鐵路沿線淺層覆蓋型巖溶灌漿處理關(guān)鍵技術(shù)

祝 珣

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

巖溶地表塌陷常對(duì)礦山開采、農(nóng)田水利、公路及鐵路的建設(shè)和正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生巨大的影響。按照埋藏條件劃分的裸露型、覆蓋型和埋藏型3種巖溶類型中，以覆蓋型巖溶分布最廣泛，其隱蔽性、突發(fā)性和易發(fā)性的特點(diǎn)導(dǎo)致塌陷災(zāi)害普遍發(fā)生[1]。對(duì)于覆蓋型巖溶塌陷，防治方法主要有結(jié)構(gòu)物(梁、板、柱) 跨越法、灌注法、強(qiáng)夯法、深基礎(chǔ)法、旋噴加固法等[2-4]。大量實(shí)踐表明，處理既有鐵路巖溶路基病害時(shí)宜采用注漿加固法，如采用憎水性發(fā)泡材料封堵流水通道并結(jié)合注漿[5]。汪水清通過寧安鐵路巖溶路基工程現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了雙孔注漿技術(shù)的加固效果，進(jìn)而探索了路基巖溶注漿工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化模式和控制技術(shù)[6-7]。截至目前，國(guó)內(nèi)還沒有系統(tǒng)完善的淺層覆蓋型巖溶治理規(guī)范，遇到實(shí)際問題一般參照(DL/T 5148—2012)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》中的壩基巖體灌漿法。然而該方法只針對(duì)無覆蓋層的巖體進(jìn)行灌漿，注漿孔徑較小(約為60 mm)，注漿孔深較大，注漿壓力較大(1～5 MPa)，注漿量小，灌漿前需沖洗鉆孔。

近年來鐵路設(shè)計(jì)部門吸收并改進(jìn)了水工建筑物灌漿的一些具體操作，例如灌漿前沖洗鉆孔，采用止?jié){塞封閉孔口，應(yīng)用雙管法灌注水泥漿和水玻璃等。這些改進(jìn)總體而言對(duì)于鐵路線路覆蓋型巖溶地表塌陷治理針對(duì)性不強(qiáng)，存在一些不必要的工序，甚至部分措施并不適用。

本文根據(jù)多年在津浦鐵路泰安段、浙贛線分宜—彬江段、湘默線婁底車站、皖贛線硬石嶺車站等巖溶路基塌陷整治工程的經(jīng)驗(yàn)[8-10]，總結(jié)并提出鐵路路基覆蓋型巖溶地表塌陷灌漿處理關(guān)鍵技術(shù)，為新建黔張長(zhǎng)鐵路及其他類似線路應(yīng)用該技術(shù)提供參考。

1 覆蓋型巖溶地表塌陷常用處理措施

覆蓋型巖溶區(qū)地表一般有2～10 m厚的土質(zhì)覆蓋層，其中存在裂縫、土洞或局部發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面。覆蓋層下為可溶性巖體，巖體在一定深度范圍內(nèi)存在節(jié)理裂隙、溶洞、溶槽甚至地下暗河。巖溶區(qū)地表塌陷是地表覆蓋土層、溶洞、土洞及水組成的綜合體系在自然和人為因素作用下的結(jié)果。其常用處理措施有控水和工程加固2類。

1.1 控水

控水措施包括控制地表水和地下水的措施。控制地表水是阻斷地表水下滲，隔斷對(duì)地下水的補(bǔ)給?？刂频叵滤胧┦亲钄嗟叵滤鲃?dòng)，阻止或減緩巖溶的繼續(xù)發(fā)育。目前，這2種措施可通過灌漿處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)。將一定濃度的水泥漿液或其他化學(xué)漿液，通過鉆孔，在一定壓力作用下充填溶洞、土洞、巖溶裂隙、軟弱結(jié)構(gòu)面和水流通道。這種方法可預(yù)防巖溶的進(jìn)一步發(fā)育。

1.2 工程加固

工程加固措施中，清除填堵法常用于塌坑或淺埋的土洞，首先清除其中的松土、填入塊石、碎石，然后上覆黏土夯實(shí)。

跨越法用于塌陷坑或土洞較大，開挖回填有困難時(shí)。該方法適用于短期工程，不適用于永久或期限較長(zhǎng)的工程。由于造成塌陷的因素沒有根除，巖溶、土洞的進(jìn)一步發(fā)育會(huì)造成跨越法兩端支承巖土的穩(wěn)定性變差。

強(qiáng)夯法是對(duì)塌陷土坑進(jìn)行回填夯實(shí)處理。

對(duì)深度大，跨越結(jié)構(gòu)無能為力的土洞、塌陷，采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行處理。這種處理方法造價(jià)高，不宜大面積應(yīng)用。

