莱新高速公路岩溶塌陷灌浆试验研究Word格式.doc
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为了查清岩溶分布规律，西安建材地质工程勘察院进行了大量的地质勘察工作，提出了详细的地质勘察报告，中交第一公路勘察设计院提交了《205线国道莱芜至新泰高速公路水源地岩溶地基处理》报告。
经查明，在青泥沟路段K10+400～K13+900，地层岩性为中奥陶白云质灰岩、岩溶裂隙、溶槽、溶洞发育，上覆土层较薄，有的剥蚀成为地表水直接入渗通道。
经调查在地表多处发现塌陷坑，其规模不大，塌陷坑一般2～3m，均为覆盖层塌陷。
经地质勘探和物探查明，一般岩溶埋深5～10m，岩溶发育厚度10～20m，溶洞高0.3～1.3m，充填为亚粘土和砂砾，该段为岩溶塌陷易发地段，应属岩溶土洞塌陷，为地质灾害危险性中等区。
三、岩溶塌陷成因分析
本区岩溶塌陷，经地质调查，未发现大面积的岩体塌陷，而是在岩溶地区上覆土层的岩溶土洞塌陷。
在岩溶发育地段，覆盖层较薄，或已遭到破坏，地表水汇集，入渗条件好，就易发生岩溶土洞塌陷。
除此之外，岩溶塌陷还与地下水活动有关。
在岩溶发育过程中，岩层表面为第四系覆盖，并充填岩溶空隙，在长期地表水入渗、地下水排泄活动中，在地下水活动区域内，一部分充填物被带走，形成渗流通道，逐渐向上发展。
当上部土层较薄，地表水长期作用时，地表水沿岩溶通道产生渗流，使充填物在渗水作用下，土体发生潜蚀剥落，形成土洞，逐渐向地面发展，当土洞失去拱效应后，发生剪切破坏，地面土层将发生塌陷；
与此同时受地下水活动影响，当地下水位波动较大，也会加剧这一变化过程。
特别由于莱钢取水，地下水大幅度下降，岩溶空腔内产生负压，使土体产生吸蚀剥落，更进一步加剧了岩溶地区土洞塌陷。
本区位于莱芜盆地，岩溶裂隙发育，四周为山地，地表入渗补给条件好，成为地下水埋藏丰富的地下水库，低洼地区为承压水，有众多的上升泉，成为莱钢的取水水源地。
而莱钢日均取水量2.16万m3，在地下水开采过程中，区域地下水大幅度下降。
因此该区地下水位变化比较剧烈。
莱新高速公路水源地岩溶情况属盖层土体-薄顶板系统，且薄顶板破碎，溶洞埋深较大，地下水位剧烈波动，又受人工动静荷载作用（现已完成的路基），土体中土洞发育，因此存在路基塌陷隐患。
四、岩溶塌陷防治加固方案研究
（1）路基防治加固指导思想
1）加固依据
莱新高速公路水源地路段，路经岩溶地区，地表岩溶洞隙发育，并有岩溶塌陷反应；
在莱钢水源地大量抽吸地下水，引起地下水位大幅度下降，地表沉降，加剧了岩溶发育，为岩溶易发地段，需要进行防预和加固。
2）作好路基排水。
在岩溶发育路段，为防止地表积水浸泡路基，形成入渗通道，产生潜蚀剥落，应做好路基排水设施，及早排除地表水。
3）封闭岩溶入口。
在岩溶土洞易发地段，进行加固处理，对岩溶入渗口进行封堵，防止地表水渗入引起潜蚀剥落，同时也防止地下水活动产生的吸蚀剥落。
（2）路基防治加固范围
1）加固原则
岩溶路基加固是一项复杂的隐蔽工程，既费钱又费工，既要保证道路的安全运行，又要控制工程投资和加固工期，在研究方案和确定加固范围内，必须两者兼顾。
依据其岩溶地区的地质条件，其加固的原则是：
对岩溶洞隙发育、上覆土层较薄、其厚度＜8m的路段进行封闭加固处理，其余路段做好路基排水处理。
2）加固范围
依据《中交第一公路堪察设计研究院》提供的资料，对下列8段进行加固处理。
①K10+588～K10+616段覆盖土层厚4m，强岩溶带厚15m，其中有小溶洞发育，分布全路基。
