劉永杰,谷風(fēng)林,劉彥林

1 概述

巖土灌漿施工是將既有流動性又有膠凝性的漿液 (或化學(xué)溶液),按規(guī)定的濃度,通過灌漿鉆孔壓送到巖土裂隙或土層孔隙中,這些漿液在巖土裂隙或土層孔隙中擴(kuò)散、充填后,經(jīng)過硬化、膠結(jié)形成結(jié)石,可以起到加固、防滲、改善地基的物理力學(xué)性質(zhì)與工程地質(zhì)條件等作用。

巖土灌漿技術(shù)最早應(yīng)用于水閘和船塢工程。目前,巖土灌漿技術(shù)在隧洞防滲、壩基處理、地鐵等建筑物的防滲加固和修補(bǔ)以及道路、橋梁、邊坡的加固處理等方面得到了廣泛的運用。

采用巖土灌漿技術(shù)治理滑坡,其作用機(jī)理是通過漿液對滑帶土的擠密作用以及對部分空隙的充填,使滑帶的物理力學(xué)指標(biāo)明顯改善,含水量減小,密度增大,粘聚力和內(nèi)摩擦角顯著提高,減少或消除滑坡體的剩余下滑力,同時,也對地表水的滲透起到阻擋作用,從而達(dá)到穩(wěn)定滑坡的目的。

廣西壯族自治區(qū)桂 (林)—梧 (州)高速公路鐘山至馬江段百花灘 2號滑坡就是采用滑帶灌漿 +局部抗滑樁的方案進(jìn)行治理的。經(jīng)長期觀測,滑坡治理效果明顯,治理后滑坡已穩(wěn)定。

2 百花灘 2號滑坡體的基本特征

2.1 工程地質(zhì)條件

滑坡體的地層情況如下:

(1)一級階地沖積層:黃色亞粘土,含粉細(xì)砂;

(2)坡殘積土:混碎石,紅褐色,局部黃褐色,中密,稍濕,碎石含量 30%～50%,碎石成分為泥質(zhì)砂巖,棱角狀,粒徑 2.0～50.0 mm,底部偶見塊石,粒徑 100～500 mm,層厚 0.5～10.0 m;

(3)砂礫土:主要由全風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖塊石和粘土組成,紫紅色,局部為石英砂巖;

(4)碎石:主要由泥質(zhì)粉砂巖顆粒組成,黃褐色,碎石呈棱角狀,粒徑 3～5 cm,層厚 1.2～15.9 m;

(5)含碎石粘土:主要為粘土,混有全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖顆粒,具糜棱結(jié)構(gòu),含水量較大,層厚 1.5 m左右,推測為滑動帶;

(6)泥質(zhì)砂巖:紫紅色,上部為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化,可見原巖結(jié)構(gòu),裂隙發(fā)育,鉆探巖心破碎,層厚 0.5～5 m,下部為弱風(fēng)化,中厚層狀,裂隙較發(fā)育。

2.2 滑坡成因

滑坡所處山體為一古滑坡地段,屬于低山及河谷地貌,后緣為一高山,山體最大高程 305 m,前緣緊臨河谷,山腳谷地高程 112 m,最大高差 193 m。地形陡峭,高差很大,植被茂盛。

因新建公路的施工開挖,形成了新的臨空面,使得古滑坡體的地應(yīng)力重新分布。同時,由于工程開挖將地表植被破壞,加上當(dāng)時持續(xù)的特大降雨,地表水通過上部透水性較強(qiáng)的土層和碎石層滲透到相對隔水的泥質(zhì)砂巖滑床上,使滑坡體的含水量大大增加,造成古滑坡部分復(fù)活,地表出現(xiàn)弧形裂縫,土體產(chǎn)生明顯位移。

滑坡體縱長最大長度 212.3 m,橫向最大寬度111.4 m,滑坡體最大厚度 24.5 m,體積約 6×105m3,為大型滑坡?；麦w主要由透水性較強(qiáng)的混碎石粘土和碎石層組成。滑帶土主要由糜棱狀結(jié)構(gòu)的混礫石粘土組成,粘土含量 30%,透水性較弱,但含水量較大?；矠橄鄬Ω羲哪噘|(zhì)砂巖。地下水主要來源于大氣降水。

3 方案論證

由于新建高速公路的一條隧道出口和一座橋梁的部分樁基礎(chǔ)位于滑坡體內(nèi),為了消除滑坡對公路造成的安全和質(zhì)量隱患,必須對滑坡進(jìn)行治理。