旋噴加固法是在淺部用旋噴樁形成一硬殼，在其上再設(shè)置筏板基礎(chǔ)的一種方法。

地下水位的升降造成溶洞空腔中的水氣壓力產(chǎn)生變化，會(huì)出現(xiàn)沖爆塌陷。鉆孔充氣法是首先探明地下巖溶通道，將鉆孔深入到基巖面下溶蝕裂隙或溶洞的適當(dāng)深度，然后在各種巖溶管道中安裝通氣調(diào)壓裝置，破壞真空腔的巖溶封閉條件，平衡其水、氣壓力，減少發(fā)生沖爆塌陷的概率。

以上各種工程加固方法在處理已經(jīng)形成的塌陷坑洞方面，展示了其有效性，但這些方法治標(biāo)不治本，不能徹底根治覆蓋型巖溶地表塌陷。

2 覆蓋型巖溶灌漿施工關(guān)鍵技術(shù)

目前防治鐵路路基覆蓋型巖溶地表塌陷的最好方法是灌漿法。從塌陷形成機(jī)制來看，地下水和地表水的活動(dòng)是形成塌陷的主要因素，若用漿液充填了水活動(dòng)的全部通道，就能徹底根治巖溶、土洞塌陷。

2.1 灌漿工藝流程

1)鉆灌漿孔

由于土洞、溶洞發(fā)育位置的不確定性，在擬處理的工程范圍內(nèi)按一定間距均勻布置灌漿孔?？拙嗪团啪喔鶕?jù)漿液擴(kuò)散半徑確定。一般孔距或排距按5～7 m布置，必要時(shí)可布置斜孔，斜孔傾斜角為15°～30°。

采用跟管鉆進(jìn)，在地層中設(shè)置2或3路不同直徑的套管，鉆進(jìn)時(shí)護(hù)壁，灌漿時(shí)分層，壓力灌漿時(shí)提供嵌固力。下套管時(shí)位置要準(zhǔn)確，嵌固要牢靠。灌漿孔及覆蓋型巖溶地層如圖1所示。

圖1 灌漿孔及覆蓋型巖溶地層示意

灌漿孔深度視地質(zhì)條件而定，一般鉆至基巖面以下3～5 m。如遇溶洞，鉆至溶洞底板以下1～2 m。根據(jù)鐵路場(chǎng)地承載力和穩(wěn)定性的要求，當(dāng)覆蓋層厚度超過30 m時(shí)，將灌漿孔鉆至30 m即可，不必鉆入基巖。因此整治巖溶塌陷灌漿孔孔深較淺，一般為10～20 m。

當(dāng)灌注土洞、溶洞、較大的巖溶通道時(shí)，漿液中須加入碎石、砂子等粗骨料。此時(shí)要求孔徑較大，一般為90～150 mm。

2)注水試驗(yàn)

覆蓋型巖溶地層灌漿孔成孔后無需沖洗，直接做注水或壓水試驗(yàn)，測(cè)定注漿段的單位吸水量，用來確定灌漿漿液濃度和灌漿方式。

3)灌漿

根據(jù)注水試驗(yàn)配制水泥漿液，當(dāng)灌漿段單位吸水量大時(shí)配制的漿液相對(duì)較濃；當(dāng)灌漿段單位吸水量小時(shí)配制的漿液相對(duì)較稀。漿液水灰比需控制在1∶0.5～1∶1。漿液配制完畢后，安裝管路系統(tǒng)進(jìn)行灌漿。一般先灌注外排孔，后灌注中間孔。

如果需要同時(shí)灌注水玻璃，首先停止灌注水泥漿液，改用清水灌注(根據(jù)管路的長(zhǎng)短、鉆孔的深度及孔徑估算灌注清水的量)，再灌注水玻璃，確保讓水玻璃和水泥漿液在地層中相遇而凝結(jié)。不宜在孔內(nèi)設(shè)置2根注漿管同時(shí)灌注水泥漿液和水玻璃，因?yàn)樗ＡШ退酀{液凝固時(shí)間一般為30 s左右，混合液未進(jìn)地層時(shí)二者有可能會(huì)凝結(jié)在鉆孔內(nèi)，導(dǎo)致后續(xù)灌注無法進(jìn)行。

