饱和砂卵石地层袖阀管注浆技术及其效果

2021-12-16米德才叶琼瑶杨礼明

长江科学院院报 2021年12期

邵羽,米德才,叶琼瑶,杨礼明

(1.广西交通设计集团有限公司，南宁 530029；2.广西新发展交通集团有限公司，南宁 530029)

1 研究背景

砂卵石层作为一种渗透系数大、胶结作用弱、自稳性能差等工程特点的复杂地层，实际工程特别是对于临江、临河工程中常采用注浆止水加固处治措施提高其防水能力及承载性能。注浆处治是目前地基处理、隧道掌子面加固的一种重要的技术手段，其中袖阀管注浆是法国Soletanche公司发明的一种地基处理技术，与传统注浆技术相比，该技术具有注浆范围和注浆压力可控、可根据注浆效果重复注浆、注浆材料选择范围广等优点，被广泛应用于各种地下工程地基加固处治领域。王建新等[1]将袖阀管注浆技术应用于下穿立交桥地铁隧道的加固工程中，并对其加固机理进行了分析。张祥等[2]采用袖阀管注浆技术对铁路隧道穿越巨型溶洞弃渣回填体进行加固处治，加固后回填体未发生滑动效果良好。周运祥[3]对袖阀管注浆技术用于处治隧道涌水涌砂事故的施工工艺及参数开展了相关研究，结果表明，袖阀管注浆技术对富水隧道围岩止水加固效果明显。于博[4]、姚建平[5]采用袖阀管注浆加固技术对不良地质段及不均匀沉降段路基进行加固处理，重点围绕具体施工技术、过程管控开展相关研究工作。魏义山等[6]以实际工程为依托，采用袖阀管注浆技术对富水地铁斜井通过进行预加固，结果表明，袖阀管注浆技术能有效改善支护结构的受力状态，减小地层变形。魏晨亮等[7]为提升富水砂卵石地层的注浆效果，提出了一种添加外掺料并结合低压慢注的袖阀管注浆施工工艺。王国义[8]研究指出采用粗细颗粒相结合的袖阀管注浆方法，能显著提高砂卵石地层袖阀管定向注浆的可靠性，且能大幅增大浆体注入量。秦鹏飞[9-10]对目前的注浆加固技术在施工工艺、材料、理论方面的进展情况进行总结讨论。针对袖阀管注浆处治效果的监测评价手段，张民庆等[11]对注浆加固后的检查评定技术进行了归纳总结，并结合工程实例对部分评定方法进行了讨论。

关于袖阀管注浆技术在不同场景的应用目前已有较多报道，但将其应用于大跨拱桥卵石层地基的止水加固案例鲜有报道，且较少采用现场大型试验的方法对注浆加固效果直接评价。本文以在建的世界最大跨径拱桥平南三桥北岸拱座基础砂卵石层注浆加固处治工程为依托，重点围绕封闭区域饱和砂卵石层袖阀管注浆止水加固技术开展研究，并采用浅层平板载荷试验及大型直剪试验对加固处治效果进行了验证。相关经验及成果可为类似地质条件下的注浆加固处治工程提供重要参考。

2 工程概况

平南三桥为主桥跨径575 m的中承式钢管混凝土拱桥，其北岸拱座基础采用“地下连续墙+混凝土承台”，如图1所示，其中外径60 m，墙厚1.2 m的地下连续墙的持力层为中风化泥灰岩，地下连续墙内部砂卵石层为混凝土承台的持力层。为了提高内部封闭区域砂卵石地层的止水能力及承载性能，采用袖阀管注浆技术对其进行处治。

图1 北岸拱座地连墙基础示意图Fig.1 Schematic diagram of diaphragm wall foundation for arch abutment in the north bank

如图2所示，土层至上而下分别为层厚2.0～15.1 m的可塑—硬塑状中等压缩性粉质黏土，层厚7.3～13.1 m的可塑状中等压缩性粉质黏土，层厚13.7～19.8 m的中密—密实状卵石，其下为中风化泥灰岩，最大揭露厚度为30.3 m，地连墙施工区域岩层有小型溶洞分布。卵石层含水体具有承压性，其与河水呈互补关系，与浔江河水水力联系较强。

图2 北岸拱座地连墙区域水文地质条件及岩溶分布Fig.2 Hydrogeological conditions and karst distribution in the region of diaphragm wall foundation for arch abutment in the north bank

