松散回填层及深厚淤泥地基联合灌浆加固技术研究

赵卫全，周建华，熊基丞，王晓东

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100044； 2.北京中水科工程总公司，北京 100044；3.连云港中复连众复合材料有限公司，江苏 连云港 222200；4.连云港和风风电有限公司，江苏 连云港 222200)

我国东南沿海地区淤泥层分布较为广泛，厚度多在10 m以上。随着沿海城镇经济的飞速发展，土地资源愈发紧缺，大量工程建设需要在淤泥层上进行。连云港等沿海地区淤泥及淤泥质黏土具有含水率高、渗透性弱、压缩性高、固结速率慢、灵敏度高及强度低等特性[1-3]，工程地质条件差，天然地基承载力及沉降变形一般不能满足工程设计要求。为保证建筑物结构的稳定、控制工后沉降，必须对淤泥地基进行加固处理。目前常用的淤泥地基加固处理方法主要有排水固结法、碎石桩法、爆炸挤淤法、深层搅拌法、钻孔灌注桩或预制桩法、高压旋喷桩等[4-6]。不同方法有各自的加固机理和适用范围，需综合考虑工程地质条件、建筑物结构类型、使用需求、处理施工条件以及技术经济指标等因素合理选用[7-8]。另一方面，对于回填土地基若碾压不密实，在荷载和自重作用下也会产生较大沉降[9]，影响后期工程运行。

灌浆法因设备体积小、施工灵活、地层适应能力强，对回填层及淤泥地基上既有建筑物的加固处理，具有较好的适用性[10]。但常规的水泥灌浆因浆液流动性好，在回填层及淤泥地层中灌浆的可控性差，浆液易流失过远，造成材料浪费，增加处理成本。本文针对江苏某风电场升压站电缆沟遇到的严重沉降变形问题，研究了“水泥膏浆+稳定性浆液”、“压力-流量双限控制”、“深-浅孔布孔”的联合加固灌浆技术。

1 工程概况

江苏连云港某100 MW风电场升压站位于当地农田中。根据站址区地质勘探成果，场内地层主要由第四系全新统海相沉积成因的淤泥质黏土、淤泥、粉质黏土、粉土、粉土夹粉砂及地表人工堆积成因的素填土等组成。各岩土层的组成及其物理力学性能指标见表1。

表1 升压站场内各岩土层的组成及其物理力学性能指标

由于防洪等因素，整个升压站在原农田填高，回填采用土夹块石，回填高度约3 m。场区内主要建筑物采用了柱下桩基础、筏板基础及箱式基础，但电缆沟直接坐在回填土层上。设计对场内电缆沟淤泥层采用高压旋喷桩加固，回填土采用分层碾压夯实。因工期等原因，施工时淤泥层未作处理，回填层仅采用挖掘机进行了简单碾压。升压站投入运行不到半年，场内主要建筑物沉降变形很小，但电缆沟变形却较大，部分沉降量超过30 cm，严重影响到设备的安全运行，存在极大的安全风险。前期采用普通水泥浆进行了加固处理试验，浆材耗量大，单耗超过了2 t/m，灌浆无压力，处理效果不理想，需要采用其他材料和工艺对电缆沟下的回填土和淤泥进行加固，且处理时场内设备要保持正常运转，不能停电。

2 加固方案设计

2.1 工程特点和处理难点

该电缆沟地基加固处理具有以下特点和难点：

(1) 回填土层具有较大的孔隙率，与周边沟渠水力联系紧密，受地表水位变化影响明显，采用普通水泥浆灌注，浆液易被水稀释，加固效果不可靠，且普通水泥浆易扩散过远，造成浆材浪费。为保证灌浆效果，同时减少材料浪费，需采用低流动性和抗水冲释性能好的浆材，以控制浆液的扩散。

