浅层埋藏型岩溶地基加固处理施工工法.doc
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浅层埋藏型岩溶“填充+水泥土墩柱”处理施工工法
中铁二局股份有限公司城通公司
1.前言
在城市轨道工程施工中，会碰到各种各样的地质条件,不可避免地要在岩溶地区穿过，但岩溶对结构稳定性特别是基础施工影响较大，因此须妥善处理岩溶问题，保证地铁隧道工程施工安全和结构永久安全。
溶洞指石灰岩和炭质灰岩地层，在水体侵蚀、溶蚀作用下形成的岩溶现象。
土洞是埋藏在岩溶地区可溶性岩层上覆土层内的空洞。
广州市轨道交通二八号线延长线工程13标，线路经过区域岩溶发育，揭露的岩溶类型是埋藏型岩溶，表现为溶洞及土洞，发育深度主要在20~30m。
因大多岩溶洞体顶板厚度小、高度大，且充填不好，在受到外力作用情况下，可造成顶板塌落，地面发生塌陷，对于结构稳定性和桩基施工影响较大。
中铁二局股份有限公司联合设计单位开展了科技创新，取得了“填充+水泥土墩柱”的岩溶处理新成果，形成了浅埋溶洞、土洞处理新颖的施工工法。
由于在加固地层，确保结构安全方面效果明显，技术先进，故有明显的社会效益和经济效益。
2.工法特点
2.1岩溶处理采用“填充+水泥土墩柱”的方法，处理目的是对已发现浅埋溶洞、土洞进行充填，增强基底的强度，并预防新的土洞的形成，保证地铁施工和运营期间的安全。
2.2采用地面预加固的处理方法，对已探明的溶（土）洞通过地面钻孔进行灌浆加固和密实填充。
通过搅拌桩或旋喷桩土墩柱在基底形成隔水墙，分割基底为一定面积的方形墩体，以阻止基底水的流动、新土洞的形成及未发现和未得到处理的土洞发展，提高基底的强度。
2.3适时利用抽芯、标贯等检测数据分析指导施工，动态修正施工方法确保施工质量。
3.适用范围
城市地铁浅层埋藏型岩溶地质地区的溶洞、土洞加固处理。
4.工艺原理
4.1溶洞处理工艺原理
采用静压灌浆法，回填砂及碎石等施工方法进行溶洞压密加固处理。
对需要处理的溶洞按充填情况可分为：
全填充、半填充、未填充三种类型。
全填充溶洞通过高压注浆，使填充物被压溃、劈裂、挤压、水化、置换等物理填充作用，达到封堵溶缝隔绝水源，并将填充物转变为具有一定强度的结石体或硬素土。
当溶洞高度大于2.0m且少填充或未填充时采用吹砂（水泥砂浆灌注）+静压灌浆法。
当溶洞高度小于2.0m，且半填充或未填充时，直接用水泥浆充填密实。
溶洞处理前先对周边钻孔注双液浆，使溶洞处理边界形成止浆墙，然后在止浆墙内注射单液浆进行溶洞充填处理。
4.2地基加固水泥土墩柱工艺原理
使用水泥搅拌桩（旋喷桩）将隧道下的土体进行分段加固，在基底形成隔水墙，分割基底为一定面积的方形墩体，以阻止基底水的流动、新土洞的形成及未发现和未得到处理的土洞发展，提高基底的强度，通过加固保证地铁施工和运营期间的行车安全。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
溶洞处理及地基加固顺序：
钻孔（勘探土溶洞边界）→吹填砂→袖阀管注浆（止浆帷幕双液浆）→袖阀管注单液浆→地基加固水泥土墩柱施工→检测
吹填沙
地基加固土墩柱
检测合格
测量放线
钻孔
浇注套壳料
安置袖阀管
注浆作业
第一段注浆达到要求
注第二段
……
所有达到要求
结束注浆
补浆
配置浆液
监控测量
图5.1-1溶洞处理及地基加固工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1钻孔（勘探溶土洞边界）
