巖溶注漿工程量計算

1、前言 巖溶地質現(xiàn)象一直是人們研究的對象， 對其的發(fā)育過程及形態(tài)特征已經(jīng)有深刻的認識， 路基 中的巖溶一直是路基長期穩(wěn)定的重大隱患， 文章對路基巖溶病害的常見類型和注漿加固治理 方法進行了分析。 1 路基巖溶病害常見類型主要包括以下幾種情況 1 1.1 由于地下洞穴頂板的坍塌，或因溶洞內充填物被地下水的運動所帶走，使位于其上的 路基發(fā)生塌陷、下沉或開裂。 1.2 較大的石芽石形成的地基局部不均勻，易使路基產(chǎn)生差異變形，且石芽周圍充填軟塑 紅粘土，影響路基的設計與施工。 1.3 雨季落水洞難以及時下排水石，易在洼地、槽谷等形成積水區(qū)，從而影響路基的穩(wěn)定 性。由于地下巖溶水的活動或因地面水的排泄不暢

2、，而導致路基基底冒水、 水淹路基、 水沖 路基等病害。 1.4 漏斗使地面呈凹陷狀，其內土質疏松，填筑路基后，易引起進一步塌陷。 2 注漿方法的分類 目前土體注漿方法按常規(guī)可分為兩大類，即靜壓注漿法和高壓噴射注漿法 2-3 2.1 靜壓注漿法 靜壓注漿法是利用液壓、 氣壓和電化學的原理， 通過注漿管將能強力固化的漿液注入地層中， 漿液以充填、 滲透、 擠密和劈裂等方式， 擠走土顆?；驇r石裂隙中的水分和空氣后占據(jù)其位 置，漿液固結后將原來松散的土?；蛄严赌z結成一個整體， 從而改變巖土體的物理力學性質。 靜壓注漿法適用土質范圍：中粗砂及砂礫石，破碎巖石與卵礫石，軟粘土和濕陷性黃土。 2.2 高壓噴

3、射注漿法 高壓噴射注漿法是利用高壓射流切割原理， 通過帶有噴嘴的注漿管在土層的預定深度以高壓 設備使?jié){液或水成為 20Mpa 左右或更高的高壓射流從噴嘴中噴射出來，沖擊切割土體，當 噴射流的動壓超過土體結構強度時， 土粒便從土體中剝離。 一部分細小的顆粒隨漿液冒出地 面，其余土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力的作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿 土比例和質量大小有規(guī)律的重新排列， 漿液凝固后， 便在土中形成一個固結體。 固結體是漿 液與土以半置換或全置換的方式凝固而成的。 高壓噴射注漿法適用土質范圍為砂類土、 粘性 土、濕陷性黃土和淤泥。 此外，注漿方法按注漿工藝分時，常用的注漿方法有：高壓

4、噴射注漿方法（單管法、雙重管、 三重管 ）、單層管注漿法 （鉆桿注漿法、花管注漿法 ）、雙層管雙栓塞注漿法 （套管護壁注漿法、 袖閥管注漿法 ）、雙重鉆桿過濾管法 （單液、雙液 ）。 3 注漿技術的工程應用范圍 注漿技術目前已成為我國巖土工程技術領域的一個重要分支， 它在土建、 市政工程、 水利電 力、交通能源、隧道、地下鐵道、礦井、地下建筑等許多領域有著廣泛的應用，其主要應用 的工程范圍如下所述 4-5 。 3.1 靜壓注漿法應用的工程范圍 3.1.1 抗?jié)B止水工程：開挖豎井、隧道等地下工程，防止和控制涌水； 地下工程開挖時防止 基礎沉隱及掌子面崩塌； 壩基防滲注漿， 建筑物地基下部或周圍滲

