鐵路站場巖溶地基加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)與效果研究

收稿日期：2024-03-27

作者簡介：胡俊清（1987—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：巖土工程、市政工程、高鐵運(yùn)維。

摘要 文章以某復(fù)雜巖溶區(qū)域鐵路建設(shè)為例，深入研究鐵路站場巖溶地基加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)及其效果。針對巖溶地質(zhì)條件下鐵路線路穿越石灰?guī)r區(qū)的難題，采用高壓旋噴樁法和注漿加固等方案進(jìn)行地基處理。通過實(shí)施加固補(bǔ)強(qiáng)措施，有效提升地基承載能力和穩(wěn)定性，滿足沉降要求。同時(shí)，還分析復(fù)合地基沉降差異因素，為鐵路站場巖溶地基加固提供重要參考。

關(guān)鍵詞 鐵路站場；巖溶地基；加固補(bǔ)強(qiáng)；效果研究

中圖分類號 U215.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0061-04

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，涉及巖溶地區(qū)的工程項(xiàng)目日益增多，巖溶地質(zhì)災(zāi)害問題備受關(guān)注。巖溶地質(zhì)對鐵路站場的安全穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重威脅，特別是在高速鐵路項(xiàng)目中，巖溶地基的處理成為一大挑戰(zhàn)。長期以來，我國鐵路工程中存在“重橋梁、輕路基”的傾向，路基的巖土工程結(jié)構(gòu)特性未能得到足夠的重視。巖溶地質(zhì)引起的路基變形、沉降等問題頻發(fā)，嚴(yán)重威脅鐵路運(yùn)輸安全。因此，開展鐵路站場巖溶地基加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)與效果研究至關(guān)重要。通過深入研究加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，提升地基穩(wěn)定性，有效控制沉降，對于保障鐵路站場的安全運(yùn)營、推動(dòng)鐵路工程技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展具有重要意義[1]。

1 某巖溶地區(qū)地質(zhì)條件概況

某地區(qū)巖溶地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地貌以溶洞、土洞及斷裂、褶皺等構(gòu)造為主。經(jīng)長期地質(zhì)作用，其力學(xué)特性顯著變化，導(dǎo)致地面塌陷、下沉、涌水等巖溶現(xiàn)象頻發(fā)，對大型工程建設(shè)，特別是鐵路線路建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該地區(qū)線路穿越石灰?guī)r分布區(qū)，地下水源豐富，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，給鐵路建設(shè)與運(yùn)營帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。特別是某路段全長約139 km，其中可溶巖地段約50 km，巖溶地基問題極為突出。為探究巖溶發(fā)育狀況，進(jìn)行鉆探工作。鉆探數(shù)據(jù)顯示，該地段溶洞發(fā)育普遍，高達(dá)52.43%的鉆孔揭示出溶洞存在。且87.37%的溶洞位于地下20 m以上，威脅鐵路線路基礎(chǔ)穩(wěn)定性。溶洞多呈半充填狀態(tài)，充填物主要為硬塑狀粉質(zhì)黏土，局部存在軟塑狀粉質(zhì)黏土夾帶少量強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r碎石，增加地基處理難度。此外，還發(fā)現(xiàn)一高達(dá)9.78 m的溶洞，為目前已知最大溶洞，凸顯巖溶發(fā)育的強(qiáng)烈程度。鉆孔遇洞率高達(dá)51.96%，表明巖溶發(fā)育普遍且嚴(yán)重。經(jīng)分析，該段巖溶發(fā)育屬中等至強(qiáng)烈程度，地基穩(wěn)定性差，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。為確保鐵路安全穩(wěn)定運(yùn)營，必須對巖溶地基進(jìn)行嚴(yán)格的加固處理[2]。

2 選擇巖溶地基處理方案

常見處理巖溶地基方法主要有強(qiáng)夯法、高壓噴樁處理法以及注漿加固法等，按照該地區(qū)地質(zhì)特性，合理選擇處理目標(biāo)區(qū)域巖溶地基方案。

2.1 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法在處理巖溶地基方面具有顯著優(yōu)勢，能強(qiáng)力閉合溶洞、裂隙等通道，實(shí)現(xiàn)地基均勻化。其靈活調(diào)整夯擊能級的特點(diǎn)，確保了不同巖溶條件下的有效夯實(shí)。然而，該方法也存在地基密實(shí)度不均勻、震動(dòng)噪聲大等局限性，尤其在鄰近村莊的區(qū)域影響更為顯著。經(jīng)分析，鐵路線路直線500 m左右有村莊分布，若采用該方案會(huì)對附近居民日常生活造成較大影響，因此，該次巖溶地基處理工程不選擇強(qiáng)夯法[3]。

2.2 高壓旋噴樁法

壓旋噴樁利用高壓射流切割原理，通過噴嘴噴射出高壓水泥漿液，與地基土混合后形成具有一定強(qiáng)度的樁體。在巖溶地基處理中，高壓旋噴樁能夠深入溶洞、溶蝕裂隙等區(qū)域，有效填充并加固這些軟弱部位。根據(jù)工程實(shí)踐數(shù)據(jù)，采用高壓旋噴樁處理巖溶地基時(shí)，樁身強(qiáng)度可達(dá)20 MPa以上，相較于原狀地基土，其承載力提升了近50%。同時(shí)，高壓旋噴樁的施工效率較高，單樁施工時(shí)間一般不超過2 h，極大地縮短了工期。此外，高壓旋噴樁還具有對周邊環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。在施工過程中，由于采用高壓射流切割原理，對周圍土體的擾動(dòng)較小，減小了對鄰近建筑物和地下管線的影響。