(2) 淤泥及淤泥质黏土层呈流塑状、压缩性高、承载力低、深度大、排水固结不充分、后期变形大。为确保加固效果，减少加固后的附加沉降，处理深度需穿过淤泥层，进入粉质黏土层(层④)，处理深度大。

(3) 加固过程中既要保证电缆沟有抬升来抵消运行后的附加沉降，又不能使电缆沟开裂，处理时需要实时监测，精确控制灌浆压力和灌浆量。

(4) 电缆沟附近雨水管、污水管和电缆等管线分布复杂，孔位布置受管线及附近建筑物影响时需调整孔位，灌浆参数也应实时调整，避免灌浆损坏管线，因此需要准确控制浆液的扩散范围。

(5) 电缆沟紧邻带电高压设备，施工空间受限，排水固结及高喷灌浆等施工机械高度超过安全控制要求，需要选用体积小的施工设备。

(6) 电缆沟附件设备带电工作，对施工中的安全要求很高，不允许浆液喷溅到带电设备上，施工时需要精细化操作。

(7) 为防止雨季电缆沟沉降进一步加剧，保证设备安全，需在1个月内完成加固工作，工期紧、任务重，处理效果要求高。

2.2 加固处理方案

鉴于前期采用普通水泥浆灌浆时漏浆、跑浆严重，考虑到本工程的特点和难点，结合以往工程经验，研究决定采用“水泥膏浆+稳定性浆液”的联合灌浆技术进行处理。水泥膏浆和稳定性浆液析水少、附加沉降小，通过压力挤入地层后，浆液不会流失太远，材料利用率高，且结石体密实性好、强度高、耐久性好。水泥膏浆具有自堆积性、触变性质、凝结时间可调、抗水稀释能力强等特性，通过调整外加剂的掺量，可较准确控制水泥膏浆的凝结时间和扩散范围，因此对孔隙率大、压缩性高的回填土层采用水泥膏浆进行灌浆加固[11-13]。对淤泥质黏土和淤泥层采用稳定性浆液灌注浆，可使浆液对软弱地层产生劈裂、压密和胶结作用，浆液通过裂隙进入淤泥层形成浆脉，在压力作用下可对地层进行二次压缩，加速软弱地层的固结，形成复合地基，有效提高淤泥层的承载能力和抗变形能力。

灌浆孔沿电缆沟两侧布置，深-浅孔结合，深孔穿过淤泥层，浅孔深度约为深孔一半。深孔主要作用为加固地基，提高其弹性模量和抵抗变形能力，减少淤泥层的垂向变形和侧向变形；浅孔主要减少淤泥层的侧向变形。通过灌浆，一方面可提高淤泥层的地基承载力，减少沉降；另一方面可对电缆沟地基形成相对封闭区域，减少淤泥层的侧向变形。采用“深-浅孔”结合的处理方案，可使浆液在有效范围内扩散和凝结，减少浆液的浪费，也可有效地提高灌浆效果和施工工效。

对水泥膏浆及稳定性浆液均采用“压力-流量”双限控制技术进行灌注，以控制浆材的扩散范围、用量及地层抬动，保证灌浆效果。

2.3 灌浆设计

2.3.1 理论计算

(1)工后沉降控制。根据相关研究成果及工程经验，深厚淤泥层地基加固处理以工后沉降控制为主。浆液在淤泥层中形成一道道浆脉，随着扩散半径增大，浆液压力越来越小，对土体加固效果越来越弱，加固体形成的复合地基性质与柔性桩复合地基类似，可将加固土体分为“桩体”和“桩间土”两部分[14]。水泥膏浆加固后的回填层压缩变形量较小，可忽略不计，则柔性桩复合地基压缩变形计算公式如式(1)、式(2)所示[15]：

(1)

Espi=mEpi+(1-m)Esi

(2)

