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.
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