鋼花管注漿加固技術在軟土路基裂縫及涵洞沉降病害中的應用

秘文輝

（中鐵交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530219）

0 引言

高速公路管養中匯水段路基沉降，是誘發路面病害的重要因素，根據工程情況差異，治理方案主要采取橋梁跨越或軟土地基處理[1]。但受建設工程成本及巖土體轉運問題等條件制約，軟土地基處理常成為匯水路段路基處理的首選。然而，在軟土路基處理過程中，由于受地質勘探技術及路基處置技術等多方面限制，使得軟土路基處置后，呈現出復合地基的特點，其破壞形式表現為刺入破壞、滑動破壞、鼓脹破壞及整體剪切破壞[2]。隨之而來的則是路基不均勻沉降及路基各類變形破壞，并逐漸反射至路面，導致各類病害問題頻發。

一些學者對此開展了研究，陳洪濤等[3]選取巖溶軟土地區高速公路三維有限差分模型，并設計正交試驗，研究了CFG 樁復合地基設計參數對軟土路基不均勻沉降的敏感性；劉光明[4]在總結了軟土地基公路路基加寬工程差異沉降特征和影響因素及常規處治措施后，就降低市政道路加寬工程差異沉降提出了新的處治思路；楊瑞芳等[5]建立了混沌遺傳算法優化下的GRNN 預測分析模型，并運用于預測高速公路軟土路基不均勻沉降；謝劍康等[6]采用Geostudio 有限元軟件對軟土路基沉降進行有限元數值模擬，并對軟土地基上路基不均勻沉降的趨勢進行預測，其模擬結果顯示：路基沉降先快后慢，在豎向位移的基礎上，存在一定的側向位移。上述研究對認識和揭示軟土地基不均勻沉降機理，提供了重要的理論依據。然而，上述研究結論在獲取時，僅針對某一具體的施工方法或某些數學理論模型和有限元模擬，缺乏實際工程效果的檢驗。為此，本文基于實際工程，針對高速公路管養過程中發現的路基裂縫及涵洞沉降病害，采取鋼花管注漿加固技術手段，對裂縫和沉降位置進行處治，并就鋼花管施工前后的路基沉降和地表側向位移進行監測，以分析鋼花管注漿加固處治效果。本文依托實際工程，可為相似工程中路基裂縫及涵洞沉降處治提供一定的指導意義。

1 工程背景

調查發現，高速公路病害路段位于河流沖洪積區，第四系覆蓋層相對較厚，且分布有淤泥質軟土，屬地質、地形地貌、水文地質條件較復雜的工程區。進一步調查發現，在K168+200～K168+320 段內附近，分布有大小不等的各類魚塘，塘內存在0.5～10m 厚的軟弱土層，且表現為流塑-軟塑狀。通車5 年后，在道路管養過程中發現：在K168+230 蓋板涵進水口路段前后出現縱向裂縫，并在涵洞左幅洞口發生不均勻沉降。其中，在K168+190～K168+304 左幅路段出現縱向裂縫3 條，縫長115m、寬0.5～1.0cm；在K168+205～K168+260 左幅路面出現縱向裂縫2 條，縫長56m、寬0.5～1.0cm。同時，在K168+230 處涵洞位置，涵洞左幅和右幅進水口端基礎部位分別下沉約0.2m 和0.1m，涵洞墻身發生不均勻沉降，錯臺約5cm，涵洞頂部路面沉降約10cm。

2 軟土路基病害分析

2.1 病害成因分析

為探明病害路段路基深部工程地質狀況，經現場鉆芯檢測，對病害路段進行補充地質鉆探。采用XY-2型液壓鉆機對K168+190～K168+304 段病害路基進行補充工程地質勘察，完成地質鉆孔25 個，詳勘鉆孔3個，鉆探孔總進尺760.8m，取得原狀試樣30 件，完成室內土工試驗30 組，標貫試驗75 次，以查明場區工程地質條件，為病害機理分析及處治方案提供依據。

地質鉆勘結果顯示：在病害路段勘察深度內，主要存在素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、弱泥炭質土、強風化灰巖、全風化泥質砂巖、強風化炭質頁巖和全風化泥質頁巖等（圖1）。

圖1 病害路段補充地質鉆勘結果

2.2 病害結果分析

室內土工試驗測試結果顯示：病害路段路基土層存在“三高”，即含水率高（12.5%＜＜124.4%）、孔隙率高（1.2＜＜4.245）、有機質含量高（6.65%～34.67%），且含較多中-高壓縮性土，壓縮系數在0.5～2.86 之間，路基土承載能力較弱。

