浅谈“超前钻+注浆”工艺在地铁车站岩溶处理中的应用

浅谈“超前钻+注浆”工艺在地铁车站岩溶处理中的应用

罗军

中冶南方武汉工程咨询管理有限公司

摘要：以武汉地铁11号线虎泉站岩溶处理工艺为基础，深入研究了地铁车站“超前钻+注浆”工艺的应用情况。通过在设计桩位采用“隔一打一”的方式进行超前地质钻施工，获得桩位详细地质情况及岩溶发育情况，之后利用5cm直径PVC管配合止浆塞向溶洞内注入配比为1:1的纯水泥浆液，达到减少灌注大体积超方的问题，避免出现施工过程中地面沉陷，最终实现了降低施工成本、确保施工安全的目标。

关键词：围护桩、岩溶、超前地质钻、注浆

1引言

中国城市地铁的发展随着城市化的进程而不断加快，全国大城市相继步入地铁时代。因城市所处位置、地层不同，地铁施工所面临的地质条件、施工环境也愈加复杂。在南方地区，尤其是厦门、深圳、武汉等地，地铁车站位于岩溶发育岩层的情况越来越多。岩溶对地铁车站施工尤其是围护结构施工阶段影响严重，可能造成施工过程中地面沉陷、混凝土大体积超方等问题；但车站的详勘地质勘察孔布设间距一般在20m左右，无法准确反映每根桩/每幅地连墙的岩溶发育情况。因此科学合理的探测、处理岩溶在地铁车站建设中越来越重要。

2工程概况

武汉地铁11号线东段二期四标虎泉站设计为地下四层（局部三层）车站，标准段基坑设计深度26.5m。虎泉站围护结构设计为围护桩+内支撑形式，围护桩桩底深入基坑底以下5m，桩长约31.5m。根据地勘报告，虎泉站地层从上至下依次为杂填土、粉质黏土、中风化灰岩，其中地面13m以下均为灰岩，灰岩为可溶岩，深度范围内岩溶发育强烈。

图2-1虎泉站地质芯样图

3工艺原理及流程

“超前钻+注浆”工艺主要是针对地铁车站围护桩在可溶岩内施工的情况，地铁车站详勘后围护桩施工之前，通过在围护桩原位施工超前地质钻孔，反映每根围护桩真实地质、岩溶发育状况，根据探测的岩溶状况针对性预埋注浆管，采用注浆机对已探明溶洞进行纯水泥浆液注浆处理，确保围护桩成孔、灌注阶段的质量、安全。主要工艺流程如下：

4“超前钻+注浆”工艺操作要点

4.1超前地质钻操作要点

超前地质钻施工应在详勘及围护结构图纸会审后、围护桩施工之前进行施工；主要是通过在设计围护桩中心钻芯取样反映每根围护桩具体地质情况及岩溶发育状况，以指导后续注浆、围护桩施工等作业内容。

（1）超前地质钻机选择

超前地质钻机选择，需根据钻孔断面地质情况、设计超前钻的钻孔深度，同时需具备钻芯取样功能,确保能满足处理到基底以下6m范围。通过功能分析，钻孔深度选用常规100型柴油地质钻机，该钻机用于常规地质勘察，取芯深度最深可达100m，满足地铁车站超前钻取芯要求。

（2）钻孔布置及深度要求

1）常规钻孔布置围护桩设计为直径1200间距1500布置，综合考虑现场施工进度要求及围护桩施工质量保证，超前地质钻孔设计为“隔一打一”的施工布置方式，即每相邻两个超前地质钻孔间距3m。如下图所示：

图4-1超前地质钻布孔示意图

2）探边钻孔布设

探边钻孔在超前地质钻孔基础上进行施工，根据超前地质钻孔取芯反映的溶洞情况具体操作如下：

①当超前地质钻孔取芯的芯样显示无溶洞时，直接终孔，可进行下一步围护桩施工；

②当超前地质钻孔芯样显示存在溶洞，但溶洞高度小于2m时，直接在钻孔内预埋5cm直径PVC注浆管；

③当超前地质钻孔芯样显示存在高度超过2m的溶洞时，以此超前地质钻孔为基准，采用2m*2m的布置方法进行探边孔施工，探边孔孔径、深度与超前地质钻孔一致；探边孔施工以探至溶洞边界为止，若发现新的溶洞，需继续布孔探测。布孔方式如下图所示：

图4-2探边孔（溶洞高度超过2m）布置示意图

3）钻孔深度及孔径要求

超前地质钻孔、探边孔均为确保围护桩施工阶段的质量，因此钻孔深度均以围护桩底以下6m为准，若围护桩底以下存在高度超6m的大溶洞，则钻孔需钻至大溶洞底基岩以下2m。钻孔孔径需满足注浆管下放需求，因注浆管为5cm直径PVC管，考虑钻孔速度及经济性，钻孔选用直径不小于76mm钻头进行施工。钻孔柱状图如下所示：

图4-3 钻孔柱状图

（3）注浆管安装要点

①注浆管采用5cm直径PVC管，每根PVC管长3m，采用热熔连接成整体，注浆管深入孔内长度与孔深一致。

②根据钻孔取芯反映的溶洞标高位置情况，在溶洞高度范围注浆管每隔15cm设置4个溢浆孔。

③在钻孔内的土岩结合面位置的注浆管上设置橡胶止浆塞，防止基岩溶洞内浆液沿注浆管与钻孔之间缝隙流入上覆土层。

4.2浆液配置操作要点

（1）浆液配比

注浆水灰比为1:1；封孔水灰比为0.5:1。注浆过程中，如注浆压力保持不变，注入率持续减少，或当注入率不变而压力持续升高时，不得改变浆液水灰比。应每隔15～30min测记一次浆液密度，注浆结束时亦应测记浆液密度，测值应反映在注浆综合成果表中。