②K10+695～K10+753段岩溶上覆土层厚3.5～4.5m，岩溶带厚13～15m，分布于全路基内。
③K10+808～K10+828段溶蚀带横跨路基，埋深6m左右，溶蚀带厚度10m左右。
④K10+854～K10+917段溶蚀带横跨路基，埋深在7.3～11m之间，7.6～14.2m溶孔、溶洞发育，于8.5m及9.9m深处各有一个溶洞，高0.5m及0.3m，半充填，充填物为亚粘土和少量碎石，钻孔漏水。
⑤K11+282～K11+317段溶蚀带横跨路基，埋深在11m左右，11.3m深处有一个溶洞，高0.3m左右，半充填，充填物为亚粘土，钻孔漏水严重。
⑥K11+589～K11+601段溶蚀带横跨路基，埋深在9.5m左右，9.5m深处有一个溶洞，高0.25m左右，少量充填，充填物为亚粘土，钻孔漏水。
⑦K13+360～K13+370段溶蚀带的上覆土层厚8.5m，溶蚀、溶洞带厚22.5m。
⑧K13+433～K13+468段溶蚀带的上覆土层厚6.0m，溶蚀、溶洞带厚13m。
3）路基加固方案
通过岩溶塌陷的机理分析，认为该区为岩溶土洞塌陷。
岩溶土洞塌陷和路基沉降，均与地表水浸泡渗入和地下水活动有关，因此只须对岩溶入渗口进行封闭处理，解决水平防渗问题，不需对整个岩溶带进行处理。
在岩溶发育带或岩面上形成水平帷幕，加固体厚度3～5m，加固强度要求大于4MPa。
为了探索科学合理的加固处理方案，根据本地区岩溶发育特点和工程要求，从经济性和科学性考虑，进行了充填灌浆、托底灌浆和远喷距旋喷灌浆方案对比。
4）远喷距高压旋喷灌浆试验
4.1.1试验布置
在路基外侧布置一处地层状况与路基下覆地层情况相同的场地，孔位按梅花布置，孔距2m，孔深2～3m，开孔直径Ф127mm。
共分三组九孔布置。
喷射的要求为：
正常喷射一组；
复喷一组；
先用水割地层然后再正常喷射为一组。
喷射过程中应按要求缓慢提升喷头以达到预定厚度。
4.1.2试验参数
远喷距旋喷灌浆试验技术参数表4－1
项目
单位
参数
孔距
m
2.0
高压水
压力
MPa
37～40
流量
L/min
75
压缩气
0.7～0.8
m3/h
>
60
浆液
比重
1.6
80
提升速度
cm/min
4～8
摆动角度
360o
4.1.3试验流程
远喷距旋喷灌浆施工工艺流程（图4-1）如下：
高压水、压缩气
钻
孔
下
喷
射
管
制
浆
提
升
回
灌
结
束
定
位
图4-1远喷距旋喷灌浆工艺流程图
检验方法
①开挖检验：
待浆液凝结具有一定的强度后，即可开挖检查固结体半径、形状和质量；
②岩芯检查：
从固结体中钻取岩芯，进行室内物理力学性能试验。
在钻孔中做压水试验，测定其抗渗能力。
4.1.4试验结果
本试验按要求现场开挖，挖出桩头检测外观形态，同时测量桩径大小；
旋喷体取样送实验室作有关抗压指标参数；
在现场作压水实验取得旋喷体的渗透系数。
经过现场开挖检验，成桩桩径为1.2～1.4m（各桩喷射工艺不同），桩身经取样观察，强度差别较大。
试样的抗压强度，抗渗指标及弹性模量经实验室检测，数据基本满足要求。
远喷距旋喷灌浆能形成连续均匀的防渗体，强度可满足设计的地基承载力的要求；
因土层强度高，喷射直径只有1.2～1.4m，不能满足2m孔距的要求，需增加加固工程量。
（5）托底灌浆试验
在高速公路路基上选取K10+695—K10+753路段进行试验进行托底灌浆试验，所取试验段地基为岩溶发育的白云质灰岩，岩层中溶洞较多，且洞内填充物抗渗稳定性应较差，上覆土层较薄并有吸蚀剥落且溶洞顶板和土层有塌陷。