地質剖面結果進一步顯示：在巖土界面上等高線起伏較大，在路基左側土體中存在較多軟-流塑狀態的淤泥質-泥炭質土，導致路基整體左側下沉。另外，區段內地下水位較淺，且在涵洞范圍內存在泉眼，加上地基中存在的軟弱夾層，極不利于路基整體穩定。同時，據區域氣象資料顯示，病害路段所在區域雨量充沛、暴雨頻發，并伴有持續集中強降雨，加之局部坡面和排水溝被沖毀，使得大量雨水沿坡面下滲進入坡體，致使坡體下部地下水位抬升，坡體內部孔隙水壓力增大，內部軟弱夾層因吸水而逐漸形成軟化帶。

進一步調查發現，在病害路段路基施工時期，路基施工受當地征地拆遷進度影響，區段路基施工間隔時間較長，導致病害路段先后填筑路基的工后沉降不一致，進而誘發路面結構底基層出現反射裂縫，并逐漸貫穿至下基層，形成局部縱向開裂。在道路通車后，在交通荷載及外部環境的綜合影響下，基層縱向裂縫反射至面層，形成反射縫。

總之，對現有資料分析發現：由于病害路段地基底層保留有較厚的淤泥質粉質黏土層，且在涵洞范圍內殘留泉眼，加之地基內尚留軟弱夾層，基巖面起伏較大，導致軟弱土層分布不均，在交通荷載及外部降雨作用下，路基產生不均勻沉降，故產生路基裂縫并延伸至水泥穩定碎石下基層，并逐漸反射至路面表層，形成反射裂縫。

3 軟土路基病害處治

3.1 路基沉降處治

根據病害路段現場勘查及地質補充勘測，參考國內外既有處治技術和工程實際情況，針對病害路段路基沉降，擬采用鋼花管注漿加固技術[7-9]對其進行加固。

圖2 路基鋼花管注漿孔布置示意

（2）待一級平臺鋼花管注漿完成后，在鋼花管頂部澆筑寬4.5m、厚30cm 的混凝土板。

（3）當坡體基巖為中風化巖層時，鋼花管插入基巖深度應＞1.5m；若基巖為強風化巖層時，其鋼花管進入基巖深度應＞2.0m。

（4）在鋼花管施工期間及開通運營后，還需定期巡查、監測，且在處治過程中，應密切關注路基沉降和邊坡側向位移情況。

3.2 涵洞沉降處治

根據病害路段現場勘查及地質補充勘測，參考國內外既有處治技術和工程實際情況，對病害路段涵洞沉降問題擬采用如下加固處治方案[10-12]：

在左側路基范圍內，按橫、縱向間距1.5m×1.5m 布置4 排梅花型108mm 鋼花管，并注入水泥漿（圖3）。水泥漿采用P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，一次注漿為壓密注漿，水灰比0.7；二次注漿為劈裂注漿，水灰比為1。水泥漿用量按0.2m3/m 控制，注漿壓力0.8～1MPa。當路基為換填路段時，注漿深度應深入基巖≥2m。同時，在鋼花管施工期間和道路運營期間，應定期巡查、監測，密切關注涵洞變形情況。

圖3 涵洞位置鋼花管注漿孔布置示意

3.3 防反射裂縫措施

為保證K168+190～K168+304 段內鋼筋混凝土板與瀝青面層間的黏結效果，也為減少由于縱縫、橫縫及施工縫不均勻沉降而引起瀝青面層產生反射裂縫。在中面層和下基層間，鋪設無堿自粘式玻璃纖維土工格柵（圖4），其堿金屬氧化物含量≤0.8%，極限伸長率≤4%，極限抗拉強度≥50kN/m，且經1h 的170℃熱處理后，其經、緯向拉伸斷裂強度≥原強度的90%。

圖4 無堿自粘式玻璃纖維土工格柵

4 沉降及側向位移監測分析

4.1 沉降監測分析

為檢測鋼花管注漿加固技術的加固效果，在病害路段K168+190～K168+304 范圍內K168+230 和K168+250 坡腳邊坡和一級邊坡平臺位置，分別設置一組測斜點，用以監測鋼花管施工前后路基沉降差異。鋼花管注漿加固施工前，自2018 年7 月至9 月對病害路段路基沉降狀況進行監測，其沉降-時間曲線如圖5 所示。由圖5 可知，K168+250 左幅和K168+268 右幅沉降監測結果顯示：K168+250 左幅段在監測周期內所有觀測點的累計沉降量均已＞10mm，其中，最大沉降點在K168+250 左幅段的中心觀測點附近，其累計沉降量近18mm，且有持續發展的趨勢，K168+268 右幅段，在監測周期內各觀測點的累計沉降量小于K168+250 左幅路段，導致病害路段左幅縱向裂縫多余右幅，其右路肩累計沉降量＞中心點≥左路肩。