5、體的建立； 基礎及城市地 下工程防止流砂管涌及地面隆起。 3.1.2 地基加固工程：加固軟弱地基，提高地基土的承載力，擴散上部荷載降低應力水平； 回升和加固建 （構 ）筑物地基；地鐵的注漿加固，通過靜壓注漿用以減少施工時地面位移和控 制施工現(xiàn)場土體的位移等； 地下工程開挖時防止基礎沉陷及掌子面崩塌； 減少擋土構筑物的 土壓力。隧洞大開挖注漿加固；豎井注漿，用以處理流砂和不穩(wěn)定地層。 3.1.3 防止變形工程：防止產(chǎn)生滑動，維持坡面穩(wěn)定；構筑物本身的加強， 開挖基坑時對附 近已有構筑物的防護。 3.1.4 對灌注樁的兩側和底部注漿，用以提高樁與土間的側摩阻力和樁端土體的力學強度。 3.1.5 后

6、拉錨桿注漿。在錨桿和錨索施工過程中，用靜壓注漿做成錨固體。 3.2 高壓噴射注漿法應用的工程范圍 3.2.1 地基加固工程：增強高層建筑物的地基強度；開挖基坑時， 防護鄰近構筑物；防護橋 墩、橋臺基礎；加強盾構法及頂管法的后座，形成反力基礎；穩(wěn)定礦山井巷、地鐵、隧道及 管道溝潛工程的開挖面；防止小型塌方滑坡；防護碼頭及堤岸。 3.2.2 防滲止漏工程：建筑基坑防滲帷幕施工；礦井井筒表土滲帷幕施工；尾礦庫基礎壩、 河堤、水池的防滲及土壩防滲；減少振動，防止砂土液化；降低土的含水量，整治路基翻漿 冒泥；防止管道漏氣，地下防滲墻的補缺；防止基坑涌砂冒水。 4 路基巖溶塌陷注槳治理 上文所提到的巖溶塌

7、陷產(chǎn)生的第二種原因， 這種情況下采取注漿處理是必然的。 下面， 以湖 南常德至張家界高速公路為例。由于前期的勘察工作不盡詳細，在靠近張家界的幾個標段， 施工中揭露了大量的巖溶現(xiàn)象， 路面下、 路塹中揭露了大型的溶洞及地下暗河， 給施工帶來 極大的難度，路基的長期穩(wěn)定也受到嚴重威脅。在這種情況下，快速、 準確的查明巖溶發(fā)育 情況， 提出并實施治理方案是非常緊迫的，針對這種現(xiàn)象，采取注漿處理， 就取得了良好的 效果。 4.1 路基塌陷產(chǎn)生的根本原因和決定因素 4.1.1 土石界面的巖溶裂隙通道是土顆粒運移的先決條件 巖溶裂隙無論是管道型， 還是裂隙型， 其中的土顆粒在地下水的帶動下均可自由運移，

8、這是 巖溶地區(qū)產(chǎn)生地表塌陷的內在原因。 而溶洞的形成一般多受構造裂隙控制， 因此隱伏巖溶溶 洞頂板大范圍完整是不可能的。 順構造裂隙或構造復合部位會產(chǎn)生巖溶裂隙或通道， 俗稱土 石界面處的巖溶“天窗” 6 。 4.1.2 誘發(fā)因素是地表塌陷產(chǎn)生的必備條件 4.1.2.1 沒有水的活動，即使巖溶極發(fā)育，也難以產(chǎn)生土顆粒位移，地表塌陷也就沒有產(chǎn)生 的條件。 4.1.2.2 自然狀態(tài)下的地下水升降、地表水下滲的侵蝕作用，產(chǎn)生地表塌陷是有限的、緩慢 的和長期的。 自然狀態(tài)下地下水的水力坡度和季節(jié)性水頭差的影響所形成的水平侵蝕和垂直 侵蝕作用很小， 難以引起土顆粒大量運移且位移量很小， 即使土顆粒產(chǎn)生運