1、依据原勘察发现溶（土）洞的地质钻探孔，沿隧道中线前进及其垂直方向按2m×2m布孔探测边界，隧道中线纵向须探测到溶（土）洞边界为止，隧道中线横向探测至隧道主体结构外侧3m范围，以此圈定此溶（土）洞的分布及处理范围，具体探测孔位如图所示。
2、溶洞处理原则：
只对在结构边外3m和隧道底以下10m内的溶洞进行处理，在结构宽度范围内发现的所有土洞都需处理。
溶洞处理与否与隧道关系图如下：
5.2.2吹填砂施工
投砂处理的方法是在原勘察孔附近（约60cm）补钻两个Φ200mm（下注砂套管Φ200mm）的投砂孔进行投砂，投砂时以原勘察孔作为出气孔，也可利用两投砂孔相互作为出气孔。
⑴施工参数
投砂处理时在原钻孔附近（约0.6m）补钻两个投砂孔，两投砂孔中心与原钻孔中心需在同一连线上（每个洞最少不得少于2个孔）。
钻孔Φ200mm（套管Φ200mm）；孔深：
至洞体顶板下0.5m；
⑵充填砂
下Φ200mm套管（投料管），下至溶洞顶面，在地面用夹具固定。
安装弯接头、密封环，在弯接头连接空压机，吹砂充填溶洞。
5.2.3袖阀管注浆（双液浆、单液浆）施工
5.2.3.1注浆参数表
注浆孔采用地质钻机成孔，按地质情况计算搭配好袖阀管实管和花管段。
花管段套壳料封孔，实管段用1：
1水泥浆封孔，封孔2天后下注浆管进行注浆。
根据注浆材料及地质条件，结合类似工程的施工经验，选用下表所示注浆参数，在施工中采用先试后作的原则，通过试注浆对各项参数进行修正。
表5.2.3.1-1袖阀管注浆参数表:
分类
项目
参数
成孔
孔距×排距
2m×2m
孔径
91mm
孔深
溶洞底下0.5m
下袖阀管
套壳料配合比
水泥：
粘土：
水=1：
1.5:
1.88
袖阀管长度
顶板上1m～底板下0.5m为花管，其余为实管
固管止浆液配合比
水泥浆，W：
C=1：
1
注浆
扩散半径
1.5m
浆液配合比
单液浆：
水泥浆，W：
C=1：
1～1：
1.5；双液浆：
水泥：
水：
水玻璃=1：
1.38:
0.29（质量比）。
具体情况根据现场试验确定。
开环压力
0.3MPa
注浆压力
周边孔（双液浆）：
0.6～0.8Mpa；
中央孔（单液浆）：
0.8～1.0MPa；
注浆次数
周边孔3～4次，中央孔4次
注浆速度
30～70L/min
终灌标准
达到终浆压力1.0MPa并继续稳压10min以上
5.2.3.3施工步骤
⑴测量放线：
根据设计图纸和超前钻探资料在地表放出注浆孔孔位，并用木桩或竹片做好孔位标识，要求孔位偏差＜1cm。
⑵钻孔：
按照测量放线定出的孔位进行钻孔，钻孔过程中采用循环泥浆护壁保护成孔。
在钻好的孔内下管浇注套壳料，起固管作用。
⑶安置注浆管：
根据设计注浆要求，在溶（土）洞顶板1m以上安放实管，以下安放花管。
⑷水泥浆浆液配制：
根据欲配制浆液体积，按水灰比计算出所需的普通水泥和水的用量，将计算好的水加入搅拌桶（提前在搅拌桶内作好水位线），边搅拌边加入计算好的水泥用量，搅拌均匀后倒入储浆桶内备用。
⑸灌浆：
待套壳料养护2天后进行开环。
开环时注水进行试验，以检查注浆管路是否正常和判断地层的吸浆能力等，并防止堵管，灌浆量采用流量计进行计量。
注浆方式采用后退式分段注浆工艺，即在注浆带内由孔底自下而上进行注浆，每次注浆段长度为0.3m，注完第一注浆段后，上提注浆芯管，进行第二段的注浆；
注浆过程中作好注浆施工记录表，注浆孔的注浆工作情况及注浆工序作业时间。
⑹注浆顺序：
先进行周边孔双液浆的施工，在溶洞处理边界形成止浆墙，有效防止浆液流失，双液浆间隔注射。