3 袖阀管注浆施工

3.1 施工步骤

地连墙施工完毕后，对墙内封闭范围内的卵石层进行静压注浆封底止水。注浆施工平台标高为27.5 m，注浆范围为地连墙内部+11至基岩面以下1 m范围。图3为砂卵石地层袖阀管注浆工艺流程。

图3 砂卵石层袖阀管注浆工艺流程Fig.3 Flow chart of sleeve-valve-pipe grouting technology

3.2 注浆试验

袖阀管注浆施工正式开始前，先进行注浆工艺及材料试验。注浆管内径≥56 mm，采用专用注浆器注浆，每1 m注浆段提升一次；试验注浆压力范围为0.8～1.0 MPa，注浆过程中详细记录注浆深度、注浆压力、浆液量、注浆时间，以便后期对不同的注浆工艺进行对比研究。现场注浆试验采用了2种注浆工艺，即常规工艺注浆及诱导性注浆。诱导性注浆是在常规工艺注浆的基础上，对于采用常规工艺注浆可注性较差的地层，在注浆范围内采用钻孔抽取部分地下水或者释放部分地应力，以在注浆区内形成低应力区，诱导灌注的浆液向低应力区流动、形成连通性较通畅的浆液扩散途径，增大浆液扩散距离，提高可灌性。

试验主要对几种不同材料或配比的注浆材料的可灌性、耗量及施工效果进行对比，以确定实际施工灌注参数。主要对以下4种材料及配比进行对比试验：采用水灰比1∶1的稳定浆液灌注，稳定剂掺入量为灰量的3%～5%；采用水灰比2∶1、1∶1、0.8∶1 3种配比的纯水泥浆液灌注。

养护期结束后，对试验区进行重型圆锥动力触探试验。分别在经4种材料及配比的浆液加固的砂卵石区域各进行了13 次钻孔重型圆锥动力触探试验，经数理统计并依据《广西壮族自治区岩土工程勘察规范》(DBJ/T 45-002—2011)获知，经4种不同材料及配比的水泥浆液加固后的砂卵石层的承载力分别为601、540、582、561 kPa。虽然采用水灰比1∶1的稳定浆液灌注加固后的砂卵石层的承载力比采用水灰比1∶1的纯水泥浆液灌注的稍大，但从稳定剂的使用量及经济性考虑，实际施工最终选用水灰比1∶1的纯水泥浆液灌注方案。

3.3 孔位布置

如图4所示，将地连墙卵石层注浆区划分为5个施工区(A1、A2、A3、A4、B)。注浆施工原则为先四周，后中心，先施工A1—A4区，再顺序施工B区。区段内的施工同样遵循先四周后中心的原则，钻孔分三序进行。钻注浆孔前，先进行水位观测孔的施工，孔内预埋Φ110 mm的PVC花管。

图4 注浆施工顺序Fig.4 Sequences of grouting construction

如图5所示，为减小对下一道工序的影响，注浆孔间距为2 m，梅花形布置，浆液预估扩散半径为1.2 m。实际施工时先施工1序孔，再施工2序孔，最后施工3序孔。

图5 注浆孔布置及预估扩散区域Fig.5 Layout of grouting holes and the predicted diffusion area

3.4 钻孔

如图6所示，现场采用潜孔钻套管全程跟进的方法钻进，钻进孔位偏差不应>50 mm，钻孔垂直度偏差不应>1%。钻进过程中应保持钻孔的垂直度，采用压缩空气和高压水将孔内钻渣冲出地面，每钻进1 m记录一次地质情况，钻孔起始标高为+27.5 m，终止标高为岩面往下1 m。

图6 现场潜孔钻钻进Fig.6 DTH (down the hole)drill on site

3.5 浇筑套壳料

套壳料是存在于孔壁与袖阀管环状间隙间的具有临时性封堵袖阀管注浆孔洞作用的水泥黏土浆，其主要是为了防止注浆时浆液肆意流窜。套壳料应具有的性能：①析水率低，稳定性高；②易于灌注和下放袖阀管；③密度和黏度适当，不过多深入地层；④早期强度增长率快、后期强度增长率慢，且强度适当。现场套壳料采用水泥+膨润土+水配置，其配合比为1∶0.15∶0.22，黏度80～90 Pa.s。7 d立方体抗压强度为0.3～0.5 MPa。

