袖閥管注漿技術(shù)在路基病害整治中的應(yīng)用

賀雷寧

(中鐵十七局集團第三工程有限公司 河北石家莊 050081)

1 工程概況

某段路基位于站內(nèi)，剝蝕平原地貌，最大填方高度為10.5 m。地質(zhì)從上到下依次為:粉質(zhì)黏土，黃褐色，軟塑～硬塑，黏性好；頁巖，灰褐色、灰黑色、黃褐色，全～弱風化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，σ＝250 kPa(全)/400 kPa(強)/600 kPa(弱)，具有膨脹性。地下水為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，主要由大氣降水和地下水徑流補給。地下水埋深5.0～6.6 m。

該段路基為站內(nèi)路基，正線路基基床厚度2.7 m，自上而下由1.4 m基床混凝土+0.85 m級配碎石摻5%水泥+0.45 m AB組土組成，基床以下填料采用ABC組土。

2 路基病害情況及原因分析

2.1 路基病害情況

雨季過后，發(fā)現(xiàn)該段路基疑似沉降，經(jīng)測量，沉降量為-3.59～-28.6 mm，具體情況如圖1所示。

圖1 軌道沉降縱斷面示意

2.2 病害產(chǎn)生的原因

經(jīng)分析沉降觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)路基挖驗、基底粉質(zhì)黏土及全風化頁巖濕陷性室內(nèi)試驗、平板載荷試驗判斷，粉質(zhì)黏土是一種水敏感性較強、結(jié)構(gòu)特殊的高壓縮性土，其具有的中度濕陷性是引起路基沉降的主要因素。

3 整治方案

由于面臨聯(lián)調(diào)聯(lián)試，加之該段路基位于站內(nèi)兩站臺間，大型設(shè)備無法進入，常規(guī)的旋噴樁加固無法實施，人工挖孔樁作業(yè)時間長、費用高。經(jīng)過方案比選，最終確定采用袖閥管注漿對基底進行加固。注漿孔沿線路方向間距1.2～1.5 m，末端間距2 m左右。注漿孔位布置如圖2～圖3所示。孔深按進入全風化頁巖(Ⅲ)W4地層不小于0.5 m控制[1]。

圖2 注漿橫斷面示意

圖3 注漿孔平面布置示意(單位：m)

4 袖閥管注漿施工工藝

4.1 工藝試驗

為確保注漿加固效果，在正式施工前必須對工藝流程、工藝參數(shù)、漿材配比、注漿順序進行試驗，以確定最佳方案[2]。注漿工藝試驗分線外和線上兩步進行。

(1)線外工藝試驗

在線外選擇合適位置模擬線上工況進行試驗，主要目的是確定漿材配比[3]。試驗孔共設(shè)置3組，每組間最小距離為3 m，每組9孔，矩形布置，縱橫向均為3排，孔間距1.5 m，孔深4～4.5 m，進入到全風化頁巖深度不小于0.5 m。注漿順序為3#→7#→1#→9#→6#→4#→2#→8#→5#。 試驗孔布置見圖4。

由于基底粉質(zhì)黏土具有濕陷性，為盡量減少在注漿時漿液對土體的軟化，加劇路基下沉，因此需盡可能地提高漿液濃度，縮減其初凝時間[4]。結(jié)合以往施工經(jīng)驗，線外試驗選用了三種漿材配比進行試驗，通過試驗對其性能指標進行了總結(jié)，具體見表1。

圖4 試驗孔平面布置

表1 漿材配比性能指標及效果評價

試驗結(jié)束后，對第一組注漿效果進行了挖槽驗證。通過挖驗可明顯看出，全風化頁巖具有較多層狀裂隙，漿液在全風化頁巖層中通過性強，注漿量大，形成層狀結(jié)石和少量粒狀結(jié)石；粉質(zhì)黏土層中有明顯劈裂，漿液流過處形成層狀結(jié)石，漿液擴散至距注漿孔5～8 m[5]，從粉質(zhì)黏土層中薄弱區(qū)域劈裂并向地表上溢。

通過線外試驗及挖槽驗證，最終選用配合比為水泥∶水∶速凝劑∶減水劑 ＝1∶0.8∶0.02∶0.02，初凝時間及注漿效果較為理想。

(2)線上工藝試驗

線上試驗主要目的是確定注漿順序及壓力。總體采用先封閉外側(cè)，隔2注1，形成隔斷，再由外及內(nèi)，先下后上，隔2注1，完成整段路基注漿加固處理施工[6]。

外側(cè)封閉孔:采用后退式分段注漿，分段步距30～100 cm，1～3次注漿完成。每米注漿0.6 m3(理論注漿量)[7]或注漿壓力不小于1.2 MPa(地面以上為0.8 MPa)。

內(nèi)側(cè)孔:采用后退式分段注漿，分段步距30～100 cm，1～3次注漿完成。采用注漿壓力控制，地面以下注漿壓力不小于1.2 MPa，地面以上注漿壓力不小于0.8 MPa。

