巖溶地區(qū)錨索孔壓密注漿加固巖體工藝研究*

李建新，何昌杰，呂基平，肖安保，趙金國(guó)

(1.中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

巖土加固領(lǐng)域，破碎巖體通常采用豎向注漿加固或傳統(tǒng)的錨索、錨桿加固。破碎巖體豎向加固適用于淺層巖體裂隙，對(duì)于深層巖體裂隙則質(zhì)量難保證、資源浪費(fèi)大。而在錨索加固中普遍采用孔底返漿或二次劈裂注漿工藝，錨索孔周邊巖體未能充分、有效加固，易出現(xiàn)錨索預(yù)應(yīng)力松弛、握裹體松動(dòng)被拔出、巖體加固后依舊出現(xiàn)變形過(guò)大甚至破壞等情況。特別是巖溶地質(zhì)破碎巖體的加固，巖溶、裂隙發(fā)育，傳統(tǒng)豎向注漿加固工藝加固成本高、資源浪費(fèi)大、加固質(zhì)量難控制；傳統(tǒng)錨索加固因巖體各段裂隙發(fā)育程度不同、注漿路徑較長(zhǎng)等問(wèn)題，導(dǎo)致注漿壓力過(guò)程損失，巖體各段注漿壓力不一，對(duì)破碎巖體加固效果有限。為了有效控制巖溶地質(zhì)破碎巖壁巖體加固質(zhì)量，提高巖壁巖體穩(wěn)定性，控制巖壁巖體變形，提高巖體物理力學(xué)性能，需要提出一種能夠有效控制及提高巖溶地質(zhì)破碎巖體注漿加固質(zhì)量又經(jīng)濟(jì)合理、資源節(jié)約的方法。

1 工程概況

長(zhǎng)沙冰雪世界項(xiàng)目位于長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)坪塘鎮(zhèn)山塘村至獅峰山村地段，坪塘大道東側(cè)、清風(fēng)南路南側(cè)，原湖南省新生水泥廠采石場(chǎng)桐溪湖礦坑。礦坑長(zhǎng)直徑 230m、短直徑180m，邊坡大部分基巖裸露，坑壁頂部有土層覆蓋。

冰雪世界主體結(jié)構(gòu)主要通過(guò)位于坑底的柱子支撐，部分荷載落在坑壁邊坡 16.000m 標(biāo)高平臺(tái)上。坡頂?shù)谋┦澜绲叵率也捎脴痘A(chǔ)將荷載傳遞到下部穩(wěn)定巖土層中，如圖1所示。

圖1 冰雪世界主體支撐結(jié)構(gòu)三維示意

邊坡在自然狀態(tài)下整體穩(wěn)定，為保證邊坡開(kāi)挖以及上部結(jié)構(gòu)施工期間邊坡安全，確保冰雪世界主體建筑在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)邊坡的穩(wěn)定，需對(duì)邊坡進(jìn)行加固。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌特征

工程場(chǎng)地原始地貌單元為湘江河流沖積堆積階地，巖石為灰?guī)r，厚度>210m。邊坡大部分基巖裸露，坑壁頂部有較薄的紅褐色人工填土和褐黃、褐灰色粉質(zhì)黏土夾礫石。

邊坡巖體表面見(jiàn)裂隙性溶蝕風(fēng)化現(xiàn)象，沿?cái)鄬印⒘严都皩用娴冉Y(jié)構(gòu)面溶蝕風(fēng)化現(xiàn)象較普遍，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面膠結(jié)物蝕變明顯或溶蝕充泥現(xiàn)象普遍，溶蝕風(fēng)化張開(kāi)寬度一般為3～10mm；結(jié)構(gòu)面間的巖石組織結(jié)構(gòu)無(wú)變化，保持原始完整結(jié)構(gòu)，巖石表面或裂隙面風(fēng)化蝕變或褪色明顯；巖體完整性受結(jié)構(gòu)面溶蝕風(fēng)化影響明顯，巖體強(qiáng)度略有下降。

