既有鐵路覆蓋型巖溶路基病害整治的勘察設(shè)計

劉好正

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

1 工程概況

浙贛鐵路始建于1899年,全長914.146 km。由于建設(shè)年代久遠(yuǎn),技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、列車速度慢,運(yùn)輸能力日趨緊張,制約了沿線區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為此,2003年浙贛線開始電氣化改造工程勘察設(shè)計。既有浙贛鐵路巖溶地段路基塌陷病害一直是危及行車安全的重大隱患之一。2006年,受南昌鐵路局委托,我院對部分未改建地段巖溶路基工程進(jìn)行了勘察設(shè)計,勘察范圍為浙贛鐵路分宜至蘆溪(K769+540～K824+382)段,設(shè)計時速140 km,共計45.686 km。

浙贛線分宜至蘆溪段位于贛西地區(qū),地勢總的特點(diǎn)是西高東低。袁水河南側(cè)為羅霄山脈北端之武功山地區(qū),是該區(qū)南北向的分水嶺,袁水河北岸以低山和丘陵為主。既有浙贛鐵路以淺挖、低填形式通過江西省新余市、宜春市和萍鄉(xiāng)市轄區(qū)。

根據(jù)工務(wù)部門的記錄和本次勘察資料,分宜至蘆溪段既有路基巖溶地面塌陷病害主要分布在分宜、彬江、下浦,以及宜春、王華、西村一帶,其余地段也有零星分布。

2 覆蓋型巖溶路基勘察[1]

2.1 勘察過程和勘察方法

浙贛線分宜至蘆溪段巖溶路基整治勘察工作于2006年4月開始,至2006年6月完成?？辈旃ぷ鞣椒ㄖ饕校旱刭|(zhì)測繪(1/2000地質(zhì)測繪,重點(diǎn)地段采用大面積地質(zhì)測繪)、物探(電法、地震法)、鉆探和水土巖石試驗(yàn)等。全段物探采用兩條電法測線貫通,部分地段補(bǔ)充了地震測線。在地質(zhì)測繪和物探成果綜合分析的基礎(chǔ)上,針對不同地貌單元、不同地層和物探異常區(qū)的分布特征,在路基兩側(cè)按不同的間距布置鉆孔?？辈炱陂g,調(diào)查訪問了彬江鎮(zhèn)自來水公司、宜春青能科學(xué)研究院抽水井、宜春麻紡廠抽水井、宜春肉聯(lián)廠抽水井、宜春火車站抽水井、盛源水泥廠抽水站等單位,收集到6個大口徑抽水機(jī)井資料。通過地質(zhì)綜合勘探成果的互相驗(yàn)證和綜合分析,基本查明了沿線的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水類型、巖溶發(fā)育特征等。

2.2 工程地質(zhì)條件

(1)地層巖性

浙贛線分宜至蘆溪段沿線地層有石炭系下統(tǒng)和中、上統(tǒng),二疊系下統(tǒng)茅口組和上統(tǒng)龍?zhí)督M以及第四系地層。其中：石炭系下統(tǒng)大塘階薄層至厚層狀灰?guī)r,石炭系中上統(tǒng)中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、溶崩角礫巖、硅質(zhì)灰?guī)r,二疊系下統(tǒng)茅口組厚層狀灰?guī)r分布的地段為主要的巖溶路基段落；上述分布地段表層的第四系全新統(tǒng)沖、洪積粉質(zhì)黏土夾碎石層中一般土洞發(fā)育,特別是下伏為粗圓礫土、細(xì)圓礫土以及礫砂層時。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

