一种岩溶地区溶洞上覆土层逐序加深注浆施工工艺及设备【技术领域】
本发明涉及注浆工艺技术领域，特别是涉及一种岩溶地区溶洞上覆土层逐序加深注浆施工
工艺及设备。
【背景技术】
前期已通过物探及地质钻孔探明，某高速K11+680～K11+740段，一方面溶洞埋深较大，
上覆土层厚度范围18m～22m，另一方面，溶洞顶板又普遍较薄，厚度范围0.4m～0.5m。这
一类型的溶洞是否需要处治，以及该如何选取处治措施，存在诸多争议。一方面，深埋溶洞
受附加应力的影响很小，因此超过一定埋深的溶洞可以不作处治。另一方面，薄顶溶洞承载
能力十分有限，尤其是风化较为严重的溶洞顶板，即使在不大的荷载作用下，仍有可能发生
破坏。正是这一方面的矛盾，导致这一类型的溶洞在处治措施的选取上存在颇多争议。
为解决这一矛盾，进行了大量原位试验，多方面考察溶洞顶板承载能力，以便制定相应
的处治措施。以K11+727为例，其溶洞顶板上的重型动力触探实测击数大于10击/1cm，且频
频反弹，表明其承载能力至少在1.0Mpa以上。在数值分析结果与原位试验结果存在差异的状
况下，显然原位试验更具可靠性。试注浆过程中，溶洞顶板上的压力更是达到了0.6Mpa
(0.3Mpa的注浆压力叠加0.3Mpa的浆液静止压力，相当于6个大气压)，而在这样的高压状况
下也未曾出现损坏。据此提出，K11+680～K11+740段溶洞虽然顶板较薄，但承载能力并不薄
弱，暂时无需加固。
然而，应当注意的是，溶洞无需加固绝不意味着覆盖层同样无需加固，特别是深埋薄顶
溶洞，上覆土层尤其软弱，覆盖层塌陷的可能性依然存在。一方面，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。另一方面，薄顶意味着可能存在开口岩溶形态，覆盖土层很有可能在这一位置
逐渐侵蚀塌陷。以K11+727为例，初见水位5.8m，稳定水位10.4m，自14.4m至基岩面(20m)
分布泥炭土，自18m开始向下由可塑状态转变为软塑状态，性状极为软弱。经由标准贯入试
验验证，越靠近基岩面击数越少，承载能力逐渐变差，详见表1。
表1标准贯入试验
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基于以上考虑，决定向溶洞上覆土层中注浆，主要有3个目的，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。
从地质钻孔揭示的情况来看，K11+680～K11+740段地质情况较为复杂，下伏砂砾层及粘
土层间互成层，有些钻孔甚至还发现有半米厚的卵石层。经压水试验发现，11米附近的粉细
砂层、17米附近的卵石层透水率极好。随后在通长注浆的过程中发现，普遍都有压力回落、
地层贯通、邻孔串浆等问题发生，必须采用分段注浆的方式才能解决这些问题，重点加固溶
洞顶板附近土层。目前只有两种成本较高的工艺可以实现分段注浆，一是袖阀管注浆，二是
孔口管注浆。
袖阀管注浆方法是在钻孔内，预先安置特制带有孔眼的注浆管，称为花管。在花管与孔
壁间填入被称为填料的浆液，并在花管内用双栓塞式注浆塞分段进行注浆。但在注浆后，花
管难于拔出重复使用，管材耗费较多，成本较为昂贵。其中，填料浇注的好坏对注浆成功与
否有很大影响，要求既能在一定的压力下，压开填料进行横向注浆，又能在高压注浆时，阻
止浆液沿孔壁或管壁流出地表，对施工队素质要求很高。
孔口管注浆方法是把止浆塞设置在孔口，自上而下分段钻进，逐段注浆并不待凝的一种
分段注浆方法。其缺点是在自上而下分段注浆的过程中需要多次复钻和复注，与通长注浆所
需的工作量相比，孔口管注浆的工作量翻了数番。此外，孔口管注浆不仅需要消耗大量孔口
管，而且在复钻的过程中又造成许多水泥浆不必要的浪费。
总的来说，现有技术，不论是袖阀管注浆还是孔口管注浆，都存在颇多缺点，其中，袖阀
管注浆工艺繁杂，封口复杂，对施工队素质要求过高；孔口管注浆则消耗大量管材，还需要多
