河池水任至南寧高速公路巖溶路基試驗(yàn)段注漿施工技術(shù)分析

摘要：文章以河池水任至南寧高速公路路基施工為例，闡述了巖溶路基的發(fā)生機(jī)理，調(diào)查了其巖溶發(fā)育的狀態(tài)，并通過(guò)多種處理方法的比較分析，得出采用注漿工藝的最終處理方案。

關(guān)鍵詞：公路;巖溶路基;注漿;施工

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U416.04-A-16-046-4

0 引言

廣西地區(qū)濕熱多雨，且多為山地，對(duì)巖溶現(xiàn)象的發(fā)育起到了良好的促進(jìn)作用。所謂“桂林山水甲天下”，也多是由于巖溶地貌所帶來(lái)的美名。而在工程領(lǐng)域中，巖溶則不是那么的友好，其制約了諸多工程的施工與設(shè)計(jì)，造成了大量的工程投資浪費(fèi)，屬于極其不利的工程地質(zhì)現(xiàn)象。故在交通大發(fā)展的今天，針對(duì)廣西地區(qū)巖溶現(xiàn)象，越來(lái)越多的學(xué)者和專家都投身于其中，力圖在施工可行、經(jīng)濟(jì)合理的條件下，一次性解決巖溶災(zāi)害，加快廣西的公路建設(shè)。

1 項(xiàng)目概況

河池水任至南寧高速公路都安至南寧段全長(zhǎng)139.95 km，路線起于廣西河池市都安縣，經(jīng)地蘇鄉(xiāng)，跨越紅水河進(jìn)入馬山縣;經(jīng)喬利鄉(xiāng)、林圩鄉(xiāng)，進(jìn)入南寧市武鳴區(qū);經(jīng)府城鎮(zhèn)、城東鄉(xiāng)、城廂鎮(zhèn)、寧武鄉(xiāng)、甘圩鎮(zhèn)，終于南寧三岸。沿線山嶺起伏，有典型的喀斯特巖溶地形、膨脹土、濕地、軟基，也有石山區(qū)，堪稱廣西地質(zhì)的“標(biāo)本集”。

2 巖溶發(fā)育評(píng)價(jià)

工程場(chǎng)地巖溶較發(fā)育，巖溶各向異性明顯，豎向、側(cè)向溶蝕交替出現(xiàn)，沿其巖溶發(fā)育走向、傾向追蹤呈條帶狀分布特點(diǎn)較明顯，以垂直溶蝕為主[1]。工程場(chǎng)地巖溶形態(tài)發(fā)育特征如下：

（1）基巖表面溶蝕：基巖表面經(jīng)長(zhǎng)期溶蝕風(fēng)化，形成由溶槽、溶溝、石芽組成的起伏面，是在古地貌基礎(chǔ)上發(fā)育的結(jié)果。

（2）溶洞（垂直高度>0.5 m）：鉆孔遇到的溶洞有32個(gè)（見(jiàn)表1），占洞隙的86.0%。其中絕大部分為全充填或半充填，充填物為可塑-軟塑狀紅黏土，局部由風(fēng)化碎塊充填。

3 路基處理方式選擇

考慮到本項(xiàng)目橋梁等結(jié)構(gòu)物較少，均以填方或挖方路基為主，為綜合協(xié)調(diào)施工可行性、便利性、經(jīng)濟(jì)性等因素，擬決定在結(jié)構(gòu)物處采用樁基礎(chǔ)，而路基段需另外考慮其他施工方案[2]。綜合常用的路基處理方案，換填及強(qiáng)夯均容易造成巖溶頂板塌陷，且工程量較大，不適應(yīng)本項(xiàng)目;復(fù)合地基方案則由于地下孔洞較多，無(wú)法成樁，或施工期間鉆頭易墜，也不合理。故根據(jù)本項(xiàng)目巖溶規(guī)模較小、溶蝕率較高的特征，擬采用注漿進(jìn)行地基處理，既能封堵水的進(jìn)出通道，避免路基下方繼續(xù)發(fā)育巖溶，也能利用漿液凝固的強(qiáng)度，使溶洞填充固結(jié)，形成整體硬層，提高路基整體強(qiáng)度。

4 注漿方式選擇

注漿應(yīng)用于地基處理在國(guó)內(nèi)外有相當(dāng)多的實(shí)例證明其可行性及成效，一般來(lái)說(shuō)較常使用脈狀注漿及擠壓注漿兩種工法。文章將針對(duì)脈狀注漿與擠壓注漿作詳細(xì)敘述。

