喀斯特地质又称为岩溶，是指可溶性岩石（白云岩、石灰岩、硫酸盐类岩石等）以露出、掩埋和深埋等形式赋存的特殊地质^[1-2]. 中国的喀斯特地貌分布广泛，面积约为3.444×10⁶ km²，约占中国陆地面积的1/3^[3]，大多集中于国土的西南、东南部^[4]. 特别在滨海潮汐循环环境中，受岩溶地区特殊水文地质因素影响^[5-6]，岩溶地区施工建设极易遭遇突水突泥^[7-8]、矿山涌水^[9-10]、地面塌陷^[11-12]等重大地质灾害，不仅严重影响正常施工进度，还会造成重大经济损失甚至是人员伤亡.

注浆治理是常见的地质灾害治理手段. 岩溶地区表层第四系土层主要由粗砂、含砾粗砂、泥质砂土、砂质黏土、黏土及淤泥等松散堆积物组成，造成其拥有区别于其他地区软土层更为显著的特点：孔隙率大、矿物亲水性好、自重固结差、承压低、抗渗性差以及遇水软化和泥化，在岩溶地区地质灾害注浆治理过程中常出现地表隆起、地面溢浆问题. 如何实现岩溶上覆土层的有效注浆加固已成为岩溶地质灾害施工治理的关键基础问题. 国内外相关学者对松软土层及相似地层的注浆加固工艺和效果进行了相关研究. 朱耀庭等^[13]基于岩溶区域溶洞上覆土层的基础概况，提出新型逐序加深注浆工艺及其施工技术要点，同时与传统的孔口管注浆工艺、袖阀管注浆工艺进行比较并深一步验证了注浆成果. 刘妍等^[14]利用袖阀管注浆技术对民用建筑粉土地基进行注浆现场试验，结果显示被注粉土层承载能力显著提升. 为了研究注浆对岩溶充填黏土的加固机制与效果，刘奇等^[15]利用试验系统模拟岩溶腔体真实赋存环境，开展充填黏土在不同初始密实度、注浆压力下的注浆试验，并对注浆加固试样进行力学、渗透特性试验. 张健等^[16]针对全风化花岗岩注浆治理工程中的浆液选型及注浆参数调控问题，通过注浆模拟试验，对水泥浆液和水泥-水玻璃浆液的加固效果进行对比分析研究. 对于岩溶地区表层松软土层的注浆加固研究，大多集中于注浆工艺、注浆材料以及相似地层的注浆加固等单一方面，针对岩溶地区表土层的注浆加固方面鲜有报道，尤其是在滨海潮汐作用导致渗流水头变化的特殊环境下，如何实现岩溶表层松软土层的高效加固，在注浆技术、注浆材料以及加固效果验证等方面仍缺乏成套系统的理论和技术方法.

本研究依托华润水泥（合浦）有限公司首采矿区治水工程，对岩溶上覆土层进行注浆加固，形成致密上部盖体，以承受深部岩溶管道注浆封堵过程中较大的注浆压力. 以矿区周边松软土层为研究对象，考虑滨海潮汐渗流水头变化的特殊因素，选用工程常用水泥-水玻璃双液浆（C-S浆液）作为注浆加固材料，利用2种注浆控制工艺、3种试验方法，通过室内模型试验的方式对岩溶矿山表层松软土层进行注浆加固试验研究，以期为我国类似工程地层加固治理提供一定的理论基础和注浆经验技术.

