岩溶注浆工程量计算

前言

岩溶地质现象一直是人们研究的对象，对其的发育过程及形态特征已经有深刻的认识，路基中的岩溶一直是路基长期稳定的重大隐患，文章对路基岩溶病害的常见类型和注浆加固治理方法进行了分析。

1 路基岩溶病害常见类型主要包括以下几种情况[1]

1.1 由于地下洞穴顶板的坍塌，或因溶洞内充填物被地下水的运动所带走，使位于其上的路基发生塌陷、下沉或开裂。

1.2 较大的石芽石形成的地基局部不均匀，易使路基产生差异变形，且石芽周围充填软塑红粘土，影响路基的设计与施工。

1.3 雨季落水洞难以及时下排水石，易在洼地、槽谷等形成积水区，从而影响路基的稳定性。由于地下岩溶水的活动或因地面水的排泄不畅，而导致路基基底冒水、水淹路基、水冲路基等病害。

1.4 漏斗使地面呈凹陷状，其内土质疏松，填筑路基后，易引起进一步塌陷。

2 注浆方法的分类

目前土体注浆方法按常规可分为两大类，即静压注浆法和高压喷射注浆法[2-3]

2.1 静压注浆法

静压注浆法是利用液压、气压和电化学的原理，通过注浆管将能强力固化的浆液注入地层中，浆液以充填、渗透、挤密和劈裂等方式，挤走土颗粒或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，浆液固结后将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，从而改变岩土体的物理力学性质。静压注浆法适用土质范围：中粗砂及砂砾石，破碎岩石与卵砾石，软粘土和湿陷性黄土。

2.2 高压喷射注浆法

高压喷射注浆法是利用高压射流切割原理，通过带有喷嘴的注浆管在土层的预定深度以高压设备使浆液或水成为20Mpa左右或更高的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲击切割土体，当喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从土体中剥离。一部分细小的颗粒随浆液冒出地面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列，浆液凝固后，便在土中形成一个固结体。固结体是浆液与土以半置换或全置换的方式凝固而成的。高压喷射注浆法适用土质范围为砂类土、粘性土、湿陷性黄土和淤泥。

此外，注浆方法按注浆工艺分时，常用的注浆方法有：高压喷射注浆方法(单管法、双重管、三重管)、单层管注浆法(钻杆注浆法、花管注浆法)、双层管双栓塞注浆法(套管护壁注浆法、袖阀管注浆法)、双重钻杆过滤管法(单液、双液)。

3 注浆技术的工程应用范围

注浆技术目前已成为我国岩土工程技术领域的一个重要分支，它在土建、市政工程、水利电力、交通能源、隧道、地下铁道、矿井、地下建筑等许多领域有着广泛的应用，其主要应用的工程范围如下所述[4-5]。

3.1 静压注浆法应用的工程范围

3.1.1 抗渗止水工程：开挖竖井、隧道等地下工程，防止和控制涌水；地下工程开挖时防止基础沉隐及掌子面崩塌；坝基防渗注浆，建筑物地基下部或周围渗体的建立；基础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：加固软弱地基，提高地基土的承载力，扩散上部荷载降低应力水平；回升和加固建(构)筑物地基；地铁的注浆加固，通过静压注浆用以减少施工时地面位移和控制施工现场土体的位移等；地下工程开挖时防止基础沉陷及掌子面崩塌；减少挡土构筑物的土压力。隧洞大开挖注浆加固；竖井注浆，用以处理流砂和不稳定地层。

3.1.3 防止变形工程：防止产生滑动，维持坡面稳定；构筑物本身的加强，开挖基坑时对附近已有构筑物的防护。

3.1.4 对灌注桩的两侧和底部注浆，用以提高桩与土间的侧摩阻力和桩端土体的力学强度。

3.1.5 后拉锚杆注浆。在锚杆和锚索施工过程中，用静压注浆做成锚固体。

3.2 高压喷射注浆法应用的工程范围

3.2.1 地基加固工程：增强高层建筑物的地基强度；开挖基坑时，防护邻近构筑物；防护桥墩、桥台基础；加强盾构法及顶管法的后座，形成反力基础；稳定矿山井巷、地铁、隧道及管道沟潜工程的开挖面；防止小型塌方滑坡；防护码头及堤岸。

3.2.2 防渗止漏工程：建筑基坑防渗帷幕施工；矿井井筒表土渗帷幕施工；尾矿库基础坝、河堤、水池的防渗及土坝防渗；减少振动，防止砂土液化；降低土的含水量，整治路基翻浆冒泥；防止管道漏气，地下防渗墙的补缺；防止基坑涌砂冒水。