浙贛線分宜至蘆溪段位于北東東向萍(鄉(xiāng))—樂(平)坳陷帶 (復(fù)式向斜)西段,褶皺、斷裂較為發(fā)育。袁水河所經(jīng)地區(qū)為袁水復(fù)式向斜,大致分布于萍鄉(xiāng)—宜春—分宜—豐城一線,基本平行于袁水河河谷,并貫穿浙贛線分宜至蘆溪全段。分宜至蘆溪段的主要斷裂為萍鄉(xiāng)—廣豐深斷裂,大致沿浙贛線分布,沿線斷續(xù)發(fā)育數(shù)十米或數(shù)百米的硅化破碎帶及一系列規(guī)模不等、平行排列的逆沖或斜沖斷層。受上述地質(zhì)構(gòu)造影響,沿線巖體破碎,為可溶巖地區(qū)的巖溶發(fā)育提供了有利條件。

(3)水文地質(zhì)條件

浙贛線分宜至蘆溪段地表水系發(fā)育,主要河流為袁水河及其支流,其支流源于山間谷地,形成密集的樹枝狀水網(wǎng),河水位與降雨關(guān)系密切。袁水河最高水位75.32 m,最低水位69.63 m(茅州水文站統(tǒng)計資料)。其水位變化也影響地下水位的變化,而變化范圍在既有浙贛線所經(jīng)區(qū)段大多在基巖面上下3～5 m范圍之內(nèi),有利于地面塌陷的形成和發(fā)展。

沿線地下水有三種類型：即表層松散層孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水。

松散層孔隙水：主要分布于分宜至蘆溪袁水河河曲發(fā)育地段,含水層為第四系沖、洪積層?？看髿饨邓偷蜕角鹆甑幕鶐r裂隙水補(bǔ)給,與巖溶水互補(bǔ),向袁水河谷排泄或以上升泉的形式排泄。

碳酸鹽巖類巖溶水：主要分布于分宜至西村間灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r地區(qū)。根據(jù)收集的8孔抽水試驗(yàn)資料,不同巖性組合,涌水量變化較大,水量較大的自流井,抽水降深2.05 m,涌水量達(dá)3 924.98 t/d。沿線調(diào)查泉水7處,其中銅鼓廟泉水最大流量29.49 L/s,日涌水量2 548 t。巖溶水主要通過潛水補(bǔ)給。

基巖裂隙水：主要分布于西村至宣風(fēng)間低山丘陵區(qū),根據(jù)本次勘察實(shí)測的3處泉水,日涌水量小于30 t。基巖裂隙水主要靠大氣降水補(bǔ)給,側(cè)向排泄(補(bǔ)給)潛水和巖溶水。

(4)沿線地下水開采情況

沿線地下水開采多為民用壓水井,但局部地段也有機(jī)井大量開采地下水。K781+480右25 m彬江鎮(zhèn)銅鼓廟村抽水井,抽水量800～1000 t/d；K794+680左180 m宜春麻紡廠抽水井,抽水量300～400 t/d；K795+507左304 m宜春肉聯(lián)廠抽水井,抽水量800～900 t/d,高峰時1600 t/d,抽水房外地面已塌陷；K797+895左62 m宜春車站泉水抽水井,抽水量1 760 t/d,水井護(hù)壁及圍墻開裂,地面下沉；K814+025左300 m盛源水泥廠抽水井,抽水量140t/d。在既有鐵路附近長期大量開采地下巖溶水是地面塌陷發(fā)生的重要影響因素。

2.3 既有線巖溶塌陷情況

根據(jù)收集的臺賬資料和勘察調(diào)查,浙贛線分宜至蘆溪段既有巖溶路基病害情況如表1所示。

表1 既有線塌陷病害一覽

由以往調(diào)查可知：分宜至西村間是巖溶地面塌陷易發(fā)地區(qū)。

2.4 覆蓋型巖溶區(qū)工程地質(zhì)評價

(1)巖溶路基塌陷機(jī)理分析

覆蓋型巖溶區(qū)地面塌陷可分為三種情況：①覆蓋層土洞坍塌導(dǎo)致地面塌陷；②巖溶洞穴頂板垮塌導(dǎo)致地面塌陷；③土洞坍塌和巖溶洞穴頂板同時垮塌導(dǎo)致地面塌陷。分宜至蘆溪段已發(fā)生的地面塌陷或可能發(fā)生的地面塌陷多屬于第一種情況,也是比較常見的一種地質(zhì)災(zāi)害。該種地面塌陷從形成機(jī)理分析,是土體在滲流作用下的破壞,即土體的滲透變形問題。形成地面塌陷的基本條件是：地層結(jié)構(gòu)、巖土性質(zhì)和地下水動力條件,(列車)振動是不可忽視的誘發(fā)因素。根據(jù)本測段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,對覆蓋型巖溶區(qū)地面塌陷的影響因素分析如下。