4.2.2试验布置
在本试验段，按梅花形布孔，一序孔间距采用5.0m，二序孔间距采用2.5m。
4.2.3试验参数
①灌浆材料。
425普通硅酸盐水泥，粘土、粉煤灰。
②浆液配比。
灌入材料及其配合比需要根据具体钻孔的可灌性，由现场决定和改变。
通常要综合考虑以下几个方面的因素：
岩、土体裂隙发育程度；
钻孔时土层、基岩的漏水情况；
岩、土层的钻进速度，是否有掉钻等现象；
发现溶洞、土洞时，它们尺寸的大小以及是否有充填物及其情况。
此次采用的注浆材料采用水泥、粉煤灰，其配合比为3：
7，水料比为0.5～0.55。
③灌浆压力。
当灌浆压力超过地层的压重和强度时，将有可能导致地基及其上部结构的破坏。
因此一般都应以不使地层结构破坏或仅发生局部的和少量破坏的原则选定灌浆压力；
同时也应考虑到灌浆压力也受浆液浓度的影响。
灌浆压力的一般经验公式为：
Pa=P+mD
式中：
Pa—表示容许灌浆压力，单位为MPa；
P—代表路面表面容许灌浆压力，MPa；
M—代表灌浆段每增加1m允许增加的压力，MPa；
D—表示实验所要灌浆的深度。
根据地质情况、灌浆方法和路基以碎石为主的实际情况，本次实验采用0.3～2.0MPa。
④浆液扩散半径的估算。
由于该路段的地质条件复杂，特别是基岩裂隙发育的无规律性，因此较难准确计算。
影响扩散半径的因素有：
岩溶洞隙的形状、大小以及它们的连通性；
灌浆充填材料的性质（颗粒大小、浆液浓度、浆液的流变性等）、注浆压力、注浆流量以及注浆时间等。
按孔序注浆量的大小来控制扩散半径，一序孔孔距5m，二序孔2.5m，检查孔1.25m。
⑤钻孔深度由于本路基段回填土基本在10m左右，根据前部分应力分布理论，我们将钻孔深度定为基岩以下4～5m，如果钻进时遇到岩溶洞可适量加深。
⑥灌浆结束标准。
灌浆的全过程一般分为三阶段。
首先是大吸浆阶段，该阶段流量大、压力平稳，是浆液运动、扩散阶段，也是注浆的主要阶段；
第二阶段，岩溶、上覆土层空隙部分或全部被浆液所充填，进而浆液脱水、粘度加大、沉淀、凝结，此时裂隙不断充填，过浆断面不断缩小，压力不断上升；
第三阶段是闭浆阶段，此时，所有裂隙基本充填，压力已达设计要求，应用小浆量保持到结束。
根据资料和经验结束标准如下:
达到设计灌浆压力，吸浆量小于5L/min，并稳定15min视为结束。
4.2.4试验流程
托底灌浆施工工艺流程见图4-2。
4.2.5试验工艺
托底固结灌浆是由不同材料和多道工序完成的。
岩溶空隙和溶洞大小及充填物不同，吃浆量也各不相同。
需要先进行试探性灌浆，然后进行间歇式和交替式灌浆，最后进行加压灌浆。
①试探性灌浆
一般先配制两种浓度的浆液，一种是标准浆，一种是稠浆。
当地基孔隙不大时，采用标准浆。
当孔隙较大时采用稠浆。
当采用标准浆，随灌入量的增加，若浆液在同步上升，即用一般标准浆灌浆，若不能同步上升，说明孔隙直径偏大，使用稠浆灌入。
②间歇式灌浆
当孔隙直径过大，采用稠浆还不同步上升时，此时可采用间歇式复灌，在灌入一定的浆液后，间歇一段时间待浆液初凝后，再灌入一定量的浆，直到托底为止。
③交替式灌浆
间歇式灌浆用时较长时，可改用交替式灌浆，即先灌浆液，再灌砂砾，然后再灌浆液，如此反复，直到托底为止。
施工准备
机械调试
施工放样
钻孔成孔
清洗钻孔或钻孔壁的松软料
压水实验
确定测定注浆压力
托底注浆
交替式灌浆
间歇式灌浆
注浆段压力注浆
