寧安鐵路覆蓋型巖溶路基的勘察與地基處理實踐

王京泉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

寧安鐵路在安徽的銅陵地區(qū)經(jīng)過大面積分布的三疊系中統(tǒng)(T2)石灰?guī)r地層。眾所周知，石灰?guī)r既是煉鋼、水泥、石灰、電石制造業(yè)不可多得的非金屬礦產(chǎn)資源，而且也是各類工業(yè)與民用建筑大量使用的優(yōu)良建筑石材。但石灰?guī)r地層作為鐵路、公路、水庫等大型工程的建筑地基時，由于其具有的可溶性而形成的或明或暗的巖溶洞穴、地下暗河等巖體孔洞，常常形成路基塌陷、水庫漏水等巖溶地質(zhì)災(zāi)害。暗埋溶洞的勘察、評價以及后續(xù)的地基處理方法，是地質(zhì)、路基等巖土工程專業(yè)經(jīng)常碰到的一個非常棘手的工程課題。寧安鐵路覆蓋型巖溶的分類和處理措施，經(jīng)過工程的實踐檢驗，積累了不少有益的經(jīng)驗，對相似地區(qū)的巖溶地基處理，具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

1 巖溶路基的勘察

寧安鐵路銅陵段的巖溶路基，主要為三疊系中統(tǒng)石灰?guī)r層，以微風(fēng)化到弱風(fēng)化為主，大部分覆蓋在厚度0.5～20m以下的黏性土等第四系沉積層下，僅在局部丘陵裸露地表。地下巖溶孔隙、孔洞及較大溶洞均有分布，地表溶蝕溝槽、小型尖峰角錐發(fā)育，偶有落水洞出露。勘察階段先行采用綜合物探沿線普查，而后根據(jù)橋涵、路基及路基支擋工程的設(shè)計要求，結(jié)合物探解譯成果，在有巖溶孔洞的點位布置鉆探驗證。鉆孔深度一般為20m，如果覆蓋層較薄，鉆孔中沒有遇到溶洞時，鉆入基巖的深度大于8m時即可終孔;如在鉆孔中20m范圍內(nèi)遇到溶洞，要求鉆入洞底完整巖層不小于8m。

寧安鐵路按程序經(jīng)過了初測、定測及補(bǔ)充定測階段的工程地質(zhì)勘察。路基地段揭露的覆蓋型巖溶問題，在勘察期間經(jīng)過地質(zhì)調(diào)查、綜合物探斷面普查、鉆探驗證，確定了大部分地段存在的巖溶洞穴并進(jìn)行了巖溶發(fā)育程度分區(qū)。在施工階段，制定了在巖溶裂隙、小型溶洞發(fā)育區(qū)采用地質(zhì)鉆機(jī)探灌結(jié)合、一孔兩用的方法進(jìn)行地基處理，中型以上巖溶發(fā)育區(qū)采用大口徑工程鉆機(jī)沖擊成孔、輔以機(jī)械開挖揭露溶洞的方法，向洞內(nèi)拋填塊石、碎石、黏土或砂類土填塞，而后再鉆探灌漿等地基處理措施，提高了巖溶地段地基的穩(wěn)定程度，經(jīng)地基鉆探、物探等方法的驗證，效果良好，順利通過了施工質(zhì)量驗收。

2 寧安鐵路的巖溶發(fā)育程度分區(qū)

