改进钻孔注浆法在有水流溶洞处理中的应用研究

许万辉，程　涛，胡仁杰，王子云，杜建军，罗显枫

(1三峡大学 土木与建筑工程学院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工学院 土木建筑工程学院，湖北 黄石 435003)



改进钻孔注浆法在有水流溶洞处理中的应用研究

许万辉1,2，程涛2*，胡仁杰1,2，王子云1,2，杜建军1,2，罗显枫2

(1三峡大学 土木与建筑工程学院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工学院 土木建筑工程学院，湖北 黄石 435003)

摘要：当工程中遇到有水流的地下溶洞时，常规钻孔注浆法是使用普通混凝土作为注浆材料和在溶洞底部设置专用排水通道，使其施工完成后水流能正常通过该段。改进钻孔注浆法是利用高渗透性混凝土代替普通混凝土的方法，不再使用排水通道。运用FLAC3D作为计算工具进行数值模拟，将改进方法与传统方法进行对比。对于高渗透性混凝土作为注浆材料时，采用流固耦合计算方法；普通混凝土采用固体力学计算模型。对比两者计算后的结果，发现改进方法更加安全可靠，证明了高透水性混凝土用在溶洞处理中是可行的。

关键词：高渗透性混凝土；溶洞；钻孔注浆法；数值模拟；流固耦合

中国几乎各省区都有不同面积的石灰岩分布，出露地表的总面积约有130万 km2，约占全国总面积的13.5%。在石灰岩地区常常有地下溶洞，许多溶洞往往绵延几千米，常伴有地下暗河。溶洞作为一种不良地质现象，由于其情况复杂，无规律，所以给工程建设带来了不少困难。溶洞内还有流水的情况就更加的复杂，施工起来也就更加困难。问题的关键是怎样处理溶洞中的水，施工完成、溶洞被完全封死过后原来通过该段溶洞的水流怎么处理。

对于有水流的地下溶洞的处理，目前国内外最有效的处理方法有2种，即桩基法[1-2]和钻孔注浆法[3-7]。溶洞处的桩基施工, 若准备不充分, 容易引起塌孔，严重影响施工的进度[4],所以一般采用钻孔注浆法，其具有施工方法简单、加固效果好、后期病害少、造价相对低等特点[3]。它的缺点是常规的钻孔注浆法是使用一般混凝土和在溶洞底部设置专用排水通道[6]，虽然施工完成后水流能正常通过该段，但溶洞底部专用排水通道的施工是较复杂的。本研究提出采用高渗透性混凝土代替普通混凝土的方法，并且可以运用它来构建海绵型地下空间。结合本研究所提方法对地下有水流溶洞的路基情况建立仿真模型，运用FLAC3D作为计算工具进行数值模拟，选择高渗透性混凝土作为注浆材料时，采用流固耦合计算方法；对于普通混凝土采用固体力学计算模型。通过对比两者计算后的结果，证明了高透水性混凝土在溶洞处理中运用的可行性。

1高渗透性混凝土

1.1概述

高渗透性混凝土是透水混凝土之中渗透系数很高的一种混凝土。透水混凝土是由胶凝材料、粗骨料、微量或无细骨料、水、外加剂和掺合料按照一定比例拌制而成的一种多孔混凝土。其无细骨料或细骨料较少，由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，故具有透气、透水和重量轻的特点。

1.2研究进展

在美国从上世纪七八十年代起就开始研究和应用透水混凝土，不少国家也都在大量推广，将透水混凝土应用于道路路面改造，改变过去破坏城市生态的地面铺设，能让雨水流入地下，有效补充地下水，缓解城市地下水位的急剧下降，改善城市排水系统，解决一些城市生活环境问题，使透水混凝土路面取得良好的社会效益。

在国内透水混凝土也已应用于工程实践中，代表性的主要有：北京市南北长街道路工程[8]、奥林匹克森林公园工程[9-10]、上海世博会园区透水人行道[11]和镇江市运粮河河岸治理[12]等;同时，也对其工作性能、力学性能等开展了一系列的研究工作[13]。

1.3应用前景

目前，透水性混凝土已在护堤、植生、降温、降噪、改变光环境及出行环境、保护水资源、水质净化、美化环境以及城市道路等方面发挥着重要的作用。透水混凝土的高渗透性、高承载力、易维护性、装饰效果好、耐用性、高散热性的优点，使其可能还有更广泛的应用。 本研究就其中之一的高渗透性，将其应用于有水流的地下溶洞的处理，可以有效地解决这一工程难题。

2本构理论

2.1固体力学模型

1)弹性本构模型：

σ=Eε

(1)

式(1)中,σ—应力;E—弹性模量;ε—应变。

2)莫尔-库伦(Mohr—Coulomb)本构模型：

τf=f(σf)

