壓力注漿加固溶洞地基在市政工程中的應(yīng)用

俞靖端 胡慶

中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 武漢430010

引言

溶洞是巖溶范疇內(nèi)的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，由于發(fā)育速度快，分布密，對(duì)工程的危害很大；構(gòu)筑物建立在溶洞地基之上，如若不進(jìn)行處理，則易使構(gòu)筑物下沉、開(kāi)裂，甚至坍塌，造成嚴(yán)重的后果。而矩形泵房是市政工程中較為常見(jiàn)的構(gòu)筑物。泵房一般分為地上、地下兩部分。泵房的地下部分一般采用鋼筋混凝土壁板及底板，地上部分采用框架結(jié)構(gòu)。由于泵房基礎(chǔ)采用整底板，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，對(duì)地基承載力要求不高，當(dāng)泵房持力層出現(xiàn)較多溶洞時(shí)，多采用樁基進(jìn)行處理，由于樁端應(yīng)穿越溶洞底板，樁端以下5m范圍內(nèi)不得出現(xiàn)溶洞，且施工前應(yīng)進(jìn)行一樁一孔的施工勘察，故該方法工期較長(zhǎng)，施工難度較大，而且經(jīng)濟(jì)成本較高。本文結(jié)合溶洞內(nèi)大多存在充填物的特點(diǎn)，通過(guò)工程實(shí)踐和試驗(yàn)檢測(cè)成功運(yùn)用混合漿液進(jìn)行壓力注漿，提供了另一種工期更短、更經(jīng)濟(jì)的溶洞地基處理方法。

1 工程概況

柳州某污泥接收泵房包含泵房及配電間、管廊兩部分，平面尺寸為31.2m×22.2m。泵房?jī)舾邽?.6m，埋深8.6m；配電間、管廊凈高為4.3m，埋深4.7m。泵房?jī)?nèi)設(shè)置兩個(gè)污泥料倉(cāng)，壁板變截面最厚為700mm，底板為1300mm厚，考慮料倉(cāng)滿(mǎn)泥時(shí)的運(yùn)行荷載底板底均布荷載為178kPa；配電間、管廊壁板為500mm厚，底板為700mm厚，底板底均布荷載為73kPa。污泥接收泵房剖面如圖1所示。芯呈長(zhǎng)柱狀，采取率大于85%。巖塊較硬，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)。本層在場(chǎng)地所有鉆孔中均有揭示，揭示層厚7.2m～16.0m。本層共采取巖芯試樣8件，進(jìn)行飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，飽和抗壓強(qiáng)度f(wàn)rc=26.30MPa～60.30MPa，平均值為43.7 MPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=35.99MPa。本場(chǎng)地鉆孔鉆入基巖9.3m～16m，基巖面埋深為6.2m～13.3m（標(biāo)高102.32m～108.51m），局部起伏較大，基巖面表層溶溝、溶槽比較發(fā)育。鉆孔遇洞率45%，巖溶發(fā)育極不均勻。

圖1 某矩形泵房結(jié)構(gòu)布置示意Fig.1 A rectangular pump room structure arrangement

2 溶洞地質(zhì)概況

泵房底板持力層大部分位于微風(fēng)化灰?guī)r，該層灰白色或淺灰色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，巖體完整性好，節(jié)理裂隙少，有輕微溶蝕現(xiàn)象，方解石脈發(fā)育，鉆進(jìn)平穩(wěn)，進(jìn)尺慢，巖從遇洞鉆孔的分布情況看，遇洞鉆孔主要分布在污泥接收泵房的北部及南部中段。圈定7個(gè)溶洞處理區(qū)如圖2所示，初步估算累計(jì)需處理面積183m2，體積約1067m3。

溶洞以淺層發(fā)育為主，鉆孔揭示溶洞（隙）發(fā)育情況見(jiàn)表1。

溶洞的規(guī)模大小懸殊。從洞高看，最小的洞高0.4m，最高達(dá)8.9m，豎向未貫通；從橫向分布上來(lái)看，估算溶洞分布面積最小9m2，最大達(dá)到35m2。

圖2 溶洞處理區(qū)平面布置Fig.2 Layout plan of karst cave treatment area

表1 溶洞分區(qū)Tab.1 Karstcavepartiti

充填物大多為軟塑～流塑狀黏土，部分溶洞則無(wú)充填物，為充水的空間。由于地下水的運(yùn)動(dòng)，尤其是過(guò)量抽取地下水或其他原因（如地面震動(dòng)或地震等），均可加劇溶洞的發(fā)展，嚴(yán)重時(shí)造成地面塌陷。

3 處理方法

1.處理原則

根據(jù)勘察報(bào)告，溶洞空洞較少，大部分有充填物，對(duì)于有充填物的溶洞可采用壓力注漿的方法提高充填黏土的地基承載力特征值以滿(mǎn)足泵房的設(shè)計(jì)要求；對(duì)于空的溶洞可采用壓力注漿填滿(mǎn)空腔以滿(mǎn)足泵房地基的要求。

2.處理范圍

分析溶洞頂板厚度，大部分小于3m，對(duì)淺部溶洞頂板小于3m，且穩(wěn)定性差的溶洞進(jìn)行灌漿加固處理；處理深度到達(dá)溶洞底板穩(wěn)定巖層2m～3m，頂板厚度大于3m的充填溶洞不作處理。