次成孔，尤其不便于大面积推广使用。考虑到现有技术的诸多缺陷，提出新的注浆技术，缩短
工期，提高效率，十分必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种岩溶地区溶洞上覆土层逐序加深注浆施工工艺及设备，以克服
现有技术中存在的不足。
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逐序加深注浆施工设备，包括进浆管、回浆管、花管、压力
表及封孔装置；所述进浆管、回浆管、花管分别安装有进浆阀门、回浆阀门和花管阀门；
所述花管底部开有花孔，花孔外侧应事先缠绕好胶带；所述胶带能够在钻孔内安放花管
的过程中保持完整而不被钻渣刺破；
所述花管上部外露长度0.5～1.5m；
花管的顶部外露部分连接进浆管和回浆管；
封孔装置设置于钻孔孔口处。
本发明进一步的改进在于：所述封孔装置由织物、垫土分层捣实而成；所述织物、垫土
具备一定孔隙，能够成为排气通道，止浆而不止气。
本发明进一步的改进在于：所述压力表最低精度可以达到0.01MPa，最大量程可以达到
2Mpa。
本发明进一步的改进在于：封孔装置的封孔深度深入级配碎石层13以下0.2m。
使用岩溶地区溶洞上覆土层逐序加深注浆施工设备进行逐序加深注浆施工的施工工艺，
包括先序孔施工工艺：
1)布孔
在布孔设计图中布置先序孔(16)，先序孔(16)布孔间距不小于3.0m～4.0m；
2)钻孔
按布孔设计图中先序孔的孔位，在岩溶地区溶洞上覆土层现场测放钻孔孔位；钻孔孔位
偏差不超过50cm，垂直度偏差不大于1％；施钻时将钻杆对准所标孔位，钻孔孔径不小于
110mm；
3)安装权利要求1所述岩溶地区溶洞上覆土层逐序加深注浆施工设备
钻孔完毕，检查钻孔深度，在确认没有塌孔的情况下再安放花管；花管底部开有花孔，
花孔外侧应事先缠绕好胶带，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
带将在浆液的作用下脱落，使花孔贯通；花管安放好后，在花管上部周围分层捣实织物、垫
土，从而实现止浆封孔；
4)注浆
进浆管、回浆管、花管全部安装完毕后，关闭回浆阀门，并依次打开花管阀门、进浆阀
门，开始注浆；注浆过程中时刻注意注浆压力，若超过0.35MPa，及时打开回浆阀门卸载至
0.25MPa以内；
5)终注
若安装流量计，采用如下两种终注条件之一：
a、先序孔终注压力达到0.2～0.25MPa，进浆量不大于40L/min，维持30min；
b、单孔注浆量达到3m3，且进浆量不大于40L/min时；
如果没有安装流量计，采用如下终注条件：
连续3次注浆压力超过0.4MPa再打开回浆阀门卸载至0.25MPa后，95％以上的水泥浆都
通过回浆阀门(6)回浆，只余下不到5％的水泥浆继续流经花管阀门(7)进浆，视为满足终
注条件。
本发明进一步的改进在于：注浆完成后立即拔出花管，以防浆液在花管中凝固；拔出花
管后留下的孔洞，及时用水泥浆或者C15混凝土封孔。
本发明进一步的改进在于：还包括后序孔施工工艺：
后序孔施工工艺与前序孔施工工艺的步骤1)至5)基本相同，不同之处在于：
步骤1)中后序孔在先序孔中间布置，，且较先序孔(16)进一步加深孔深1.0～2.0m以
接近溶洞顶板；
步骤4)中注浆过程中应时刻注意注浆压力，若超过0.4MPa，及时打开回浆阀门卸载至
0.3MPa以内；
步骤5)中若安装流量计，采用如下两种终注条件之一：
a、后序孔17终注压力达到0.25～0.3MPa，进浆量不大于40L/min，维持30min；
b、单孔注浆量达到3m3，且进浆量不大于40L/min时；
步骤5)中如果没有安装流量计，采用如下终注条件：
连续3次注浆压力超过0.4MPa再打开回浆阀门6卸载至0.3MPa后，95％以上的水泥浆都通
过回浆阀门(6)回浆，只余下不到5％的水泥浆继续流经花管阀门(7)进浆，视为满足终注
条件。
本发明进一步的改进在于：前后序孔施工工艺和后序孔施工工艺完成后，还包括效果检
查步骤：
A)异常孔分析