灌漿時(shí)，根據(jù)壓力表數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整漿液濃度。壓力大時(shí)可適當(dāng)降低漿液濃度，保證漿液能夠到達(dá)細(xì)小的巖溶裂隙和土層裂隙。壓力小或無壓力時(shí)加大漿液濃度。當(dāng)無壓灌漿量或自流灌漿量超過預(yù)想的巖溶裂隙或土洞體積時(shí)，可卸掉壓力表頂蓋，繼續(xù)灌漿，同時(shí)向孔內(nèi)均勻投入適量中粗砂。若中粗砂和漿液超過一定量而漿液面未見抬高，可向孔內(nèi)均勻投入適量碎石，直到漿液面抬高，再繼續(xù)向孔內(nèi)投入中粗砂，直到漿液面升至孔口。這時(shí)，重新裝上壓力表頂蓋，進(jìn)行壓力灌漿，直至壓力達(dá)到終止灌漿標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)覆蓋型巖溶地層中存在土洞、溶洞、較大的巖溶通道甚至地下暗河時(shí)，灌漿量一般較大，最大可達(dá)60 m3。灌漿材料以水泥為主，可適量加入氯化鈣、水玻璃、減水劑等添加劑。

4)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

灌漿壓力視灌漿方式或深度而定，對(duì)連通性較好的灰?guī)r洞穴、土洞一般采用自流灌注或低壓灌注。對(duì)充填較好的洞穴、巖溶裂隙、土層裂隙采用壓力灌漿。灌漿壓力一般控制在0.2～0.6 MPa，根據(jù)灌漿過程中出現(xiàn)的情況隨時(shí)調(diào)整壓力。為防止既有鐵路發(fā)生大變形，巖溶塌陷灌漿壓力控制在0.3 MPa。當(dāng)灌漿壓力達(dá)到0.3 MPa，且能穩(wěn)壓900～1 800 s，即可終止灌漿，或當(dāng)路基面發(fā)生隆起變形時(shí)終止灌漿。

5)封孔

灌漿結(jié)束后，用水泥砂漿進(jìn)行封孔，以防止因施工而留下地表水下滲通道。

綜合上述分析，結(jié)合多年實(shí)踐，總結(jié)出灌漿工藝流程見圖2。

圖2 灌漿工藝流程

2.2 灌漿施工關(guān)鍵技術(shù)

1)灌漿特色設(shè)備

巖溶地表塌陷灌漿設(shè)備比較簡(jiǎn)單，成孔設(shè)備采用工程地質(zhì)勘探用100型鉆機(jī)，配備鉆頭(φ89，φ110，φ127，φ140)、套管、多用途三通管。制漿灌漿設(shè)備采用泰安制漿注漿一體機(jī)，配備總長(zhǎng)100 m左右的高壓軟管。

在實(shí)際操作中，鉆孔成孔后灌漿開始前一般需要封閉孔口。若采用止?jié){塞或一次性固定封閉，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可逆性不強(qiáng)，也不實(shí)用。本灌漿技術(shù)采用多用途三通管，見圖3。

圖3 多用途三通管結(jié)構(gòu)示意

三通管的主管直徑同鉆孔套管，通過絲扣直接安裝在孔口套管上。主管頂部為帶絲扣的頂蓋，方便安裝拆卸。頂蓋上安裝壓力表。位置較高的支管安裝有放氣閥，位置較低支管為進(jìn)漿管。

開始灌漿時(shí)，首先在孔口套管上安裝三通管。對(duì)土洞、溶洞、較大的巖溶通道灌漿時(shí)，采取自流灌漿，此時(shí)可卸掉三通管頂蓋及壓力表，在三通管主管頂部放置一漏斗，邊從漏斗投放粗骨料，邊從進(jìn)漿管灌注水泥漿。對(duì)地層裂縫、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面灌漿時(shí)，采用壓力注漿，此時(shí)給三通管安裝上頂蓋及壓力表，直接從進(jìn)漿管灌注水泥漿液至終孔壓力。當(dāng)灌漿壓力迅速達(dá)到終孔壓力時(shí)，表明鉆孔范圍地層完整。

2)灌漿方式

鐵路路基巖溶地表塌陷治理中，主要采取自上而下和自下而上2種灌漿方式。自上而下灌漿方式是指灌漿孔鉆至基巖面，外路套管下到孔口以下3～4 m，中路套管下至距基巖面約0.5 m，開始對(duì)土層灌漿，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后停止灌漿，鉆進(jìn)基巖至設(shè)計(jì)要求，下內(nèi)路套管至基巖面下0.5～1.0 m，開始對(duì)巖層灌漿。自下而上灌漿是指灌漿孔直接鉆至設(shè)計(jì)深度，先用內(nèi)路套管進(jìn)行巖層灌漿，滿足要求后拔掉內(nèi)路套管，進(jìn)行下部土層灌漿，進(jìn)而拔掉中路套管，進(jìn)行上部土層灌漿。具體采用何種灌漿方式，視土層厚度、土層性質(zhì)、巖層巖溶發(fā)育程度等因素綜合確定。