注浆段终孔
试探性灌浆
制浆
浆液测试
图4-2托底灌浆工艺流程图
④加压灌浆
最后用标准浆加压灌浆，灌浆时严格控制灌浆压力，最后到压力稳定，托底固结灌浆终孔。
4.2.6试验要求
（1）材料要求
水泥：
一般情况下采用425号普通硅酸盐水泥。
应严格防潮和缩短存放时间，不得使用过期变质水泥；
水泥必须出具有法定质量检测单位的实验报告书
砂：
以中粗砂为宜，有机含量不宜大于3%，含泥量不应大于10%。
粉煤灰：
应用精选的二级粉煤灰，烧失量不宜大于8%
（2）浆液配方要求
浆液配比：
应满足工程的抗压强度、渗透系数等的设计要求。
浆液在初凝前不沉淀、不离析，适合泵送。
初凝时间不小于4H，终凝时间不大于24H，
（3）浆液配制要求：
①配置浆液材料必须称量或体积折算。
称量误差：
水重不超过±
2%，其他材料重量误差不超过±
5%。
②因为拌和料中有粉煤灰，应延长拌和时间。
③浆液拌和要均匀，浆液要有良好的工作性状。
④制浆量应满足一批钻孔的浆量储备，以免灌注中间停止。
（4）灌浆要求
①在进行托底灌浆时，要及时量测孔深和浆液面高度。
投入的砂料应为中粗砂，剔除砾石；
下料要均匀，防止堵塞钻孔，用量要控制；
及时测量孔深，切忌灌入的砂料超过托底深度。
同时掌握浆液面上升速度，以此确认是否已经托底。
②托底灌浆技术由托底灌浆和静压灌浆组成。
钻孔若要进行托底时，先不能下注浆管封孔，待托底完成后，方可下注浆管封孔进行静压灌浆。
当钻孔不需要托底时，可直接下注浆管封孔，进行间歇式静压灌浆。
③间歇式静压灌浆。
第一次灌浆采用稠浆，灌浆时间控制在20分钟，间歇12小时后再灌第二次，第二次灌浆可采用标准浆，若20分钟内仍不起压，停止灌浆，间歇6小时后再灌第三次，依次类推，直到终孔为止。
④稠浆和标准浆的标准。
稠浆的水料比（水与水泥加粉煤灰的重量比）为0.5，标准浆为0.55。
为了便于检测，两种水料比可换成比重（经现场试验测定），进行量化控制。
⑤托底灌浆的厚度。
基岩钻孔灌浆段为5m，托底灌浆段控制在2m厚度，即从孔底算起上升至2m处，如遇特殊情况，2m内不能控制托底时，可适当增加，但不得超过3m。
静压灌浆段应保证3m厚度，以保证灌浆质量。
⑥为防止浆液向路基两侧流失，路基两侧边界孔注浆压力适当降低，适当增加间歇灌浆次数。
（5）技术要求
①钻孔灌浆时，灌浆顶面上的钻孔要用粘土浆护壁，防止钻孔蹋孔和灌浆浆液渗漏。
钻孔位置误差不超过5cm，钻孔垂直度小于0.01，孔内沉渣厚度不大于20cm。
②钻孔确保入岩深度5m。
如遇到较大的溶洞，应钻进溶洞下的岩石内0.5m。
钻孔后，要求整理钻孔资料，绘制基岩面地形图。
③加固施工路段进行沉降变形观测，掌握施工中沉降变化过程，及时监测灌浆对路面的影响。
地面要埋设变形观测点，。
防止在灌浆过程中，地面产生过量变形，防止对路面的破坏。
变形量不宜超过±
5～10mm。
不允许地表出现裂缝。
④托底灌浆时，灌浆孔都应分序进行，浆液压力采用0.3～2MPa，根据上覆土层厚度调整灌浆压力，上覆土层薄时浆液压力采用小值，上覆土层厚时浆液压力采用较大值。
如果个别路段上覆路基荷载小于该压力时，灌浆压力相应降低。
⑤灌浆压力保持一定值，稳定30分钟，可以终孔。
⑥采用物探和钻孔取芯方法检查灌浆质量效果。
灌浆体强度要求达到4～8MPa。
利用钻孔进行注浆试验，吃浆量小于相邻孔平均灌浆量的25%时，满足要求，渗透系数<
1×
10-5cm/s。
4.5.1加固方案确定