待周边孔止浆帷幕完成后，再进行中央孔单液注浆，进而达到溶洞处理的要求。
单液浆注浆顺序分一序孔、二序孔跳段、间隔、反复注浆，每次停止灌注时，用清水清洗管路，以预防堵管。
⑺袖阀管注浆的工艺优点：
①可根据需要灌注任何一个注浆孔和注浆段，可以进行重复灌浆，中途可以停止。
②注浆压力相对较小，一般0.2~1.0MPa,注浆量30~70L/min，灌浆时冒浆和串浆的可能性较小,一般不会破坏原有地层结构。
③浆液主要以渗透形式进入充填物孔（空）隙中，可以起到填充裂缝和固结土体的效果。
5.2.4地基加固土墩柱
区间土墩柱平面布置原则：
土墩柱沿隧道纵向长10m间隔布置、墩柱中心距离为20m；隧道横向宽度与主体结构同宽。
终桩标准即深度原则：
桩顶标高即结构底板底标高，以隧道底以下10m作为终桩条件，未到隧道底以下10m遇到岩面也终桩。
土墩柱以搅拌桩为主（当加固区较深，搅拌桩难以施做时采用旋喷桩），搅拌（旋喷）桩均由地面开始施工，基底以上范围为空桩。
水泥搅拌桩桩径φ600mm，水泥掺入量9%~12%，水灰比0.45：
1~0.55：
1。
当搅拌桩难以施做时，可采用φ600单管旋喷桩，注浆压力15~20MPa，注浆量40~70L/min，旋转速度16~20r/min,提升速度15~25cm/min。
土墩柱施工平面桩布置图如下：
搅拌桩、旋喷桩的具体施工工艺见相关规范和工法，在此不详细阐述。
5.3劳动力组织（见表5.3-1）。
表5.3-1劳动力组织情况表
序号
单项工程
所需人数
（人）
职责范围
备注
1
管理人员
2
工程管理、协调组织
2
技术人员
3
工程生产技术
3
钻孔、下管施工
3
钻孔、下袖阀管等
4
吹填沙施工
5
吹填沙
5
注浆施工
3-5
注浆施工、浆液拌制
6
搅拌桩施工
5
搅拌桩机操作、后台浆液拌制
7
旋喷桩施工
6-8
旋喷机操作、后台浆液拌制
8
其它
3-5
机修、司机、杂工
总计
216
6.材料与设备
6.1采用的主要机械设备仪器如下表：
序号
设备名称
型号规格
功率（KW）
数量
用途
1
全站仪
1台
测量
2
成孔钻机
XY-1，XY-2
10台
成孔
3
泥浆泵
3PN
5
1台
抽浆
4
空压机
50
1台
吹砂
5
注浆泵
BW-150
7.5
10台
注浆
6
双液注浆泵
KBY-50/70
5
4台
注双液浆
7
搅拌桩机
50
8套
施工搅拌桩
8
旋喷桩机
90
10套
施工旋喷桩
9
自卸吊车
1台
运输
10
铲车
1台
运料
6.2材料
主要是中粗砂、32.5普通硅酸盐水泥等。
7.质量控制
7.1工程质量控制标准
7.1.1袖阀管注浆质量检测标准
溶洞注浆加固后，洞体应具有良好的均匀性、自立性、密闭性。
注浆加固效果检查方法是在注浆固结体内抽芯检测，检验固结体是否充填密实、是否满足灌浆固结体设计强度要求。
取芯数量为隧道范围内每个溶洞不少于3个，总检测数量不少于注浆孔数量的1%；对于土洞采取随机原位标贯试验。
检测标准如下：
土洞：
采用随机原位标贯试验，标贯击数不小于10击；
溶洞：
采取随机钻孔取芯，做抗压试验，要求固结体28d的单轴无侧限抗压强度不小于0.15MPa。
当检测不满足检测标准时，应对原溶、土洞进行重复注浆施工。
7.1.2水泥土墩柱深层搅拌桩、高压旋喷桩质量标准
水泥土墩柱施工完成后，待28天后在桩长范围内采取垂直钻孔取芯，观察其完整性、均匀性，水泥搅拌桩（或旋喷桩）按要求取桩数的1%进行取试样做无侧限抗压强度检测试验，水泥土墩柱的检测强度应符合下面标准：
淤泥：
0.25Mpa，淤泥质土：