3.漿液配比及注漿方法

參照文獻(xiàn)［1］和［2］，對(duì)于有充填物的溶洞灌漿采用雙液（水泥漿液及水玻璃）分雙管灌注，水泥漿液為強(qiáng)度等級(jí)42.5#的普通硅酸鹽水泥，水膠比0.8∶1～1∶1；水玻璃占水泥漿體積的百分比10%～20%，水泥漿中可加入適量的微膨脹劑，以減少漿體硬化過(guò)程中收縮，具體比例根據(jù)施工需要的凝結(jié)時(shí)間通過(guò)試驗(yàn)確定。對(duì)于有充填物的溶洞，注漿方法應(yīng)采用自上而下分段的循環(huán)注漿法，分段長(zhǎng)度不超過(guò)6m，滲漏量大時(shí)分段長(zhǎng)度應(yīng)減小。注漿壓力1.0MPa～2.0MPa，上段或滲漏量大時(shí)用較小壓力，下段用較大壓力；對(duì)于空的溶洞，采用MU30水泥砂漿灌注，灌注壓力可為0.3MPa～0.5MPa，注漿壓力與布孔間距可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況與施工單位經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，以漿液充滿(mǎn)溶洞為度。在大面積開(kāi)始灌漿之前，宜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試灌，以便選擇漿液成分和注漿壓力；注漿過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)冒漿即減小注漿壓力至0.25MPa，若繼續(xù)冒漿持續(xù)20min后暫停注漿，間隔36h后繼續(xù)注漿至二次冒漿后即結(jié)束該孔注漿。

4.注漿孔布置

注漿孔間距1.5m，孔徑不小于100mm，注漿孔布置圖中各區(qū)域最外圍的注漿孔若鉆到溶洞，則繼續(xù)向外延伸1.5m布置一排孔直至完整的巖層為止，注漿孔合計(jì)171個(gè)。注漿結(jié)束后必須進(jìn)行注漿封孔。注漿孔平面布置如圖3所示。

圖3 注漿孔平面布置示意Fig.3 Schematic diagram of grouting hole layout

4 試驗(yàn)檢測(cè)方法

由于漿液注入地層的不均勻性，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于注漿效果的檢驗(yàn)尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)范要求。根據(jù)規(guī)范［3］本工程采用抽芯、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、壓縮性指標(biāo)以及物探方法對(duì)灌漿效果進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)溶洞區(qū)抽芯不少于1個(gè)，加固后的溶洞內(nèi)水泥強(qiáng)度不應(yīng)小于1MPa；注漿加固質(zhì)量檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量要求不小于注漿孔數(shù)的5%，且每個(gè)溶洞區(qū)不少于1個(gè)，并強(qiáng)調(diào)空的溶洞一定要進(jìn)行檢測(cè)；檢驗(yàn)點(diǎn)合格率小于80%時(shí)，應(yīng)對(duì)不合格的注漿區(qū)實(shí)施重復(fù)注漿；注漿加固處理后的地基承載力應(yīng)進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，要求地基承載力特征值不得小于200kPa。

注漿結(jié)束7d后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入及壓縮性檢驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)在7個(gè)溶洞區(qū)選取28個(gè)孔，占注漿總孔數(shù)的16%，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入原位測(cè)試進(jìn)行加固土體的均勻性檢測(cè)；按加固土體深度范圍每間隔1m取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定土體的壓縮性；注漿結(jié)束28d后進(jìn)行淺層平板載荷試驗(yàn)及抽芯檢測(cè)，載荷板尺寸均為1.0m×1.0m，在3、4、6號(hào)溶洞處理區(qū)各布置3點(diǎn)，合計(jì)9個(gè)載荷試驗(yàn)點(diǎn)；每個(gè)溶洞處理區(qū)各抽芯1個(gè)，合計(jì)7個(gè)；注漿結(jié)束28d后采用高密度電法物探檢測(cè)是否存在空腔。

5 處理效果

溶洞處理前，洞體中充填物大多為軟塑～流塑狀黏土，局部為充水的空洞，無(wú)法測(cè)定標(biāo)貫擊數(shù)，未進(jìn)行原位測(cè)試及土工試驗(yàn)；注漿處理之后標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果顯示平均標(biāo)貫擊數(shù)不小于9擊；取樣試驗(yàn)結(jié)果顯示壓縮中等；平板載荷試驗(yàn)結(jié)果顯示地基承載力特征值不小于280kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；抽芯檢測(cè)水泥強(qiáng)度均大于1MPa；物探測(cè)試結(jié)果顯示洞體中未發(fā)現(xiàn)明顯空腔，整體性上說(shuō)明處理效果是顯著的，見(jiàn)表2。

表2 溶洞處理質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 List of quality inspection results of karst cave treatment

6 結(jié)語(yǔ)

溶洞問(wèn)題是柳州的主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一。根據(jù)溶洞的大小、分布及充填等情況，提出了壓力注漿的處理方法。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)后說(shuō)明壓力注漿進(jìn)行溶洞地基處理具備可行性。本工程經(jīng)過(guò)數(shù)年運(yùn)行，地基穩(wěn)定，特總結(jié)該方案以供同行參考。