溶洞上覆土层注浆加固应用分析*

朱耀庭 胡文华 吴福泉 张 恺

(江西省交通科学研究院1) 南昌 330200) (江西省高速公路投资集团有限公司2) 南昌 330025)

溶洞上覆土层注浆加固应用分析*

朱耀庭1)胡文华2)吴福泉2)张 恺1)

(江西省交通科学研究院1)南昌 330200) (江西省高速公路投资集团有限公司2)南昌 330025)

基于研究区域的工程概况，提出一种新型逐序加深注浆工艺及其施工技术要点，并与传统的孔口管注浆工艺、袖阀管注浆工艺进行比较.通过分析p-Q-t曲线、标准贯入试验分析和压水试验分析验证了注浆成果.结果表明，先序注浆可能会出现灌注量过大的问题，可以间歇注浆或者掺加速凝剂解决，其主要目的在于降低粉细砂层、卵石层等大孔隙地层的渗透率，其次也可使浅层地层得到整体加固.后序孔在先序孔中间隔布置，由于15.0 m深度以内地层渗透率已经降低，此时便可实现深层地层的重点加固.而在应用逐序加深注浆工艺之后，溶洞顶板附近粉质粘性土的标准贯入次数平均提高了5次以上，包括粉质粘性土在内的各个层位的渗透性均已得到明显改善，表明逐序加深注浆工艺的应用有效实现了溶洞上覆土层的注浆加固.

岩溶；注浆；p-Q-t曲线；标准贯入试验；压水试验

0 引 言

在我国西南部，公路建设往往需要穿过岩溶地区，尤其是隐伏型岩溶地区潜在的塌陷风险，溶洞对工程建设构成严重危害[1].隐伏型岩溶地质构造复杂(包含溶洞及其上覆土层，常常要考虑水的作用)，破坏形式多样，除了要考虑溶洞顶板破坏这一种常规的破坏形式外，还要考虑由于地下水位变化造成的溶洞上覆土层破坏(抽排水引发的侵蚀等，多发生于基岩面附近)[2].根据溶洞顶板的厚薄、埋深，又可将隐伏型岩溶划分为深埋薄顶、浅埋薄顶、深埋厚顶、浅埋厚顶等四种类型.深埋薄顶型岩溶和浅埋薄顶型岩溶都属于岩溶破坏的高发类型，其中又以深埋薄顶型岩溶难以处治.一方面，深埋意味着富含承压地下水，在地下水的浸泡下，基岩面(溶洞顶板)附近土层将呈可塑甚至软塑状态，一经扰动即可引发变形.另一方面，薄顶意味着可能存在开口岩溶形态，覆盖土层很有可能在这一位置逐渐侵蚀塌陷,因此，研究相应的处治策略十分必要.

文中介绍了研究区域的工程概况，提出一种新型逐序加深注浆工艺及其施工技术要点，并与传统的孔口管注浆工艺、袖阀管注浆工艺进行比较.最后通过p-Q-t曲线分析、标准贯入试验分析和压水试验分析验证了注浆成果.

1 工程概况

研究区域位于扬子准地台与华南褶皱系交接的江西著名地质构造—萍乡至乐平近东西向拗陷带内的西北缘，区内土层结构和岩性非常复杂，隐伏型岩溶构造非常发育，呈现为深埋薄顶的特征.以K11+727为例，初见水位5.8 m，稳定水位10.4 m，自14.4 m至基岩面(18 m)分布粉质粘性土，自16 m开始向下由可塑状态转变为软塑状态，性状极为软弱.经由标准贯入试验验证，越靠近基岩面击数越少，承载能力逐渐变差，见表1.

基于以上工程概况，文中提出适用于K11+680～K11+740段的新型逐序加深注浆工艺，并通过压水试验和标准贯入试验观察加固结果.主要有三个目的，①排出水分，将覆盖层软塑状态提高为可塑至硬塑状态，提高抗冲刷侵蚀能力；②提高覆盖层模量、减小泊松比，改善溶洞顶板受力状况；③提高防渗水能力，减小地下水位变化速度和对覆盖层的影响程度.