首先根据注浆施工中所记录的注浆压力P、注浆速度Q绘制相应的P-Q-t曲线；只要注浆
施工中P-t曲线呈上升趋势，Q-t曲线呈下降趋势，注浆结束时，先序孔(16)终注压力达到
0.2～0.25MPa，后序孔17终注压力达到0.25～0.3MPa，终注速度小于40L/min，那么，注浆效
果满足要求；若某些钻孔P-Q-t曲线出现异常情况，将其作为取芯检查孔和压水检查孔的备选
孔；
B)取芯检查
注浆结束至少14d后，浆液已基本定型，当场选取1个钻孔，在其附近0.5m～1.2m范围内
分别设置1个钻孔取芯检查孔，验证钻孔周围浆液的填充情况；
其中检查孔选在注浆量大、地层有疑问、P-Q-t曲线异常以及注浆过程中出现其他特殊情
况的部位；
C)动探检查
注浆结束至少14d后，当场从每个分段中选取1个钻孔，在其附近0.5m～1.2m范围内分别
设置1个标贯动探检查孔；钻进时遇粘性土、粉土和砂类土进行标准贯入试验，钻进时遇碎石
类土以及岩层的风化层进行动探试验；与注浆前对比，实测击数提高20％视为合格；
D)压水检查
标贯、动探检查结束后，在标贯动探检查孔内实行压水试验，通过压水试验对比注浆前
后覆盖土层透水率是否已经得到改善；若注浆后单位长度吸水量小于注浆前吸水量的50％～
80％，或者小于47Lu，且不存在漏水现象，判定达到注浆效果。
步骤2)中，若钻探数据丰富，对基岩面的起伏情况也有较为准确的把握，钻孔深度至基
岩面2.0～3.0m；若钻探数据有限，钻孔深度应至基岩面以上3.0m～5.0m。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用逐序加深法注浆施工工艺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。
将此逐序加深法注浆施工工艺及设备用于岩溶地区溶洞上覆土层注浆，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。
此外，从工艺的角度来讲，本发明所谓逐序加深法既达到了类似于分段注浆的效果，实
现了溶洞顶板附近土层的重点加固，又如同通长注浆那般便捷，无需埋设孔口管或是花管，更
无需反复钻进，工作量大为减少，工期大为缩短。
【附图说明】
图1为施工工艺流程图。
图2为钻孔布置图；其中图2(a)为平面图，图2(b)为断面图，图2(c)为钻孔群示意图。
图3为花管结构示意图。
图4为施工设备安装示意图。
其中，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、水泥稳定碎石基层；13、级配碎石
基层；14、路基；15、钻孔；16、先序孔17、后序孔。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图3及图4所示，本发明一种岩溶地区溶洞上覆土层逐序加深注浆施工设备，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、回浆管2、花管3分别安装有进浆
阀门5、回浆阀门6和花管阀门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的顶部连接进浆管1和回浆管2；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15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。
请参阅图1及图2所示，一种岩溶地区溶洞上覆土层逐序加深注浆施工工艺，包括先序孔
施工工艺和后序孔施工工艺；
一、先序孔施工工艺包括以下步骤：
1)布孔
先序孔16布孔间距一般不小于3.0m～4.0m，土层渗透率较低时应采用较小的孔距，反之
则采用较大的孔距。先序孔16布孔间距的选取应该依据土层透水性以及溶洞顶板厚度决定。
若分布砂类土、碎石类土等类型透水性较大的土，说明容易产生冲蚀塌陷，宜采用较小的布