根據(jù)勘察資料，寧安鐵路的巖溶發(fā)育程度在平面分布上具有不均一性，這主要跟巖溶的發(fā)育條件和影響巖溶發(fā)育的因素有關(guān)。寧安鐵路路基地段的巖溶在水平、垂直方向上的分布，受巖層的可溶性、地質(zhì)構(gòu)造(層理、裂隙)以及地下水等因素的控制。如DK168+450～DK169+900段路基基底同時存在第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水。來自大氣的降水及水田人工灌溉水補(bǔ)給第四系孔隙潛水，孔隙潛水又下滲到存在裂隙、層理縫隙的石灰?guī)r層中補(bǔ)給基巖裂隙水，基巖裂隙水侵蝕灰?guī)r的裂隙，溶蝕形成了巖溶洞穴。巖溶洞穴中的巖溶水來自于基巖裂隙水，上層的巖溶水又補(bǔ)給下層的裂隙水，地表、地下水的連通排泄和互為補(bǔ)充，導(dǎo)致本段巖層的富水性較強(qiáng)。覆蓋型巖溶的發(fā)育對鐵路的修建形成了潛在的危害，根據(jù)寧安鐵路灰?guī)r地段巖溶的發(fā)育強(qiáng)度，將其分為強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)、較強(qiáng)發(fā)育區(qū)、一般發(fā)育區(qū)和零星發(fā)育區(qū)四個分區(qū)。

2.1 巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)

巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)的特征是:地下洞穴沿層面發(fā)育的特征比較明顯，各溶洞間的巖溶水通過地下暗河、法向裂隙和層間裂隙相互聯(lián)系，大小不等，高低不同的溶洞呈串珠狀發(fā)育，地下暗河水系縱橫呈樹枝狀分布。根據(jù)鉆探揭示，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈地段的鉆孔見洞率達(dá)到了70%，寧安鐵路的巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)如圖1所示。

圖1 巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)

2.2 巖溶較強(qiáng)發(fā)育區(qū)

巖溶較強(qiáng)發(fā)育區(qū)的特征是:巖溶溶洞間的水平聯(lián)系相對較少，地下水流只在少數(shù)溶洞間相互流通，溶巖垂直發(fā)育性較強(qiáng)，鉆孔見洞率小于50%。

2.3 巖溶一般發(fā)育區(qū)

巖溶一般發(fā)育區(qū)的溶洞之間幾乎沒有水平聯(lián)系，大都是彼此獨立的豎井狀溶洞，鉆孔見洞率小于30%。

2.4 巖溶零星發(fā)育區(qū)

巖溶零星發(fā)育區(qū)的溶洞一般分布在覆蓋層下的石灰?guī)r淺表層，多為獨立的坑洞，溶洞之間的距離較遠(yuǎn)。

3 寧安鐵路巖溶洞穴分類

寧安鐵路銅陵地區(qū)路基地段在20m的勘探深度內(nèi)，揭露、發(fā)現(xiàn)的溶洞多為覆蓋型淺埋溶洞，60%以上的溶洞高度在0.25～3m之間，所遇溶洞的最大高度為14.2m?？辈焖衣兜娜芏丛诳臻g分布上，以沿石灰?guī)r層理發(fā)育的層間溶洞為主，沿區(qū)域性垂直節(jié)理裂隙發(fā)育的豎井狀溶洞次之。垂向高度內(nèi)以一層溶洞為主，僅在DK170+450附近的鉆孔揭示出多個2層結(jié)構(gòu)的溶洞，鉆孔ZK3—13揭示有3層溶洞。全線揭示的436個溶洞中，有177個溶洞上頂板的厚度小于1m，自然拱承載能力差，如果處理不當(dāng)則存在通車震動受力后有隨時塌陷的可能。

通過綜合分析，根據(jù)溶洞的空間形態(tài)和回填處理的難易程度，將溶洞劃分為小、中、大及特大四種類型，其分類特征見表1。

表1 溶洞分類

4 巖溶路基的地基處理研究

巖溶地質(zhì)的發(fā)育對鐵路路基的影響，是由于巖溶空洞的存在，可能造成路基的不均勻沉降甚至突然坍陷，對行車安全具有潛在的嚴(yán)重威脅。為了消除地基沉降和突然塌陷的隱患，查明溶洞位置，進(jìn)行回填注漿，甚至打樁處理是行之有效的方法。