表1 标准贯入试验

2 新型逐序加深注浆工艺的提出

我国在覆盖层中注浆始于20世纪50年代，曾在北京密云水库、河北岳城水库等大型工程中应用，后来由于混凝土防渗墙技术的快速发展，使得覆盖层灌浆工程减少，渐少见于较大规模的应用.一般有两种成本较高的工艺可用于覆盖层注浆:袖阀管注浆和孔口管注浆.论及工艺，这两种方法也存在颇多缺点.袖阀管注浆工艺繁杂，封口复杂，对施工队素质要求过高；孔口管注浆则消耗大量管材，还需要多次成孔，尤其不便于大面积推广使用.

孔口管注浆方法是把止浆塞设置在孔口，自上而下分段钻进，逐段注浆并不待凝的一种分段注浆方法.其缺点是在自上而下分段注浆的过程中需要多次复钻和复注，与通长注浆所需的工作量相比，孔口管注浆的工作量翻了数番.此外，孔口管注浆不仅需要消耗大量孔口管，而且在复钻的过程中又造成许多水泥浆不必要的浪费.

袖阀管注浆方法是在注浆孔内，预先安置特制带有孔眼的注浆管，称为花管.在花管与孔壁间填入被称为填料的浆液，并在花管内用双栓塞式注浆塞分段进行注浆.但在注浆后，花管难于拔出重复使用，管材耗费较多，成本较为昂贵.其中，填料浇注的好坏对注浆成功与否有很大影响，要求既能在一定的压力下，压开填料进行横向注浆，又能在高压注浆时，阻止浆液沿孔壁或管壁流出地表，对施工队素质要求很高.

为提出适用于K11+680～K11+740段的覆盖层注浆工艺，前期已进行地质钻孔、压水试验、注浆试验等大量工作.经前期地质钻孔发现，K11+680～K11+710段地质情况较为复杂，溶洞顶板上覆砂砾层及粘土层间互成层，有些钻孔甚至还发现有半米厚的卵石层，见图1.

图1 溶洞上覆砂砾层及粘土层间互成层的特殊现象

经压水试验发现，11 m附近的粉细砂层、15 m附近的卵石层透水率极好.随后在前期试验孔的试注浆过程中发现，普遍都有压力回落、地层贯通、邻孔串浆等现象发生，按照传统方法处理起来有相当大的难度.为解决上述问题，提出“逐序加深”这一工艺，首先在K11+700～K11+710段小范围试验成功，随后推广至K11+710～K11+740段.

所谓逐序加深法，即分为先序、后序两个次序，后序孔在先序孔中间布置，并在先序孔的基础上加深孔深.以K11+710～K11+740段为例，先序孔孔深15 m，后序孔孔深18 m.先序注浆可能会出现灌注量过大等问题，可以间歇注浆或者掺加速凝剂解决，其主要目的在于降低粉细砂层、卵石层等大孔隙地层的渗透率，其次也可使15 m深度以内地层得到整体加固.后序孔在先序孔中间隔布置，由于15 m深度以内地层渗透率已经大大降低，此时便可实现15～18 m深度范围内地层的重点加固.

3 施工技术要点

根据《建筑地基处理技术规范》，若在第四系覆盖土层内注浆，注浆孔距一般取1～2 m.注浆孔距与扩散半径有很大的关系，土层渗透率越低，扩散半径越小，应采用较小的注浆孔距，反之则采用较大的孔距，布孔见图2.待处治段溶洞顶板上覆粉细砂层、卵石层，再往上则沉积分布粘性土层以及含角砾的粘性土层，渗透率差异较大.由前述分析可知，岩溶路基覆盖层固结注浆的主要目的在于固结溶洞上覆土层，尤其是溶洞顶板附近的粉细砂层及卵石层.因此在K11+710～K11+740段注浆工作中采用较大的钻孔间距(2 m)，足够在大空隙地层中充分扩散，同时也可以有效控制处治成本.