C′、c′及 B′、b′孔(左右最外側(cè)各兩排)注漿完成后，變形觀測數(shù)據(jù)無變化；A′、a′孔(左右最外側(cè)第三排)注漿，現(xiàn)場目測基床兩側(cè)與填料之間出現(xiàn)裂紋，變形觀測數(shù)據(jù)顯示軌道抬升8.56 mm；完成C、c及B、b孔(左右最外側(cè)第四、五排)注漿，變形觀測數(shù)據(jù)顯示軌道抬升23.54 mm，接近設(shè)計值，完成本段注漿。

4.2 施工工藝

袖閥管注漿主要工藝流程為:鉆進成孔→安裝袖閥管→制備注入套殼料→制備及注漿。

4.2.1 鉆孔

鉆孔采用多功能履帶鉆機，困難區(qū)域采用小型潛孔鉆機。在布置的孔位處按設(shè)計傾角、孔深進行鉆孔，孔徑、孔深不小于設(shè)計值，鉆孔順序嚴格按工藝試驗總結(jié)進行，過程中對孔位、傾角、深度、地質(zhì)等情況詳細記錄[8]。若遇到塌(縮)孔現(xiàn)象，注漿管無法下入時，可采用套管跟進、加壓注漿、適當調(diào)整孔徑(深)、調(diào)整鉆桿等方法，直到按設(shè)計要求完成鉆孔。

4.2.2 袖閥管加工及安裝

為減小大面積鉆孔造成路基沉降，鉆孔完成后立即安裝袖閥管，注入套殼料。袖閥管采用φ76×5 mm鋼袖閥管，分段長度2 m。原地面以下每0.3 m鉆4個φ1 cm溢漿孔；原地面以上每1 m鉆4個φ1 cm溢漿孔，兩兩對稱。溢漿孔處開槽，開槽寬度為30 mm，深度為2.5 mm，開槽處安裝特制橡皮套。袖閥管插入時相鄰兩節(jié)袖閥管用公母槽扣套接并焊接，下放時盡量保證袖閥管的中心與鉆孔中心重合。袖閥管上口露出地面不小于20 cm。

4.2.3 注套殼料

注套殼料是袖閥管注漿的核心技術(shù)之一，是與花管注漿最大的區(qū)別之處[9]。套殼料的主要作用是使?jié){液在一定高度范圍內(nèi)橫向流動，阻止?jié){液的上下流動，并填充管壁和孔壁之間的縫隙，減小由于塌孔而造成路基的變形。套殼料采用膨潤土和水泥現(xiàn)場配制，配合比(重量比)為水∶膨潤土∶水泥＝1.6∶1∶1。攪拌時先量取80 kg水加入攪拌桶中，再加入50 kg膨潤土，強力攪拌后加入50 kg水泥攪拌均勻即可。

4.2.4 制備及注入漿液

漿液配比采用工藝試驗確定的配比，一般初凝時間應(yīng)控制在60 min以內(nèi)，終凝時間應(yīng)在120 min以內(nèi)[10]。

注漿方式采用后退式分段注漿，注漿速度10～20 L/min。每孔首次注漿完畢后立即用清水沖洗注漿管，確保再次注漿時管道暢通[11]。

嚴格分批分次按順序進行注漿，采用兩側(cè)對稱、先外后內(nèi)、先下后上進行。為防止相鄰兩孔串漿，采用隔孔注漿。每孔注漿次數(shù)原則上不受限制，一般以1～4次注滿為宜[12]，總注入量以土層飽和為原則，施工中采用自動流量和壓力記錄儀進行注漿施工如實記錄。

終止注漿以壓力控制為主、注漿量控制為輔，符合下列條件之一時，終止注漿:

(1)注漿壓力≥1.2 MPa(路基本體0.8 MPa)，當吸漿量＜2.5 L/min，穩(wěn)定25 min；

(2)發(fā)現(xiàn)底座、軌道有上抬的趨勢時，停止注漿；

(3)發(fā)生串漿、冒漿或漿液漏失嚴重時，停止注漿，洗孔，待漿液初凝后進行二次注漿。

5 變形監(jiān)測及軌道幾何尺寸控制方法

5.1 變形監(jiān)測

注漿施工過程可能引起路基及軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。為了有效控制該變形，采用自動監(jiān)測為主、人工觀測為輔的監(jiān)測手段。

5.1.1 自動監(jiān)測

自動監(jiān)測分為沉降位移自動監(jiān)測系統(tǒng)和平面位移自動監(jiān)測系統(tǒng)。

(1)沉降自動監(jiān)測系統(tǒng)

測點布設(shè)于左右線底座外緣，間隔5 m布設(shè)。基準點布設(shè)在注漿影響區(qū)域外。為了解注漿過程中不同地層的沉降情況，布設(shè)高精度分層沉降位移計，對不同地層的沉降情況進行測量。

(2)平面位移自動監(jiān)測系統(tǒng)