(2)

式(2)中,τf—剪应力;σf—正应力。

2.2流固耦合模型

流固耦合包括流体进程和力学进程2部分[14]，只有在2个进程的时标相差不大时才能使用耦合法。

1)力学过程特征时间：

(3)

式(3)中，Ku—不排水体积模量;G—剪切模量;ρ—密度;Lc—特征长度(模型平均尺寸)。

2)流体扩散过程的特征时间：

(4)

式(4)中，Lc—渗流特征长度(渗流路径平均尺寸);c—扩散率。

3)扩散率定义为：

(5)

式(5)中，k—渗透系数;s—储水系数。

4)储水系数定义为：

(6)

式(6)中，M—比奥模量;K—体积模量。

3 数值模拟

3.1模型参数

根据刘霞等人的实验研究[9-10]，取其文章中的一部分实验参数如表1所示。

表1　高渗透性混凝土配比及参数(1 m3)

按照国家标准[15]，刘霞[9-10]等人在奥林匹克公园工程的试验中使用的是边长100 mm的立方体试件，故需要乘以一个换算系数0.95。又按偏安全的取法，将表2中序号1按C15的混凝土的标准取参数，其透水系数为9.6 mm/s；又根据规范[16]，可查得C15混凝土相关的弹性模量、泊松比，剪切模量G=0.4E，体积模量K=E/3(1-2μ)，故整理后的建模参数如表2所示。

表2　注浆材料建模参数

注：1—C15高渗透性混凝土，1*—普通C15混凝土。

3.2模型建立

按照国家标准[17]，取双向6车道，车道总宽6×3.75=22.5 m。车道荷载为均布力10.5 kN/m,再加上0.3 m混凝土路面，经换算后偏安全的取覆盖土上部荷载均布力20 kPa ，作用宽度取24 m。FLAC3D建模模型尺寸为20 m×40 m×25 m,其中石灰岩层厚度20 m，上面覆盖土厚度5 m，地下溶洞在石灰岩层中断面直径为5 m的圆柱体，断面圆心位于覆盖土层表面以下10 m处。

对于本研究模型的岩土层建模参数借用李[18]的相关岩层和土层的数据，整理相关参数结果如表3所示。

表3　岩土层建模参数

3.3计算分析

FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟。本研究就是运用FLAC3D作为计算工具进行仿真模拟，其模型图如图1所示。

图1　FLAC3D建模的模型区域网格图

对于高渗透性混凝土(序号1)作为注浆材料时，采用流固耦合计算方法；而对于普通混凝土(序号1*)注浆材料时采用固体力学计算模型中的弹性本构；石灰岩和土采用固体力学计算模型中的莫尔-库伦(Mohr—Coulomb)本构。计算结果分别如图2～10所示。

1)石灰岩的抗压强度在垂直层理方向一般为60～140 MPa，在平行层理方向一般为50～120 MPa；C15混凝土抗压强度设计值为7.2 MPa。虽然不处理也能满足承载力要求，但天然岩体有裂隙，特别在有水流冲刷和腐蚀的地方更明显，这样它的抗压能力相对会脆弱许多。采用钻孔注浆法处理，水泥砂浆会充填到岩体裂隙中，可以提高岩体抗压能力。

2)在不处理情况下模型的最大压应力能达到800～841 kPa，由图2可以看到在溶洞两侧岩体上出现了应力集中现象。又由图4和图8可看出，经过钻孔注浆处理过后有明显改善，不再出现应力集中现象，而且最大压应力也相对减少了25%～29%，所以处理后更安全。

3)比较图3、图6和图9的竖向变形云图，可知其不处理、使用普通混凝土处理和使用高渗透性混凝土处理的变形量都很小且很接近，说明从变形方面考虑，它们的刚度都能达到要求。

4)高渗透性混凝土和普通混凝土作为注浆材料时模型的最大压应力都为600～603 kPa，发生在模型底部。溶洞周围岩石的应力情况如图5所示，高渗透性混凝土作为注浆材料时溶洞周围岩石的最大压应力为370～377 kPa；而如图8所示，普通混凝土作为注浆材料时溶洞周围岩石的最大压应力为380～388 kPa。相对于普通混凝土，高渗透性混凝土的应力反而有所下降。这是由于存在如图8所示的正的孔压力，使得溶洞的填充材料和围岩的压应力有所下降，所以使用高渗透性混凝土比使用普通混凝土还要好。