图2 布孔示意图

钻孔完毕，检查钻孔深度，在确认没有塌孔的情况下再安放花管，否则，应采用钻机清孔到位.有的钻孔成孔之后来不及注浆，常常放置一天甚至几天，期间如果再遇到降雨，塌孔的可能性就非常大了,因此，安放花管之前都应该检查钻孔深度，以免注浆不到位.花管底部开有花孔，花孔外侧应事先缠绕好塑料胶带，以免在安放的过程中被钻渣阻塞.而在注入浆液的过程中，塑料胶带将在浆液的作用下脱落，使花孔贯通，并不会影响注浆.

为防止邻孔串浆和减少浆液的无效漏失，注浆顺序应按跳孔间隔注浆方式，建议按自路基坡脚向路线中心的顺序进行，以防止邻孔串浆，保证注浆质量.如出现串浆现象，应尽量同时对注浆孔和串浆孔进行注浆处理，否则至少应该阻塞串浆孔.而在阻塞串浆孔的过程中发现，仅有少数串浆孔压力可以达到0.1 MPa，往往又在数分钟内回落至0 MPa，效果不甚理想.因此，若具备条件，建议尽量对注浆孔和串浆孔同时进行注浆处理.只有在地层贯通性较好且不向外渗漏的情况下，阻塞串浆孔可以使其压力与注浆孔压力相差无几，反而有利于提高注浆效率，但这种情况十分少见，试验现场几十例串浆中仅有数例串浆孔压力可以达到0.1 MPa以上.

4 效果观察

4.1 p-Q-t曲线分析

根据注浆施工中所记录的注浆压力p、注浆速度Q绘制相应的p-Q-t曲线，见图3[3].一般而言，尽管p-t曲线和Q-t曲线大都呈现波动性，只要p-t曲线总的呈上升趋势，Q-t曲线总的呈下降趋势，注浆结束时，注浆压力达到设计终压(常取0.25～0.35 MPa)，终注速度小于15 L/min，注浆效果基本是可以满足要求的，地层也较为正常.反之，若某些注浆孔p-Q-t曲线出现异常情况，例如注浆流量过大，注浆压力过低等，说明该处土层支离破碎已形成通道，这很可能是开口岩溶形态的象征，需要特别留意，并作为标准贯入试验孔和压水试验孔的备选孔.

图3 注浆过程中的典型p-Q-t曲线

由图3可知，开始注浆时，注浆压力为0 MPa，注浆速度为80 L/min，这主要是浆液自由流动填充钻孔的过程；钻孔被填满之后，注浆压力开始不断上升，注浆速度随之下降，表明浆液开始填充溶洞上覆砂砾层、卵石层等类型的大空隙地层；随着大空隙地层的填充，注浆压力升高到0.23 MPa，注浆速度降至30 L/min；在持续约10～20 min之后，浆液开始劈裂粘土层，形成新的裂隙，注浆压力再次下降，随着劈裂的形成和再次填充，注浆压力重新上升上升到0.3 MPa，注浆速度下降到5 L/min以下，进浆量明显减少，在这种情况持续10 min后结束注浆.

4.2 标准贯入试验分析

在注浆结束5 d后，选择在注浆前的标准贯入试验孔附近1 m范围内进行注浆后的标准贯入试验[4]，试验结果见图4.ZK1为注浆前的标准贯入试验孔，注浆后ZK1中已经形成高强度的纯水泥结石体，无法再在ZK1中检测注浆效果，因此需要在ZK1附近(50%的注浆孔距)进行注浆后的标准贯入试验.图4为ZK1,ZK2,ZK3等三个检查孔在注浆前后的标准贯入结果，从17 m深开始每0.1 m记录一次标贯击数，直至17.6 m深.在应用逐序加深注浆工艺之后，溶洞顶板附近粉质粘性土的标准贯入次数平均提高了5次以上，说明这种逐序加深注浆工艺可以有效实现溶洞附近土层的加固.