华润水泥（合浦）有限公司首采区石灰石矿（以下简称合浦矿山）位于广西北海市合浦县，为露天开采的凹陷式矿山. 该矿区三面环海，受特殊区域位置及气候环境影响，属于滨海岩溶地区. 合浦矿区内岩溶构造发育主要表现为岩溶裂隙、溶洞溶腔. 岩溶裂隙、管道导水构造多存在于灰岩地层，沿岩层层面或节理裂隙面发育，主要发育在地层−40 m标高处，错落分散在灰岩中. 矿区地表为第四系表层土，土质松软，遇水泥化、软化，具有抗渗性差、承压能力弱的特性. 如图1所示，在合浦矿山涌水注浆治理过程中，上表土层极易出现地面开裂、跑浆问题，一定程度上影响矿山涌水治理效果. 合浦矿山在特殊岩溶发育条件下受海水侧向渗流补给影响严重，宏观表现为矿区内部涌水点出水与周边滨海潮汐水位具有相似的变化趋势，且前者涌水峰值明显滞后于潮汐高潮时间点，受滨海潮汐影响作用显著，如图2所示. 图中h为矿区所在铁山港的潮位，q_V为涌水点的体积流量.

以广西华润水泥合浦有限公司首采区周边岩溶表层松软土层为研究对象，以原土层密度、水的质量分数以及颗粒级配等特性参数为依据，重塑合浦岩溶矿山第四系表层土，通过室内模型试验的方法开展注浆加固试验. 随机选取合浦矿区周边不同埋深层位剥离土，依据文献[17]，测试土样干密度为1.67 g/cm³、水的质量分数为15.3%、抗压强度为0.19 MPa. 岩溶矿区周边土样物理力学性质，土体天然密度ρ=1.53 g/cm³、比重G_s=2.55、孔隙比e=0.9、塑限W_p=13%、液限W_L=30%. 土样颗粒级配情况如图3所示. 图中，w_B为不同颗粒质量分数，d为颗粒直径. 依据本研究的土体颗粒级配曲线，获得特征粒径值，即限定粒径d₆₀=0.75 mm，中值粒径d₃₀=0.12 mm，有效粒径d₁₀=0.05 mm. 其中d₆₀、d₃₀、d₁₀分别表示小于特定粒径质量占土体总质量的60%、30%、10%）. 土体的不均系数C_U与曲率系数C_C分别为

(1) $ {C}_{\text{U}}={d}_{60}\text{/}{d}_{10}=15. $

(2) $ {C}_{\text{C}}={\left({d}_{30}\right)}^{2}/\left({d}_{10}{d}_{60}\right)=0.4 .$

依据文献[18]，当同时满足C_U≥5、C_C=1.0~3.0时，土的级配良好. 土体不均匀系数一般大于1.0，愈接近于1.0，表明土愈均匀. 此外，土工试验结果显示该土属于粉质黏土，因此最终确定该土为不良级配的不均匀粉质黏土.

选用注浆加固材料为水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆(C-S双液浆). 水泥单液浆水灰比选用工程常用的3个配比，分别为0.7∶1、1.0∶1、1.5∶1；C-S双液浆中水泥单液浆水灰质量比固定为1∶1，根据材料性能特点选取水泥-水玻璃体积比为1∶1. 水泥为广西润丰水泥厂生产普通硅酸盐水泥（P.O.42.5），水玻璃规格为波美度Be′=30，模数M=3.0. 水泥单液浆和C-S双液浆的基本物理力学性能测试结果如表1所示. 表中，r_w/c为水灰质量比，t_i为初凝时间，t_f为终凝时间，p为抗压强度.

基于山东大学自主研发的三维注浆模拟试验系统^[19-20]，结合已有的研究成果，依据合浦矿山特殊客观施工环境，设计注浆模拟试验系统并开展室内注浆模拟试验. 注浆模拟试验系统主要由3个部分构成：被注土层重塑装置、岩溶滨海环境侧向渗透系统和注浆操作系统，具体如图4所示.

合浦矿山三面环海，岩溶矿区软土层注浆加固地点到南部海湾的直线距离为10 m，软土层受潮汐海水侧向渗流影响严重. 矿区岩溶水文地质条件复杂，经前期水文探查孔分析，地层由上及下分别为第四系松散表层土（厚度平均为6 m）、石灰石岩（厚度大于80 m），灰岩中随机分布溶洞及导水裂隙构造. 以合浦特殊客观施工环境为设计依据，为了模拟地下工程中浅层松散土层注浆加固、深部溶洞裂隙发育、侧向滨海潮汐动态渗流的地质特点，将试验主体装置设计为“侧向渗流、顶部注浆”，详细数据如表2所示. 表中，L为长；Φ为直径；H为高.