對滑坡體經(jīng)過前后兩次工程地質(zhì)勘察,并對治理方案進(jìn)行了多次研究論證,決定采用滑帶灌漿 +局部抗滑樁的方案進(jìn)行治理,輔助措施主要有滑坡體外圍截水溝、表面排水溝、內(nèi)部引水管以及對裂縫進(jìn)行注漿、夯填防滲等。治理方案對比見表 1。

表1 百花灘 2號滑坡治理方案對比表

4 灌漿試驗

灌漿試驗是灌漿設(shè)計和施工前所必須完成的工作,目的在于通過灌漿試驗獲得有關(guān)資料、數(shù)據(jù),為設(shè)計和施工提供符合實際的依據(jù)。

4.1 試驗?zāi)康?/p>

(1)檢驗灌漿后灌漿材料對滑帶土的充填效果;

(2)驗證灌漿固結(jié)體上下接觸面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo);

(3)驗證灌漿孔間距、灌漿壓力、漿液水灰比、漿液灌入量和灌漿終止條件的合理性;

(4)對滑帶灌漿機(jī)理做進(jìn)一步解釋。4.2 試驗孔的布置

灌漿試驗前,對灌漿范圍的地質(zhì)條件和灌漿地段的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查,通過研究分析前期所做的工程地質(zhì)勘察資料,了解了施工區(qū)的斷層、裂隙、破碎帶的性質(zhì)與規(guī)模,掌握了地層的軟弱夾層、填充物和地層的透水性等,在上述基礎(chǔ)上,對灌漿地段進(jìn)行了初步選定。

根據(jù)百花灘 2號滑坡的滑面深度、滑體厚度及滑體物質(zhì)的不同,將滑坡區(qū)分為 2個試驗場地。在一號場地布置 2個灌漿孔、2個取心檢測孔 (兼物探)和 2個豎井檢查孔,各孔相對位置見圖 1。在二號場地布置 3個灌漿孔、2個取心檢測孔 (兼物探)和 2個豎井檢查孔,試驗方法與一號場地相同,不再贅述。

圖1 一號場地試驗孔布置圖

4.3 試驗過程

4.3.1 鉆孔

灌漿孔采用工程地質(zhì)鉆機(jī)、金剛石鉆進(jìn)成孔。成孔過程中及時采取巖心,初步判定滑帶位置。

主要機(jī)械設(shè)備包括 ZY-150型工程地質(zhì)鉆機(jī)、BW250/50型灌漿泵及 LZJ-200型高速制漿機(jī)等。

灌漿孔開孔口徑 130 mm,終孔口徑 110 mm。1號灌漿孔鉆進(jìn)深度 16.3 m,2號灌漿孔鉆進(jìn)深度13.0 m。

1號孔鉆進(jìn)至 7.0 m時,鉆進(jìn)速度明顯加快,改用干鉆法取心,心樣不完整,主要為含碎石粘土,該層厚度 1.5 m,即深度為 7.0～8.5 m,初步判斷該層為軟弱層。從 8.5 m以深至 16.3 m終孔,鉆進(jìn)速度較慢,心樣完整。初步判斷 1號孔軟弱層在 7.0～8.5 m,基本可以確定該層為滑帶。

2號孔與 1號孔情況類似,只是軟弱層 (滑帶)深度在 10.0～11.5 m。

灌漿試驗也就是對此軟弱層 (滑帶)進(jìn)行處理。

4.3.2 灌漿試驗

灌漿步驟如下:

(1)安裝灌漿設(shè)備,布設(shè)灌漿管路;

(2)配制漿液:漿液配比為水∶水泥∶速凝劑=0.8∶1∶0.2～0.35,攪拌時間為 5 min;

(3)灌漿順序:先灌注滑床以下 1.0 m部位,再灌注滑帶土頂部以上 1.0 m部位,最后從下至上灌注整個滑帶土部位;

(4)灌漿控制:對兩個灌漿孔滑帶位置分別進(jìn)行封孔處理,同時進(jìn)行間歇性灌漿,在一個孔暫停時,另一個孔進(jìn)行灌漿,如此反復(fù)循環(huán),直至滿足設(shè)計閉漿條件,即壓力≥2.5 MPa,流量 <5 L/min,且保持 30 min,灌漿結(jié)束;