9、移也只是緩慢的。 4.1.2.3 人為活動條件改變了自然狀態(tài)下地下水的運動規(guī)律， 其水平方向水力坡度和垂直方 向的波動幅度 （甚至日變化幅度 ）都大幅度騰升， 足以使溶洞中及土石界面的土體通過巖溶裂 隙運移。地下水的頻繁活動，導致巖溶裂隙、 溶洞內的土顆粒產(chǎn)生運移，一旦形成隱伏土洞 并逐漸擴大直至產(chǎn)生地表塌陷，往往是長期的，甚至是一個較長的歷史時期。 4.2 路基塌陷注漿治理可行性 4.2.1 巖溶病害路基注漿整治機理 根據(jù)上述地表塌陷的主要影響因素， 采用土層注漿， 只能充填土層裂隙， 不會產(chǎn)生質的變化， 土顆粒仍會在地下水潛蝕作用下攜帶運走， 因此土層注漿只能達到路基的暫時穩(wěn)定， 只要產(chǎn)

10、生病害的誘發(fā)因素依然存在， 地質災害仍會繼續(xù)發(fā)展。 所以在整治過程中只有解決存在的關 鍵問題，即巖溶通道及水環(huán)境，病害問題就可迎刃而解7 。 其整治處理方法如下： 方法一：切斷土石界面的巖溶通道，阻止上部土層顆粒運移，病害可以從根本上治理。 方法二：控制人為活動， 恢復水環(huán)境至原始狀態(tài)， 維持水均衡，可以減輕病害程度和發(fā)生的 頻率，對流失的空間進行再充填，可以達到相對的平衡。 4.2.2 漿液填充及流動規(guī)律 路基塌陷注漿是地表施工、低壓灌注，與其他類型注漿（如堵水、防滲等 ）在機理上存在明顯 不同。 因此注漿的原理、 設計原則、 注漿工藝等與之也有較大的差異。 根據(jù)注漿實踐和觀察 結合流體力學

11、理論分析，漿液運動規(guī)律如下 8 。 4.2.2.1 液從高壓向低壓方向運動，即首先填充地下無壓地帶 （ 如空洞、土洞、或半充填、 全充填流動稀泥的溶洞 ），當空洞充滿之后，漿液必然將通過巖溶“天窗”向壓力最小的地 表擴散并涌出地表。 4.2.2.2 在土層或溶洞充填物中漿液流動垂直于土層等壓線，并沿最短或最近的距離流動； 在巖層中漿液流動主要順巖溶裂隙擴散。 （3）由于巖溶發(fā)育的不均一、土層不均質，漿液必將呈不均勻擴散，且漿液擴散不構成整體 或面狀，在溶洞及土層中多呈脈狀或樹枝狀，僅在空洞及充填松軟的溶洞頂部結石成塊狀。 4.3 注漿工藝與設計 4.3.1 注漿工藝 通過反復灌注水泥漿或水泥玻

12、璃漿等漿液充填巖溶及巖溶裂隙，堵塞巖溶“天窗”，阻止土 顆粒在垂直和水平方向的運移，實質上是形成一個防止土顆粒運移的“準水平帷幕” ，從而 達到路基的穩(wěn)定。具體工藝如下 9 。 4.3.1.1 將注漿套管嵌人基巖并與之固結呈封閉的注漿管，使?jié){液壓入巖溶裂隙和溶洞中。 4.3.1.2 漿液在巖溶中憑借壓差 “尋找” 低壓及巖溶薄弱環(huán)節(jié)直至返至地表， 采用相應工藝， 逐漸將路基范圍內“天窗”封堵。 4.3.2 鉆孔設計與注漿量計算 4.3.2.1 鉆孔設計 （1）鉆孔密度的設計 巖溶發(fā)育的復雜性及不均勻性， 使查明巖溶的實際分布、 空間形態(tài)及發(fā)育特征難度很大。 因 此，一般情況下，注漿孔均采用均勻