邊坡巖體內(nèi)部主要見(jiàn)溶蝕裂隙、溶蝕溝槽和少量溶穴。主要分為溶穴、槽狀溶洞、溶蝕破碎帶和溶蝕裂隙發(fā)育帶。

2.2 地層巖性特征

場(chǎng)地勘察深度范圍內(nèi)，巖土層主要為土、礫-卵石、灰?guī)r及溶蝕物，邊坡巖體主要為灰?guī)r。根據(jù)鉆孔資料地層可分為：人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、耕土、粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、圓礫、卵石、殘積粉質(zhì)黏土、微風(fēng)化灰?guī)r、溶洞填充物、溶洞。

2.3 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地深度范圍內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水、孔隙潛水及上層滯水。

2.4 特殊巖土與不良地質(zhì)作用

場(chǎng)地基巖灰?guī)r巖層產(chǎn)狀較為平緩，部分地段縱向節(jié)理及裂隙發(fā)育巖體完整性較差。場(chǎng)區(qū)范圍下伏灰?guī)r中巖溶較發(fā)育，以淺埋溶蝕裂隙為主，次為溶洞及溶蝕小孔，基巖頂部發(fā)育有溶溝。

場(chǎng)地巖溶規(guī)模較大且大部分均有充填物。巖溶形態(tài)以溶洞或溶隙為主，發(fā)育深度一般在地表下30m以內(nèi)，并隨深度而減弱。溶洞、溶溝、溶槽等在標(biāo)高-5.000～35.000m范圍內(nèi)均有發(fā)育，且連通性較好。場(chǎng)地范圍內(nèi)無(wú)區(qū)域性斷裂穿過(guò)礦坑區(qū)，礦坑發(fā)育大小斷層4條。

場(chǎng)地巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，一般節(jié)理面均有充填物，為方解石和石英充填，節(jié)理面見(jiàn)褐紅色鐵錳質(zhì)氧化物，礦坑坡頂部局部由于水作用沿裂隙巖溶發(fā)育形成溶蝕溝和溶蝕槽。

3 施工工藝流程

巖溶地區(qū)通過(guò)錨索孔壓密注漿加固巖體工藝需要經(jīng)過(guò)錨索鉆孔記錄復(fù)核地質(zhì)、制作及安裝注漿裝置、試驗(yàn)配置水泥漿、利用錨索孔多次注漿加固巖體、注漿巖體試驗(yàn)檢測(cè)等工序，其具體工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

4 實(shí)施步驟

巖溶地區(qū)通過(guò)錨索孔壓密注漿加固巖體工藝具體分為以下9個(gè)步驟實(shí)施。

1)錨索鉆孔記錄復(fù)核地質(zhì)

錨索孔采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，成孔過(guò)程中作業(yè)人員做好地質(zhì)記錄，重點(diǎn)記錄特殊地質(zhì)段的地質(zhì)情況、長(zhǎng)度及所在位置等，以便施工過(guò)程中根據(jù)地質(zhì)情況清理裂隙和調(diào)控注漿速度。同時(shí)做好地質(zhì)復(fù)核，并及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的特殊地質(zhì)情況反饋給設(shè)計(jì)院，修正調(diào)整設(shè)計(jì)。

2)制作注漿裝置

巖溶地區(qū)礦坑巖壁加固采用通過(guò)錨索孔壓密注漿加固巖體工藝，需要制作特殊的注漿裝置。

3)制作內(nèi)管注漿槍頭

出漿槍管采用DN25鍍鋅鋼管制作，長(zhǎng)度53cm。管壁上打孔徑5mm的出漿孔。出漿孔每圈4個(gè)、每圈間距5cm均勻?qū)ΨQ布置。球形止?jié){套與單向止?jié){套均緊密貼附在短節(jié)鍍鋅鋼管上，密封處理。球形止?jié){套與單向止?jié){套上均預(yù)留1個(gè)小圓孔，安裝時(shí)2個(gè)小圓孔在1條直線上，用于安裝小銅管，通過(guò)銅管平衡注漿外管內(nèi)、密封體外的壓力差，減少拔管阻力，銅管安裝做好密封處理。槍頭組裝時(shí)，各個(gè)管箍?jī)?nèi)放置密封圈，鋼管絲頭上包裹密封膠帶，再套入管箍，如圖3所示。