(5)掃孔灌漿:第一次灌漿結(jié)束后,間隔 24 h,掃孔進(jìn)行第二次灌漿,第二次灌漿只灌注軟弱層部位,灌漿方法同上。

4.3.3 灌漿試驗過程中的現(xiàn)象分析

(1)1號灌漿孔開始灌漿過程時,在豎井 SJ-2深度 11.0 m處有水滲出,隨著灌漿的進(jìn)行,滲出量逐漸增大,之后又逐漸變小,最后停止。

此情況說明,在灌漿過程中,漿液逐漸將巖土體中的水?dāng)D出。隨著灌漿的進(jìn)行,巖土體中的縫隙、孔隙和節(jié)理被漿液充填,封堵了滲水通道,最終使得滲水停止。

(2)對每個灌漿孔第三次灌漿時,發(fā)現(xiàn)灌漿壓力明顯增大,起始壓力約 1.0 MPa,灌漿結(jié)束時壓力達(dá)到 3.0 MPa,且吸漿量 <5 L/min。這說明滑動帶土體的密實度得到了明顯提高。

4.3.4 豎井取樣檢測

灌漿結(jié)束后 7天,在豎井內(nèi)的滑帶范圍用環(huán)刀取原狀樣,進(jìn)行土工試驗,對比檢驗土體灌漿前后的含水量、密度、孔隙比和抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)指標(biāo)。

4.3.5 鉆孔取心檢測

灌漿結(jié)束后 7天,鉆進(jìn)檢測孔,采取心樣,檢驗漿液在滑帶部位的置換和充填情況。

4.4 試驗結(jié)果

4.4.1 灌漿前后滑帶土的物理力學(xué)指標(biāo)情況

根據(jù)豎井取樣、鉆孔取心、物探檢測和土樣物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果綜合分析,得出試驗結(jié)果如下:

(1)灌漿后滑帶土層中水泥漿充填量一般為5%～10%;

(2)灌漿后滑帶土的物理力學(xué)性質(zhì)有明顯改善 ,見表 2。

表2 灌漿前后滑帶土物理力學(xué)指標(biāo)(平均值)對比表

(3)灌漿后滑帶土縱波波速值明顯提高,見表 3。

表3 灌漿前后滑帶土縱波波速值對比表

4.4.2 滑帶土灌漿加固效果的綜合分析

(1)灌漿前,灌漿孔鉆進(jìn)時沒有回水。灌漿后,在鉆進(jìn)抽心檢測孔和物探檢測孔時,鉆孔有回水現(xiàn)象,說明灌漿后滑動帶和滑體內(nèi)被灌漿漿液擠密和充填。

(2)從豎井開挖揭露漿液對滑帶土的充填情況來看,灌漿體的產(chǎn)狀與滑帶的產(chǎn)狀一致,且深度與勘察資料吻合。另外,漿液所形成的水泥固結(jié)體連續(xù)、完整。

(3)根據(jù)滑坡體位移觀測資料,在灌漿施工過程中,滑坡體有明顯位移,說明漿液已進(jìn)入滑帶,對滑帶土的強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的影響,所以造成局部位移。灌漿結(jié)束 7天后,滑坡體已停止位移,說明灌漿對穩(wěn)定滑坡體起到了作用。

5 灌漿施工

5.1 灌漿孔布置

鑒于灌漿試驗取得成功,獲得了參考數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步修正了灌漿參數(shù),將整個滑坡體劃分為 5個灌漿區(qū)段,共設(shè)計灌漿孔 233個,每個灌漿孔又分?jǐn)?shù)段進(jìn)行灌漿。灌漿孔布置見表 4。

表4 百花灘 2號滑坡滑帶灌漿孔參數(shù)表

5.2 灌漿參數(shù)

灌漿漿液為水泥漿,水灰比 1,水泥強(qiáng)度等級32.5 MPa?；瘜W(xué)控制液由 40波美度的水玻璃加特制的添加劑調(diào)制而成,其加注量根據(jù)灌漿時的壓力、流量及地表情況隨時調(diào)整。

每個灌漿孔分為 2段或 3段灌漿,灌漿順序為自上而下。第一段灌漿閉漿壓力要大于或等于 2.0 MPa,第二、第三段灌漿閉漿壓力要大于或等于 2.5 MPa,吸漿量小于 5 L/min,且保持時間 30 min。