4.1 擠壓注漿

擠壓注漿工法的原理，系由改善土壤的疏松性質(zhì)入手，借由稠度高的漿液注入地基中，形成接近均質(zhì)的球形或圓柱形漿體，推移、擠壓鄰近土壤，使土壤趨于密實(shí)，減少后續(xù)所發(fā)生的沉陷，甚至補(bǔ)償先前土壤沉陷的體積[3]。依據(jù)ASCE注漿專業(yè)委員會(huì)對(duì)擠壓注漿的定義為：一種將坍落度<25 mm的漿材注入地基的施工方法。通常使用土與水泥的混合物為漿材，其中須有足夠的粉土使?jié){材有足夠的塑性，也必須有足夠的砂土使?jié){材有足夠的內(nèi)摩擦力。一般而言，漿材并不進(jìn)入土壤的孔隙之間，而是自成一體，在完全掌控位移的狀況下，擠壓松散的土層。由上述定義可知擠壓注漿材料必須滿足三個(gè)條件：（1）高粘滯性：使?jié){液無(wú)法滲入土壤的孔隙中;（2）低塑性：使?jié){液無(wú)法對(duì)土壤產(chǎn)生水力劈裂;（3）可流動(dòng)性：在限定的操作壓力下，可使?jié){液在注漿管中流動(dòng)。

本工法的適用地基，決定于兩個(gè)主要因素：（1）土壤的壓縮性（即空氣與水是否能排出）;（2） 改良范圍以外區(qū)域能否提供足夠的束制力，以提供擠壓或上頂時(shí)的反力。從理論上來(lái)說(shuō)，只要時(shí)間允許，各種土壤皆適用本工法，但因黏土的滲透性低，擠壓注漿成效會(huì)受到較大的限制。再者，在近地表處及無(wú)側(cè)限的邊坡，因其束制力不足，擠壓注漿所能產(chǎn)生的效果較差。

4.2 脈狀注漿

脈狀注漿工法原是用來(lái)增加不易滲透土壤的承載力與抗剪強(qiáng)度，近二十年來(lái)則開(kāi)始應(yīng)用于隧道開(kāi)挖時(shí)防止地表沉陷以及路基處理等項(xiàng)目。劈裂注漿的改良機(jī)制為漿液侵入地基土壤中，形成手指狀、樹(shù)枝狀或者礦脈狀的改良體，達(dá)到壓擠、握裹土壤（類似加勁土壤）的效果。由于漿液所形成的脈狀結(jié)構(gòu)不易控制，故采用該工法時(shí)，對(duì)于注漿孔的配置、注漿量的掌控以及漿液是否溢流等因素，均需事先計(jì)劃周詳以達(dá)到預(yù)期成效或者避免損害周邊土體。

目前許多文獻(xiàn)所認(rèn)同對(duì)脈狀注漿的定義為：以流體漿液，使土體產(chǎn)生局部的圍束及受控制的劈裂行為，而未對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。大量學(xué)者提出脈狀注漿工法漿液材料需滿足的條件為：（1）在維持可輸送性的情況下，提高漿液的粘滯度，用以控制漿液在地基中的傳播距離，必要時(shí)可縮短凝結(jié)時(shí)間至10 s左右;（2）提高漿液的觸變性，促使?jié){液在各個(gè)不同方向產(chǎn)生劈裂，以補(bǔ)強(qiáng)土體;（3）減少泌水現(xiàn)象，以免漿體稠度增加，減少劈裂土體的可能性。

一般而言，脈狀注漿多使用水泥系懸濁溶液為主要漿液成份，再加上水玻璃溶液混合，用來(lái)控制凝結(jié)時(shí)間，以達(dá)到上述的漿材條件。脈狀注漿中漿體的發(fā)展模式可分為兩個(gè)階段：

（1）壓實(shí)階段：漿脈的形成主要往垂直方向發(fā)展，對(duì)土壤水平方向產(chǎn)生擠壓;

（2）隆起階段：持續(xù)注漿后，漿脈在垂直及水平發(fā)展的機(jī)會(huì)趨于相同，各方向產(chǎn)生約略相等的應(yīng)力增量，此時(shí)再灌入的漿液便對(duì)土壤產(chǎn)生上舉的現(xiàn)象。

在球形地基土壤（砂土）中，漿體會(huì)尋找、填充縫隙，產(chǎn)生鏡狀體，同時(shí)對(duì)土壤產(chǎn)生擠壓作用;而在片狀形地基土壤中，由于水泥中Ca2+ 離子的交換作用，使土壤的塑性指數(shù)降低。承上所述，在各種土壤中此工法皆可適用，唯在黏土層施作時(shí)可能需考慮壓密回沉現(xiàn)象。

4.3 擠壓注漿工法與脈狀注漿工法的相同點(diǎn)

根據(jù)前述擠壓及脈狀注漿工法力學(xué)機(jī)制的論述，可以整理出兩種工藝的相同點(diǎn)：

（1）漿液不會(huì)滲透土壤或與土壤混合。

（2）漿體將使周圍土壤產(chǎn)生推移擠壓。

（3）控制漿液的流動(dòng)距離。

（4）在影響范圍內(nèi)，灌注體積與土壤密實(shí)度改變量的關(guān)系相同。

（5）注漿后土壤的性質(zhì)與漿體本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)。

事實(shí)上，無(wú)論是擠壓注漿工法或是脈狀注漿工法，都可對(duì)土壤產(chǎn)生密實(shí)、上舉的效果。然而，如前所述，雖然這兩種注漿工藝已發(fā)展了幾十年，但是其運(yùn)作的機(jī)制理論仍然懸而未決，其中尤以脈狀注漿為甚，幾乎全部依賴于實(shí)際工程累積經(jīng)驗(yàn)和判斷。綜上所述，由于本項(xiàng)目巖溶均為閉口巖溶，且充填物較多，屬于具備側(cè)限的充填，因而較適用于脈狀注漿，故本次路基注漿采用脈狀注漿工法。