被注土层重塑装置由上向下分为反力装置、被注土层腔体以及底部固定架3个结构单元，每个结构单元均按照设计要求加工制备，保证试验装置密封承压要求. 底面封板均布设透水微孔，保证诱导注浆加固效果的相同性. 底板透水微孔充当排水孔，以“侧向渗流、底部渗水”为标准对滨海岩溶表土层侧向潮汐渗流环境进行模拟.

岩溶滨海区域侧向渗透系统由空气压缩机、储水桶、稳压供水腔、压力表等构成. 参考前期矿山水文地质资料，表土层平均深度约为南部海湾深度的3倍，据此设计滨海区域侧向渗透系统直接作用深度为被注土层高度的1/3，即自顶部至30 cm长度均分为3个渗流孔.

潮汐渗流压强设置依据：经前期水文钻探、物探勘察，本区域导水构造主要发育在地层−40 m标高处，以涨退潮地下水位与导水通道高程差为渗流压强设置依据，简化模拟滨海潮汐渗流环境. 退潮时海湾中基本呈无水状态，测得帷幕设置区域外地下水位为−38 m，此时矿区内涌水达到最小，外界水环境造成2 m水位差，基于设备控压精确程度的影响，简化退潮时水环境造成的水压（以下称渗流压强）为0 MPa. 中潮时，海湾中海水水位达到0.5 m，帷幕设置区域外地下水位为−21 m，此时矿坑涌水上升，外界水环境造成19 m水位差，故简化中潮时水环境造成的渗流压强为0.2 MPa. 高潮时，海湾中海水水位达到最高约2 m，帷幕设置区域外地下水位为−5 m，此时矿坑涌水量达到最大，外界水环境造成35 m水位差，故简化高潮时水环境造成的渗流压强为0.4 MPa. 综上，退潮、中潮、高潮时的渗流压强分别设计为0、0.2、0.4 MPa. 此外，稳压供水腔可调压强范围为0~1.7 MPa，最小调节精度为0.1 MPa，满足滨海潮汐渗流环境模拟试验的要求.

注浆系统包括压力监测装置、浆液输送装置、双液高速注浆泵和浆液搅拌装置.

前进式注浆和定点式注浆是注浆过程中较为常用的2种注浆工艺. 定点式注浆为固定埋深点后进行正常注浆作业的注浆方法，该方法操作简单，但注浆加固效果一般. 前进式注浆为固定注浆间隔距离有序组织注浆施工技术，该方法注浆效果好，但注浆工序烦琐，并伴有浆液浪费且塌孔、废孔的风险.

为了减少试验误差，试验采用重塑土，将土料经过风干、碾压、过筛等工序，配置成水的质量分数为15.3%的重塑土，并将土样装入到模型中，采用击实法控制土样的密度及初始强度，土体的整体结构性较好，更为贴近现场实际工况.

结合以往工程现场注浆经验，试验采用前进式注浆工艺以及定点注浆工艺2种技术. 前进式注浆工艺起始位置为埋深30 cm处，每序次前进15 cm，最终注浆位置为埋深60 cm处，每序次注浆达到注浆结束标准后停止注浆，间隔5 min进行下一序次注浆段的注浆. 定点注浆工艺包括2种注浆方法，即分别在埋深30 cm与60 cm处进行松软土层注浆加固试验，注浆压力达到设计压力时停止注浆. 注浆速率控制为4 L/min，注浆终压为0.8 MPa. 设定在0~30 s的注浆停止过程中压力回落小于0.05 MPa为注浆结束标准. 注浆终止后，将试验主体装置静置5 h，随后对不同侧向渗流条件下不同注浆施工方法的注浆效果进行定量分析.