5.3 灌漿工藝流程

鉆孔→放置灌漿管和封孔器→第一段灌漿→掃孔和加深鉆孔→放置灌漿管和封孔器→第二段灌漿→掃孔和加深鉆孔→放置灌漿管和封孔器→第三段灌漿→封孔。

5.3.1 灌漿孔鉆孔

由于是在整個滑坡體大范圍地布置灌漿孔,且數(shù)量較大,為了保證施工期間滑坡體的穩(wěn)定,不宜采用沖洗液鉆進(jìn)成孔。經(jīng)對比長螺旋鉆進(jìn)、地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn)和氣動潛孔錘跟管鉆進(jìn)這三種成孔方法,選擇了氣動潛孔錘跟管鉆進(jìn)。采用 YG-50型錨桿鉆機(jī)、QCW型潛孔偏心沖擊器,配置 21 m3中風(fēng)壓空壓機(jī)供風(fēng)進(jìn)行鉆孔施工。采用一次成孔、分段灌漿施工方法。

5.3.2 漿液制備

為保證漿液質(zhì)量,制漿設(shè)備采用自主研制的LZJ-200型高速制漿機(jī)。

(1)制漿材料均經(jīng)過稱重,稱重誤差 <5%;

(2)各類漿液必須攪拌均勻,測定漿液的密度和粘滯度,并做好記錄;

(3)純水泥漿液的攪拌時間≮5 min,加入外加劑后再攪拌 30 s以上;

(4)漿液溫度必須保持在 5～40℃之間。

5.3.3 灌漿

灌漿是本治理工程的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過高速制漿機(jī)制備好的水泥漿,放至低速攪拌機(jī)存儲。灌漿設(shè)備為流量 100 L/min、壓力可達(dá) 10 MPa的 SGBG-10型灌漿泵。

采用 TJF工法進(jìn)行灌漿施工。TJF工法就是通過設(shè)置封孔裝置、間歇性灌漿、添加外加劑控制漏漿的一種灌漿方法。具體做法如下:

(1)灌漿孔達(dá)到灌漿位置后,放置灌漿管和封孔器;

(2)采用間歇灌漿,每灌入一定量水泥漿后暫停待凝一段時間,一般為 12 h,間歇期間可進(jìn)行其它孔灌漿,反復(fù)循環(huán),直至滿足閉漿條件灌漿結(jié)束;

(3)灌漿時用化學(xué)灌漿泵向孔內(nèi)加注化學(xué)控制液,其加注量根據(jù)灌漿時的壓力、流量及地表情況隨時調(diào)控。

5.3.4 灌漿壓力控制

灌漿壓力控制采用分級升壓法,即在灌漿過程中將壓力分為幾個階段,逐級升高,直至達(dá)到規(guī)定的灌漿壓力。開始灌漿時,如果吸漿量過大 (≥25 L/min時),就使用低一級的壓力灌漿。當(dāng)吸漿量逐漸減少到一定限度 (下限≤10 L/min)時,再將灌漿壓力升高一級。灌注一段時間后,吸漿量又會逐漸減少到下限,此時再將灌漿壓力升高一級。如此分級升壓灌漿,直至達(dá)到規(guī)定的閉漿條件。

灌漿分級升壓過程如圖 2所示。

圖2 灌漿分級升壓過程示意圖

5.4 回填封孔

灌漿孔灌漿結(jié)束 (或鉆孔取心檢驗)后、豎井取樣后,要將鉆孔和豎井回填封孔。

豎井采用粘土加干水泥粉充分?jǐn)嚢韬蠡靥?并振搗密實。鉆孔采用機(jī)械壓漿法封孔,封孔材料為水泥砂漿。

5.5 施工中需要注意的問題

(1)設(shè)計將整個滑坡體分為 5個區(qū)進(jìn)行灌漿,相鄰的兩個區(qū)不能同時灌漿,并且每個區(qū)同時灌漿的孔數(shù)不能超過 3個;

(2)灌漿中要注意觀察漿液的跑、冒、漏現(xiàn)象,并要及時向孔內(nèi)加注速凝劑進(jìn)行控制,無法控制時要暫停灌漿,待水泥漿凝固一段時間后再繼續(xù)灌漿;

(3)施工過程中要準(zhǔn)確記錄灌漿位置、壓力、流量和漿液用量,如遇有卡鉆、掉鉆、跑漿、漏漿、地表裂縫等特殊情況要及時通知監(jiān)理和設(shè)計代表確認(rèn);

(4)施工過程中有個別灌漿孔達(dá)不到閉漿壓力2.5 MPa的,采用單孔設(shè)計灌漿量的 1.2倍作為閉漿標(biāo)準(zhǔn)。

6 灌漿效果檢測和評價

灌漿效果的檢測,除了根據(jù)國家有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害治理工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)對灌漿質(zhì)量進(jìn)行評定外,還采用以下方法對灌漿效果進(jìn)行綜合對比評價。