如图7所示，现场钻孔清孔完成后，立即灌注套壳料。套壳料通过导管从孔底自下而上连续注入，中途不得停顿。当孔口返出套壳料的密度与压注前密度差≤0.02 g/cm3并确定灌满后结束。综合考虑下放袖阀管后液面上升高度的影响，当浆液距离孔口约1.5 m时停止灌注，灌注完毕后，将钻孔护管缓慢拔出，并同时补充套壳料。

图7 套壳料浇筑示意图Fig.7 Schematic diagram of pouring the sleeve body material

3.6 安装袖阀管

套壳料灌注完成后应立即下设底端封闭的袖阀管，其内径应≥56 mm，管接头必须拧紧，防止浆液渗入堵塞孔道。袖阀管沿轴向间隔500 mm设一环出浆孔，每环2～5孔，孔径8～15 mm。+11.5 m以下部分安装有袖套袖阀管，以上部分无袖套袖阀管。袖阀管底端与注浆孔底距离应≤20 cm。如图8所示，下放时，管四周设置定位环，保证袖阀管处于钻孔中心，下放过程中应详细记录袖阀管各节长度、下设深度、下设时间、入孔情况。在袖阀管中插入水管，对孔道进行冲洗，确保孔道通畅，冲洗完毕后，安装管套防止杂物落入孔中。袖阀管安装就位后，拌制快干快硬混凝土混合料，将袖阀管外侧孔口段封闭，养护3 d。

图8 袖阀管安装及封孔示意图Fig.8 Schematic diagram of installation and sealing of sleeve valve pipe

3.7 下放注浆芯管

袖阀管下设完成后待凝3 d以上，方可进行注浆施工。首先进行注浆芯管安装。芯管安装前，在注射器止浆塞两侧涂抹黄油进行润滑，安装过程中，详细记录芯管长度。

3.8 开环注浆

为检查机械设备运行情况、管路的进浆和封闭情况，正式开环前采用不低于1.2～1.5倍的注浆终压的水压开展3次压水试验，每次持续5 min。试验完毕后，排出留存于管内的水。

3.8.1 开环

开环是注浆的前期工序，使用清水加压，在橡胶套与阻浆塞的作用下，在注浆段范围内挤破套壳料从而进入地层。注浆过程中，当出现水压突降，进水量剧增，表示已经“开环”，开环后持续灌注5～10 min，即可按照设计配比进行正式注浆。

3.8.2 注浆

图9为注浆示意图，为确保注浆质量，有效控制浆液扩散区域，确保注浆后形成完整的注浆加固体，注浆孔施工采用自地连墙内侧向轴线中心的顺序，先施工1序孔后施工2序孔的方式进行，先两侧后中间。对于单孔的注浆方式采用从孔底向上的后退式分段注浆，各注浆段长度为1 m。

图9 注浆示意图Fig.9 Schematic diagram of grouting

为缩短浆液凝结时间而需加入速凝剂时，注浆管路连接示意如图10所示，同时启动2台注浆泵，二条管路同时接上Y型接头，浆液从孔口混合注入孔底，使浆液从小孔水平地喷到地层里。

图10 注浆管路连接示意图Fig.10 Connection for grouting pipelines

各注浆段达到以下条件之一即可终止灌注：

(1)维持注浆压力处于0.8～1.0 MPa范围内，如持续灌注20 min，灌注段注入率一直<5 L/min。

(2)灌注段注浆量累计达到2 000 L，注浆压力≥0.8 MPa。

(3)某孔中全孔累计注浆量达到1.0×103kg/m。

(4)地面有上抬现象发生。

各注浆孔段达到终灌指标即可停止灌注。注浆工作结束后，为防止浆液流失，应及时封堵注浆孔，封孔后孔口宜与施工平台平齐。注浆结束后用水冲洗管路并对机械进行保养。终灌12 h后，可根据需要开始第二轮注浆，注浆方法同第一轮注浆，压力为0.8～1.0 MPa，注浆水灰比为0.8。