圖3 注漿槍頭示意

4)制作注漿外管

注漿外管管節(jié)采用DN50(壁厚4.7mm)的PE管制作，管壁上打孔徑5mm的出漿孔。外管出漿孔從管材端頭起25cm位置打首段首圈出漿孔，每段50cm，間隔跳打。每段出漿孔位置按出漿孔每圈6個(gè)、每圈間距5cm均勻?qū)ΨQ布置。出漿孔采用寬1cm、厚0.5mm的橡皮圈套箍單向封閉，保證出漿孔只出漿、不進(jìn)漿(見(jiàn)圖4)。

圖4 注漿外管示意

5)安裝注漿裝置

注漿外管同錨索束一起安裝，位于錨索束中間，采用隔離支架固定，同錨索一起送入錨索孔內(nèi)。注漿外管套筒連接，管節(jié)間緊密貼合，螺栓固定。套管與主管間的接縫采用密封膠帶進(jìn)行密封，注漿外管底部采用楔形止?jié){塞進(jìn)行封堵。錨索束安放時(shí)彎曲半徑大于30倍注漿外管直徑，防止注漿外管在送入錨索孔過(guò)程中彎曲破壞。內(nèi)管接管送入槍頭直到外管底部。安裝完成后，檢查槍頭兩端止?jié){套與注漿外管形成空腔的密封性，如圖5,6所示。

圖5 注漿外管安裝示意

圖6 錨索與注漿管布置剖面

6)試驗(yàn)配置水泥漿

巖體注漿加固配置兩種不同的水泥漿液。一種為42.5普通硅酸鹽水泥漿液，水灰比控制在0.3±0.01以內(nèi)，用于巖體第1次注漿和第3次收縮補(bǔ)漿，第1次注漿的水泥漿液應(yīng)根據(jù)施工時(shí)長(zhǎng)，加入適量的緩凝劑，延長(zhǎng)漿液初凝時(shí)間；另一種為超細(xì)水泥漿液，水灰比控制在0.42±0.01以內(nèi)，用于巖體第2次注漿，可以加入適量的減水劑，增強(qiáng)水泥漿的流動(dòng)性和滲透性，擴(kuò)大漿液滲透范圍，提高巖體注漿質(zhì)量。具體的漿液配合比通過(guò)試驗(yàn)確定。

7)錨索一次自留注漿

注漿外管與錨索孔壁間自留式注入42.5普通硅酸鹽水泥漿液，依靠其自身重力，從下往上逐步填充外管與孔壁間的空隙。注漿過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體裂隙情況控制注漿速度，以利于延長(zhǎng)水泥漿滲透時(shí)間，擴(kuò)大水泥漿滲透范圍。水泥漿從孔口返出新鮮漿液5～10min后停止注漿，采用止?jié){塞封堵錨索孔，預(yù)留注漿外管注漿孔。為防止止?jié){塞在二次分段分級(jí)穩(wěn)壓注漿時(shí)被高壓沖出，在止?jié){塞外填充速凝水泥砂漿，其長(zhǎng)度>1m，提高止?jié){塞抗壓能力。