0.35MPa，粘性土：
0.5MPa，粉土：
0.6MPa，砂土：
1.0MPa。
当检测不满足检测标准要求时，应对原水泥土墩柱进行重复施工。
7.2质量保证措施
⑴使用合格材料，所有材料须有出厂合格证，水泥（采用普通硅酸盐32.5水泥）、砂、石等材料还应抽样送检合格后才能使用。
⑵投砂施工时应用混凝土喷射机缓慢连续的加砂，防止过快堵塞；如堵塞，则采用高压风进行透孔。
投砂充填满后，应用高压风重新透孔。
再次充填，循环多次，保证充填饱满。
⑶施工配合比（加适量早强剂）严格按照实验室出具的通知单为准，掌握材料配合比，精心搅拌，搅拌均匀后才进行压注，并在注浆过程中不停顿继续搅拌，浆体在泵送前要经筛网过滤。
⑷注浆过程应连续、均匀地进行。
施工过程中必须严格按该指标施工，对浆液配置和对灌浆压力、灌浆量的控制需严格执行。
⑸异常情况技术处理：
若出现压力骤然下降、上升或大量冒浆等异常情况时，则首先停止施工，检查灌浆管是否有泄露、堵死的可能，查明原因后需采取响应措施处理。
发现漏浆立即停止注浆，并设法封堵冒浆口，待浆液稍凝固后再补注。
⑹加强计量工作，计量器具必须按规定进行校验，不合格的计量器具在施工中不得使用；
⑺每点注完浆后，先关球阀，后卸管子，待管内压力消失后才提管。
8.安全措施
8.1施工前应检查高压设备和管路系统，其压力和流量需要满足施工图要求。
泵体灌浆管及喷嘴内不得有任何杂物；各类密封圈必须完整良好无泄漏现象；安全阀中的安全销要进行试压检验（试压检验到有资质的压力容器检验所进行），必须确保在达到规定压力时，能断销卸压，决不能轻易安装未经试压检验的自制安全锁。
高压泵必须指定专人操作，压力表应定期检修检定，保证正常使用。
8.2中央孔采用BW-150型注浆机注浆时，设置回浆管路和溢流阀，在设计范围内可调节注浆压力，当工作压力超过设计压力时，溢流阀自动开启，油缸停止工作，起到安全保护作用。
8.3在旋喷过程中，要防止灌浆管和喷嘴被堵。
采取的措施有：
在加浆液以前，进行两次过滤，严防杂物混入；
8.4对长度25m以上的桩，先喷浆，后再旋喷和提升，以减小阻力，避免灌浆管扭断。
8.5施工完毕，立即拔出浆管，彻底清洗灌浆管和灌浆泵。
8.6施工时，钻机应平稳置于平整坚实的地而上，钻杆应保持垂直，钻杆下严禁站人。
8.7司钻人员应经过培训考核持证上岗，严禁他人代岗。
8.8施工现场实行三相五线制，确保施工用电安全。
8.9工程设置专职安全员，督促各工种严格按照本工种的安全操作规程执行。
施工中每一道工序都必须作好施工安全措施交底，明确安全施工重点，克服盲目施工。
9.环保措施
9.1现场必须按照文明施工的标准和具体要求组织施工，采取分班组包干，责任到人的办法，使文明施工现场管理工作形成天天有人抓，事事有人抓，一抓到底的文明机制。
9.2施工现场周围要保持环境卫生，尤其要做好水泥浆排放工作，不准乱仍生活垃圾、渣土，不准扔废弃物，不准乱排污水。
9.3水泥和其他细颗粒散体材料，应在库内存放或加以盖，运输细粒散体材料或渣土时，必须覆盖，不得沿途撤落
9.4施工中溢出的浆液应回收处理，防止污染环境。
9.5减少施工场地噪声对周围居民干扰。
9.6水泥搅拌场制定洒水降尘措施，指定专人负责现场洒水降尘和清理浮土。
9.7对废浆的处理须在开工前作好规划，废浆应随时运出现场，或暂时排人沉淀池然后做土方运出，不得随意排放。
10.效益分析
10.1本工法将工程施工由施工遇到溶洞甚至出现事故再处理改变为预先处理，避免了地面塌陷等事故，消除了对周边环境和居民生活的严重影响。
