甘泉線鐵路采空區(qū)路基地基處理方案的探討

張雪東 丁海軍

(1.中交鐵道勘察設計院有限公司，北京 100088;2.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007)

1 工程地質及水文地質條件

甘泉線鐵路DK63+850.00～DK63+977.40段采空區(qū)路基位于烏拉特山北坡的低山區(qū)，地勢陡峻，屬丘陵區(qū)，地形起伏較大，山間溝谷深切，“V”字形溝谷發(fā)育，溝床狹窄，大部分地段基巖裸露，植被稀少。該段溝谷為季節(jié)性河流，暴雨過后有徑流，平時無水?；鶐r裂隙水埋藏較深，勘察期間未見出露。地震動峰值加速度0.2g，土壤最大凍結深度1.97 m。

地層自上而下依次為:粉土，黃褐色，中密，潮濕，層厚0.0～5.0 m，分布于各沖溝岸坎邊及緩丘地帶，Ⅱ級普通土，σ0=120 kPa;片麻巖，青灰、灰綠色、棕褐色，變粒結構，塊狀構造;強風化層厚20.0～30.0 m，Ⅳ級軟石，σ0=600 kPa;弱風化Ⅴ級次堅石，σ0=1 200 kPa。

地質調查時，發(fā)現該段范圍分布有多處洞穴，主要為開采云母礦，洞穴多為個體非法開采。為查清采空區(qū)分布的具體情況，采用以超高密度電法為主、地震映像法為輔的綜合物探法對該段進行勘探。

沿線路方向布置WT1、WT2和WT3三條測線，位于左10 m、中線和右10 m位置。測線布設見圖1。

物探資料成果表明(見圖1):云母礦采空區(qū)規(guī)模小，埋深淺，無規(guī)律，停采后均無回填?？斩粗睆揭话銥?～3 m(個別達5 m)，埋深一般為10 m左右(個別深度在15 m左右)，為人工采掘云母礦留下的坑道，以豎井或斜井通往地面。

結合線路路肩設計高程，路塹開挖后大部分空洞將被挖除。DK63+850.00～DK63+925.00段洞穴主要分布在路肩以上，路肩以下無洞穴分布。DK63+925.00～DK63+977.40段洞穴主要分布在路肩以下。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

甘泉線鐵路DK63+850.00～DK63+977.40段采空區(qū)屬小型采空區(qū)。小型采空區(qū)一般變形的延續(xù)時間長，成為長期隱患，宜盡可能繞避，若線路必須通過時，對埋深小于40 m、寬度大于2 m的坑道必須進行處理。結合本段工程地質、水文地質條件，根據《鐵路工程不良地質勘察規(guī)范》、《鐵路工程地質手冊》、《鐵路工程設計技術手冊》、《鐵路特殊路基設計規(guī)范》介紹的有關小窯采空區(qū)穩(wěn)定性計算公式以及經驗數值，綜合判定:該段采空區(qū)埋深較淺，穩(wěn)定性較差，屬可能塌陷區(qū)，必須進行處理。

圖1 物探布線平面及成果縱斷面

3 地基處理方案設計

3.1 DK63+850.00～DK63+920.00段處理方案

DK63+850.00～DK63+925.00段采空區(qū)洞穴主要分布在路肩以上，路肩以下無洞穴分布。路塹開挖后，采空區(qū)空洞主要出露于路塹邊坡處，處理方案較為簡單，采用回填漿砌片石處理方案即可。

3.2 DK63+920.00～DK63+977.40段處理方案

DK63+925.00～DK63+977.40段采空區(qū)洞穴主要分布在路肩以下，為確保路基的安全與穩(wěn)定，對DK63+920.00～DK63+977.40段采用全充填壓力注漿法對地基進行加固處理。在地表鉆孔，通過注漿泵、注漿管將漿液注入采空區(qū)及其上覆巖體裂隙內，漿液經固化膠結巖層裂隙帶，同時采空區(qū)冒落物和漿液形成的結石體對上覆巖層形成支撐作用，從而保證路基穩(wěn)定。

(1)注漿孔布置及說明

注漿孔的布置依據“動態(tài)設計，信息化施工”的原則，按“邊探邊灌，探灌結合”方式組織實施。

注漿孔的排距、間距，應根據采空區(qū)頂板強度、采出率、裂隙連通性以及線路情況等因素綜合評判后確定。本段沿線路縱橫向共布置鉆孔143個，其中帷幕孔47個，先導勘探孔25個，其他注漿孔71個。注漿孔橫向間距為3.85 m，縱向(線路方向)間距5.0 m，長方形布置。

采空區(qū)灌漿孔的設計深度:注漿孔鉆至采空區(qū)底板以下3.0 m終孔，同時對于路塹地段路基面以下未發(fā)現采空區(qū)的地段，鉆孔深度不小于路肩下10 m控制;灌漿孔灌注長度為第四系覆蓋層以下至鉆孔孔底范圍。見圖2及表1。