按照CPⅢ測量原理對注漿過程中軌道變形情況進行實時測量。在每個作業(yè)區(qū)段布設(shè)兩臺自動全站儀，全站儀應(yīng)設(shè)置在變形區(qū)域以外。測點以棱鏡作為觀測位移點，布設(shè)于底座上方外緣，沿線路方向每隔10 m布設(shè)一棱鏡。高精度自動全站儀布設(shè)見圖5。

圖5 全自動全站儀測量示意

(3)監(jiān)測頻次

沉降系統(tǒng):1次/10 s；

自動全向傳感水平位移計:1次/10 min；

分層沉降位移計:1次/60 min；

自動全站儀:1次/30 min，具體設(shè)定可根據(jù)現(xiàn)場施工情況進行調(diào)整。

(4)監(jiān)測預(yù)警值

考慮監(jiān)測系統(tǒng)精度、施工交叉影響及扣件調(diào)整量等因素，垂直變形應(yīng)控制在-5 mm～1 mm之內(nèi)，橫向變形達到1.5 mm時進行預(yù)警，立即停止注漿。

5.1.2 人工監(jiān)測

位移監(jiān)測網(wǎng)可利用原有的沉降觀測工作基點及CPⅢ軌道控制網(wǎng)，在每單元無砟軌道底座四角設(shè)置位移觀測點，利用電子水準儀和全站儀進行觀測，架設(shè)儀器遠離注漿區(qū)域不小于50 m。

5.2 軌道幾何尺寸控制

由于扣件系統(tǒng)調(diào)整量有限，為避免無砟軌道返工，有時需要對由于地質(zhì)、施工質(zhì)量和鉆孔注漿等原因造成的沉降漏斗區(qū)域通過注漿進行抬升調(diào)整。國內(nèi)最成功的案例都是通過切割使底座與道床分離，利用千斤頂將道床抬升到合適高度，用特殊材料填塞縫隙的方法。該方法效果較好，但成本較高，工期較長。

在注漿過程中，勢必會造成軌道上拱或者下沉，這也是注漿加固的“副作用”之一。如果控制方法得當，也可利用其“副作用”抬升軌道對沉降漏斗進行補救，避免軌道結(jié)構(gòu)返工。在抬升軌道時要按照“縱向分段，左右對稱，監(jiān)控到位，寧低勿高，實時調(diào)整”的原則進行。縱向分段需按照軌道單元結(jié)構(gòu)分段進行注漿；左右對稱指的是注漿時嚴格按照左右孔位對稱、壓力一致的原則進行注漿，可有效防止軌道中心偏移；在注漿抬升時要對軌道變形情況實時監(jiān)測，實時溝通，專人指揮；寧低勿高是指在抬升軌道時要根據(jù)前后軌道幾何數(shù)據(jù)和扣件調(diào)整量，留有一定的預(yù)留量，避免抬升過高，但也應(yīng)適當考慮注漿后的沉降量；實時調(diào)整是指在注漿過程中，若軌道無明顯變化，就需對注漿位置、壓力等根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整或分次注漿。注漿過程通過精細化控制，最終達到了預(yù)期目的，避免了軌道結(jié)構(gòu)返工。

6 注漿效果檢查及評定

目前，相關(guān)規(guī)范中對注漿加固質(zhì)量檢測和效果評定并沒有統(tǒng)一的標準和方法。應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求和工程實際，采用簡單易操作、結(jié)果可靠的方法進行效果評定。路基注漿加固效果評價可采用鉆芯取樣觀察法、填充率反算法、原位測試對比法、沉降評估法等方法。

6.1 鉆芯取樣觀察法

按照不小于設(shè)計孔數(shù)2%的數(shù)量進行鉆孔取芯，取樣孔能見多處水泥結(jié)石體，基本填滿可見縫隙，無未填充的可見大孔隙即可。

6.2 填充率反算法

一般情況下，漿液填充率(實際注漿量和設(shè)計注漿量之比)大于80%，可判定為達到加固效果。設(shè)計注漿量可按下式計算[3]:

式中，Q為注漿量(m3)；V為被加固的土體體積(m3)；n為地層孔隙率，可按地質(zhì)勘查報告中地層孔隙率取值；α為地層填充系數(shù)，深孔注漿宜取0.6～1.0；β為漿液損失系數(shù)，宜取1.2～1.4。

6.3 原位測試對比法

該方法是在注漿前后分別進行標準貫入、動力觸探原位測試，對測試結(jié)果進行對比分析，從而對注漿效果進行評定。

6.4 沉降評估法

對于由于路基不均勻沉降造成的病害，注漿結(jié)束后，按照常規(guī)的沉降觀測方法進行沉降觀測，也是注漿效果評定的主要方法之一。

7 結(jié)束語

該段路基通過袖閥管注漿加固，達到了預(yù)期效果，也為后期類似問題的處理積累了一定的經(jīng)驗。但由于目前認識水平、工藝水平、監(jiān)測方法、檢測方法等還存在一定的局限性，還需在以后的工程實踐中繼續(xù)研究和總結(jié)。