5)由于高渗透性混凝土不需要再设排水通道，施工更便捷，造价也有可能更低，所以高渗透性混凝土更实用。

图8 普通混凝土作为注浆材料时的竖向应力云图图9 普通混凝土作为注浆材料时在溶洞中心位置切片的应力云图图10 普通混凝土作为注浆材料时的竖向变形云图

4结论

1)采用钻孔注浆法处理溶洞时，使用高渗透性混凝土代替普通混凝土是可行的。高渗透性混凝土的透水性好，渗透系数大，不需要设置专用排水通道，施工更便捷，造价可能更低。

2)目前的实验研究成果显示，能达到一定强度的透水性混凝土，其渗透系数最大也只在10 mm/s左右。虽然其渗透系数相比一般实验所用的透水石(渗透系数在2×10-5mm/s)要大很多，但还是需要研究出能达到强度要求的更大渗透性的混凝土来满足有些水流速度大的溶洞。

参 考 文 献

[1]贺鑫.桥梁桩基溶洞处理方法及其应用[J].科技风,2012(21):124,126.

[2]吴婷婷,何建华,李维勋.浅谈小港咀大桥桩基溶洞处理[J].中国水运(下半月),2014,14(6):248-249.

[3]王蕴,鲍雪银.钻孔注浆法在辽溪线深路堑地下溶洞治理中的应用[J].中国高新技术企业,2013(22):49-51.

[4]黄宏豪.浅谈钻孔桩施工中溶洞的处理技术[J].西部探矿工程,2007,19(8):28-30.

[5]彭晖.强夯及注浆法在娄新高速公路下伏岩溶治理工程中的应用研究[D].长沙:中南大学,2013.

[6]范德友.某地下工程溶洞处理分析[D].广州:华南理工大学,2010.

[7]Cui QL,Wu HN,Xu YS,et al.Construction measures to prevent hazards in karst cave ground under soft sand strata[J].Japanese Geotechnical Society Special Publication,2015,1 (7):52-55.

[8]刘娟红,王胜永,王波,等.无砂透水混凝土在北京市南北长街道路工程中的应用研究[J].混凝土,2006(3):81-83.

[9]刘霞,王加荣,吴冬,等.透水混凝土在奥林匹克森林公园的工程应用[J].混凝土,2008(10):120-122.

[10]刘霞.透水混凝土为奥林匹克公园打下坚实基础[J].建筑装饰材料世界,2009(4):22-27.

[11]黄志巍.上海世博会园区透水人行道试验段的施工与思考[J].市政技术,2009,27(3):230-232.

[12]王从锋,刘德富,杨扬,等.高渗透性混凝土在河岸治理中的应用[J].混凝土与水泥制品,2007(1):14-15.

[13]雷丽恒,刘荣桂.透水性生态混凝土透水性能的研究[J].混凝土,2008(7):28-31.

[14]陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2009:218-220.

[15]中华人民共和国建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能实验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[16]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[17]交通运输部公路局,中交第一公路勘察设计研究院有限公司. JTG B01-2014公路工程技术标准[S].北京:人民交通出版社,2014.

[18]李毅军.高速公路岩溶地基稳定性分析及工程处理[D].长沙:中南大学,2013.

(责任编辑吴鸿霞)

收稿日期：2016-04-02

基金项目：湖北省自然科学基金项目(项目编号：2012FKC14201)；湖北省教育厅自然科学基金重点项目(项目编号：D20134401)；湖北理工学院优秀中青年创新团队计划项目(项目编号：Y0008)。

作者简介：许万辉，硕士生。

*通讯作者：程涛，教授，博士，研究方向：岩土本构关系、岩土流固耦合仿真分析以及工矿废弃物资源化等。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.03.008

中图分类号：TU42

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)03-0037-05

Research on Improvement of Borehole Grouting Method in Treatment of Water Karst Caves

Xu Wanhui1,2,Cheng Tao2*,Hu Renjie1,2,Wang Ziyun1,2,

Du Jianjun1,2，Luo Xianfeng2

(1School of Civil Engineering,Three Gorges University,Hubei Yichang 443000;2School of Civil Engineering,Hubei Polytechnic University,Hubei Huangshi 435003)

Abstract：When there are underground karst caves with flows in the project，the conventional borehole grouting method is to use ordinary concrete as the grouting material and to set up special drainage channels at the bottom of the karst cave so that after the completion of the construction,the water flow can pass through this section.The improvement of the borehole grouting method is to use high permeable concrete instead of common concrete,and the drainage channel is abandoned.FLAC3D is used as a numerical tool for numerical simulation,by comparing traditional methods with the improved method.The fluid solid coupling method is used to calculate when using the high permeability concrete as a grouting material and solid mechanics calculation model for general concrete.After comparing the results,it is found that the improved method is safer and more reliable.The high permeable concrete is proved to be feasible in the treatment of karst cave.

Key words：permeable concrete;karst cave;bored grouting method;numerical simulation;fluid solid coupling