莱新高速公路岩溶塌陷灌浆试验研究.doc

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莱新高速公路岩溶塌陷灌浆试验研究

一、工程概况

莱新高速公路位于国道205莱芜至新泰段，全长45.6km，路面宽26m，边坡1:

1.5，是山东交通基本溅射规划“三纵、三横”重要的一段。

其中青泥沟路段K10+400～K13+900段穿越莱芜盆地水源地岩溶地基段，路基、路面底基层试验段碾压完工后，出现了桥涵下沉、路基纵横向开裂现象。

经地质补充勘察表明，该段地层岩性为中奥陶白云质灰岩，岩溶现象严重，岩溶裂隙、溶沟、溶洞发育，上覆土层较薄，有的剥蚀成为地表水入渗通道。

路基周围地表可见多处塌陷坑，塌陷坑孔径一般2～3m。

岩溶发育段埋深一般5～10m，发育厚度一般10～20m，溶洞高0.3m～1.3m，充填物为砂土与亚粘土。

该路段为岩溶塌陷易发地段，属地质灾害危险性中等区。

若不进行处理及防治会存在严重的安全隐患。

因此，对其处理技术进行了专项研究。

由于该路段穿越莱芜盆地水源地岩溶区，对其路基以下岩溶通道相互贯通，灌浆量不宜控制，为确保工程质量并兼顾工程效益，在该路段进行了常规灌浆技术与灌浆新技术——托底灌浆的试验研究，取得了良好的试验结果。

二、莱新高速公路水源地岩溶发育特征与规律

莱新高速公路穿越莱芜盆地的地下水源区，属I4区燕山山地、胶辽山地环境地质亚区[1]。

本区大地构造单元属中朝地台的北、东边缘，基底隆起，NNE向的郯庐断裂带活动较强烈，平均滑动速率0.4mm/年，曾发生14次强震。

地层裂隙发育。

区内广泛分布碳酸盐岩，地层以奥陶系马家沟组（O1m）灰岩、白云质灰岩溶蚀最为发育，并受NWW向断层与NNE向断层构造影响，致使断层交汇地带和断层带两侧岩溶发育，地下水运动促使其溶蚀作用加强，为其塌陷提供位移空间。

区内地形起伏较大，属于山前斜坡地，为中更新统（Q2）粘土，亚粘土组成，厚度1～6m，土层结构致密。

（1）岩性与构造

据西安建材地质工程勘察院提供的资料，在莱新高速公路K10+400～K13+900为岩溶地区发育段，上覆第四系冲洪积和残坡积物，岩性为亚粘土和中粗砂及砂砾。

层厚2～11m。

下部为中奥陶白云质灰岩。

场区大地构造位于郯庐断裂带和派生的北西向泰山、莲花山断裂之间，属莱芜盆地与新浦凸起的过渡带之中，场区北西向和北东向两组构造发育，岩溶也多沿两组构造发育。

青泥沟断层（F4）在里程K10+430穿过本区，经物探探测，断层破碎带宽9m左右。

（2）水文地质条件

本区位于莱芜盆地，岩溶裂隙发育，四周为山地，地表入渗补给条件好，成为地下水埋藏丰富的地下水库，低洼地区为承压水，有众多的上升泉，成为莱钢的取水水源地，日均取水量2.16万m3，由于大量开采地下水，地下水位大幅度下降，本次勘探钻孔深40.3m处未见地下水位。

据91年至97年的地下水观测资料记载，水位最大降幅达42m，为此，影响和改变了原有的水文地质特征。

地下水水质为弱腐蚀，为分解类碳酸型腐蚀，含有较多的CO2，化学成份与地表水有较大的差别，虽然地表水补给条件较好，尚不足以改变地下水的化学特征，说明本区的地下岩溶水水量丰富。

（3）岩溶发育特征

岩溶的发育，与岩石的矿物化学成份、区域地质构造、地形地貌、地下水的补排条件和水的化学成份有着密切关系。

本区地貌为盆地，地质构造受郯庐断裂构造和莱芜弧弧形断裂构造的控制，北西向和北东向两组节理发育。

岩性为可溶性白云质灰岩，地下水含有较多的CO2，具有弱腐蚀性，为分解类碳酸型腐蚀。

本区位于莱芜盆地，盆地四周山区地表水向盆地补给。

当地表水沿两组节理裂隙渗入，水中的CO2对白云质灰岩CaC03具有溶蚀作用，在地下水补排过程中，沿着两组结构面发育成溶岩裂缝、溶槽、溶洞，形成目前岩溶发育特征。

（4）岩溶分布规律

为了查清岩溶分布规律，西安建材地质工程勘察院进行了大量的地质勘察工作，提出了详细的地质勘察报告，中交第一公路勘察设计院提交了《205线国道莱芜至新泰高速公路水源地岩溶地基处理》报告。

