CN107178077B - 一种岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构及其设计方法，由下到上依次包括灰岩、溶洞、固结注浆层、角砾土、粉质粘土和路基填土。所述固结注浆层需要使用注浆设备，由钻孔向角砾土中注浆固结而成，厚度一般为5～8m。所述固结注浆层与溶洞实际分布长度一致，宽度按路基底部宽度计算，并累加塌陷影响宽度。本发明所述岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构，主要有3个利好，一是排出水分，将溶洞顶板附近土层由软塑状态提高为可塑至硬塑状态，从而提高抗冲刷侵蚀能力；二是提高防渗水能力，从而减缓地下水位变化速度；三是通过形成浆脉网来挤密邻近土体，从而提高土体模量、减小泊松比，改善溶洞顶板受力状况。

Description

一种岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及岩土领域中的地基加固技术，尤其涉及岩溶地区溶洞上覆土层处理技术。

背景技术

以往岩溶地基处理技术致力于加固溶洞，主要包括***回填、填充、强夯、注浆等措施，但是都只适用于溶洞埋藏较浅的情况。遇到埋藏较深的溶洞，若采用钻孔***的方式，虽然可以炸开溶洞顶板，但上覆土层又随之塌陷很容易将***口掩埋。即使成功***，但由于埋藏较深，若采用人工或者机械的方式进行回填，也存在较大的风险。若采用强夯的方式，由于有效夯实深度有限，对于这种深溶洞也无能为力。若采用注浆的方式填充溶洞，由于这些溶洞往往相互联通，注浆下去又随着地下水四处流失，耗费过多材料，效果也颇不一致，注入成百上千吨水泥浆仍达不到要求的也不少见。

而最新研究表明，深埋溶洞发生的塌陷，大都与人工抽水引发的土层塌陷有关。深埋意味着富含承压地下水，在地下水的浸泡下，基岩面（溶洞顶板）附近土层将呈可塑甚至软塑状态，一经扰动即可引发变形。由于人工抽水地下水位快速下降，并在溶洞中流失，溶洞上覆土层随之冲蚀塌陷。因此，处理深埋溶洞的最佳方式，既不是***回填，也不是强夯注浆。重要的是限制抽水减少地下水位波动，以及加固溶洞上覆土层防止被水冲蚀。考虑到实际情况，限制抽水并不容易实现，基于以上考虑，非常有必要提出一种新的岩溶地基处理技术，致力于加固溶洞上覆土层，进而提高稳定性，减少塌陷。

发明内容

针对于现有岩溶地区地基处理技术难以处理深埋溶洞的问题，本发明提供了一种岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构设计及计算方法。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构，由下到上依次包括灰岩、溶洞、固结注浆层、角砾土、粉质粘土和路基填土，固结注浆层需要使用注浆设备，由钻孔向角砾土中注浆固结而成，厚度一般为5～8m。

固结注浆层与溶洞实际分布长度一致，宽度按路基底部宽度计算，并累加塌陷影响宽度 d。

钻孔深度至土石分界面以上2m，并分为竖孔和斜孔两种，路基范围内仍采用竖孔的方式，路基坡脚处向外钻斜孔，倾斜角度按塌陷影响宽度、注浆扩散宽度等因素，并按照相应的设计方法进行计算得到。

为达到上述目的，本发明还提供了一种岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构的设计方法，包括以下步骤：

1）计算塌陷影响宽度 d：

假设塌陷影响宽度为d，引入如下参数：

H──溶洞上覆土层厚度，单位为m；

α──塌陷角，单位为°；

显然有d=Hcotα，

2）计算倾斜角度β：

所述钻孔（13）深度至土石分界面以上2m，并分为竖孔和斜孔两种，路基范围内仍采用竖孔的方式，路堤坡脚处向外钻斜孔，倾斜角度β按塌陷影响宽度d、注浆扩散宽度w等进行计算得到；

为计算路堤坡脚处的钻孔倾斜角β，先引入如下参数：

h──钻孔深度，单位为m，自地面起算；

w──注浆扩散宽度为m；

显然有钻孔倾斜角,

综上，路堤坡脚处钻孔的倾斜角度β可按下式进行计算：

钻孔深度h应至土石分界面以上2m，即：

h=H-2

这样通过注浆的方法将覆盖土层固结成一个人造顶板，与溶洞顶板共同形成复合顶板，从而提高溶洞承载能力；

角砾土（17）和粉质粘土（18）是典型的溶洞覆土，考虑到角砾土（17）和粉质粘土（18）的土质特点，塌陷角α取为45°，注浆扩散宽度w取为5m，综上，将路堤坡脚处的钻孔倾斜角β的计算方法简化如下：

。

一般情况下，岩溶地区基岩面上溶蚀裂隙较为发育，在这种情况下，上覆土层，尤其是在基岩面附近，容易受到地面渗水和地下水位下降的影响冲蚀形成土洞，必须采用注浆的方法形成隔水固结层，固结厚度一般为5～8m。

