本發(fā)明涉及巖土領域中的地基加固技術，尤其涉及巖溶地區(qū)溶洞上覆土層處理技術。

背景技術：

以往巖溶地基處理技術致力于加固溶洞，主要包括爆破回填、填充、強夯、注漿等措施，但是都只適用于溶洞埋藏較淺的情況。遇到埋藏較深的溶洞，若采用鉆孔爆破的方式，雖然可以炸開溶洞頂板，但上覆土層又隨之塌陷很容易將爆破口掩埋。即使成功爆破，但由于埋藏較深，若采用人工或者機械的方式進行回填，也存在較大的風險。若采用強夯的方式，由于有效夯實深度有限，對于這種深溶洞也無能為力。若采用注漿的方式填充溶洞，由于這些溶洞往往相互聯通，注漿下去又隨著地下水四處流失，耗費過多材料，效果也頗不一致，注入成百上千噸水泥漿仍達不到要求的也不少見。

而最新研究表明，深埋溶洞發(fā)生的塌陷，大都與人工抽水引發(fā)的土層塌陷有關。深埋意味著富含承壓地下水，在地下水的浸泡下，基巖面（溶洞頂板）附近土層將呈可塑甚至軟塑狀態(tài)，一經擾動即可引發(fā)變形。由于人工抽水地下水位快速下降，并在溶洞中流失，溶洞上覆土層隨之沖蝕塌陷。因此，處理深埋溶洞的最佳方式，既不是爆破回填，也不是強夯注漿。重要的是限制抽水減少地下水位波動，以及加固溶洞上覆土層防止被水沖蝕。考慮到實際情況，限制抽水并不容易實現，基于以上考慮，非常有必要提出一種新的巖溶地基處理技術，致力于加固溶洞上覆土層，進而提高穩(wěn)定性，減少塌陷。

技術實現要素：

針對于現有巖溶地區(qū)地基處理技術難以處理深埋溶洞的問題，本發(fā)明提供了一種巖溶地區(qū)溶洞上覆土層注漿加固結構設計及計算方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種巖溶地區(qū)溶洞上覆土層注漿加固結構，由下到上依次包括灰?guī)r、溶洞、固結注漿層、角礫土、粉質粘土和路基填土，固結注漿層需要使用注漿設備，由鉆孔向角礫土中注漿固結而成，厚度一般為5～8m。

固結注漿層與溶洞實際分布長度一致，寬度按路基底部寬度計算，并累加塌陷影響寬度d。

鉆孔深度至土石分界面以上2m，并分為豎孔和斜孔兩種，路基范圍內仍采用豎孔的方式，路基坡腳處向外鉆斜孔，傾斜角度按塌陷影響寬度、注漿擴散寬度等因素，并按照相應的設計方法進行計算得到。

為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種巖溶地區(qū)溶洞上覆土層注漿加固結構的設計方法，包括以下步驟：

1）計算塌陷影響寬度d：

假設塌陷影響寬度為d，引入如下參數：

h──溶洞上覆土層厚度，單位為m；

α──塌陷角，單位為°；

顯然有d=hcotα，

2）計算傾斜角度β：

所述鉆孔（13）深度至土石分界面以上2m，并分為豎孔和斜孔兩種，路基范圍內仍采用豎孔的方式，路堤坡腳處向外鉆斜孔，傾斜角度β按塌陷影響寬度d、注漿擴散寬度w等進行計算得到；

為計算路堤坡腳處的鉆孔傾斜角β，先引入如下參數：

h──鉆孔深度，單位為m，自地面起算；

w──注漿擴散寬度為m；

顯然有鉆孔傾斜角,

綜上，路堤坡腳處鉆孔的傾斜角度β可按下式進行計算：

鉆孔深度h應至土石分界面以上2m，即：

h=h-2

這樣通過注漿的方法將覆蓋土層固結成一個人造頂板，與溶洞頂板共同形成復合頂板，從而提高溶洞承載能力；

角礫土（17）和粉質粘土（18）是典型的溶洞覆土，考慮到角礫土（17）和粉質粘土（18）的土質特點，塌陷角α取為45°，注漿擴散寬度w取為5m，綜上，將路堤坡腳處的鉆孔傾斜角β的計算方法簡化如下：

