,水头差常年保持在3～4 m,上部孔隙承压水与下伏裂隙岩溶水无隔水层相阻,裂隙岩溶水常年接受孔隙承压水的垂直入渗补给,两者间有直接的水力联系。

3 处理方案的选择

武汉地区一级阶地的岩溶地基处理,据以往工程经验,多采用高压旋喷构筑水平帷幕的处理方法,该方法是在灰岩顶板之上砂层中构筑水平帷幕,阻隔上覆孔隙承压水和下伏岩溶裂隙水的水力联系,防止岩溶地面塌陷发生,具有长效性和安全性的特点,但费用昂贵。而采用渗透灌浆法是在一定压力作用下,将具有流动性和胶结性能的浆液注入土层中的孔隙及岩石的裂隙中,阻断岩溶通道,割断上覆孔隙承压水和下伏岩溶裂隙水的水力联系,这种方法处理地层结构不受扰动和破坏的影响,处理费用相对较低。

结合本工程特点,一期工程已建成,建筑物基础均采用夯扩桩及沉管灌注桩,以砂层作桩基础持力层,考虑已建建筑的安全性,对位于灰岩区的建筑物,设计采用高压旋喷构筑水平帷幕的方法进行处理。对于二期工程,位于灰岩区的拟建建筑物均采用钻孔灌注桩基础,以稳定灰岩作基础持力层,在施工勘察期间,结合施工勘察钻孔进行渗透灌浆处理,二期工程灰岩区建筑物之间的地下车库部分,也采用渗透灌浆的方法进行处理。

高压旋喷施工工艺在工程中已十分广泛,技术成熟,下文主要对渗透灌浆在岩溶地基处理中的应用进行介绍。

4 渗透灌浆设计[2-4]

4.1 渗透灌浆加固地基的机理

考虑该工程岩溶地基的现状稳定性,为了不扰动上覆土层,引发岩溶地面塌陷地质灾害,本工程岩溶地基处理采用的灌浆方法为渗透灌浆,而未采用劈裂灌浆或其它形式的灌浆方法。该方法是采用钻机成孔后,下置注浆管,在一定压力作用下,将具有流动性和胶结性能的浆液注入土层中的孔隙及岩石裂隙中,一是使浆液充填基岩面上部砾砂层中的孔隙,形成固结体,封闭开口溶洞,同时降低土层渗透性,增强抗渗性能;二是对灰岩中的溶蚀裂隙、溶孔、溶洞进行充填堵塞,割断上覆孔隙承压水和下伏岩溶裂隙水的水力联系,达到阻断岩溶通道、稳固地基的目的。处理效果见图1。

图1 灌浆处理示意图Fig.1 Map of grouting treatment

4.2 渗透灌浆设计

4.2.1 灌浆段的选择

本次灌浆段为砾砂层顶面至下伏灰岩5 m范围内。基岩面上部砾砂层,其渗透性较中细砂层大,可灌性较强,选择该层作为灌浆段主要是对灰岩层中的开口溶洞进行封闭处理,增强砾砂层抗渗性能,削弱上覆孔隙承压水和下伏岩溶裂隙水的水力联系。同时,根据本工程岩溶专题勘察成果分析,本区灰岩岩溶发育程度自上而下逐渐变弱,岩溶发育段主要分布在基岩面下5 m深度范围内,故选择基岩面下5 m深度范围作为灌浆段,对灰岩中的溶蚀裂隙、溶孔、溶洞进行充填堵塞。

4.2.2 灌浆浆材及配方设计

灌浆浆材设计采用纯水泥浆,水泥采用标号32.5普通硅酸盐水泥。为打通浆液渗流通道,初灌时采用水灰比较高的稀浆,水灰比取2∶1;正常灌注时水灰比取1∶1;终灌时采用水灰比较小的浓浆,水灰比为0.5∶1。

4.2.3 浆液扩散半径的确定

根据参考文献[2],按球形扩散理论,浆液在砾砂层中的扩散半径按式①计算:

式中:r1——浆液的扩散半径(cm);K——砂土渗透系数(cm/s);h1——灌浆压力(厘米水头);r0——灌浆管半径(cm);t——灌浆时间(s);β——浆液粘度对水的粘度比;n——砂土的孔隙率。

本工程取K=8×10-2cm/s,h1=10 000 cm水头,r0=5.5 cm;t=4 500 s;β=18;n=35%。经计算,基岩面上部砾砂层灌浆时间为1 h 25 min时,浆液扩散半径为2.1 m。

由于下部灰岩层岩溶发育存在不均一性,因此采用上述理论公式计算的浆液扩散半径不甚合理,故建议在现场进行灌浆试验后进一步确定浆液扩散半径。

4.2.4 灌浆孔的布设[5]

由于灰岩层浆液扩散半径尚不能取得可靠的数据,本工程灌浆孔布设初步按以下方案进行:

建筑物之间地段的灌浆孔布置采取网格状(见图2),并沿建筑物范围向外进行一定范围的扩展(不超出红线范围)。考虑到临近长江侧水力联系较强,在临近长江一侧及靠近场地内围墙的2排灌浆孔采用4 m×8 m网格,靠近建筑物的一排灌浆孔加密至孔距为4 m;其余网格为8 m×8 m网格(见图2)。建筑物范围内的灌浆直接采用施工勘察钻孔(设计桩位)结合注浆进行,孔距一般在2～4.5 m之间。在经过灌浆效果检验后,对不能满足要求的地段再进行补充注浆。

4.2.5 灌浆次序

本工程灌浆处理自下而上分两段进行,第一段灌基岩段(灰岩面下5 m深度范围),第二段灌灰岩面上部的砾砂层(见图1)。

4.2.6 允许灌浆压力

图2 中大·长江紫都岩溶地基处理注浆孔布置平面图Fig.2 Layout of grouting holes in the karst foundation treatment of Zhongda·Changjiang Zidu Project

灌浆压力与土的重度、覆盖层厚度、灌浆深度、灌浆次序、灌浆方式等因素有关。灌浆压力越大,灌浆时间越短,灌注效率越高,但灌注压力过大时,可能会造成上覆土层扰动破坏,形成劈裂灌浆,违背了原设计为渗透灌浆的宗旨。灌浆段有砾砂及灰岩两段,其容许灌浆压力分别按公式②及公式③进行计算:

式中:[Pe]为容许灌浆压力(105Pa);β为系数,在1～3范围内选取,本工程取1;γ为砾砂层之上覆盖层重度,本工程取平均重度19.5 kN/m3;T为覆盖层厚度,本工程取34 m;C为与灌浆次序有关的系数,本工程第1、2、3次序孔分别取1、1.25、1.50;K为与灌注方式有关的系数,本工程自下而上灌注取0.6;λ为与砾砂层结构性质及渗透性有关的系数,一般取0.5～1.5,结构疏松渗透性强时取小值,反之取大值,本工程取0.5;h为地面至灌浆段深度,本工程取34 m。经计算,砾砂层灌浆容许压力为2.2 MPa。

式中:[Pe]为容许灌浆压力(105Pa);P0为表面段容许灌浆压力(105Pa),本工程取0.5;m为灌浆段每加深1 m容许增加的压力(105Pa),与灌浆方法及灌浆次序有关,本工程灌浆自下而上取0.50,按灌浆次序第1、2、3次序孔分别取1、1.25、1.50;D为灌浆段深度,本工程取36 m。经计算,灰岩层灌浆容许压力为2.8MPa。

结合其它工程经验,考虑灌浆压力过高可能导致注浆孔周围冒浆、地表冒浆,设计灌浆压力值暂定为:1.0～1.5 MPa,灰岩层中可取高值,砾砂层中取低值。灌浆压力经现场试验后再进行适当调整。

4.2.7 灌浆量及灌浆结束标准

因灌浆段灰岩岩溶发育部位的不确定性,致使每个钻孔灌浆量差异较大,在注浆过程中,对压力及注浆量两指标进行控制。一般情况下,在达到设计灌浆压力后,稳定20～30 min后,吸浆量<1～2 L/min(灰岩中灌浆时吸浆量<0.4 L/min),结束该孔的注浆施工。如注浆量很大,压力值上不来,应采用间歇式注浆,直至满足终孔压力值。

4.2.8 灌浆效果检验

注浆施工结束28 d后,进行钻孔检验。检验点一般为注浆孔数的2%～5%,检验孔深度以钻至基岩面下5 m为控制标准。通过孔内取芯直接观察砾砂层及溶洞内的浆液充填情况,并结合钻探过程中循环液的漏失情况及孔壁的稳定性等评价注浆质量。在全面分析研究这些资料的基础上,最终确定注浆质量是否合格,是否需补充注浆。

5 渗透灌浆施工

5.1 施工工艺流程

5.1.1 施工工艺流程

施工准备→平整场地→测量放点→钻机就位、成孔→下入套管→洗孔→下入注浆管及止浆塞→浆液配制→第一段注浆(灰岩层)→达到要求、提注浆管→第二段注浆(砾砂层)→达到设计要求、拔管→封孔→清洗注浆管路→移位。

5.1.2 施工顺序

本次灌浆施工遵循逐渐加密的原则,采用跳孔灌浆作业,分四次序完成灌注,第一次序灌奇数排奇数号钻孔,第二次序灌偶数排偶数号钻孔,第三次序灌奇数排偶数号钻孔,第四次序灌偶数排奇数号钻孔。为防止浆液外渗,施工推进方向总体上由外(临江)向内进行。同时,针对灌浆检查情况,必要时进行补充灌浆(见图3)。

图3 灌浆孔施工次序图Fig.3 Construction sequence diagram of grouting holes

5.2 施工参数选择

(1)灌浆压力:砾砂层中灌浆压力为1 MPa,灰岩中灌浆压力为1.5 MPa。

(2)灌浆孔孔径及孔深:孔径110 mm,孔深40～45 m(至少进入灰岩层5 m)。

(3)灌浆材料:水泥采用32.5普通硅酸盐水泥。在灰岩层中初灌时水灰比选择2∶1,正常灌注时水灰比选择1∶1,终灌时水灰比选择0.5∶1。在砾砂中初灌时水灰比选择2∶1,正常灌注及终灌时水灰比选择1∶1。