本发明的优点在于：

本发明所谓岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构尤其适用于深埋溶洞，深埋往往意味着溶洞顶板所受附加应力较小，同时也意味着溶洞上覆土层富含地下水，受地下水影响，这种类型溶洞的上覆土层往往较为软弱，一旦地下水位大幅度变化即有可能发生塌陷。

而加固溶洞上覆土层，主要有3个利好，一是排出水分，将溶洞顶板附近土层由软塑状态提高为可塑至硬塑状态，从而提高抗冲刷侵蚀能力；二是提高防渗水能力，从而减缓地下水位变化速度；三是通过形成浆脉网来挤密邻近土体，从而提高土体模量、减小泊松比，改善溶洞顶板受力状况。

附图说明

图1为本发明溶洞上覆土层注浆加固结构设计原理图。

图2为本发明所使用注浆设备的花管结构示意图。

图3为本发明所使用施工设备安装示意图。

附图标记：1、进浆管；2、回浆管；3、花管；4、压力表；5、进浆阀门；6、回浆阀门；7、花管阀门；8、织物；9、垫土；10、花孔；11、胶带；12、路基；13、钻孔；14、灰岩；15、溶洞；16、固结注浆层；17、角砾土；18、粉质粘土；19、路基填土；20、土石分界面；21、假想塌陷坑；22、塌陷影响线。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式：

如图1所示，一种岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构，由下到上分别包括灰岩14、溶洞15、固结注浆层16、角砾土17、粉质粘土18和路基填土19。固结注浆层16需要使用注浆设备，由钻孔13向角砾土17中注浆固结而成，厚度一般为5～8m。

固结注浆层16与溶洞15实际分布长度一致，宽度按路基底部宽度计算，并累加塌陷影响宽度d。所述钻孔13深度至土石分界面20以上2m，并分为竖孔和斜孔两种，路基范围内仍采用竖孔的方式，路堤坡脚处向外钻斜孔，倾斜角度β按塌陷影响宽度d、注浆扩散宽度w等进行计算得到。

一种岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构的设计方法，包括以下步骤：

1）计算塌陷影响宽度 d：

假设塌陷影响宽度为d，引入如下参数：

H──溶洞上覆土层厚度，单位为m；

α──塌陷角，单位为°；

显然有d=Hcotα，

2）计算倾斜角度β：

所述钻孔（13）深度至土石分界面以上2m，并分为竖孔和斜孔两种，路基范围内仍采用竖孔的方式，路堤坡脚处向外钻斜孔，倾斜角度β按塌陷影响宽度d、注浆扩散宽度w等进行计算得到；

为计算路堤坡脚处的钻孔倾斜角β，先引入如下参数：

h──钻孔深度，单位为m，自地面起算；

w──注浆扩散宽度为m；

显然有钻孔倾斜角 ,

综上，路堤坡脚处钻孔的倾斜角度β可按下式进行计算：

钻孔深度h应至土石分界面以上2m，即：

h=H-2

这样通过注浆的方法将覆盖土层固结成一个人造顶板，与溶洞顶板共同形成复合顶板，从而提高溶洞承载能力；

角砾土（17）和粉质粘土（18）是典型的溶洞覆土，考虑到角砾土（17）和粉质粘土（18）的土质特点，塌陷角α取为45°，注浆扩散宽度w取为5m，综上，将路堤坡脚处的钻孔倾斜角β的计算方法简化如下：

。

如图2和3所示，一种用于岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固的注浆设备，包括进浆管1、回浆管2、花管3、压力表4及封孔装置。

进浆管1上设有进浆阀门5、回浆管2上设有回浆阀门6、花管3上设有阀门7。

压力表4最低精度可以达到0.01MPa，最大量程可以达到2MPa。

花管3底部开有花孔10，花孔10外侧应事先缠绕好胶带11。胶带11能够在钻孔13内安放花管3的过程中保持完整而不被钻渣刺破。

花管3上部外露长度0.5～1.5m，以便连接进浆管1、回浆管2、压力表4、阀门等部件。封孔装置由织物8、垫土9分层捣实而成。

织物8、垫土9必须具备一定孔隙，可以成为排气通道，止浆而不止气。

岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固施工方法，包括以下步骤：

S1）安装注浆管

钻孔完毕，检查钻孔13深度，在确认没有塌孔的情况下再安放花管3，否则，应采用钻机清孔到位。有的钻孔13成孔之后来不及注浆，常常放置一天甚至几天，期间如果再遇到降雨，塌孔的可能性就非常大了。因此，安放花管3之前都应该检查钻孔13深度，以免注浆不到位。

花管3底部开有花孔13，花孔13外侧应事先缠绕好胶带11，以免在安放的过程中被钻渣阻塞。而在注入浆液的过程中，胶带11将在浆液的作用下脱落，使花孔10贯通，并不会影响注浆。