经查明，在青泥沟路段K10+400～K13+900，地层岩性为中奥陶白云质灰岩、岩溶裂隙、溶槽、溶洞发育，上覆土层较薄，有的剥蚀成为地表水直接入渗通道。

经调查在地表多处发现塌陷坑，其规模不大，塌陷坑一般2～3m，均为覆盖层塌陷。

经地质勘探和物探查明，一般岩溶埋深5～10m，岩溶发育厚度10～20m，溶洞高0.3～1.3m，充填为亚粘土和砂砾，该段为岩溶塌陷易发地段，应属岩溶土洞塌陷，为地质灾害危险性中等区。

三、岩溶塌陷成因分析

本区岩溶塌陷，经地质调查，未发现大面积的岩体塌陷，而是在岩溶地区上覆土层的岩溶土洞塌陷。

在岩溶发育地段，覆盖层较薄，或已遭到破坏，地表水汇集，入渗条件好，就易发生岩溶土洞塌陷。

除此之外，岩溶塌陷还与地下水活动有关。

在岩溶发育过程中，岩层表面为第四系覆盖，并充填岩溶空隙，在长期地表水入渗、地下水排泄活动中，在地下水活动区域内，一部分充填物被带走，形成渗流通道，逐渐向上发展。

当上部土层较薄，地表水长期作用时，地表水沿岩溶通道产生渗流，使充填物在渗水作用下，土体发生潜蚀剥落，形成土洞，逐渐向地面发展，当土洞失去拱效应后，发生剪切破坏，地面土层将发生塌陷；与此同时受地下水活动影响，当地下水位波动较大，也会加剧这一变化过程。

特别由于莱钢取水，地下水大幅度下降，岩溶空腔内产生负压，使土体产生吸蚀剥落，更进一步加剧了岩溶地区土洞塌陷。

本区位于莱芜盆地，岩溶裂隙发育，四周为山地，地表入渗补给条件好，成为地下水埋藏丰富的地下水库，低洼地区为承压水，有众多的上升泉，成为莱钢的取水水源地。

而莱钢日均取水量2.16万m3，在地下水开采过程中，区域地下水大幅度下降。

因此该区地下水位变化比较剧烈。

莱新高速公路水源地岩溶情况属盖层土体-薄顶板系统，且薄顶板破碎，溶洞埋深较大，地下水位剧烈波动，又受人工动静荷载作用（现已完成的路基），土体中土洞发育，因此存在路基塌陷隐患。

四、岩溶塌陷防治加固方案研究

（1）路基防治加固指导思想

1）加固依据

莱新高速公路水源地路段，路经岩溶地区，地表岩溶洞隙发育，并有岩溶塌陷反应；在莱钢水源地大量抽吸地下水，引起地下水位大幅度下降，地表沉降，加剧了岩溶发育，为岩溶易发地段，需要进行防预和加固。

2）作好路基排水。

在岩溶发育路段，为防止地表积水浸泡路基，形成入渗通道，产生潜蚀剥落，应做好路基排水设施，及早排除地表水。

3）封闭岩溶入口。

在岩溶土洞易发地段，进行加固处理，对岩溶入渗口进行封堵，防止地表水渗入引起潜蚀剥落，同时也防止地下水活动产生的吸蚀剥落。

（2）路基防治加固范围

1）加固原则

岩溶路基加固是一项复杂的隐蔽工程，既费钱又费工，既要保证道路的安全运行，又要控制工程投资和加固工期，在研究方案和确定加固范围内，必须两者兼顾。

依据其岩溶地区的地质条件，其加固的原则是：

对岩溶洞隙发育、上覆土层较薄、其厚度＜8m的路段进行封闭加固处理，其余路段做好路基排水处理。

2）加固范围

依据《中交第一公路堪察设计研究院》提供的资料，对下列8段进行加固处理。

①K10+588～K10+616段覆盖土层厚4m，强岩溶带厚15m，其中有小溶洞发育，分布全路基。

②K10+695～K10+753段岩溶上覆土层厚3.5～4.5m，岩溶带厚13～15m，分布于全路基内。

③K10+808～K10+828段溶蚀带横跨路基，埋深6m左右，溶蚀带厚度10m左右。

④K10+854～K10+917段溶蚀带横跨路基，埋深在7.3～11m之间，7.6～14.2m溶孔、溶洞发育，于8.5m及9.9m深处各有一个溶洞，高0.5m及0.3m，半充填，充填物为亚粘土和少量碎石，钻孔漏水。