地形地貌的影響：沿線多數(shù)地段路基兩側(cè)地勢有明顯差異,一般左側(cè)為低丘或高階地地貌,右側(cè)多為袁水河一級階地,地形總體上有左高右低的特征,其橫向坡度多在1%～10%之間。地面橫坡引起地表、地下水由線路左側(cè)向線路右側(cè)袁水河方向排泄,地下水水力坡度較大,一般大于3%,容易引起土體的潛蝕,造成細(xì)顆粒土流失,形成空洞(如圖1)。

圖1 分宜至蘆溪段地形橫向坡度示意

第四系覆蓋層厚度的影響：第四系覆蓋層越薄,特別是黏性土層越薄,巖溶塌地面陷越容易發(fā)生。覆蓋層薄一方面有利于地表水和覆蓋層中的孔隙水下滲,當(dāng)?shù)叵滤畡恿l件改變時,地下水活動加速了覆蓋層的潛蝕作用,一旦下部發(fā)生潛蝕并形成土洞,隨著壓力拱不斷向上發(fā)展,直至破壞而形成地面塌陷。覆蓋層薄,壓力拱難以形成,因此地面塌陷也越容易發(fā)生。分宜至西村段,鉆孔揭示的覆蓋層厚度多在3～15 m,所以巖溶地面塌陷容易發(fā)生。

可溶巖的影響：測段內(nèi)分宜至西村(K769～K815)之間,廣泛分布有石炭系和二疊系茅口組厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖等可溶巖地層。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,沿線巖體破碎,巖溶發(fā)育,平均線巖溶率達(dá)33%,最大的溶洞11 m,一般為1～2 m,為地下水活動和運(yùn)移物質(zhì)的積存提供了有利條件。

開采地下水的影響：長期大量抽取地下巖溶水,使得地下水動力條件發(fā)生了很大變化。引起地下水水力坡度增大,地下水的潛蝕能力增強(qiáng),從而加速了土體的潛蝕。

地下水動力條件影響：既有浙贛線分宜至蘆溪段大部分線路沿袁水河而修建,袁水河屬山間河流。其水位隨降雨量驟升驟降的變化影響地下水位的變化,從而促使上覆土層潛蝕。

(2)巖溶路基穩(wěn)定性病害整治評價

根據(jù)上述影響覆蓋型巖溶區(qū)地面塌陷發(fā)生的因素分析,依據(jù)地形地貌、第四系覆蓋層的特征、巖溶發(fā)育特征、地下水開采情況、地下水動力條件等,并結(jié)合既有地面塌陷情況,對測段覆蓋型巖溶區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評價,穩(wěn)定性可分三種類型。

不穩(wěn)定區(qū)：地面塌陷隨時可能發(fā)生,危及行車安全,應(yīng)盡快進(jìn)行整治。該類型共計 10段,總長7.29 km。

較不穩(wěn)定區(qū)：該區(qū)在外部影響因素不發(fā)生重大變化的情況下,發(fā)生地面塌陷的機(jī)率較小,但存在地面塌陷的可能性。該種類型共計12段,總長14.13 km。

相對穩(wěn)定區(qū)：在外部影響因素不發(fā)生重大變化的情況下,一般不會發(fā)生地面塌陷。該種類型共計27段,總長24.26 km。

3 覆蓋型巖溶路基病害整治設(shè)計[2]

3.1 設(shè)計范圍和工程措施

本著“輕重緩急、分期投資”的原則,對浙贛線分宜至蘆溪不穩(wěn)定地段(總長7.29 km)先期整治,以確保行車安全。

為防治巖溶路基塌陷,經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析比較,采用鉆孔壓力注漿措施進(jìn)行路基加固。