3)冒漿應(yīng)對(duì)措施

冒漿對(duì)灌漿非常不利。冒漿使灌漿壓力釋放，使?jié){液無法進(jìn)入細(xì)小的地層裂隙、裂縫，無法有效地充填溶洞和土洞，同時(shí)冒漿也浪費(fèi)材料，污染環(huán)境。但冒漿在灌漿過程中又是不可避免的，因而出現(xiàn)冒漿時(shí)要及時(shí)處理。

冒漿處理首選間歇法。當(dāng)出現(xiàn)冒漿，立即停止灌漿，間歇約30～60 min后再進(jìn)行灌漿，一般冒漿不再出現(xiàn)。原因是漿液在間歇期沉淀，堵塞一些細(xì)小裂隙。當(dāng)間歇法對(duì)阻止冒漿不起作用時(shí)采用封堵法。用麻繩或廢棄的水泥編織袋塞填套管間隙或套管與孔壁的間隙抑制孔口冒漿。對(duì)于地層冒漿，挖開冒漿位置約0.5 m深，用一定比例的水泥-水玻璃漿液灌填之，可在數(shù)秒鐘后凝固而阻止冒漿。若間歇法、封堵法對(duì)阻止冒漿仍不起作用時(shí)，采用氯化鈣法、水玻璃法等化學(xué)法。氯化鈣法是直接向水泥漿液里摻入一定濃度一定量的氯化鈣溶液，加速水泥漿液在地層中的凝固時(shí)間，從而堵塞冒漿通道，這種方法對(duì)阻止通道小、冒漿量不大的冒漿起作用。要阻止通道大、冒漿量大的冒漿需采用水玻璃法。

3 灌漿技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

在浙贛線分宜—彬江段巖溶壓漿的施工過程中，冒漿現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。因此在現(xiàn)場(chǎng)開展了水泥漿、水玻璃和氯化鈣的配比試驗(yàn)，對(duì)冒漿現(xiàn)象的處治效果良好。

在湘默線婁底車站巖溶壓漿施工過程中，因施工方案不合理，造成套管嵌固不好，經(jīng)常出現(xiàn)套管與土體間隙冒漿，使工程質(zhì)量無法保證。此外由于分2次注漿導(dǎo)致鉆機(jī)不斷移動(dòng)，增加了工作量，造成工作效率低下。經(jīng)過調(diào)查研究，改為只下一路套管，先對(duì)土層注漿，然后套管下至基巖面，鉆至設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行基巖注漿。實(shí)踐表明該方案切實(shí)可行，減少了冒漿和鉆機(jī)搬動(dòng)次數(shù)，提高了工程質(zhì)量和進(jìn)度，取得良好的效果。

4 結(jié)語

本灌漿技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于津浦鐵路、皖贛鐵路、浙贛鐵路、湘黔鐵路等既有鐵路路基巖溶地表塌陷整治工程中，徹底消除了巖溶地表塌陷危害。

本灌漿技術(shù)采用的機(jī)械設(shè)備為常用的工程勘探用鉆探設(shè)備和已獲實(shí)用新型專利的多用途三通管，可為施工單位減少投資。施工方法簡(jiǎn)單容易掌握，可為施工單位減少人員培訓(xùn)費(fèi)用?；诠こ虒?shí)用角度提出的巖溶灌漿工藝及灌漿關(guān)鍵技術(shù)可為既有線和新建線路路基覆蓋型巖溶地表塌陷整治提供技術(shù)支持。

[1]羅小杰.覆蓋型巖溶地面塌陷防治與應(yīng)急處置[J].人民長(zhǎng)江,2016,47(5):38-44.

[2]曹柏樹.新余北站覆蓋型巖溶綜合物探勘察技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2014,54(11):115-119.

[3]羅小杰.也論覆蓋型巖溶地面塌陷機(jī)理[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2015,23(5):886-895.

[4]曾玉,楊幀賢,張娜.覆蓋型巖溶對(duì)工程建設(shè)的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(6):697-699.

[5]王文峰.既有鐵路巖溶路基病害分析及處理[J].路基工程,2012,30(6):189-191.

[6]汪水清.鐵路路基封閉型巖溶注漿處理技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2012,52(4):109-110.

[7]汪水清.巖溶路基工廠化注漿施工試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2013,53(6):108-111.

[8]董漢雄,馮海明,黃凱,等.一種整治淺層覆蓋型巖溶地基塌陷的灌漿三通管結(jié)構(gòu)：中國(guó),ZL 2015 2 0893384.4 [P].2016-04-13.

[9]李子奇,虞廬松,樊偉東.巖溶地區(qū)路基注漿加固施工技術(shù)[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,22(3):73-75.

[10]王躍文.浙贛線巖溶地區(qū)路基注漿加固技術(shù)[J].鐵道建筑,2008,48(6):74-76.