沉降计算经验系数ψs取1.0，加固后复合土体压缩模量Esp取12 MPa，注浆孔周围“桩体”的压缩模量可达到25 MPa，淤泥层厚15 m，根据设计要求，上部荷载作用下淤泥层中平均附加应力增量Δp为80 kPa。代入公式(1)计算可知，经灌浆加固后电缆沟地基工后沉降最大约100 mm。考虑到灌浆过程中电缆沟会有部分抬升，可抵消部分沉降，故工后沉降基本满足电缆沟对于地基沉降变形的要求。

(2) 孔距。加固前淤泥及淤泥质黏土层平均压缩模量Es为2.32 MPa，代入公式(2)计算可知，面积置换率m约为0.4，根据规范公式，m=d2/(1.05s)2，假定灌浆形成桩体直径为1. 0 m，则可求得灌浆孔间距s≈1.5 m，取孔距为1.5 m。

(3) 最小灌浆压力。根据规范及相应工程经验，最小注浆压力可按式(3)计算[16]：

(3)

式中:pmin为最小注浆压力，MPa；γi为灌浆孔以上第i层土的天然重度，kN/m3；σi为土的抗拉强度，根据规范推荐值，淤泥可取10 kPa。

灌浆孔最大深度为19 m，则最小注浆压力取0. 2 MPa。

(4) 灌浆量。根据规范推荐公式，初始注浆量按式(4)计算[17]：

(4)

式中：Q为灌浆量，m3；V为土体体积，m3；dg为土颗粒相对密度；e0为初始孔隙比；w0为土的天然含水率；wp为土的塑限；f为加压系数，取1.05～1.20。

灌浆有效桩体直径按1 m计算，结合淤泥层地质勘探成果，代入公式计算可知，每延米注浆量0. 68 m3～0. 82 m3，对应水灰比1. 0时，水泥用量约700 kg/m。

2.3.2 灌浆设计

(1) 孔位布置。综合考虑本工程的特点，结合理论计算及类似工程经验，电缆沟两侧各布置1排灌浆孔，“深-浅孔”结合，深孔进入粉质黏土层0.5 m，孔深19.0 m，浅孔深0.9 m，孔距1.5 m。当孔位靠近暗埋电缆、高压线或遇到大块石而成孔困难时，增加孔距，并加大灌浆压力以保证灌浆效果。对电缆沟沉降变形严重部位，将浅孔改为深孔，以提高加固效果。

根据现场实际情况，电缆沟共布置灌浆加固孔36个，其中深孔21个，浅孔15个，并布置9个沉降观测点。灌浆孔位和沉降观测点布置如图1所示。

图1 电缆沟加固施工孔位布置图

(2)灌浆浆液。水泥膏浆采用在水泥浆液中添加自主研发的SK-P膏浆外加剂和膨润土配制而成，外加剂掺量为水泥的2%～5%，膨润土掺量为水泥的3%～5%，水灰比0.50～0.45；稳定性浆液采用在水泥浆中直接添加膨润土配制而成，膨润土掺量为水泥的3%～5%，水灰比1.0～0.8。水泥为中联P.O 42.5普通硅酸盐水泥，膨润土为浙江安吉生产的钠基膨润土。

考虑到被灌地层的孔隙大小不同，为保证浆液的扩散范围，水泥膏浆采用3级配比，稳定性浆液采用2级配比。经现场多次配比和性能试验，确定现场水泥膏浆及稳定浆液的配比如表2和表3所示。采用黏度较小的膏浆或稳定性浆液开灌。

表2 现场水泥膏浆配比及性能

注：性能参数均为现场取样测定。

3 灌浆施工工艺

因电缆沟附近主变等设备均带电运行，施工时水、泥浆、水泥浆等不能喷溅到设备上，以免引起短路造成事故。常规软基灌浆采用的潜孔锤风动跟管钻进及利用套管灌浆等工艺不适用于本工程，为此对钻孔和灌浆设备进行了改进。