6.1 面波法檢測

灌漿前在灌區(qū)中央進(jìn)行面波測試,測出各個層面的剪切波速,灌漿后在原位置再次進(jìn)行面波測試,對比兩次的剪切波速,推斷土體的力學(xué)性質(zhì)變化情況。

6.2 鉆孔取樣檢測

灌漿后在設(shè)計指定位置鉆孔抽心取樣,并對心樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗,將試驗結(jié)果與灌漿前相近位置心樣的指標(biāo)進(jìn)行對比,得出巖土體物理力學(xué)指標(biāo)的變化情況。

6.3 豎井檢測

灌漿后人工開挖豎井,主要驗證水泥漿充填情況和取大樣進(jìn)行剪切試驗,從而對灌漿效果進(jìn)行檢測。

7 灌漿施工常見事故及其處理措施

7.1 冒漿

冒漿是指在灌漿過程中,漿液沿裂隙冒出地表。其原因主要是由于巖層破碎、裂隙發(fā)育貫通 (尤其是垂直裂隙),或者是灌漿段位置較淺、灌漿壓力過大等因素造成的。

處理冒漿的方法主要有以下幾種。

(1)在灌漿工藝方面采取控制性措施,比如:

①采用間歇灌漿法,即灌注一段時間的濃漿(或發(fā)現(xiàn)冒漿)后,間隔一段時間 (一般為 15 min左右)再灌,如此反復(fù)即可解決冒漿現(xiàn)象;

②降低灌漿壓力,同時也可以提高漿液濃度,或者添加一定量的速凝劑。

(2)堵塞冒漿部位。可用棉絮、麻刀等纖維物質(zhì)填塞冒漿裂隙。冒漿嚴(yán)重時,可在冒漿部位用混凝土澆筑蓋板。

7.2 串漿

串漿就是在灌漿過程中,漿液從其他鉆孔中溢出的現(xiàn)象。這是由于地層中裂隙 (尤其是橫向裂隙)過多,致使各鉆孔間相互連通所致。

處理串漿的方法主要有以下幾種:

(1)在施工組織安排上,適當(dāng)延長相鄰兩個次序灌漿孔的施工間隔,同一次序灌漿孔適當(dāng)拉開距離,盡量不在同一高程上灌漿,采用自上而下的灌漿方法也可以有效地防止串漿;

(2)若剩余待灌的鉆孔數(shù)量較少,無法拉開距離或進(jìn)行間隔施工時,可采用并聯(lián)灌漿的方法,即兩個鉆孔采用相同的灌漿壓力同時灌漿。

7.3 漏漿

在卵礫石和巖溶發(fā)育地區(qū)這種情況很多,漿液大量流失,灌漿壓力長時間不能提升。其處理方法與處理冒漿基本一樣,嚴(yán)重時可改用化學(xué)漿液灌注。

7.4 繞塞返漿

繞塞返漿就是在灌漿過程中,漿液繞過隔離塞返到上部孔段。其原因是由于灌漿時隔離塞所處孔段孔壁不規(guī)整,或因隔離塞未能完全壓脹,使得隔離塞沒有起到嚴(yán)密的封隔作用,也可能是因為上部已經(jīng)灌漿孔段的裂隙沒有灌實,使得下部灌漿段與隔離塞以上的地層通過裂隙相互貫通。

為了很好地預(yù)防繞塞返漿事故,鉆孔時盡量采用金剛石鉆進(jìn)工藝,要注意保護(hù)孔壁完整;適當(dāng)延長上部孔段灌漿后的待凝時間;每次灌漿前都要仔細(xì)檢查橡膠隔離塞狀態(tài)是否良好,不合格的及時檢修或更換。

8 結(jié)語

經(jīng)過對百花灘 2號滑坡灌漿前后各種檢測數(shù)據(jù)的對比分析,可以看出,滑帶土的物理力學(xué)性質(zhì)有了明顯改善,說明灌漿效果較好,灌漿后的各項指標(biāo)符合設(shè)計要求。加上局部抗滑樁、引排水和裂縫封閉等措施的共同作用,百花灘 2號滑坡體已穩(wěn)定,經(jīng)過長期觀測,未發(fā)生新的位移。通過該工程的施工實踐,取得了比較成功的經(jīng)驗,可以為以后類似工程的施工提供參考和借鑒。

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