8)錨索二次分段分級(jí)壓密注漿

外管與孔壁間空隙漿液初凝前，進(jìn)行分段分級(jí)加壓注入超細(xì)水泥漿液，最終注漿壓力可根據(jù)巖體情況在0.5～1MPa范圍內(nèi)調(diào)整。巖體注漿段到孔口距離>3m范圍進(jìn)行4級(jí)加壓注漿，每段注漿按設(shè)計(jì)壓力的10%，30%，60%，100%逐步分級(jí)加壓完成。巖體注漿段到孔口距離<3m范圍進(jìn)行5級(jí)加壓注漿，每段注漿按設(shè)計(jì)壓力的10%，30%，50%，75%，100%逐步分級(jí)加壓完成。依次循環(huán)，逐步完成錨索孔周邊巖體及錨索孔的注漿。分段分級(jí)加壓注漿時(shí)，以注漿壓力和注漿流速作為巖體各段停止注漿的判別條件。每一級(jí)注漿壓力達(dá)到指定要求，注漿流速<0.1L/min，則進(jìn)行下一級(jí)壓力注漿。每段最終注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，注漿流速<0.1L/min，且保持5min不變時(shí)，進(jìn)行下一段加壓注漿。每一段注漿完成進(jìn)行下一段注漿。注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)停止注漿。巖體裂隙注漿時(shí)須嚴(yán)格控制注漿壓力和流速，在錨索孔口段巖體注漿更為重要，以保證每段注入的水泥漿能夠充分滲透到巖體裂隙，同時(shí)避免因單次注漿壓力過(guò)大擴(kuò)張巖體裂隙，影響巖體穩(wěn)定性。若孔口巖體破碎，出現(xiàn)巖壁脹突現(xiàn)象，即使未能達(dá)到注漿壓力，也需停止注漿。

注漿槍頭須按照固定長(zhǎng)度逐步從外管底部向上拔出，保證錨索孔每段巖體能夠得到加壓注漿密實(shí)，孔壁巖體裂隙得到充分填充，擴(kuò)大注漿體，保證注漿質(zhì)量。

9)錨索三次收縮補(bǔ)漿

外管與孔壁間漿液二次分段分級(jí)加壓密實(shí)后，錨索孔內(nèi)漿液進(jìn)入初凝狀態(tài)，漿液體積收縮時(shí)，更換注漿槍頭，進(jìn)行補(bǔ)漿密實(shí)。同時(shí)完成注漿外管內(nèi)腔注漿。錨索孔三次收縮補(bǔ)漿采用42.5普通硅酸鹽水泥漿，注漿標(biāo)準(zhǔn)采用注漿壓力與注漿流速雙重指標(biāo)進(jìn)行控制。

10)錨索孔注漿封堵

外管內(nèi)腔注漿采用42.5普通硅酸鹽水泥漿注漿完成，拔出注漿內(nèi)管及槍頭，將剩余部分的巖體多次反復(fù)注漿填充，待漿體終凝無(wú)收縮后封堵錨索孔。

11)注漿巖體試驗(yàn)檢測(cè)

待注漿完成28d后，現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣，檢測(cè)巖體注漿質(zhì)量，并按照抗壓試驗(yàn)要求制定標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，重點(diǎn)檢測(cè)巖體破碎帶注漿后的強(qiáng)度。注漿巖體抗壓強(qiáng)度檢測(cè)須100%滿足設(shè)計(jì)要求，以保障巖體承載力，保障邊坡穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

巖溶地區(qū)通過(guò)錨索孔壓密注漿加固巖體工藝克服了巖溶地質(zhì)破碎巖體巖溶、裂隙發(fā)育，傳統(tǒng)豎向注漿加固工藝加固成本高、經(jīng)濟(jì)效益差、資源浪費(fèi)大、加固質(zhì)量難控制等問(wèn)題以及傳統(tǒng)錨索加固因巖體各段裂隙發(fā)育程度不同、注漿路徑較長(zhǎng)、注漿壓力過(guò)程損失、巖體各段注漿壓力不一，對(duì)破碎巖體加固效果有限等問(wèn)題。分段分級(jí)穩(wěn)壓注漿能夠保證每段巖體注漿壓力均衡，水泥漿能夠充分滲透到巖體裂隙中，又可以避免因單次注漿壓力過(guò)大擴(kuò)張巖體裂隙，影響巖體穩(wěn)定性。分段分級(jí)穩(wěn)壓注漿能夠在設(shè)計(jì)注漿壓力下最大限度填充巖體裂隙，提升破碎巖體裂隙漿液填充率，擴(kuò)大注漿體，提高破碎巖體穩(wěn)定性，控制破碎巖體變形，提高破碎巖體物理力學(xué)性能，提高巖溶地質(zhì)破碎巖體的整體加固質(zhì)量。