4.1 超前注漿預(yù)處理

在用地質(zhì)鉆機(jī)核查巖溶的超前鉆孔過程中，對于發(fā)現(xiàn)的全充填、半充填或者有漏漿現(xiàn)象的裂隙或小溶洞，立即進(jìn)行注漿預(yù)處理。

4.2 小型溶洞的處理

對于沒有充填物的小型溶洞，開孔后采用拋填片石、碎石和黏土團(tuán)，反復(fù)用重錘小沖程錘擊方式，進(jìn)行樁孔的填塞和樁壁擠密，最后再進(jìn)行注漿處理;對于有充填物的溶洞，在鉆孔中直接灌注水下混凝土加壓充填。

4.3 中型溶洞及大型溶洞的處理

遇到中型及以上的大型及特大型無充填溶洞或半充填溶洞時，預(yù)先在孔口附近準(zhǔn)備好足夠的塊石、黏土、水泥等填充材料。大型溶洞間隔4～7m采用大型鉆孔樁機(jī)梅花狀開孔，在溶洞洞頂擊穿形成天窗后，用鏟車及時將準(zhǔn)備好的塊石、黏土、水泥按適當(dāng)?shù)谋壤龗伻?，在拋填過程中用沖擊錘進(jìn)行適當(dāng)擠壓夯實，反復(fù)拋填塊石、黏土、水泥混合土，直至把溶洞填滿或堵死為止，最后補(bǔ)充泥漿加固充填物。

4.4 注漿的主要技術(shù)參數(shù)

注漿泵流量:8～10 L/min;水泥砂漿的漿液配比采用質(zhì)量比，需要速凝的漿液經(jīng)多次試驗確定，采用“水泥+砂+水玻璃”混合砂漿，砂取代水泥用量的30%，水玻璃取代拌和水用量的4%效果最好。

每立方砂漿的材料用量水泥、砂、水玻璃、水分別為750、320、26、614 kg，理論配比為 1 ：0.427 ：0.035：0.819，多層溶洞應(yīng)從下向上灌注。注漿壓力根據(jù)注漿深度隨時調(diào)整，一般注漿壓力較注漿孔底水壓大0.1～0.2 MPa為宜。孔底水壓可根據(jù)水位高程與孔底高程的差，計算出地下水的壓力后就可準(zhǔn)確設(shè)置注漿壓力。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為:在規(guī)定的注漿壓力下，注漿壓力持續(xù)0.2 MPa不變的孔段吸漿量小于0.6 L/min，單孔注漿量達(dá)到平均注漿量1.5～2.0倍，且進(jìn)漿量明顯減少時，延續(xù)30 min即可結(jié)束注漿。為了保證注漿壓力或注漿過程的連續(xù)性加壓注漿前需采取必要的封孔措施。

4.5 砂漿的成本控制

寧安鐵路在路基地段進(jìn)行注漿加固處理的施工過程中，對注漿參數(shù)以及注漿工藝的選擇，一般根據(jù)巖溶的發(fā)育程度和巖溶洞穴的類型確定，注漿時摻入適量的水玻璃或其他速凝劑加速漿液的凝固，以保證注漿的質(zhì)量和節(jié)約成本。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)巖溶發(fā)育程度，寧安鐵路銅陵段路基巖溶從平面上可分為強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)、較強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)、一般巖溶發(fā)育區(qū)和零星巖溶區(qū)發(fā)育區(qū)。

(2)根據(jù)巖溶洞穴的空間形狀和空間尺寸，以及洞穴的填充情況，寧安鐵路銅陵段路基巖溶洞穴可劃分為小、中、大和特大型溶洞。

(3)根據(jù)巖溶發(fā)育的復(fù)雜程度，不同類型巖溶洞穴可采用回填、注漿等加固方法。經(jīng)多次試驗確定的注漿技術(shù)參數(shù)合理、可行，可保證注漿效果，對相似地區(qū)的巖溶地基處理，具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

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