表1 地基加固寬度

首先進行先導勘探孔施工，探查采礦空洞的分布特征(邊界、大小、埋深及充填物等)，結合現有地質物探采空區(qū)報告，繪制采空區(qū)分布平面圖及分布立面圖，然后交地質專業(yè)填繪，按照《鐵路工程不良地質勘察規(guī)程》(TB10027—2001)相關技術要求提交成果，如礦層回采率、采空區(qū)坍塌程度等參數，最后交路基專業(yè)。由路基專業(yè)根據上述資料確認是否需要調整注漿加固范圍，增補注漿孔等參數，待路基專業(yè)同意后方可施工。按如下順序施工:先施工帷幕注漿孔，然后依次為一序孔、二序孔及三序孔。施工時遵循如下原則:由路基面兩側向中心施工，由低處往高處施工，局部注漿孔可根據現場實際情況酌情調整，并通知設計單位。

當注漿孔位置與橋臺或其他構筑物有沖突時，可適當調整注漿孔位置，但原則上不應大于1 m，否則應通知設計單位采取變更設計予以解決。

(2)漿液配合比設計及注漿壓力

注漿漿液為水泥粉煤灰漿，其水灰比為1∶0.8～1∶1.2。采空區(qū)治理范圍內最外一排孔為帷幕孔。先注帷幕孔，帷幕孔漿液材料選用水泥粉煤灰漿，并在漿液中摻加水泥重量2%的速凝劑，使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止?jié){液流失，粉煤灰最大摻量為水泥重量的30%。

在正式施工前，應按施工時使用的水泥和粉煤灰，在試驗室做漿液配合比試驗，試驗內容包括漿液在不同配比下每立方米漿液中干料含量、漿液比重、初凝時間、終凝時間、結石率和試塊無側限抗壓強度等。采空區(qū)堆積物松散或存在空洞，注漿過程中采用較稠的漿液或利用砂漿灌注。

注漿方法采用一次全灌注施工方式，注漿壓力為0.2～0.5 MPa，空洞及采空區(qū)初期可采用自流注漿。

(3)注漿量計算

注漿量計算公式設計結石率 C按75%計算，裂隙填充率 η按75%，損耗系數采用A=1.25，m為采空云母礦層厚，K為礦層回采率，取0.35，S為采空區(qū)治理面積，ΔV為采空區(qū)剩余空隙率，取0.8。

經計算，總注漿量Q=2 874 m3。

圖2 注漿孔橫斷面布置(單位:m)

4 施工工藝及技術

4.1 注漿工藝流程

注漿施工工藝流程見圖3。

圖3 注漿施工工藝流程

4.2 鉆孔成孔及技術要求

注漿孔應用全儀器法實地測量放樣，鉆孔實際位置原則上不應超過設計位置1.0 m。

用φ127 mm鉆頭開孔，鉆至完整基巖1 m后，下入φ127 mm套管護壁，然后變徑為φ91 mm。用φ89 mm鉆頭，鉆至采空區(qū)中的塌陷冒落帶底板或煤層底板以下3 m終孔。成孔過程中應對瓦斯等有害氣體進行監(jiān)測并采取相應的防護措施。即在鉆孔時應監(jiān)測瓦斯氣體含量，遇到瓦斯氣體含量較高時應采用三通管將瓦斯氣體引至順風一側，當監(jiān)測到其他有害氣體時應采取適當措施引排。鉆探及注漿過程中，嚴禁采用爆破及明火與孔口接觸。

鉆孔成孔技術要求:設計注漿孔的20%為全取芯孔，取芯孔于采空區(qū)上部覆巖部位巖芯采取率＞60%，采空塌陷區(qū)部位巖芯采取率＞30%;做好鉆探原始記錄和巖芯編錄工作;鉆孔施工過程中，如發(fā)現漏水、掉鉆、埋鉆等現象要詳細記錄其深度、層位和耗水量。

4.3 灌注孔口管或設置止?jié){器

當鉆孔完成檢測合格后，將一端帶有φ120～130 mm法蘭盤的φ50 mm注漿管下入孔內變徑處，孔內投入20 cm厚礫石，以堵塞大的縫隙。之后投入30 cm厚黏土，防止?jié){液大量滲漏，然后灌入水灰比為1∶1.5～1∶2.0的稠水泥漿，灌注要求達到注漿過程中漿液不會從注漿孔壁四周溢出。水泥漿液中加入水泥重量2%的速凝劑，快速將注漿管與孔壁固結。也可采用止?jié){器等措施止?jié){，具體措施可由施工單位根據現場實際條件并結合其以往施工經驗確定。