孔间距，若分布粘性土、粉质粘土等类型透水性较小的土，则应采用较大的布孔间距；若溶
洞顶板厚度小于0.5m，说明可能存在开口型岩溶形态，宜采用较小的布孔间距，若溶洞顶板
厚度较大，则应采用较大的布孔间距。
2)钻孔
按布孔设计图中先序孔16的孔位，在岩溶地区溶洞上覆土层现场测放钻孔15孔位。钻孔
15孔位偏差不超过50cm，垂直度偏差不大于1％，开钻前必须保证机身平稳。场地平整并确保
排水通畅，准确测量钻孔前原始地面高程。当因避让管、线等客观原因需对孔位进行调整，
且距离大于50cm时，需报设计、监理单位核准。若钻探数据丰富，对基岩面的起伏情况也有
较为准确的把握，钻孔深度应至基岩面2.0～3.0m，以便封闭基岩面和上覆土层之间的界面，
同时还可以加固基岩裂隙；若钻探数据有限，钻孔深度应至基岩面以上3.0m～5.0m，以免在
潜孔钻钻进的过程中损坏溶洞顶板。
施钻时将钻杆对准所标孔位，钻孔15孔径一般不小于110mm，且进行统一编号，注明施
工次序。除先导地质孔外，一般注浆钻孔15均可采用风压式潜孔钻冲击回旋钻进，但应采取
有效措施，避免岩芯、钻渣等填堵裂隙等不利影响。若地层中大面积夹有砂层等易塌孔的土
层，宜跟进套管隔离砂层，套管直径一般不小于130mm。
若钻孔15深度较深，或者地层中富含地下水，尤其是在先序孔16的钻进过程中，可能会
影响空气压缩机返回钻渣，此时可将普通钻杆换为螺旋式钻杆，使钻渣沿钻杆螺纹返回。
3)安装注浆管
钻孔完毕，检查钻孔15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15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15深度，以免注浆不到
位。
花管3底部开有花孔10，花孔10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。
花管3安放好后，在花管3上部周围分层捣实织物8、垫土9，从而实现止浆封孔。传统的
液压、气压止浆塞只能用于完整岩层中，用于级配碎石层13、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。同时，封孔深度应深入级
配碎石层13以下0.2m，即可较好的解决级配碎石层13内串浆的问题。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。
4)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。孔口可以不安装流量计，但必须安装压力表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，以免压力过大导致水泥稳定碎石基层12拱起开裂。
5)终注
若安装流量计，采用如下两种终注条件之一：
a、先序孔16终注压力达到0.2～0.25MPa，进浆量不大于40L/min，维持30min；
b、单孔注浆量达到3m3，且进浆量不大于40L/min时；
如果没有安装流量计，采用如下终注条件：
连续3次注浆压力超过0.4MPa再打开回浆阀门6卸载至0.25MPa后，95％以上的水泥浆都
通过回浆阀门6回浆，只余下不到5％的水泥浆继续流经花管阀门7进浆，视为满足终注条件。
注浆完成后立即拔出花管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。拔出花管3后留下的孔洞，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15，而后恢复注浆。
二、后序孔施工工艺包括以下步骤：
后序孔施工工艺与前序孔施工工艺的步骤1)至5)基本相同，不同之处在于：
步骤1)中后序孔17在先序孔16中间布置，且较先序孔16进一步加深孔深1.0～2.0m以接
近溶洞顶板；
步骤4)中注浆过程中应时刻注意注浆压力，若超过0.35MPa，及时打开回浆阀门6卸载至
