轨道交通工程勘察钻孔封孔水泥浆离析与下沉试验研究

2022-08-06陈春明

中国水运 2022年7期

陈春明

（江苏苏州地质工程勘察院，江苏苏州 215129）

近年来，我国城市轨道交通建设进入高速发展时期。国务院《中国交通运输发展》白皮书中指出，“十三五”期间我国要建设现代高效的城际城市交通，新增城市轨道交通运营里程逾3000 公里。到2020年，通车里程还将保持年均13.9%左右的增长率。工程勘察作为工程基本建设程序中的先导性工作，把好勘察安全关、质量关，对于推进轨道交通高质量发展至关重要。

钻探是工程勘察中获取地质资料最直观、最重要的方法之一。通过钻探分回次钻进取芯，进行标准贯入试验，采取不扰动土样及扰动土样，获得岩土体物理力学参数。钻孔封孔作为钻探施工的最后一个环节，是钻孔质量的重要组成部分，封孔效果好坏直接影响到后续土建施工的安危。

目前，对钻孔封孔材料、材料用量的研究较少。本文分析了钻孔封孔的必要性，总结了常用的钻孔封孔方法。以无锡至江阴城际轨道交通工程勘察02 标为研究背景，在分析区域地质背景和研究区岩土层的基础上，通过理论分析、现场试验和室内对比实验，有针对性地开展钻孔封孔水泥浆离析与下沉试验，对水泥浆参数进行了深入研究与优化。结果表明当水灰比为0.499 时，收缩比为1.01%，注浆效果较好，满足钻孔封孔质量要求；定量化封孔流程可执行性强，便于监督。为该区域开展工程勘察钻孔封孔提供方法借鉴。、

1 钻孔封孔的必要性及常用封孔方法

1.1 钻孔封孔的必要性

（1）避免人员受伤，保护地质和生态环境。为了满足勘探取样、试验要求，工程钻机钻探孔径通常为开孔168mm，终孔91mm。这样的钻孔结构，如果不及时封孔，极容易发生行人腿脚陷入孔中，或自行车车轮打滑，造成路人的扭伤、摔伤事故。在特殊性土地区，回填要求更为严格。

（2）避免工程事故、保证安全施工。对于轨道交通工程，当存在承压含水层时，钻孔在隔水层中形成通道，若钻孔未及时封孔或封孔深度不够，尤其是承压水顶板封孔深度短，开挖过程中，地下水在失去上覆地层压力的条件下极易引发突水事故。

1.2 常用钻孔封孔方法

《建筑工程地质勘探与取样技术规程》(JGJT87-2012) 13.0.1 条对钻孔回填材料及方法做了详细规定，详见表1。

表1 钻孔回填材料及方法[3]

采用何种回填材料及方法，需根据场地具体情况选用。当采用水泥浆封孔时，对水灰比规范上没有明确规定。

水灰比即加水量和水泥用量之比。不合理的水灰比配置出来的水泥浆液，因水泥浆的离析与下沉作用，其凝固前后体积变化差异较大，在钻孔封孔上表现为水泥浆凝固后，在孔口水泥柱体下沉量过大，形成凹坑；在孔内水泥柱体呈松脆散体状，强度降低。

因此，对于水泥浆封孔，确定合理的水灰比，可以最大限度降低因水泥浆的离析与下沉作用导致的封孔质量问题。

1.3 常用钻孔封孔流程

根据经验，目前钻孔封孔一般按钻孔孔径调节水泥用量，一般直径108mm 钻孔按每包水泥封4m，直径91mm 钻孔按每包水泥封5m 设计，其加水量、工具无固定要求，封孔质量难以定量控制。

2 研究区地质背景

2.1 区域地层岩性

无锡至江阴城际轨道交通工程勘察02 标包含江阴高铁站～南闸站（2 站1 区间）、出入段线、车辆段，总长约8.5km。根据区域地质资料，本区域构造简单，上覆土和下伏岩石稳定，属地壳稳定区域。研究区内地层包含前第四纪地层、第四纪地层。

2.1.1 前第四纪地层

研究区前第四纪地层隶属于扬子地层区江南地层小区。区内前第四纪地层发育比较齐全，志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系，第三系均有分布。

江阴高铁站—南闸站区间（花山区域）一带有基岩出露，主要为志留系茅山组（Sm）、泥盆系五通组（Dw）砂岩、粉砂岩，除此之外，均被第四系覆盖。花山区域段为基底隆起区，基岩面埋深可小于5m，揭露岩性为志留系茅山组（Sm）石英砂岩、泥质砂岩。其它区段基岩面埋深均大于80m。

2.1.2 第四纪地层

研究区自第四纪以来，地壳升降不平衡，山区间歇性振荡上升，接受构造剥蚀；平原区则持续缓慢下降，接受古长江所携带的大量泥沙沉积。此外，区内新构造活动频繁，引起海岸的迁徙，海水的多次进退，其间堆积和侵蚀作用互为演变，加之第四纪气候冷暖交替，冰期和间冰期相互更迭频繁，造成了区内第四纪极为复杂的沉积环境。

第四纪地层发育，沉积相以河流、河湖相为主，厚度变化在0～160m 之间。

根据无锡地区区域地质资料，结合上述分析，本研究区（江阴）地层分布与无锡市区岩土层分布具有极高的一致性。根据无锡地区轨道交通工程勘察经验，适宜采用水泥浆作为钻孔封孔材料。

2.2 场地岩土层

根据钻探资料，本场地105m 以浅地基土主要为第四系全新统至下更新统下段沉积地层，江阴高铁站、花山及周边区域地段揭示下伏基岩为志留系上统茅山组石英砂岩，江阴南站出入线附近第四系覆盖层以下揭示三叠系青龙组灰岩。本标段岩土层按其成因类型、岩性和工程特性可划分18 个工程地质层，36 个工程地质亚层。限于篇幅，以江阴高铁站～南闸站区间部分钻孔为例，各岩土层分布情况详见工程地质剖面图1。

图1 江阴高铁站～南闸站工程地质剖面图

从工程地质剖面图上可以看出，本研究区地层分布以黏性土为主，在局部区域（花山）地形起伏较大，岩土分布稍有变化。浅部填土层受人类活动影响分布厚度变化较大，其余岩土层分布相对稳定，局部受古地理环境及水动力作用的影响，有缺失或有起伏。总体而言地层层序较完整，各土层分布总体具沉积韵律的特征，岩土类型为软弱土～软质岩石。

由于水泥颗粒呈粉末状，需要在与水充分拌和的条件下，才能溶解并与水分进行化合、凝结。水灰比过高或者过低都不利于水泥与水分的化合与凝结。研究区岩土类型为软弱土～软质岩石，根据苏锡地区轨道交通工程勘察经验，钻孔封孔推荐使用0.5 的水灰比。水灰比高于0.5 时，水泥长期不凝固，强度降低；水灰比低于0.5 时，水泥不能完全水化，强度不能完全发挥。