表3 现场稳定性浆液配比及性能

注：性能参数均为现场取样测定。

(1) 灌浆工艺。灌浆采用孔口封闭、孔内纯压、自下而上、分段灌注的灌注工艺。具体流程为：钻至设计孔深(-19 m)→分段灌注稳定性浆液至回填层底部(-3 m)→分段灌注水泥膏浆至地表→达到结束标准后，结束→下一孔钻孔、灌浆。

(2) 钻孔。选用150型地质钻机进行钻孔，考虑到现场施工安全，加工了专用短钻杆，长度1.5 m。根据现场试验，回填层含有大量块石，采用岩芯钻头钻进，钻进效率低，但在淤泥层中，钻头过水流量大，不容易堵塞，成孔的可灌性保证率高。牙轮钻头对含块石的回填层钻进效率高，但在淤泥层中易堵塞。为加快钻孔效率，保证钻孔成功率，钻进过程中先用牙轮钻开孔，穿过回填层后，再改用岩芯钻头钻至设计孔深。

(3) 灌浆。

① 灌浆设备。浆液搅拌采用专用水泥膏浆搅拌机，灌浆泵采用螺杆泵。孔内射浆管直接采用钻杆，加工专用灌浆盖头，使其能够顺利连接到钻杆上，钻孔结束后拧紧盖头即可进行灌浆，减少了提钻、下射浆管和塌孔事故，提高了施工效率。

② 灌浆次序。先施工深孔(I序孔)，再施工浅孔(II序孔)。灌浆次序为：沟左 I序孔→沟右I序孔→沟左II序孔→沟右II序孔。灌浆于孔底开始，先灌注稳定性浆液，灌至淤泥与回填层交界面处，将稳定性浆液变换为水泥膏浆再进行灌注。

③ 灌浆压力、灌浆量。为降低加固成本,减少材料耗量，灌浆时采用了灌浆压力和灌浆量双限控制技术。I序孔水泥耗量上限控制在700 kg/m，达到灌浆量后结束；II序孔灌浆时，以灌浆压力控制为主，尽量达到设计灌浆压力。结合类似工程经验及现场试验结果，本工程Ⅰ序孔采用0.2 MPa～0.3 MPa的灌浆压力，II序孔采用0.3 MPa～0.6 MPa的灌浆压力。灌浆压力可根据现场进浆情况进行适当调整。

④ 变浆标准。对于各灌浆段，若灌注10 min后孔口不返浆或无压，变换一次配比；当材料干耗量大于700 kg/m，变换一次浆液。

⑤ 结束标准。正常情况下，应以达到规定的灌浆压力为终止灌浆标准，以保证浆液在有效范围内充分扩散，并依靠灌浆压力对地层进行一定程度的压密。

⑥ 抬动监测。灌浆施工过程中对电缆沟进行监测，发现有害抬动时立即停止灌浆，查明原因后再重新灌浆或在附近重新钻孔补强灌浆。

⑦ 特殊情况处理。施工初期，每段灌浆结束拆卸钻杆时，有浆液沿钻杆内壁冒出，为减少浆液浪费，后期施工拆卸钻杆前先上提5 cm～10 cm，等待5 min后再进行拆卸，孔口基本无返浆现象。在灌浆过程中，对地表出现的冒浆、跑浆和串浆主要采用待凝措施进行处理；对孔口冒浆主要采用在孔口塞水泥袋处理。

4 加固效果分析及评价

4.1 灌浆成果分析

经过30 d的施工(纯施工工期20 d)，共完成钻孔灌浆36个，合计孔深534 m，灌浆534 m，其中水泥膏浆灌注108 m，稳定性浆液灌注426 m，共灌注水泥151.6 t，膏浆外加剂1.44 t，膨润土6.16 t。水泥膏浆灌浆成果统计如表4所示，稳定性浆液灌浆成果统计如表5所示。