注浆材料具体配比应根据现场试验确定。

（2）浆液配置要点

①浆液水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，有受潮结块等不合质量要求的水泥不得使用；注浆用水应满足拌制水工砼用水要求；

②所有制浆材料必须称重，水泥应采用重量称量法称量，误差不大于5%；

③水泥浆液采用专用的浆液拌制机现场拌制，搅拌之间不少于3min；

④浆液拌制完成后采用浆液比重仪对浆液质量进行核查，确保浆液满足要求。

4.3灌浆施工操作要点

（1）注浆压力

注浆压力均按0.3～0.5MPa控制。注浆压力应随着注浆过程逐步提高，达到设计注浆压力并继续注浆20min以上。

（2）灌浆要点

①浆液灌注采用注浆机进行，注浆机需安装浆压、流量等自动计量仪表仪器；

②通过注浆记录仪+止浆塞实时监控施工过程中的进浆、返浆、压力等一系列施工参数、指标来判定是否达到终浆标准；

③注浆与钻孔需形成流水作业，钻孔时采用跳孔施钻，边钻边灌，防止出现串孔现象。

④注浆过程中要做好技术资料和基础数据的记录、整理和分析工作；

⑤针对存在探边孔的溶洞，采用跳孔法进行注浆施工，每个孔均匀注浆施工，确保整个溶洞注浆质量，防止出现注浆管封堵情况。

（a）               （b）                 （c）

图4.3 a注浆止水塞 b注浆自动记录仪 c注浆记录表

3）灌浆结束标准

当同时满足下述规定时，方可结束注浆作业：

①在最大设计压力下，注浆孔段注入率不大于1.0L/min时，延续注入20min后可结束注浆作业；

②注浆全过程中，若注浆时间过长，注浆量过大，考虑基岩内存在裂隙发育，浆液大量外溢，暂停注浆后用清水冲洗注浆管，待浆液初凝后继续进行注浆施工，待注入率不大于1.0L/min时，延续注入20min后可结束注浆作业。

4）注浆封孔

①所有注浆孔及其配套进行的检查孔等均应严格地进行封孔处理。

②所有注浆孔与检查孔注浆（或压水）结束后应紧接着进行注浆封孔。注浆封孔采用"压力注浆封孔法"，浆液采用水灰比为0.5:1的浓水泥浆。

③为了确保封孔质量，所有封孔施工宜在监理工程师的现场指导下进行。

4.4监测实施要点

每个溶洞加固区施工前，均应埋设地面沉降和隆起变形监测点、房屋沉降监测点，钻孔、注浆过程中应进行变形观测，如果周边环境有重要得建筑物或管线，施工应加密变形观测，如果变形累计超过30mm，应立即停止施工，查明原因后采取相应得处理措施。监测施工主要要点如下：

（1）地面监测点位应位于硬化路面以下土层，直接反映土层沉降变化；

（2）位于1倍钻孔深度范围内建构筑均需设置沉降监测点位，每栋房屋监测点位不得少于4个。若建构筑物为老旧房屋，则需要进行房屋鉴定，鉴定结束后方可进行进一步施工；

（3）监测频率为2次/天，监测数据需第一时间反馈，及时发现变形情况，及时处理。

5 试验检测

5.1检测方法与标准

①检测验收应选择代表性和薄弱部位地段，应在注浆完成后28d进行；

②溶洞溶隙注浆完成后宜采取随机钻孔抽芯检测，要求芯样无侧限抗压强度≥0.2MPa；

③对溶洞采用注浆加固处理后兼做止水帷幕的，检测孔压水试验透水率应不大5×10-5cm/s，合格率大于85%，如有不合格孔段其透水率极值不应超过7.5×10-5cm/s，且不得集中；达不到上述检测标准时，应对受测溶洞进行灌浆补强，同时可据现场实际情况增加检测孔数。

车站岩溶处理主要目的为了填充溶洞密实、缩小填充物的渗透孔隙，减小地表沉降。根据水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）表F：岩土渗透性分级说明岩溶处理验证压水试验透水率应不大5×10-5cm/s处于弱透水等级，能防止因处理后不因水土流失引起固结沉降。

表F 岩土体渗透性分级

5.2检测原则和数量

①注浆检测强度评定应重视注浆前后试验数据比较，检测孔不小于总注浆孔数的5％，且不少于3点，复杂场地岩溶地基处理应适当增加检测数量；

②每个溶洞检测不少于1次，检测孔位距离注浆孔宜200~300cm；

③注浆效果渗透性评定的压水检查，其试验点数不小于注浆孔数的2%，单体不少于3点且满足设计要求。

5.3实体检测情况

钻芯检测情况：通过对岩溶处理完成孔洞进行了钻芯检测，合格率100%，满足设计和规范要求。

6 总结

武汉地铁11号线虎泉站工程围护桩施工前采用了“超前钻+注浆”岩溶处理工艺，提高了功效、降低了施工成本，具有良好的经济、社会效益。同时根据过程控制主要得出以下结论：

（1）“超前钻+注浆”岩溶处理工艺的应用，在一定程度上解决了围护桩钻进过程中出现塌孔，成孔困难的问题，为岩溶发育区桩基成孔施工提供了保障；

（2）岩溶发育区桩基施工一直存在混凝土大体积超方问题，且此超方工程量无法计量。本工艺的应用，基本解决了混凝土超方问题，采用可计量的注浆填充溶洞，与此同时，本工艺的应用也保障了桩基施工的整体质量。

参考资料:

（1）《武汉地铁11号线虎泉站围护结构施工图纸》

（2）《岩溶专项勘察报告》

（3）《基坑岩溶处理施工方案》