通过充填灌浆试验、高喷灌浆试验、托底灌浆试验，根据本区岩溶地质特性和目前施工技术经验，进行综合分析比较。
①托底灌浆试验与充填灌浆试验相比，施工设备和工艺流程基本相同，工程质量一样，但托底灌浆能阻止浆液流失，节省工程投资，防止地下水污染。
据试验统计分析，充填灌浆每孔平均达44.9m3，而托底灌浆平均不到12m3，用浆量仅为充填灌浆26.7%，原估计充填灌浆方案投资2700万元，本次采用托底灌浆方案工程加固投资结算只花1100万元，仅为原方案的40.7%。
②托底灌浆与高喷灌浆相比，当托底灌浆孔距2.5m，高喷灌浆孔距2m，其灌浆费用相当。
要满足孔距2.0m的质量要求，高喷半径要达到1.7m，而试验结果只达到1.4m，则必须增加36%的高喷工作量，才能满足灌浆的要求。
钻孔增加，路面破损大。
该方法设备较笨重，工作量增加，工期延长，投资增加（详见表4-4）。
三种加固方案技术经济比较见表4-4。
表4-4
方案号
方案名称
优点
缺点
1
充填灌浆方案
1．技术成熟；
2．质量容易控制；
3．设备简单。
1．灌浆用量大，工程造价高；
2．速度慢，相对工期长；
3．对地下水有污染。
2
远喷距高压旋喷灌浆方案
1．质量易控制；
2．加固体连接紧密；
3．与高喷灌浆相比，喷射半径大；
4．不污染地下水。
1．设备较笨重，工艺要求高；
2．灌浆孔密度大，相对工程造价高；
3．相对工程施工速度慢，工期长。
3
托底灌浆方案
1．质量可靠；
2．节省灌浆材料，造价低；
3．施工速度快；
4．不污染地下水
托底灌浆是一项新技术，掌握托底技术有一定难度。
通过试验比较，托底灌浆方案优越于其他两个方案，投资省，不污染地下水，工期短，工程质量可靠，最后确定托底灌浆方案施工。
4.5.2.1改进施工方法
为了便于施工，防止浆液向路基两侧扩散，减少路基钻孔，由原来的地面梅花型布孔，调整为：
①本工程应首先施工路基排水沟两侧的边孔。
②其次施工路基中间隔离带、路基中间一排孔及路基两边边孔。
③再次施工路基中间隔离带和路基两侧边孔增加倾角小的斜孔，确保路基间基岩的加固，斜孔倾角为：
如路基26m宽时，与垂直倾角为5度，若是加宽的路基部分，应采用倾角8度（见图4-7）。
④以上施工完成后进行路基边坡部分孔位的施工。
5°
（8°
）
岩溶发育带4～5m
图4-7托底灌浆布孔示意图
4.5.2.2优化工艺参数
根据试验结论和理论计算结果，确定莱新高速公路水源地岩溶地基处理各工序工艺参数为：
①钻孔直径89～127mm；
②一序孔孔距5m，二序孔孔距2.5m，按梅花形布孔；
③双塞袖阀管封闭法进行自下而上灌浆，注浆压力控制为0.3～2.0MPa；
④注浆材料为水泥、粉煤灰，配比为3：
7；
水料比为：
0.5～0.55。
4.5.2.3改进托底灌浆工艺
①为了减少托底灌浆工序，提高工效，加强钻孔孔内情况分析，掌握岩溶发育程度和钻孔钻进返浆情况，采用相适应的灌浆工艺。
将岩溶发育程度分为严重发育、比较发育和不发育三种，钻进时钻孔漏浆程度分为严重漏浆（不返浆）、较严重漏浆（部分返浆）、基本不漏浆（或少量漏浆）三种。
②依据岩溶发育程度和钻孔返浆情况，选用相适应的灌浆工艺。
当岩溶严重发育与比较发育、钻孔为严重漏浆和较严重漏浆时，必须先进行托底灌浆，然后进行静压灌浆；
当岩溶不发育和基本不漏浆（或少量漏浆）时，不必进行托底灌浆，可直接进行充填灌浆。
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