5 注漿工藝及相關(guān)檢驗(yàn)

5.1 注漿試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試注漿工作，每組均包括單樁1支和重樁9支，其中單樁深度為地表至地表下5 m，而重樁系由9支單樁以3行3列彼此重疊方式所組成，深度則由地表至地表下15 m。

進(jìn)行兩組不同水泥配合比和添加劑的試灌工作，每組均為3支單樁以彼此重疊方式所組成，其注漿分布如圖1所示。有關(guān)本次試灌所采用機(jī)具種類和性能如下：

（1） 高壓注漿機(jī)一部：常用壓力為200 kg/cm3，電功率為50 HP。

（2） 鉆機(jī)一部，附有自動(dòng)控制上升裝置——油壓式KH-76型。

（3）鉆孔泵：電功率為3 HP，壓力約0～30 kg/cm3。

（4）鉆桿：直徑為40.5 cm，噴嘴內(nèi)徑為2.5 cm。

（5） 高壓輸送管：直徑為3/4英寸，耐壓力為600 kg/cm3。

（6） 鉆頭攪拌翼：直徑約20 cm。

（7） 自動(dòng)流量計(jì)。

（8） 其他必備裝置：抽水箱、儲(chǔ)水槽及硬化漿液拌和設(shè)備等。

5.2 注漿檢驗(yàn)

試驗(yàn)完成后，評(píng)估采用以鉆芯取樣并配合試驗(yàn)室試驗(yàn)方式進(jìn)行，其中鉆芯工作系由施工單位自行負(fù)責(zé)，以三套巖芯管進(jìn)行取樣，而取樣的位置則由監(jiān)理工程師根據(jù)實(shí)際的注漿過(guò)程選定[4]。本次鉆芯取樣依三次試灌總共完成16孔，其位置主要選擇在二支或三支改良樁未重疊處。

鉆芯樣品的描述，由監(jiān)理工程師針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的取樣情形進(jìn)行分析，原則上將鉆芯樣品按其膠結(jié)的程度區(qū)分為膠結(jié)良好、膠結(jié)一般、膠結(jié)差、未注漿者及缺失等五個(gè)等級(jí)，如圖2所示。

所有鉆芯取得的改良土樣均送至試驗(yàn)室進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，總共計(jì)46組。其中除2 組的單軸抗壓強(qiáng)度為13.2 kg/cm3及14.0 kg/cm3，未達(dá)規(guī)范的規(guī)定外，其余皆符合規(guī)范要求，單軸抗壓強(qiáng)度值超過(guò)20 kg/cm3且大部分介于20 kg/cm3至80 kg/cm3間，符合規(guī)范的要求。

按照此施工參數(shù)，對(duì)后續(xù)所有巖溶段路基進(jìn)行注漿處理，效果均較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的論述與分析，得到以下結(jié)論：

（1）河池水任至南寧高速公路沿線巖溶發(fā)育較為強(qiáng)烈，且多為充填型溶洞，由于沿線結(jié)構(gòu)物較少，采用樁基礎(chǔ)處理路基經(jīng)濟(jì)性較差，故綜合多種方案，采用注漿處理方案為最優(yōu)處理工藝。

（2）通過(guò)分析兩種常用注漿方式，對(duì)比其原理及適用條件，說(shuō)明在閉口性巖溶洞穴內(nèi)，采用脈狀注漿能有效增強(qiáng)巖體與注漿體的握裹能力，提高整體強(qiáng)度，是優(yōu)選的注漿方式。

（3）通過(guò)試驗(yàn)段注漿說(shuō)明，采用脈狀注漿能有效提高地基承載能力，滿足設(shè)計(jì)要求，證明本次所選擇的注漿工藝及其參數(shù)是合理有效的。

參考文獻(xiàn)

[1]王曰國(guó)，王星華，楊秀竹. 鐵路巖溶路基注漿材料試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2003（S2）：495-498.

[2]袁紅慶，王再喜，汪海生. 高速公路巖溶路基處理措施研究[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（2）：33-36.

[3]李毅軍. 常張高速公路巖溶路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及其處理方法[J]. 湖南交通科技，2005，31（4）：13-15.

[4]姚裕春，李安洪，陳裕剛，等. 洛湛鐵路巖溶路基加固分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，26（6）：41-43.

收稿日期：2021-03-18

作者簡(jiǎn)介：

梁?jiǎn)⑹。?981—），工程師，研究方向：基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。