为了对试验结果进行系统分析对比，进一步减小模型边界对试验效果的影响，选取被注土层中间位置（埋深45 cm处）截面，进行不同注浆工艺条件下的被注土体浆脉分布规律研究. 试验取样主要集中于距离被注介质中心7 cm处无浆脉分布区域（浆脉压密土体区域），垂直埋深区间分别为[10，20]、[40，50]和[70，80] cm. 单轴抗压试验试样与湿化试验试样的取样位置如图5所示.

当侧向渗透水压为零（潮汐退潮环境下）时，在埋深30 cm处定点注浆、埋深60 cm处定点注浆以及前进式注浆试验条件下（3种注浆方法分别简称为P30注浆法、P60注浆法和多点注浆法），埋深45 cm土层截面处表面浆脉分布规律如图6所示. 可以看出，使用3种注浆方法注浆后被注土体浆脉均呈现错乱劈裂扩散，没有明显指向规律；随着注浆深度及注浆序次增加，浆脉宽度的增加趋势明显.

如图7所示，在侧向渗透水压0.2 MPa的潮汐半潮环境注浆结果中可以看出，3种注浆方法注浆后被注浆体浆脉宽度及数量呈现增加趋势，尤其是在P60注浆和多点注浆方法试验条件下，浆脉中间浆泡体积增加，浆泡的压密效果显著；随着次生浆脉宽度及密度增大，被注土层局部区域出现脉渔网状劈裂浆脉. 在侧向渗透水压0.4 MPa的潮汐高潮环境注浆结果中可以看出，3种注浆方法注浆后被注浆体浆脉宽度及数量进一步增加，均表现为中部浆泡压密土体、局部网络交叉型劈裂浆脉双重挤密的作用；受滨海区域侧向渗流影响，浆脉多集中在渗流作用区；随着注浆深度及注浆序次增加，浆泡压密和骨架支撑的作用明显. 由于侧向渗流区土层颗粒遇水软化，浆液劈裂指向性明确，试验过程中有串浆、溢浆的情况.

为了量化松软土层注浆加固效果，明确3种注浆试验方法对不同埋深土层的注浆作用范围及加固效果，在侧向渗透水压动态变化条件下，即在潮汐退潮、半潮、高潮环境模拟下，分别对[10，20]、[40，50]和[70，80] cm埋深区间内的被注土层进行取样和承压能力的分析，试样取样过程及标准试样如图8所示.

如图9所示为侧向渗透水压动态变化条件下，3种注浆试验方法对被注土层不同深度试样承压能力作用规律. 图中p为单轴抗压强度，D为埋深. 从图宏观分析得到，在不同潮汐环境及注浆技术影响下，被注土层不同深度试样承压能力均有不同幅度的提升，说明注浆技术对滨海岩溶上表软土层起到了积极有效的注浆加固效果；在相同潮汐环境作用下，前进式注浆技术加固效果优于其余2种注浆方法，且在相同注浆技术试验条件下，高潮环境下注浆加固承压效果最优. 还可得到，当侧向渗流压强为零，即模拟潮汐退潮环境下，P30注浆法加固效果随着被注土层埋深的增加而降低，方法在15、45、75 cm埋深的被注土层注浆提升效果分别为68.4%、43.2%、5.3%，深埋土层加固效果较低，表明该注浆技术具有较强的空间加固区域性. P60注浆法和多点注浆法在15、45、75 cm埋深的注浆加固效果分别为186.3%和196.8%、165.8%和182.1%、153.7%和166.8%，前进式注浆技术具有显著的注浆加固效果. P60注浆法和多点注浆法在不同埋深区间效果提升幅度分别为17.9%和10.5%、22.6%和16.3%、46.8%和13.2%，表明P60注浆法在土层加固方面具有显著的强度增强速率. 在滨海潮汐的半潮以及高潮单一环境中，P60注浆法表现出相同的作用规律. 在埋深60 cm定点注浆技术试验条件下，半潮环境相比退潮环境以及高潮环境相比半潮环境，两者在15、45、75 cm埋深注浆提升幅度分别为4.2%和2.6%、6.3%和3.2%、6.3%和4.2%，表明潮汐半潮环境中被注土层承压能力的增速效果最优. 在埋深30 cm定点注浆和前进式注浆2种施工条件下，潮汐半潮环境土层注浆承压能力均表现出相同的最优增速效果.