3.2 巖溶注漿加固原理

通過壓力注漿充填土洞和灰?guī)r頂部的溶洞、溶蝕裂隙,加固土體,改善土體的工程性質(zhì),隔斷地表水與地下水、孔隙水與巖溶水之間的水力聯(lián)系,杜絕土體潛蝕的發(fā)生,從而達(dá)到防止地面塌陷的發(fā)生。

3.3 注漿參數(shù)設(shè)計

(1)漿液擴(kuò)散半徑

漿液擴(kuò)散半徑?jīng)Q定了注漿孔的布置,因此它的正確合理選取對于控制注漿工程質(zhì)量和控制工程造價非常重要。若選用的半徑不符合工程實(shí)際情況,將會影響注漿效果,進(jìn)而達(dá)不到壓力注漿加固巖溶路基的目的。本工程設(shè)計擴(kuò)散半徑根據(jù)Maag(1938)推導(dǎo)出的球形擴(kuò)散理論滲透公式結(jié)合既有地區(qū)注漿經(jīng)驗(yàn)確定[3]

式中 K——土的滲透系數(shù)/(cm/s)；

P——注漿壓力/(kg/cm2)；

r0——注漿管半徑/cm；

t——注漿時間/s；

n——注漿層的孔隙率；

β——漿液黏度對水的黏度比,一般取 0.1～0.3。

經(jīng)計算結(jié)合工程類比,確定本工程注漿的漿液擴(kuò)散半徑為4.0～5.0 m。

(2)漿液配合比

漿液配合比的選用對巖溶注漿效果控制也非常關(guān)鍵。如果漿液過濃,漿液在注漿通道中的阻力變大,同時也不利于漿液進(jìn)一步擴(kuò)散,影響注漿擴(kuò)散半徑；如果漿液過稀,漿液凝固硬化時收縮后容易形成新的孔隙,影響加固效果。因此,漿液濃度配比是否合理將直接影響注漿工程質(zhì)量。本工程根據(jù)以往工程設(shè)計施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場巖土體巖溶發(fā)育條件,一般采用水灰比1∶1和0.75∶1兩種濃度,特殊條件下采用0.5∶1的水灰比。

(3)注漿壓力

注漿壓力與所加固巖土體的覆蓋層壓力、漿液濃度以及漿液在套管里的阻力等因素有關(guān),在注漿過程中壓力是一個動態(tài)的過程,考慮本工程巖溶路基發(fā)育情況,結(jié)合以往巖溶路基工程施工經(jīng)驗(yàn)確定。本工程土層一般采用100～300 k Pa,巖層采用300～500 kPa。

(4)注漿量

注漿量的計算常用的方法有：經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法、工程地質(zhì)比擬法、漿液均勻擴(kuò)散的單孔注漿計算法等三種方法。考慮巖溶發(fā)育的不均勻性,一般采用整體計算法,并用工程地質(zhì)比擬法進(jìn)行修正。

(5)注漿孔設(shè)計

雙線并行路堤兩側(cè)坡腳附近各設(shè)一排注漿孔,直孔和斜孔間隔布置,兩側(cè)的直孔和斜孔交錯對應(yīng)。直孔與直孔、斜孔與斜孔沿線路方向間距為5.0 m；單線路堤、路塹及雙線路塹在路堤坡腳或路塹側(cè)溝處各設(shè)一排直孔注漿(當(dāng)線間距較大、路基較寬時在兩線中間加設(shè)一排),注漿孔間距5.0 m；車站范圍內(nèi)注漿孔以直孔為主,設(shè)在股道之間,孔間距一般為5.0 m。注漿孔深度以進(jìn)入完整灰?guī)r2 m為原則(如圖2、圖3、圖4所示)。

(6)注漿工藝設(shè)計

采用探灌結(jié)合的原則,其目的在于進(jìn)一步了解地層、巖溶發(fā)育特征及水文地質(zhì)條件。

圖2 單線路基注漿孔布置橫斷面(單位：m)