13、布置，除判明了準確的土洞和“天窗“位置可集中布孔 應采取針對性注漿外，注漿布孔原則如下。 鉆孔密度適當，控制在 30 一 50m2/孔為宜。鉆孔過密，漿液串孔嚴重，注漿相互干擾達 不到質量提高的目的和良好的效果，同時大大增加了鉆探的工程數(shù)量。 注漿孔距、 排距應小于漿液擴散半徑，并應相互搭接。 根據(jù)相關資料， 在這種巖土環(huán)境下， 注漿影響較常見的距離為 8m 左右，鉆孔過稀易造成注漿空白區(qū)，遺漏巖溶“天窗” ?？紤] 注漿的相互搭接，孔距宜 6.0 一 7.5m 左右。 當鉆孔密度受各種外界條件限制難以達到合理密度時， 可采用增加斜孔設計； 增長鉆孔注 漿段長度；改善注漿工藝等手段達到注漿質量要

14、求。 注漿孔的布置主要根據(jù)注漿加固工程所處的路基類型（新建、改建、既有 ）、線路標準 （單線、 雙線 ）、路基型式 （路堤、路塹 ）、工程所處線路地段 （區(qū)間、站場、樞紐 ），一般可采用等邊三 角形、 等腰三角形、 等腰直角三角形等形式布置。 對可溶巖裸露地區(qū)， 應實地測繪并結合物 探成果按照構造線或巖溶發(fā)育布置鉆孔10 。 （2）鉆孔深度的設計 根據(jù)路基病害成因及注漿機理，鉆孔深度的設計原則如下。 鉆孔必須鉆入基巖 （灰?guī)r ）面以下，以巖溶發(fā)育標高作為設計孔深的依據(jù)，原則上鉆孔要遇 到巖溶通道。 鉆孔在土石界面以下灰?guī)r段不少于5m,未遇巖溶通道應加深 2 一 3m。 （3）斜孔的設計 根據(jù)相

15、關資料, 在巖溶路基病害處理中斜孔的注漿效果較直孔好。 尤其是線路中心底部的塌 陷病害宜設計斜孔注漿。斜孔設計傾向宜垂直線路走向,傾角采用式 計算 tg a =（ H+h ） /S a =arctg（H+h）/S 式中： a 鉆孔傾角； H 路堤高度, h第四系松散土層厚度或第一層溶洞深度， s孔位至線路中線的垂直距離， 4.3.2.2 注漿量計算 （ 1 ）注漿量計算公式 注漿量計算 常采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)法、 工程地質比擬法、 漿液均勻擴散的單孔注漿計算法 等三種方 法63 。鑒于巖溶的不均一性,本文重點介紹整體計算法,計算公如下。 P=V xpxna/ 其中：V = A x l x n 式中：p

16、注漿折合水泥重量。 V 一巖溶注漿體積， m3 ； B巖溶中水泥結石充填系數(shù)，按水平帷幕考慮，空洞3 =1,充填溶洞3 =0.70.2； a 漿液損失系數(shù)，1.1 一 1.2; m 水泥結石率,指 h 水泥制成水泥漿后結石的體積為 0.6 一 0.9； A 注漿控制面積， L 注漿段長度，m,應考慮土石界面處土層厚0.5m; n 巖溶率或土層裂隙率。 （2）注漿計算參數(shù)的選擇與確定 注漿控制面積 （A） 的計算原則。注漿控制面積是注漿量計算的重要數(shù)據(jù)。 A=線路長度x注漿寬度 B 注漿寬度B的確定。路堤：與路堤填高關系密切，計算至坡腳外2m。路塹：一般可采用中 線兩側各8m，或側溝外4m,或擋墻頂外2-3m。 注漿段長度L?；?guī)r段一般采用 5-8m，另考慮土石交界面處土層加固厚度，平均按 0.5m 計。 巖溶率 n 。由于何種巖溶率難以準確得出, 目前一般采用線性巖溶率。 漿液損失系數(shù)a。當注漿加固范圍（面積）較大時，特別是寬度較大，損失系數(shù)可取1.05, 甚至 1.10。 當注漿加固范圍 （面積）較小時,寬度較窄或巖溶極發(fā)育時,損失系數(shù)取1.20。 漿液充填系數(shù) 3 。當溶洞無充填物時,充填系數(shù)為 1。當巖溶充填率越高時,