根据加固体崩解试验过程特征，为了量化被注软土层崩解速率，结合前期试验经验规定，试样崩解率达到90%所用的时间作为有效崩解时间t_ed. 在不同滨海潮汐循环变化模拟过程中，3种注浆技术在[10，20]、[40，50]和[70，80] cm埋深区间的注浆加固体试样有效崩解时间变化如图10所示. 可以看出，在相同潮汐变化环境中，以被注土层水稳定特性为分析依据，3种注浆方法加固效果：多点注浆法> P60注浆法> P30注浆法，而且有效崩解时间与土层埋深成反比. 在不同潮汐变化环境模拟条件下，P60注浆法加固土层的有效崩解时间增速最大. 以潮汐半潮环境为例，P60注浆法和多点注浆法在15、45、75 cm埋深的被注土层有效崩解时间分别延长180和110 s、350和160 s、800和150 s，其他潮汐变化环境中也表现同样的变化规律. 在埋深60 cm定点注浆技术作用下，半潮环境相比退潮环境以及高潮环境相比半潮环境，两者在15 cm埋深的被注土层有效崩解时间分别延长88 和55 s，45、75 cm埋深的试样分别延长107和96 s、104和83 s，表明在潮汐半潮环境注浆后土层水稳特性增速最大，与图9表现出相同的变化趋势.

在潮汐半潮及高潮试验条件下，45 cm埋深区间试样在3种注浆技术加固下的崩解率时变特征图如图11所示. 图中，R_d为崩解率，t_d为崩解时间. 由图得出，P60注浆法加固土层的水稳定性增速最大. 原因是在埋深60 cm定点注浆条件下，被注土体中浆脉多表现出单一粗大与网络交叉构形，对土层形成浆泡压密和骨架支撑双重作用，增加土粒之间的紧密程度，大幅减少土体孔隙率，提高土体水稳特性. 前进式注浆条件下，浆液注入工序增加，对土体压密作用显著，但注浆效果增幅速率较P60注浆法略有降低，这与图9、10所得规律相似.

本研究以工程应用为背景，通过室内模型试验的方法模拟滨海潮汐动态变化，以岩溶上表松软土层为研究对象，探究2种注浆工艺3种注浆方法对松软土层的注浆加固效果. 通过被注土层浆脉分布规律及试验结果得到，前进式注浆技术对土层加固效果最佳，P60注浆法拥有最大的注浆效果增幅速率. 分析原因：浆液受土层颗粒阻力影响，P30注浆法呈现单一状浆脉分布，其对浅部土体加固效果良好，深部土体受浆脉挤密效果差. P60注浆法浆脉对土体表现出中间浆泡压密和局部骨架支撑的双重注浆作用，大幅降低了土层孔隙率，增强了土颗粒之间黏结能力；该注浆技术操作简单，被注土体加固效果增幅高达46.8%，加固效果显著. 前进式注浆技术由于多序次注浆，被注土体内部浆脉多样且分布良好，注浆效果优异；该注浆技术具有重复钻进、耗材量大的缺陷，同时附有塌孔、掩孔的风险.