4 路基岩溶塌陷注桨治理

上文所提到的岩溶塌陷产生的第二种原因，这种情况下采取注浆处理是必然的。下面，以湖南常德至张家界高速公路为例。由于前期的勘察工作不尽详细，在靠近张家界的几个标段，施工中揭露了大量的岩溶现象，路面下、路堑中揭露了大型的溶洞及地下暗河，给施工带来

极大的难度，路基的长期稳定也受到严重威胁。在这种情况下，快速、准确的查明岩溶发育情况，提出并实施治理方案是非常紧迫的，针对这种现象，采取注浆处理，就取得了良好的效果。

4.1 路基塌陷产生的根本原因和决定因素

4.1.1 土石界面的岩溶裂隙通道是土颗粒运移的先决条件

岩溶裂隙无论是管道型，还是裂隙型，其中的土颗粒在地下水的带动下均可自由运移，这是岩溶地区产生地表塌陷的内在原因。而溶洞的形成一般多受构造裂隙控制，因此隐伏岩溶溶洞顶板大范围完整是不可能的。顺构造裂隙或构造复合部位会产生岩溶裂隙或通道，俗称土石界面处的岩溶“天窗”[6]。

4.1.2 诱发因素是地表塌陷产生的必备条件

4.1.2.1 没有水的活动，即使岩溶极发育，也难以产生土颗粒位移，地表塌陷也就没有产生的条件。

4.1.2.2 自然状态下的地下水升降、地表水下渗的侵蚀作用，产生地表塌陷是有限的、缓慢的和长期的。自然状态下地下水的水力坡度和季节性水头差的影响所形成的水平侵蚀和垂直侵蚀作用很小，难以引起土颗粒大量运移且位移量很小，即使土颗粒产生运移也只是缓慢的。

4.1.2.3 人为活动条件改变了自然状态下地下水的运动规律，其水平方向水力坡度和垂直方向的波动幅度(甚至日变化幅度)都大幅度腾升，足以使溶洞中及土石界面的土体通过岩溶裂隙运移。地下水的频繁活动，导致岩溶裂隙、溶洞内的土颗粒产生运移，一旦形成隐伏土洞并逐渐扩大直至产生地表塌陷，往往是长期的，甚至是一个较长的历史时期。

4.2 路基塌陷注浆治理可行性

4.2.1 岩溶病害路基注浆整治机理

根据上述地表塌陷的主要影响因素，采用土层注浆，只能充填土层裂隙，不会产生质的变化，土颗粒仍会在地下水潜蚀作用下携带运走，因此土层注浆只能达到路基的暂时稳定，只要产生病害的诱发因素依然存在，地质灾害仍会继续发展。所以在整治过程中只有解决存在的关键问题，即岩溶通道及水环境，病害问题就可迎刃而解[7]。

其整治处理方法如下：

方法一：切断土石界面的岩溶通道，阻止上部土层颗粒运移，病害可以从根本上治理。

方法二：控制人为活动，恢复水环境至原始状态，维持水均衡，可以减轻病害程度和发生的频率，对流失的空间进行再充填，可以达到相对的平衡。

4.2.2 浆液填充及流动规律

路基塌陷注浆是地表施工、低压灌注，与其他类型注浆(如堵水、防渗等)在机理上存在明显不同。因此注浆的原理、设计原则、注浆工艺等与之也有较大的差异。根据注浆实践和观察结合流体力学理论分析，浆液运动规律如下[8]。

4.2.2.1 液从高压向低压方向运动，即首先填充地下无压地带(如空洞、土洞、或半充填、全充填流动稀泥的溶洞)，当空洞充满之后，浆液必然将通过岩溶“天窗”向压力最小的地表扩散并涌出地表。

4.2.2.2 在土层或溶洞充填物中浆液流动垂直于土层等压线，并沿最短或最近的距离流动；在岩层中浆液流动主要顺岩溶裂隙扩散。

(3)由于岩溶发育的不均一、土层不均质，浆液必将呈不均匀扩散，且浆液扩散不构成整体或面状，在溶洞及土层中多呈脉状或树枝状，仅在空洞及充填松软的溶洞顶部结石成块状。

4.3 注浆工艺与设计

4.3.1 注浆工艺

通过反复灌注水泥浆或水泥玻璃浆等浆液充填岩溶及岩溶裂隙，堵塞岩溶“天窗”，阻止土颗粒在垂直和水平方向的运移，实质上是形成一个防止土颗粒运移的“准水平帷幕”，从而达到路基的稳定。具体工艺如下[9]。

4.3.1.1 将注浆套管嵌人基岩并与之固结呈封闭的注浆管，使浆液压入岩溶裂隙和溶洞中。

4.3.1.2 浆液在岩溶中凭借压差“寻找”低压及岩溶薄弱环节直至返至地表，采用相应工艺，逐渐将路基范围内“天窗”封堵。

4.3.2 钻孔设计与注浆量计算

4.3.2.1 钻孔设计

（1）钻孔密度的设计

岩溶发育的复杂性及不均匀性，使查明岩溶的实际分布、空间形态及发育特征难度很大。因此，一般情况下，注浆孔均采用均匀布置，除判明了准确的土洞和“天窗“位置可集中布孔应采取针对性注浆外，注浆布孔原则如下。