图11为全部注浆完成后灌注情况的统计情况，地连墙范围内卵石层注浆总量为2 619.9 m3，随着灌注孔序递增，注浆孔的单耗注浆量逐渐减小，表明随着注浆量的增加，卵石层孔隙逐渐被填充，注浆效果明显。为进一步验证卵石层孔隙是否被填充密实，完成所有预定孔序灌注施工工作之后，在1、2、3序孔之间补钻灌注了7个4序孔，采用的注浆压力均>1 MPa情况下，单孔最大灌注量仅为403 L，且均有冒浆现象发生。研究结果进一步表明，在所有预定钻孔注浆完成后，卵石层孔隙已被浆液填充密实，采用当前的袖阀管注浆工艺已无法在卵石层中继续注入浆液。

图11 现场灌注数据统计结果Fig.11 Statistics of field grouting data

4 注浆效果检验

4.1 试验方案

为进一步验证注浆效果，待地连墙内部土体开挖至卵石层设计标高且内衬墙施工完成后，采用浅层平板载荷试验确定卵石层经注浆处理后地基承载力，采用现场大型直剪试验确定混凝土与卵石层注浆固结土体接触面的摩擦系数。

表1为现场试验组数汇总，其中浅层平板载荷试验总开展3点，现场直剪试验共开展3组，每组3个点共9个点。

表1 现场试验组数汇总Table 1 Summary of field test groups

如图12所示，试验所用承压板为预制钢筋混凝土材料，预制承压板直径为0.8 m，厚0.18 m，混凝土等级为C40。实际浇筑中预留混凝土试块，试块尺寸采用150 mm×150 mm×150 mm立方体，与承压板采用相同的养护方法，待混凝土试验强度达到设计时，预制承压板即可投入使用。注浆加固后砂卵石层的最大地基承载力设计值为800 kPa，平板载荷试验最大竖向荷载为1 600 kPa，其为最大地基承载力设计者的2倍。如图13所示，试块尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m，采用与拱座基础底板混凝土相同配合比浇筑直剪试验试块，混凝土等级为C30。

图12 浅层平板载荷试验示意图Fig.12 Schematic diagram of the shallow plate load test

图13 现场直剪试验示意图Fig.13 Schematic diagram of the field direct shear test

为确保配重放置后整个反力系统的安全，采用ABAQUS有限元软件对单根次梁的承载性能进行了验算。次梁所采用的本构关系为线弹性，其弹性模量取206 GPa，泊松比取0.33。次梁由两根长9 m的450 a工字钢拼接而成，其受荷面积为2.7 m2，验算中于此梁表面施加150 kPa的均布荷载，换算成质量则为40.5×103kg。其计算结果如图14和图15所示，其最大Mises应力为186 MPa，约为钢材屈服应力的0.79，其最大竖向位移为12.6 mm，计算结果显示，试验中所用次梁能满足试验要求。图16为现场试验情况。

图14 次梁Mises应力分布Fig.14 Mises stress distribution of secondary beam

图15 次梁竖向位移分布Fig.15 Vertical displacement distribution of secondary beam

图16 现场试验情况Fig.16 Field test photos

4.2 试验结果分析

由图17(a)并结合《公路桥涵地基基础设计规范》(JTG D63—2007)关于浅层平板载荷试验之规定，取S/b=0.01所对应荷载(925 kPa)及最大加载量的一半(800 kPa)的较小值为卵石层承载力容许值，则其承载力容许值为800 kPa。同理,由图17中的(b)、(c)所示，试验点2的承载力容许值为715 kPa，试验点3承载力容许值为800 kPa。3组试验所得卵石层的地基承载力均大于设计要求值650 kPa，且显著大于勘察阶段采用钻孔重型动力触探试验所得到的值(478 kPa，即卵石层地基承载力)，表明采用袖阀管注浆技术能显著提高卵石层地基承载力。

图17 荷载-沉降曲线Fig.17 Load-settlement curves

图18为现场直剪试验结果，3组直剪试验所得混凝土表面与注浆后卵石层接触面之间的摩擦系数分别为0.414、0.528、0.403，均大于设计要求的0.4。由于卵石层分布不均匀，含砂量较大，结合浅层平板载荷试验结果可以看出，注浆后卵石层的地基承载力及混凝土表面与注浆后卵石层接触面之间的摩擦系数离散性较大，如何采用合理的注浆顺序、孔位布置及注浆压力来保证注浆效果的均匀性，对于卵石层这种散体颗粒状土层的注浆处治施工显得尤为重要。