5.3 施工技术要点

(1)灌浆开始后,要定时观测泵的吸浆量和泵压,记录注浆过程中发生的各种现象,收集原始数据,并根据实际情况及时调整灌浆量和浆液浓度。

(2)灌浆时,初始应采用低压,后逐渐增大压力到灌浆压力设计值。当灌浆压力值达到设计压力值时,稳定20～30 min后,吸浆量<1～2 L/min(灰岩中灌浆时吸浆量<0.4 L/min),可结束该孔的灌浆施工;在灰岩层中灌浆时,若灌浆压力<0.6 MPa,吸浆量大,表明该段岩溶、裂隙发育,连通性好,采取间歇式注浆办法,同时调整浆液水灰比,采用水灰比小的浆液,直至满足终灌压力值及吸浆量。初灌时注浆量极小或无,同时灌浆压力瞬间增高,可能是注浆管路堵塞,应将注浆管提出重新检查后进行清洗。

(3)注浆孔周围冒浆、地表冒浆及孔间串浆。注浆孔周围冒浆、地表冒浆可能是灌浆压力过高或止浆塞封闭不严造成,处理时一是适当降低灌浆压力,二是重新检查止浆塞。孔间串浆主要原因是施工次序不合理,已灌浆孔浆液尚未凝固达到一定强度时,立即进行临近孔灌浆施工,处理措施为:加大第1次序孔间的孔距,适当延长相邻注浆孔施工时间间隔。

6 处理效果的检验与评价

6.1 钻孔取芯检查

本工程灌浆处理后,采用钻孔取芯的方法进行了检验。根据抽芯结果显示,砾砂层呈具有一定强度的半固结体,岩层中溶洞、溶隙、裂隙也被充填密实,水泥浆与岩块胶结较好,抽芯孔施工过程中循环液不漏失(未灌浆前钻孔施工漏水、塌孔),孔口全程返水,对溶洞及溶蚀裂隙起到了一定的填充堵塞作用。

6.2 效果评价

本次岩溶地基处理采用渗透灌浆法,在查明场区各注浆孔孔位处下部溶洞及溶蚀裂隙分布范围、特征的基础上,通过对各注浆孔的灌浆,对场地下伏灰岩发育的溶洞及溶蚀裂隙起到了填充堵塞作用,割断了上覆孔隙承压水和下伏岩溶裂隙水的水力联系,达到了阻断岩溶通道、稳固地基的目的,对场区岩溶地面塌陷起到了一定的抑制作用。

7 结语

采用渗透灌浆法处理岩溶地基,与其它岩溶地基处理方法比较,造价相对较低,且缩短建设周期,具有较好的技术经济性。本工程采用渗透灌浆对岩溶地基进行处理,处理效果基本达到预期目标,但存在以下不足之处:

(1)由于灰岩层岩溶发育存在不均一性,浆液扩散半径尚未取得可靠试验数据;

(2)灌浆处理效果检测手段较为单一,在以后类似工程中宜采用多种检验方法综合检验处理效果。在以后类似工程中,对此施工工法可进行进一步探索,以获取更多的基础试验数据,为类似工程岩溶地基处理积累相关经验。

[1] 李伟,樊永生,李爱军,等.武昌倒口湖地区综合开发项目中大·长江紫都F地块岩溶专题勘察报告[R].武汉:武汉地质工程勘察院,2006.

[2] 龚晓南.地基处理手册[S].第三版.北京:中国建筑工业出版社,2008:365-410.

[3] 黄根生,等.地基处理与基坑支护工程(修订本)[M].武汉:中国地质大学出版社,2003:160-187.

[4] 李茂芳,孙钊.大坝基础灌浆[M].第二版.北京:水利电力出版社,1987.

[5] 吴刚,等.武汉倒口湖地区F地块二期工程岩溶地基处理方案(注浆孔)布置图[R].武汉:湖北省建科建筑设计院,2006.

(责任编辑:潘 潇)

The Application of Permeation Grouting Method Used in Dealing with the Foundation of the Karst in Zhongda·Changjiang Zidu Project,Wuchang District

LIAijun,FAN Yongsheng,DONG Yanping
(Wuhan Institute of Geological Engineering Investigation,Wuhan,Hubei430051)

Through the example of design and construction of the karst foundation treatment in Zhongda-Changjiang Zidu Project,Wuchang district,this article describes the mechanism,design,calculation methods,construction technology and treatment effect of the permeation groutingmethod used in dealing with the karst foundation,which provide reference of the design and construction of the karst foundation treatment in s imilar engineering geological conditions.

permeation grouting;karst;foundation trea tment

TU472

A

1671-1211(2010)04-0370-05

2010-02-08;改回日期:2010-03-22

李爱军(1974-),男,工程师,水文地质与工程地质专业,从事岩土工程勘察、地质灾害危险性评估、岩土工程设计工作。E-mail:wdklaj2000@126.com