①钻孔密度适当，控制在30一50m2/孔为宜。钻孔过密，浆液串孔严重，注浆相互干扰达不到质量提高的目的和良好的效果，同时大大增加了钻探的工程数量。

②注浆孔距、排距应小于浆液扩散半径，并应相互搭接。根据相关资料，在这种岩土环境下，注浆影响较常见的距离为8m左右，钻孔过稀易造成注浆空白区，遗漏岩溶“天窗”。考虑注浆的相互搭接，孔距宜6.0一7.5m左右。

③当钻孔密度受各种外界条件限制难以达到合理密度时，可采用增加斜孔设计；增长钻孔注浆段长度；改善注浆工艺等手段达到注浆质量要求。

④注浆孔的布置主要根据注浆加固工程所处的路基类型(新建、改建、既有)、线路标准(单线、双线)、路基型式(路堤、路堑)、工程所处线路地段(区间、站场、枢纽)，一般可采用等边三角形、等腰三角形、等腰直角三角形等形式布置。对可溶岩裸露地区，应实地测绘并结合物探成果按照构造线或岩溶发育布置钻孔[10]。

（2）钻孔深度的设计

根据路基病害成因及注浆机理，钻孔深度的设计原则如下。

①钻孔必须钻入基岩(灰岩)面以下，以岩溶发育标高作为设计孔深的依据，原则上钻孔要遇到岩溶通道。

②钻孔在土石界面以下灰岩段不少于5m，未遇岩溶通道应加深2一3m。

（3）斜孔的设计

根据相关资料，在岩溶路基病害处理中斜孔的注浆效果较直孔好。尤其是线路中心底部的塌陷病害宜设计斜孔注浆。斜孔设计倾向宜垂直线路走向，倾角采用式

①计算

tgα＝（H+h）/S

α=arctg(H+h)/S

式中：α—钻孔倾角；

H—路堤高度，

h—第四系松散土层厚度或第一层溶洞深度，

s—孔位至线路中线的垂直距离，

4.3.2.2 注浆量计算

（1）注浆量计算公式

注浆量计算常采用经验数据法、工程地质比拟法、浆液均匀扩散的单孔注浆计算法等三种方法[63]。鉴于岩溶的不均一性，本文重点介绍整体计算法，计算公如下。

P=V×β×α/m

其中：V＝A×L×η

式中：p—注浆折合水泥重量。

V一岩溶注浆体积，m3；

β—岩溶中水泥结石充填系数，按水平帷幕考虑，空洞β=1，充填溶洞β=0.7～0.2；

α—浆液损失系数，1.1一1.2；

m—水泥结石率，指h水泥制成水泥浆后结石的体积为0.6一0.9；

A—注浆控制面积，

L—注浆段长度，m，应考虑土石界面处土层厚0.5m；

η—岩溶率或土层裂隙率。

（2）注浆计算参数的选择与确定

①注浆控制面积(A)的计算原则。注浆控制面积是注浆量计算的重要数据。

A＝线路长度×注浆宽度B

注浆宽度B的确定。路堤：与路堤填高关系密切，计算至坡脚外2m。路堑：一般可采用中线两侧各8m，或侧沟外4m，或挡墙顶外2-3m。

②注浆段长度L。灰岩段一般采用5-8m，另考虑土石交界面处土层加固厚度，平均按0.5m 计。

③岩溶率η。由于何种岩溶率难以准确得出，目前一般采用线性岩溶率。

④浆液损失系数α。当注浆加固范围(面积)较大时，特别是宽度较大，损失系数可取1.05，甚至1.10。

当注浆加固范围(面积)较小时，宽度较窄或岩溶极发育时，损失系数取1.20。

⑤浆液充填系数β。当溶洞无充填物时，充填系数为1。当岩溶充填率越高时，“水平帷幕”机理，充填系数随之降低：该系数有待进一步总结、调整和完善

⑥水泥结石率。根据试验，1吨水泥制成水灰比1：1的水泥浆，其结石率近于1 m3时，但由于岩溶中注浆充填物具有过滤作用，水分流失，因此浆液水灰比降低，结石率明显降低，

所以水泥结石率一般采用0.6-0.7。路基岩溶塌陷注浆设计的工程数量往往与施工实际存在一定的误差，这种误差的存在有岩溶率选用、勘探精度和注浆参数合理选择等理论上的误差，也有施工不到位，注浆技术、工艺没掌握，甚至指导思想上的施工误差，因此需要在注浆工程实践中进一步总结提高。