图4 注浆前后击数

4.3 压水试验分析

注浆后地层的渗透系数下降，是注浆见效的重要表征[5-8].文中在标贯检查结束后，在标贯检查孔内实行压水试验，通过压水试验对比注浆前后岩溶路基覆盖层渗透系数是否已经得到改善，试验结果见表2～3.其中，渗透系数K在压水试验的基础上，根据其与透水率q的经验关系进行估算：K=q×1.5×10-5.透水率为在压水压力p为1 MPa时，每米试段长度L每分钟的注入水量Q，即q=Q/(p·L).此外，考虑到压水试验需要以一定的水压向路基和地基之内大量注水，对于路基稳定性具有显著的不利影响，因此，仅针对ZK1检查孔进行压水试验.

表2 ZK1注浆前压水试验成果

表3 ZK1左1.0 m注浆后压水试验成果

由表2可知，溶洞顶板附近粉质粘性土(15～18 m深度范围)的透水率已达到62.19 Lu，超过文献[9]提出的岩溶塌陷临界裂隙透水率(50 Lu)，容易在地下水的作用下侵蚀塌陷.因此，有必要应用注浆技术手段降低溶洞上覆土层的透水率，防止土体产生裂隙，从而预防土洞的形成.但是，该段地质情况较为复杂，溶洞顶板上覆砾质粘性土(12～15 m)及粉质粘性土(6～12，15～18 m)间互成层，由于砾质粘性土的渗透系数远大于粉质粘性土，若采用常规的注浆方式，很大一部分浆液都将流入砾质粘性土，而紧邻溶洞顶板的粉质粘性土很难得到加固.

由表3可知，在应用逐序加深注浆工艺之后，包括粉质粘性土在内的各个层位的渗透性均已得到明显改善.砾质粘性土(12～15 m)的渗透性得到大幅度改善的原因为先序注浆(0～15 m)通过灌入大量浆液降低了此类大孔隙地层的渗透率.砾质粘性土(12～15 m)的渗透性得到大幅度改善，则是因为0～15 m范围内地层的渗透性已经显著下降，此时再进行后序注浆，便可实现15～18 m深度范围内地层的重点加固.

5 结 束 语

文中介绍了溶洞上覆土层的处治难点及一种新型逐序加深注浆工艺.从施工方法来看，逐序加深法十分类似于通长注浆，不同之处在于先序孔主要起到降低浅层地层渗透率的作用，而后序孔又较先序孔进一步加深了孔深.这样，逐序加深法既达到了类似于分段注浆的效果，实现了溶洞顶板附近土层的重点加固，又如同通长注浆那般便捷，无需埋设孔口管或是花管，更无需反复钻进，工作量大为减少，工期大为缩短.

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Application Analyse on Grouting Reinforcement in Overburden Layer of Karst Cave

ZHUYaoting1)HUWenhua2)WUFuquan2)ZHANGKai1)

(JiangxiTransportationInstitute,Nanchang330200,China)1)(JiangxiProvincialExpresswayInvestmentGroupCo.Ltd.,Nanchang330025,China)2)

Based on the engineering situation of research area, a new type of grouting process with deepening gradually and the corresponding key points of construction technology are proposed, compared with the traditional orifice pipe grouting process and the sleeve pipe grouting process. Finally, the results of grouting are verified byp-Q-tcurve analysis, standard penetration test and water pressure test. The results show that the pre-batch grouting may have the problem of excessive pouring, which can be solved by using the intermittent grouting or mixing with quick-setting agent. The main purpose is to reduce the permeability of large pore strata, such as fine sand layer and pebble layer, as well as to make the shallow strata reinforced overall. In addition, the posterior pore is arranged at the interval of the first-order holes, and the reinforcement of the deep stratum can be realized at this time, due to the permeability of strata under the depth of 15.0 m being reduced. Meanwhile, after the application of the grouting process with deepening gradually, the standard penetration number of the silty clay near the top of the cave is increased by more than 5 times on average. The permeability of each layer, including the silty clay, has been improved obviously, which indicates that the application of the grouting process with gradual deepening can effectively improve the grouting reinforcement in the caverns.

karst; grouting;p-Q-tcurve; standard penetration test; water pressure test

U416.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.013

2017-10-16

朱耀庭(1982—)：男，博士，高级工程师，主要研究领域为路面工程及材料

*国家自然科学基金项目(51508246)、江西省交通运输厅科技项目(2015C0022)资助