0.3MPa以内；
步骤5)中若安装流量计，采用如下两个终注条件之一：
a、后序孔17终注压力达到0.25～0.3MPa，进浆量不大于40L/min，维持30min；
b、单孔注浆量达到3m3，且进浆量不大于40L/min；
步骤5)中如果没有安装流量计，采用如下终注条件：
连续3次注浆压力超过0.4MPa再打开回浆阀门6卸载至0.3MPa后，95％以上的水泥浆都通
过回浆阀门6回浆，只余下不到5％的水泥浆继续流经花管阀门7进浆，视为满足终注条件。
特殊情况处理：
a、如出现串浆现象，应尽量同时对注浆孔和串浆孔进行注浆处理，否则至少应该阻塞
串浆孔。而在阻塞串浆孔的过程中发现，仅有少数串浆孔压力可以达到0.1MPa，往往又在数
分钟内回落至0MPa，效果不甚理想。因此，若具备条件，建议尽量对注浆孔和串浆孔同时进
行注浆处理。
b、对于先序孔16，若一次连续注浆3m3水泥浆后，注浆速率不减或压力不升高，建议间
歇反复注浆。一般间歇时间为4～6小时，一次的水泥注浆用量以2～3m3为宜。出现需间歇反
复注浆的情况时可反复注浆三次。对于后序孔17，由于周围先序孔16已形成注浆帷幕，吃浆
量将大为减少。
c、对于孔口冒浆，一般都是因为封孔不严实，此时应暂停注浆，再次捣实织物8、垫土
9，而后尽快恢复注浆，避免浆液在花管3中凝固。
前后序孔施工工艺和后序孔施工工艺完成后，本发明还包括效果检查步骤：
A)异常孔分析
首先根据注浆施工中所记录的注浆压力P、注浆速度Q绘制相应的P-Q-t曲线。一般而言，
只要注浆施工中P-t曲线呈上升趋势，Q-t曲线呈下降趋势，注浆结束时，先序孔16终注压力达
到0.2～0.25MPa，后序孔17终注压力达到0.25～0.3MPa，终注速度小于40L/min，那么，注浆
效果基本是可以满足要求的，地层也较为正常。若某些钻孔P-Q-t曲线出现异常情况，说明该
处土层支离破碎已形成通道，这很可能是开口岩溶形态的象征，需要特别留意，并作为取芯
检查孔和压水检查孔的备选孔。
B)取芯检查
注浆结束至少14d后，浆液已基本定型，可当场从每个分段中选取1个钻孔15，在其附近
0.5m～1.2m范围内分别设置1个钻孔取芯检查孔(即，0.5倍钻孔距)，验证钻孔15周围浆液的
填充情况。
一般来讲，开口岩溶形态附近土层较为支离破碎形成通道，有比较高的渗透率，注浆量
远超一般土层，还可能伴有其他特殊情况出现。因此，建议检查孔选在注浆量大、地层有疑
问、P-Q-t曲线异常以及注浆过程中出现其他特殊情况的部位。
C)动探检查
注浆结束至少14d后，可当场从每个分段中选取1个钻孔15，在其附近0.5m～1.2m范围内
分别设置1个标贯动探检查孔。钻进时遇粘性土、粉土和砂类土应进行标准贯入试验，钻进时
遇碎石类土以及岩层的风化层应进行动探试验。与注浆前对比，实测击数提高20％视为合
格。
D)压水检查
标贯、动探检查结束后，在标贯动探检查孔内实行压水试验，通过压水试验对比注浆前后
覆盖土层透水率是否已经得到改善。若注浆后单位长度吸水量小于注浆前吸水量的50％～80％，
或者小于47Lu，且不存在漏水现象，即可判定达到注浆效果。
本发明逐序加深法，即分为先序、后序2个次序，后序孔在先序孔中间布置，并在先序孔
的基础上加深孔深。从施工方法来看，这种逐序加深法十分类似于通长注浆，不同之处在于先
序孔主要起到降低浅层地层渗透率的作用，而后序孔又较先序孔进一步加深了孔深。这样，逐
序加深法既达到了类似于分段注浆的效果，实现了溶洞顶板附近土层的重点加固，又如同通长
注浆那般便捷，无需埋设孔口管或是花管，更无需反复钻进，工作量大为减少，工期大为缩短。
本发明尤其适用于深埋溶洞，这种类型溶洞的溶洞顶板所受附加应力较小，而上覆土层往往较
为软弱，一旦地下水位大幅度变化即有可能发生塌陷。将此逐序加深法注浆施工工艺及设备用
于岩溶地区溶洞上覆土层注浆，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。