圖5 鋼花管注漿施工前病害路基沉降監測

鋼花管注漿施工完成后，由于現場施工損壞了原有的部分監測點，故選擇病害路段K168+190～K168+304 范圍內的K168+230、K168+242 和K168+254 三處監測斷面的左側沉降點，作為新的地表位移監測點，其沉降-時間曲線如圖6 所示。

圖6 鋼花管注漿施工后路基沉降監測

由圖6 可知，鋼花管注漿施工后K168+230、K168+242 和K168+254 三處監測點的累計沉降量均＜10mm，路基沉降監測最大點在左幅K168+254 斷面左側；最大沉降量2mm，平均沉降速率0.25mm/d。在監測期最后一周內，K168+230 斷面所有監測點的累計沉降量均為0；K168+242 斷面左路肩監測點和右路肩監測點的累計沉降量為0，中心監測點的累計沉降量為1mm；K168+254 斷面左路肩監測點和右路肩監測點的累計沉降量約1mm，中心監測點的累計沉降量約2mm。

綜上分析，病害路段在鋼花管注漿施工完成后，其路基地表沉降量迅速減小，沉降速率大幅降低，加固效果明顯。

4.2 側向位移監測分析

為檢測鋼花管注漿加固技術對側向位移的抑制效果，在病害路段K168+190～K168+304 范圍內的K168+230 和K168+250 處分別設置一組檢測點，用以監測鋼花管注漿施工前后地表側向位移差異。鋼花管注漿加固施工前，其位移-深度曲線如圖7 所示。

由圖7 可知，鋼花管施工前K168+230 和K168+250左幅斷面的側向位移均呈現增長趨勢，且現有的K168+231 左幅監測孔側向位移偏量仍在不斷增大。結合現場病害特征及監測數據可以判斷，K168+230～K168+265 左幅段換填路基目前仍處于欠穩定狀態，其變形仍將繼續發展。此外，從圖7 還可發現：在K168+230 左幅坡腳6m位置和一級平臺9m 位置處其側向位移量最大；在K168+250 左幅坡腳9m 位置出現“拐點”，其一級平臺深層側向11m 處位移量最大。

圖7 鋼花管施工前側向位移監測

鋼花管注漿加固施工完成后，由于現場施工損壞了原有的部分監測點，故選擇病害路段K168+190～K168+304 范圍內的K168+230、K168+242 和K168+254 監測斷面的左側沉降點作為新的地表側向位移監測點。同時，又在路堤邊坡K168+240 位置新增一組深部位移監測孔，其位移-時間曲線和位移-深度曲線如圖8 所示。

圖8 鋼花管施工后側向位移監測

由圖8 知，一級平臺在鋼花管施工完成后其深部側向位移變化量明顯減小。進一步分析發現：鋼花管注漿施工完成后，其測點處的地表側向位移均較小，監測斷面側向位移總量＜2.47mm，總體位移速率＜0.1mm/d，且變化速率較小，滿足相關要求，鋼花管注漿加固效果明顯。

5 結束語

本文對高速公路管養中不良地質條件誘發的涵洞及路基沉降病害展開研究，針對病害路基和涵洞不均勻沉降，利用鋼花管注漿加固技術對病害路段進行處治，并對路基沉降和地表側向位移進行實時監測，得到以下結論：

（1）通過地質鉆孔及室內土工試驗發現，較厚的淤泥質粉質黏土、弱泥炭質土及“三高”不良地質土層（含水率高、空隙率高和有機質含量高）是誘發高速公路水泥穩定碎石下基層產生不均勻沉降，并導致路基開裂的主要原因。

（2）病害路段范圍內存在的素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、弱泥炭質土、強風化灰巖、全風化泥質砂巖、強風化炭質頁巖和全風化泥質頁巖等不良深部地層弱化了地基承載力。同時，路基左側土體的軟-流塑狀態淤泥質土和涵洞范圍內的泉眼涌水，在交通荷載及外部環境的共同作用下，引發病害路段路基整體左側下沉及涵洞不均勻沉降。

（3）對鋼花管注漿加固技術施工前后的路基沉降及地表側向位移監測結果顯示：采用鋼花管注漿加固技術可使病害路基地表沉降量迅速減小，沉降速率大幅降低，地表和深部側向位移變化量明顯減小，變化速率顯著降低，加固效果明顯。