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一般情況下，巖溶地區(qū)基巖面上溶蝕裂隙較為發(fā)育，在這種情況下，上覆土層，尤其是在基巖面附近，容易受到地面滲水和地下水位下降的影響沖蝕形成土洞，必須采用注漿的方法形成隔水固結層，固結厚度一般為5～8m。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明所謂巖溶地區(qū)溶洞上覆土層注漿加固結構尤其適用于深埋溶洞，深埋往往意味著溶洞頂板所受附加應力較小，同時也意味著溶洞上覆土層富含地下水，受地下水影響，這種類型溶洞的上覆土層往往較為軟弱，一旦地下水位大幅度變化即有可能發(fā)生塌陷。

而加固溶洞上覆土層，主要有3個利好，一是排出水分，將溶洞頂板附近土層由軟塑狀態(tài)提高為可塑至硬塑狀態(tài)，從而提高抗沖刷侵蝕能力；二是提高防滲水能力，從而減緩地下水位變化速度；三是通過形成漿脈網來擠密鄰近土體，從而提高土體模量、減小泊松比，改善溶洞頂板受力狀況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明溶洞上覆土層注漿加固結構設計原理圖。

圖2為本發(fā)明所使用注漿設備的花管結構示意圖。

圖3為本發(fā)明所使用施工設備安裝示意圖。

附圖標記：1、進漿管；2、回漿管；3、花管；4、壓力表；5、進漿閥門；6、回漿閥門；7、花管閥門；8、織物；9、墊土；10、花孔；11、膠帶；12、路基；13、鉆孔；14、灰?guī)r；15、溶洞；16、固結注漿層；17、角礫土；18、粉質粘土；19、路基填土；20、土石分界面；21、假想塌陷坑；22、塌陷影響線。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式：

如圖1所示，一種巖溶地區(qū)溶洞上覆土層注漿加固結構，由下到上分別包括灰?guī)r14、溶洞15、固結注漿層16、角礫土17、粉質粘土18和路基填土19。固結注漿層16需要使用注漿設備，由鉆孔13向角礫土17中注漿固結而成，厚度一般為5～8m。

固結注漿層16與溶洞15實際分布長度一致，寬度按路基底部寬度計算，并累加塌陷影響寬度d。所述鉆孔13深度至土石分界面20以上2m，并分為豎孔和斜孔兩種，路基范圍內仍采用豎孔的方式，路堤坡腳處向外鉆斜孔，傾斜角度β按塌陷影響寬度d、注漿擴散寬度w等進行計算得到。

一種巖溶地區(qū)溶洞上覆土層注漿加固結構的設計方法，包括以下步驟：

1）計算塌陷影響寬度d：

假設塌陷影響寬度為d，引入如下參數：

h──溶洞上覆土層厚度，單位為m；

α──塌陷角，單位為°；

顯然有d=hcotα，

2）計算傾斜角度β：

所述鉆孔（13）深度至土石分界面以上2m，并分為豎孔和斜孔兩種，路基范圍內仍采用豎孔的方式，路堤坡腳處向外鉆斜孔，傾斜角度β按塌陷影響寬度d、注漿擴散寬度w等進行計算得到；

為計算路堤坡腳處的鉆孔傾斜角β，先引入如下參數：

h──鉆孔深度，單位為m，自地面起算；

w──注漿擴散寬度為m；

顯然有鉆孔傾斜角,

綜上，路堤坡腳處鉆孔的傾斜角度β可按下式進行計算：

鉆孔深度h應至土石分界面以上2m，即：

h=h-2

這樣通過注漿的方法將覆蓋土層固結成一個人造頂板，與溶洞頂板共同形成復合頂板，從而提高溶洞承載能力；

角礫土（17）和粉質粘土（18）是典型的溶洞覆土，考慮到角礫土（17）和粉質粘土（18）的土質特點，塌陷角α取為45°，注漿擴散寬度w取為5m，綜上，將路堤坡腳處的鉆孔傾斜角β的計算方法簡化如下：

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如圖2和3所示，一種用于巖溶地區(qū)溶洞上覆土層注漿加固的注漿設備，包括進漿管1、回漿管2、花管3、壓力表4及封孔裝置。