传统的液压、气压止浆塞只能用于完整岩层中，用于松散土层中止浆效果不甚理想。故此提出分层捣实织物8、垫土9的方法，虽然简单，但不失有效。此外，由于织物8、垫土9总是存在一定孔隙，可以成为排气通道，止浆而不止气，从而较好地排出水泥浆中的气泡，进一步提高注浆质量。

S2）注浆

进浆管1、回浆管2、花管3全部安装完毕后，关闭回浆阀门6，并依次打开花管阀门7、进浆阀门5，即可开始注浆。孔口安装压力表4，以便控制终注条件。注浆过程中应时刻注意注浆压力，若超过0.35MPa，应及时打开回浆阀门6卸载至0.25MPa以内，以免压力过大导致路基拱起开裂。

S3）终注

一般情况下，可采用如下终注条件：

连续3次注浆压力超过0.35MPa再打开回浆阀门6卸载至0.25MPa后，回浆量已经很大，进浆量也相应的减少，可视为满足终注条件。

作为进一步优选，若进浆管1上还安装流量计，可采用如下终注条件：

a、终注压力达到0.25～0.35MPa，吸浆量不大于40L/min，维持30min。

b、单孔注浆量达到3m³，且进浆量明显减少时。

注浆完成后应立即拔出花管3，以防浆液在花管3中凝固。拔出花管3后，及时冲洗花管3，保持清洁、通畅。拔出管后留下的孔洞，应及时用水泥浆或者C15混凝土封孔。注浆工作必须连续进行，若因故中断，应及早恢复注浆，否则应立即冲洗钻孔13，而后恢复注浆。

S4）钻孔钻通溶洞顶板的处理办法

若钻孔过程中穿过溶洞顶板揭露岩溶洞穴，可采取如下“先砂后浆”的技术措施：

a、用吊绳绑挂重物，然后将其自由端固定在钻孔附近，吊绳长度宜比钻孔深度长2米，吊绳应尽量结实，保证重物绑紧挂好，同时重物直径不宜超过30mm。

b、悬挂重物端向钻孔内放入，使重物大致停留在钻孔底部孔口位置处并重新固定吊绳。摇动吊绳使重物来回换动，以便确认重物已经绑紧挂好，不会轻易掉落。

c、向钻孔内灌砂直至钻孔底部孔口位置，判断方法是吊绳悬挂的重物是否被砂掩埋，能否被轻易提起。

d、取出吊绳，然后采取0.1MPa的注浆压力向钻孔内注浆，后续根据注浆速度调整注浆压力大小。若溶洞体积过大可向浆液中掺入砂、粉土、粉煤灰等材料。

以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明的结构设计及计算方法不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构，其特征在于：由下到上依次包括灰岩（14）、溶洞（15）、固结注浆层（16）、角砾土（17）、粉质粘土（18）和路基填土（19），所述固结注浆层（16）使用注浆设备，由钻孔（13）向角砾土（17）中注浆固结而成，钻孔（13）深度至土石分界面（20）以上2 m，并分为竖孔和斜孔两种，路基（12）范围内仍采用竖孔的方式，路基（12）坡脚处向外钻斜孔，倾斜角度按塌陷影响宽度、注浆扩散宽度，并按照相应的设计方法进行计算得到；若钻孔过程中不慎钻通溶洞顶板，先灌砂后注浆，并采用吊绳绑挂重物判断灌砂情况；

所述岩溶地区溶洞上覆土层注浆加固结构的设计方法，步骤如下：

1）计算塌陷影响宽度 d：

假设塌陷影响宽度为d，引入如下参数：

H──溶洞上覆土层厚度，单位为m；

α──塌陷角，单位为°；

显然有d=Hcotα，

2）计算倾斜角度β：

所述钻孔（13）深度至土石分界面以上2 m，并分为竖孔和斜孔两种，路基范围内仍采用竖孔的方式，路堤坡脚处向外钻斜孔，倾斜角度β按塌陷影响宽度d、注浆扩散宽度w进行计算得到；

为计算路堤坡脚处的钻孔倾斜角β，先引入如下参数：

h──钻孔深度，单位为m，自地面起算；

w──注浆扩散宽度为m；

显然有钻孔倾斜角；

综上，路堤坡脚处钻孔的倾斜角度β按下式进行计算：

；

钻孔深度h应至土石分界面以上2 m，即：

h=H-2；

这样通过注浆的方法将覆盖土层固结成一个人造顶板，与溶洞顶板共同形成复合顶板，从而提高溶洞承载能力；

角砾土（17）和粉质粘土（18）是典型的溶洞覆土，考虑到角砾土（17）和粉质粘土（18）的土质特点，塌陷角α取为45°，注浆扩散宽度w取为5 m，综上，将路堤坡脚处的钻孔倾斜角β的计算方法简化如下：

。