表4 水泥膏浆灌浆成果统计

注：成果统计不含弃浆。

由表4可以看出，回填层中水泥膏浆灌浆，沟左Ⅰ序孔的平均单位耗灰量(干料)为470.9 kg/m，Ⅱ序孔平均单位耗灰量为 214.7 kg/m，为Ⅰ序孔的45.6%，单位耗灰量随灌浆序次递减了54.4%；沟右Ⅰ序孔平均单位耗灰量为377.9 kg/m，Ⅱ序孔平均单位耗灰量为117.2 kg/m，为Ⅰ序孔的31.0%，单位耗灰量随灌浆序次递减了69.0%。

表5 稳定性浆液灌浆成果统计

注：成果统计不含弃浆。

由表5可以看出，淤泥层中稳定性浆液灌浆，沟左Ⅰ序孔平均单位耗灰量为409.7 kg/m，Ⅱ序孔的平均单位耗灰量为 204.7 kg/m，为Ⅰ序孔的50.0%，单位耗灰量随灌浆序次递减了50.0%；沟右Ⅰ序孔平均单位耗灰量为 286.8 kg/m，Ⅱ序孔平均单位耗灰量为81.8 kg/m，为Ⅰ序孔的28.5%，单位耗灰量随灌浆序次递减了71.5%。

分析表4、表5，水泥膏浆和稳定性浆液单位耗灰量均随灌浆序次递减明显，符合分序灌浆的一般规律；在同一序次中后施工的沟右灌浆孔的平均单位耗灰量明显低于先施工的沟左灌浆孔。钻孔过程中钻进速度也有呈孔序递减规律，沟右Ⅱ序孔进尺速度明显减慢，约为沟左Ⅰ序孔的1/5。以上分析表明，电缆沟回填层及淤泥层灌浆加固处理效果较为明显。

由表5还可以看出，回填层水泥膏浆灌浆平均单位耗灰量为308.8 kg/m，淤泥层稳定性浆液平均单位耗灰量为295.4 kg/m，均远小于前期普通水泥灌浆试验平均单位耗灰量2 t/m，采用水泥膏浆和稳定性浆液灌注能有效控制浆液的扩散范围，减少浆材浪费。

4.2 沉降监测分析

灌浆施工过程中及施工完成后，电缆沟上设置的9个沉降监测点与固定点间相对高差测量结果如图2所示。

监测结果表明，灌浆施工过程中各监测点均有抬升，抬升值约为5 mm～24 mm，距离灌浆孔越近，抬升越明显；施工结束约两周，各测点相对高程变化趋势变缓，接近水平，灌浆抬升可抵消部分工后沉降，满足设计要求。

图2 沉降监测点与固定点相对高差变化曲线

目前电缆沟已安全运行1年多，电缆沟表面无新的裂缝产生，电缆沟顶部高程也无明显变化，表明灌浆加固处理效果可靠。

5 结 语

(1) 灌浆技术的关键是浆材配比、压力控制和灌浆工艺，采用“水泥膏浆+稳定性浆液”、“压力-流量双限控制”和“深-浅孔布孔”相结合的联合灌浆技术对松散回填层及深厚淤泥层地基加固效果明显，既保证了减沉加固要求，又节约了材料用量，缩短了工期，可为类似地基加固处理提供参考。

(2) 水泥膏浆具有自堆积性和触变性，可有效控制大孔隙地层灌浆浆液的扩散范围，减少浆材浪费，节省灌浆成本。稳定性浆液不析水，在灌浆过程中对地层的附加沉降影响小，适合于淤泥层的加固处理。

(3) 采用孔口封闭、自下而上、分序加密、逐级加压等施工工艺对本工程灌浆处理是合适的。因电缆沟场地条件限制，通过加工短钻杆及专用灌浆盖头等措施满足了现场安全施工要求，保证了灌浆的顺利实施。

(4) 灌浆处理因其设备小、占用空间少、移动方便、施工灵活，浆液扩散范围可通过灌浆压力和浆材配比进行调整和控制，对施工条件苛刻的地基处理适用性好，特别是对既有建筑物的地基加固处理，很多时候较其他地基处理方法优势明显。