進漿管1上設有進漿閥門5、回漿管2上設有回漿閥門6、花管3上設有閥門7。

壓力表4最低精度可以達到0.01mpa，最大量程可以達到2mpa。

花管3底部開有花孔10，花孔10外側應事先纏繞好膠帶11。膠帶11能夠在鉆孔13內安放花管3的過程中保持完整而不被鉆渣刺破。

花管3上部外露長度0.5～1.5m，以便連接進漿管1、回漿管2、壓力表4、閥門等部件。封孔裝置由織物8、墊土9分層搗實而成。

織物8、墊土9必須具備一定孔隙，可以成為排氣通道，止?jié){而不止氣。

巖溶地區(qū)溶洞上覆土層注漿加固施工方法，包括以下步驟：

s1）安裝注漿管

鉆孔完畢，檢查鉆孔13深度，在確認沒有塌孔的情況下再安放花管3，否則，應采用鉆機清孔到位。有的鉆孔13成孔之后來不及注漿，常常放置一天甚至幾天，期間如果再遇到降雨，塌孔的可能性就非常大了。因此，安放花管3之前都應該檢查鉆孔13深度，以免注漿不到位。

花管3底部開有花孔13，花孔13外側應事先纏繞好膠帶11，以免在安放的過程中被鉆渣阻塞。而在注入漿液的過程中，膠帶11將在漿液的作用下脫落，使花孔10貫通，并不會影響注漿。

傳統的液壓、氣壓止?jié){塞只能用于完整巖層中，用于松散土層中止?jié){效果不甚理想。故此提出分層搗實織物8、墊土9的方法，雖然簡單，但不失有效。此外，由于織物8、墊土9總是存在一定孔隙，可以成為排氣通道，止?jié){而不止氣，從而較好地排出水泥漿中的氣泡，進一步提高注漿質量。

s2）注漿

進漿管1、回漿管2、花管3全部安裝完畢后，關閉回漿閥門6，并依次打開花管閥門7、進漿閥門5，即可開始注漿。孔口安裝壓力表4，以便控制終注條件。注漿過程中應時刻注意注漿壓力，若超過0.35mpa，應及時打開回漿閥門6卸載至0.25mpa以內，以免壓力過大導致路基拱起開裂。

s3）終注

一般情況下，可采用如下終注條件：

連續(xù)3次注漿壓力超過0.35mpa再打開回漿閥門6卸載至0.25mpa后，回漿量已經很大，進漿量也相應的減少，可視為滿足終注條件。

作為進一步優(yōu)選，若進漿管1上還安裝流量計，可采用如下終注條件：

a、終注壓力達到0.25～0.35mpa，吸漿量不大于40l/min，維持30min。

b、單孔注漿量達到3m³，且進漿量明顯減少時。

注漿完成后應立即拔出花管3，以防漿液在花管3中凝固。拔出花管3后，及時沖洗花管3，保持清潔、通暢。拔出管后留下的孔洞，應及時用水泥漿或者c15混凝土封孔。注漿工作必須連續(xù)進行，若因故中斷，應及早恢復注漿，否則應立即沖洗鉆孔13，而后恢復注漿。

s4）鉆孔鉆通溶洞頂板的處理辦法

若鉆孔過程中穿過溶洞頂板揭露巖溶洞穴，可采取如下“先砂后漿”的技術措施：

a、用吊繩綁掛重物，然后將其自由端固定在鉆孔附近，吊繩長度宜比鉆孔深度長2米，吊繩應盡量結實，保證重物綁緊掛好，同時重物直徑不宜超過30mm。

b、懸掛重物端向鉆孔內放入，使重物大致停留在鉆孔底部孔口位置處并重新固定吊繩。搖動吊繩使重物來回換動，以便確認重物已經綁緊掛好，不會輕易掉落。

c、向鉆孔內灌砂直至鉆孔底部孔口位置，判斷方法是吊繩懸掛的重物是否被砂掩埋，能否被輕易提起。

d、取出吊繩，然后采取0.1mpa的注漿壓力向鉆孔內注漿，后續(xù)根據注漿速度調整注漿壓力大小。若溶洞體積過大可向漿液中摻入砂、粉土、粉煤灰等材料。

以上列舉的僅是本發(fā)明的一個具體實施例。顯然，本發(fā)明的結構設計及計算方法不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。