在滨海潮汐退潮、半潮、高潮模拟作用下，高潮环境表现出较好的注浆加固效果，但半潮环境注浆作用下，被注土层注浆加固效果在承压增率及水稳增幅方面分别提升6.3%和107 s，优于高潮环境下注浆效果. 这是由于1）在半潮侧向水头渗流过程中，渗流水对被注土层小颗粒产生运移作用，携带小颗粒从底板排水微孔流出，增加了土层孔隙率，为浆脉扩展延续提供空间，增加了注浆双重挤密效果；2）松软土层遇水包裹后，颗粒之间黏结力降低，土层颗粒软化、泥化严重，颗粒体积减小，空隙间距增大，浆液起劈压力降低，扩散形态多样. 在高潮高压渗流运移条件影响下，土体泥化程度严重，浆脉在最大化延展的情况下，常发生溢出现象，造成浆液浪费，浆液扩散机理示意图如图12所示. 因此，综合考虑被注土层加固效果及施工工艺和技术要求，潮汐半潮环境下P60注浆法既能够满足工程需求，又能节约工程成本、降低施工难度，有效提高注浆加固效率.

根据室内模型试验结果，在半潮施工环境下，埋深60 cm处定点注浆可获得最大的注浆效果增幅速率，满足注浆加固要求. 因此，现场注浆工艺采用定点注浆技术，注浆套管埋深为表土层平均深度的2/3处，即在表土层4 m埋深处进行定点注浆，注浆时间段选为滨海潮汐半潮阶段.

由于矿区周边多为第四系表层土，承压能力弱，在注浆时采用低压模式“中部浆泡挤密+局部劈裂支撑”的加固方式进行治理. 为了防止串浆和浆液的损失，采用隔孔注浆方式，保证表土层注浆加固质量. 注浆材料以水泥-水玻璃为主，水泥常用水灰质量比范围为1.5∶1~1∶1，双液体积比常用为1∶1. 在表土层注浆加固过程中，初始终压控制在0.6~0.8 MPa，超过0.8 MPa后地面会出现跑浆现象；注浆速率保持在35~60 L/min，避免因压力激增导致地表开裂和跑浆问题. 此外，具体浆液配比及注浆终压控制还应根据注浆压力增速实况、浆液消耗情况、揭露围岩稳定性等多因素实时调整.

在滨海岩溶表土层注浆加固区内布设效果验证检查孔J1、J2，利用水泥单液浆对检查孔进行注浆试验，通过记录检查孔孔口压力随注浆时间的动态变化过程，分析定埋深注浆工艺对表土层的加固效果. 由于受注浆泵速影响，孔口压力表处于跳动状态，特选取最大值与最小值和的平均值作为孔口压力. 如图13所示，随着注浆作业的进行，检查孔孔口压力逐渐升高，且增幅变大. 图中，p_G为注浆压力，t_G为注浆时间. 当注浆压力超过1.5 MPa时，出现地面跑浆，孔口压力下降，表土层承压能力增长约87%，符合注浆加固要求.

（1）侧向变压水头模拟的潮汐退潮、半潮以及高潮3种不同注浆环境在注浆过程中分别呈现“中间浆泡挤密”、“中间浆泡挤密+局部劈裂浆脉双重挤密”以及“中部浆泡压密+局部网络交叉型劈裂+局部溢浆”的浆脉扩展模式，且潮汐半潮及高潮环境下浆脉分布多样，注浆挤密效果突出.

（2）埋深60 cm处定点注浆技术在承压能力及水稳特性提升方面具有最大的增幅，其中抗压强度最大增幅为46.8%，水稳特性增幅为800 s. 综合考虑注浆加固效果、施工工序、材料消耗及施工安全等因素，将半潮环境下埋深60 cm处定点注浆作为滨海岩溶上表软土层的注浆加固方案.

（3）将试验获得的最优注浆方案类比现场工程实际，确定现场注浆工艺采用半潮时段定点注浆技术，注浆深度为表土层平均深度的2/3处. 通过检查孔p-t曲线验证了技术的有效性，为我国类似地层加固治理提供一定的参考.

（4）本研究根据现场实际潮水位定量选用3种渗压值来表示不同潮位环境，简化了潮汐水位动态波动的影响，下一步将更加细化研究不同注浆材料和潮汐波动周期对注浆效果的影响.