⑤K11+282～K11+317段溶蚀带横跨路基，埋深在11m左右，11.3m深处有一个溶洞，高0.3m左右，半充填，充填物为亚粘土，钻孔漏水严重。

⑥K11+589～K11+601段溶蚀带横跨路基，埋深在9.5m左右，9.5m深处有一个溶洞，高0.25m左右，少量充填，充填物为亚粘土，钻孔漏水。

⑦K13+360～K13+370段溶蚀带的上覆土层厚8.5m，溶蚀、溶洞带厚22.5m。

⑧K13+433～K13+468段溶蚀带的上覆土层厚6.0m，溶蚀、溶洞带厚13m。

3）路基加固方案

通过岩溶塌陷的机理分析，认为该区为岩溶土洞塌陷。

岩溶土洞塌陷和路基沉降，均与地表水浸泡渗入和地下水活动有关，因此只须对岩溶入渗口进行封闭处理，解决水平防渗问题，不需对整个岩溶带进行处理。

在岩溶发育带或岩面上形成水平帷幕，加固体厚度3～5m，加固强度要求大于4MPa。

为了探索科学合理的加固处理方案，根据本地区岩溶发育特点和工程要求，从经济性和科学性考虑，进行了充填灌浆、托底灌浆和远喷距旋喷灌浆方案对比。

4）远喷距高压旋喷灌浆试验

4.1.1试验布置

在路基外侧布置一处地层状况与路基下覆地层情况相同的场地，孔位按梅花布置，孔距2m，孔深2～3m，开孔直径Ф127mm。

共分三组九孔布置。

喷射的要求为：

正常喷射一组；复喷一组；先用水割地层然后再正常喷射为一组。

喷射过程中应按要求缓慢提升喷头以达到预定厚度。

4.1.2试验参数

远喷距旋喷灌浆试验技术参数表4－1

项目

单位

参数

孔距

m

2.0

高压水

压力

MPa

37～40

流量

L/min

75

压缩气

压力

MPa

0.7～0.8

流量

m3/h

>60

浆液

比重

>1.6

流量

L/min

80

提升速度

cm/min

4～8

摆动角度

360o

4.1.3试验流程

远喷距旋喷灌浆施工工艺流程（图4-1）如下：

高压水、压缩气

钻

孔

下

喷

射

管

制

浆

喷

射

提

升

回

灌

结

束

定

孔

位

图4-1远喷距旋喷灌浆工艺流程图

检验方法

①开挖检验：

待浆液凝结具有一定的强度后，即可开挖检查固结体半径、形状和质量；

②岩芯检查：

从固结体中钻取岩芯，进行室内物理力学性能试验。

在钻孔中做压水试验，测定其抗渗能力。

4.1.4试验结果

本试验按要求现场开挖，挖出桩头检测外观形态，同时测量桩径大小；旋喷体取样送实验室作有关抗压指标参数；在现场作压水实验取得旋喷体的渗透系数。

经过现场开挖检验，成桩桩径为1.2～1.4m（各桩喷射工艺不同），桩身经取样观察，强度差别较大。

试样的抗压强度，抗渗指标及弹性模量经实验室检测，数据基本满足要求。

远喷距旋喷灌浆能形成连续均匀的防渗体，强度可满足设计的地基承载力的要求；因土层强度高，喷射直径只有1.2～1.4m，不能满足2m孔距的要求，需增加加固工程量。

（5）托底灌浆试验

在高速公路路基上选取K10+695—K10+753路段进行试验进行托底灌浆试验，所取试验段地基为岩溶发育的白云质灰岩，岩层中溶洞较多，且洞内填充物抗渗稳定性应较差，上覆土层较薄并有吸蚀剥落且溶洞顶板和土层有塌陷。

4.2.2试验布置

在本试验段，按梅花形布孔，一序孔间距采用5.0m，二序孔间距采用2.5m。

4.2.3试验参数

①灌浆材料。

425普通硅酸盐水泥，粘土、粉煤灰。

②浆液配比。

灌入材料及其配合比需要根据具体钻孔的可灌性，由现场决定和改变。

通常要综合考虑以下几个方面的因素：

岩、土体裂隙发育程度；钻孔时土层、基岩的漏水情况；岩、土层的钻进速度，是否有掉钻等现象；发现溶洞、土洞时，它们尺寸的大小以及是否有充填物及其情况。

此次采用的注浆材料采用水泥、粉煤灰，其配合比为3：

7，水料比为0.5～0.