特别是采用土墩柱预防溶土洞的发育形成,为以后地铁运营安全和地方稳定提供保障,为以后城市地下工程在类似情况下的规划建设提供了可靠的决策依据和技术指标，新颖的工法技术将促进地下工程施工技术进步，社会效益和环境效益明显。
10.2本工法与同类地下岩溶工程的处理工法相比，由于采用地面预先处理，场地易于布置、工程进度快、干扰因素少、能确保周围既有设施完好无损，避免了事故发生,确保居民生命、财产安全，避免线路绕行和居民临时迁移，有利于文明施工、各种资源能较好地利用，节约了大量工程费用，形成了较好的经济效益。
11.应用实例
广州市轨道交通二八号线延长线工程施工13标上嘉区间
11.1工程概况
广州市轨道交通二八号线延长线工程施工13标上林镇～嘉禾区间，区间总长1526.21m.基坑标准宽度10.8m,最宽处为58.3m，基坑深度8.6～16.5m，全部采用明挖法施工。
明挖区间采用排桩支护方式，主体隧道为双洞或四洞连体框架结构。
上嘉区间的溶洞在二迭系下统栖霞组炭质灰岩分布广泛，且发育较为强烈。
勘察资料114个孔，其中揭示发育溶洞的钻孔40个，见洞率35.1%，有14个钻孔揭示两层以上溶洞，占揭示溶洞钻孔的35%。
溶洞主要分布在岩面附近，发育深度主要分布在20~30m，多呈串珠状分布。
单个溶洞洞高1~2m左右，最大洞高15.8m。
上嘉区间揭示洞穴多为半填充和无填充，占岩溶总量的73.4%，全充填状洞穴占26.6%。
揭示充填物多为流塑、软塑状粘性土，易被水流冲蚀，局部洞体充填物夹灰岩碎块，为近期塌落物。
钻探中表现为漏水、地层软弱，工程性质差，钻具自重下沉现象；无充填物岩溶为空洞，钻探过程出现掉钻现象，严重漏水。
洞体顶板厚度小，岩溶洞体高度大，且充填不好，在受外力作用下，可造成顶板塌落，地面发生塌陷，对于结构稳定性和桩基础施工影响较大。
土洞是指埋藏在岩溶地区可溶性岩层上覆土层中的空洞。
土洞主要形成于岩溶发育地区，多位于粘性土中，是岩溶作用的产物。
土洞的发育与上覆土层的土质、厚度、岩溶发育程度、地下水活动等因素密切相关。
上嘉区间揭示土洞主要由地下水作用形成的，共5个钻孔揭示。
11.2施工情况
根据地质钻孔资料，以揭示溶洞的钻孔为中心按2m×2m布孔探测边界，隧道纵向须探测到溶（土）洞边界为止，沿垂直于隧道前进方向，探测至隧道主体结构外侧3m范围，以此确定此溶（土）洞的分布及处理的平面范围。
根据隧道底以下10m内的溶洞进行处理，在结构范围内发现的所有土洞都需处理，确定溶土洞处理的深度范围，并根据探孔确定洞体高度和充填状况，以此确定施工方法和理论方量。
按程序进行充填（填沙、注浆）施工，加固处理。
上嘉区间溶洞处理和地基加固从2008年1月开始施工，至08年8月施工完成。
根据以上原则，上嘉区间共处理溶洞7个、土洞5个，共填充沙153m3、双液浆9108m3、单液浆30138m3，随后进行了土墩柱施工，共施工搅拌桩土墩柱75个，完成搅拌桩128943m,旋喷桩168425m。
11.3检测与结果评价
通过分段注浆、注浆过程细节控制、效果检查方法，确保了注浆质量，工作效率较高。
溶土洞注浆经注浆固结体抽芯效果检测，直观检查完整性良好，抗压试验强度均达到设计要求；土墩柱搅拌桩、旋喷桩检测的抽芯无侧限抗压强度合格率均为100%。
施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态，得到了各方的好评。
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