圖3 雙線路基注漿孔布置橫斷面(單位：m)

注漿以先稀后濃的原則,注漿工藝采用自下而上分段注漿,注漿孔深小于10 m時可采用一次注漿,注漿孔深大于10 m時采用分段注漿。

圖4 車站站區(qū)注漿孔布置橫斷面(單位：cm)

注漿順序宜先直孔后斜孔。一般施工中按圖5所示工序進(jìn)行。[4]

圖5 巖溶注漿施工工藝流程

漿泥的配制以純水泥漿為主,采用P.O32.5級普通硅酸鹽水泥,水灰比0.75∶1～1∶1,視地層的滲透性選用,特殊條件下可選用水灰比0.5∶1。為控制漿液的過遠(yuǎn)擴(kuò)散和冒漿,必要時可添加水玻璃,其摻入量按2%考慮。若孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)較大的空洞時,應(yīng)先投放粗顆粒材料(砂或碎石),后注漿。

注漿壓力可根據(jù)注漿方法、注漿段深度及注漿過程中出現(xiàn)的情況(冒漿、地面變形、軌道穩(wěn)定情況等)及時調(diào)整。

注漿孔(分段)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),在100～500 kPa壓力下,進(jìn)漿量小于4 L/min。分段注漿時,對基巖采用200～500 kPa壓力閉漿20 min；粉質(zhì)黏土、圓礫土和角礫土采用100～300 k Pa壓力閉漿,30 min即可達(dá)到分段注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

(7)注漿效果檢驗(yàn)設(shè)計

注漿質(zhì)量檢驗(yàn)采用壓水試驗(yàn),輔以鉆探取芯,一般采用2種檢測方法。根據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果,對注漿質(zhì)量作出評價。檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)如下：

鉆取巖芯觀察灰漿填充量,當(dāng)灰漿充填率達(dá)70%視為合格。當(dāng)為不合格時應(yīng)補(bǔ)注漿。

注漿前壓水試驗(yàn)和注漿后壓水試驗(yàn)進(jìn)行對比。當(dāng)注漿后單位吸水量小于注漿前單位吸水量的33%視為合格。并分土層和巖層分別進(jìn)行對比。注漿前的壓水試驗(yàn)孔作為注漿孔使用,注漿后的壓水試驗(yàn)孔須注漿封閉。

檢驗(yàn)孔的數(shù)量為注漿孔數(shù)量的3%,其中自檢2%,抽檢1%,壓水試驗(yàn)孔一般不少于2孔。

4 結(jié)論

浙贛線電氣化提速改造巖溶路基病害注漿整治工程2006年底竣工,至今已有近四年時間,路基狀況良好。實(shí)踐證明：壓力注漿整治覆蓋型巖溶路基病害是一項(xiàng)質(zhì)量可靠、造價較低工藝簡單、受外界干擾小的施工技術(shù)。

[1]劉好正,杜興國.浙贛鐵路分宜至蘆溪段巖溶及采空區(qū)工程地質(zhì)勘察報告[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,2006

[2]劉好正,杜興國.浙贛鐵路分宜至蘆溪段覆蓋型巖溶路基整治工程初步設(shè)計總說明書[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,2006

[3]李 杰.注漿技術(shù)在整治巖溶路基病害中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程,2007(3)

[4]李 揚(yáng),彭瑞華.壓力注漿技術(shù)在巖溶路基處理中的應(yīng)用[J].路基工程,2008(1)

[5]李有慶.鐵路巖溶路基塌陷注漿整治施工[J].西部探礦工程,1998(4)

[6]吳治生,等.巖溶病害路基注漿機(jī)理及設(shè)計[J].路基工程,2003(5)

[7]林志勇.覆蓋型路基巖溶注漿施工技術(shù)[J].福建建筑,2009(3)

[8]李彬峰.路基巖溶塌陷注漿整治施工工藝探討[J].西部探礦工程,2003(4)