4.4 注漿及技術參數

(1)注漿

按采空區(qū)的傾斜方向，先施工采空區(qū)底板高程較低位置的注漿孔及構造物工點處的注漿孔，再沿傾斜方向由低向高、由邊部向中心展開施工。

注漿方法采用一次全灌注施工方式，注漿壓力為0.2～0.5 MPa，空洞及采空區(qū)初期可采用自流注漿。

(2)單孔注漿結束標準

當注漿達到下列標準之一時，注漿結束:①注漿空口壓力由小到大，逐漸上升到0.4 MPa左右，10 min持續(xù)注漿量不大于5 L/min;②注漿鉆孔基巖完整，或多次注漿，空口壓力超過1.5 MPa;③冒漿點已出注漿范圍外3～5 m;④單孔注漿量達到平均注漿量的1.5～2.0倍，且吸漿量明顯減少。

當達不到上述標準時，應清孔再次注漿。

5 質量檢測及監(jiān)測

采空區(qū)治理工程具有隱蔽性和復雜性，必須加強對治理工程質量進行施工中質量檢測和最終質量效果檢測，同時加強對路基沉降變形監(jiān)測。

5.1 采空區(qū)施工中質量檢測

采空區(qū)施工中質量檢測共分鉆探、注漿兩大類，其中鉆探包括孔位、孔深、斜孔、止?jié){效果和巖芯采取率。注漿包括:注漿原材料、漿液配比、漿液性能指標、注漿泵流量、注漿過程中壓力變化、注漿結束標準和注漿量檢測。

5.2 采空區(qū)處理后最終質量檢測

(1)檢測方法

采空區(qū)注漿過程中和結束后，必須對處理工程質量進行檢測。檢測手段主要采用鉆探、物探和地表沉降觀測。在采空區(qū)處理范圍內主要工程結構部位或可能存在工程隱患的部位布置檢查孔。要嚴格控制取芯質量，以便觀察充填情況及計算充填比率，對充填物進行飽和抗壓強度試驗。

(2)檢測標準

結石體無側限抗壓強度≥1.0 MPa，孔內受注層物探剪切波速≥160 m/s。

(3)檢測頻率

鉆探:應在采空區(qū)治理工程竣工6個月后，采用鉆孔檢測采空區(qū)注漿工程質量，按施工注漿孔的2%布置檢測孔(同時也不少于3個)，位置宜布置在可能存在問題的地段。檢測孔深度等同注漿深度，孔徑采用φ108 mm，鉆孔施工工藝與注漿孔施工工藝相同，鉆孔的取芯率要到達到80%，通過孔內取芯直接觀察采空區(qū)的漿液充填情況，并對所提取冒落帶巖芯作無側限抗壓強度測試。

物探:對治理前后的采空區(qū)采用測定波速對比的方法檢驗注漿質量，按施工注漿孔的2%(同時也不少于3個)布置檢測孔(利用鉆探檢查孔2%，共計4%)。

結合鉆探、物探，作出綜合評價，最終確定質量是否合格，是否需要補充灌漿。

5.3 沉降變形監(jiān)測

于 DK63+920、DK63+940、DK63+960、DK63+977.40設置觀測斷面，每個觀測斷面在兩側路肩各設一個觀測樁，在兩側路塹塹頂外1.0～2.0 m及10～20 m處各設一個觀測樁，觀測樁采用方形C15鋼筋混凝土預制，斷面尺寸為15 cm×15 cm，長度不小于1.5 m，并在樁頭埋設半圓形鋼耐磨測頭。觀測樁埋設深度不小于1.4 m，樁頂露出地表不大于10 cm。埋設方法采用挖坑至埋設深度，將預制邊樁放入孔內，樁周用C15混凝土灌注，確保樁穩(wěn)定。

觀測精度采用Ⅳ等水準要求，觀測儀器采用自動安平電子水準儀并配備專用的水準尺。在實際測量過程中，根據現場情況，采用閉合水準路線或附合水準路線。

觀測時間及頻率:觀測期為采空區(qū)治理施工前1個月至施工結束后12個月，施工前1個月至施工后3個月每周觀測1次，其后每月觀測1次。

觀測任務由建設單位安排，觀測數據及時整理，提供給建設單位和設計單位。

6 結束語

結合甘泉線鐵路DK63+850.00～DK63+925.00和DK63+925.00～DK63+977.40段內洞穴分布的大小及埋深情況，有針對性的提出治理方案。尤其對DK63+920.00～DK63+977.40段采空區(qū)路基地基所采用的全充填壓力注漿法加固措施進行了詳細設計，對其施工工藝、質量檢測及沉降監(jiān)測等進行了細致論述。結果表明，對采空區(qū)采用合理的治理方案設計，加上嚴格的施工質量控制，能夠確保路基基底安全和穩(wěn)定，有效預防路基失穩(wěn)、下沉、塌陷等病害。

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