2.3 注漿加固處理法

注漿加固方案通過向地基中注入特定配比的水泥漿液，利用漿液的滲透、擴(kuò)散和固化作用，填充巖溶空洞、裂隙等軟弱部位，從而提高地基的整體承載力和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，注漿加固方案展現(xiàn)出顯著的效果。根據(jù)工程實(shí)踐數(shù)據(jù)，注漿加固后，地基的承載力平均提升了約40%，且地基的沉降量也得到了有效控制。此外，注漿加固還能夠顯著改善地基的均勻性，降低地基的變形風(fēng)險(xiǎn)。注漿漿液的選擇和配比對于加固效果至關(guān)重要。通常情況下，采用水灰比為0.8∶1的普通硅酸鹽水泥漿液，并根據(jù)地質(zhì)條件適當(dāng)調(diào)整漿液的配比和流動(dòng)性，以確保漿液能夠充分滲透和擴(kuò)散到巖溶空洞和裂隙中[4]。

3 鐵路站場巖溶地基加固補(bǔ)強(qiáng)方案設(shè)計(jì)

經(jīng)綜合考慮，深入分析成本、地基剛度、施工工期等因素，主要選擇注漿加固、高壓旋噴樁法以及注漿帷幕加工等方案，作為該次巖溶加固處理方案。

3.1 高壓旋噴樁技術(shù)加固

針對巖溶地基普遍存在的承載力不足及空區(qū)塌陷問題，原方樁持力層失效，致使加固區(qū)域出現(xiàn)沉陷現(xiàn)象，嚴(yán)重危及路基本體和站房結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。為確保注漿加固達(dá)到預(yù)期效果，必須對加固區(qū)進(jìn)行更為精細(xì)化的處理?；陧?xiàng)目實(shí)際情況，采用高壓旋噴樁技術(shù)，對土層進(jìn)行針對性加固，以顯著提升地基覆土層的承載能力。在施工前，進(jìn)行試樁試驗(yàn)，確保施工參數(shù)的精確性與施工質(zhì)量的可靠性。經(jīng)過鉆心取樣和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，全面評估單管高壓旋噴樁樁身質(zhì)量。檢測結(jié)果表明，單管高壓旋噴樁樁身的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高達(dá)7.3 MPa，變形模量達(dá)到1.15 GPa，完全滿足設(shè)計(jì)要求。高壓旋噴注漿相關(guān)參數(shù)見表1。

在實(shí)際施工過程中，對旋噴樁的布置進(jìn)行精細(xì)控制。其橫向樁間距設(shè)定在1.8～2 m的范圍內(nèi)，而縱向間距則為1.7～1.8 m。在局部區(qū)域，為施工便利性和效果，橫向樁間距為4 m。針對+650～+700區(qū)段沉降范圍，將其縱向間距調(diào)整為1.55 m，樁徑則為0.7 m，針對項(xiàng)目情況，采取正方形補(bǔ)樁法；而針對+540～+685區(qū)段來說，主要采用三角形布樁法進(jìn)行，將其排距調(diào)整為1.25 m。其間，需按照相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格控制成樁參數(shù)，以確保施工效果與質(zhì)量。

3.2 側(cè)向補(bǔ)注漿帷幕加固

針對巖溶地基的穩(wěn)定性與安全性需求，該方案經(jīng)過深入研究與規(guī)劃，旨在通過補(bǔ)注漿技術(shù)加固土洞、溶洞及巖溶通道。其核心目標(biāo)在于封閉土、石界面，切斷地表水與地下水系的聯(lián)系，形成堅(jiān)實(shí)的封閉基底。同時(shí)，為預(yù)防地下水徑流對路基造成二次損害，特設(shè)路基側(cè)向補(bǔ)注漿帷幕加固措施，增強(qiáng)路基整體穩(wěn)定性。區(qū)段加固補(bǔ)強(qiáng)如圖1所示。

圖1 +550～+800段加固補(bǔ)強(qiáng)方案（cm）

側(cè)向補(bǔ)注漿帷幕加固方案實(shí)施細(xì)節(jié)如下：

首先，在+550～+800段3道至右側(cè)路堤坡腳，劃定補(bǔ)注漿加固區(qū)。注漿深度需達(dá)巖面以下4～10 m，遇溶洞則深入底面至少1.2 m，確保注漿材料充分填充。注漿范圍上限應(yīng)高于基巖面以上土層至少3 m，形成完整封閉層。注漿孔間距通常為5 m，病害嚴(yán)重區(qū)域則適當(dāng)增加補(bǔ)充注漿孔，并設(shè)3%～5%注漿檢驗(yàn)孔，確保注漿效果均勻可靠[5]。

其次，主要在+450～+800路基班主要采用注漿帷幕。將注漿孔間距調(diào)整為6 m，其深度需確保超過巖基面6 m以下，以形成較為堅(jiān)實(shí)的側(cè)向屏障，以便隔斷地面水徑流，避免后續(xù)水流浸蝕地基，影響建筑物整體性能。

最后，選用高質(zhì)量的P.O42.5普硅水泥，作為該次灌注漿主要材料。同時(shí)，基于項(xiàng)目需求，將水灰比控制在1∶0.9～1∶1范圍內(nèi)，確保材料流動(dòng)性和固化性能。注漿期間，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控壓力變化，保障注漿安全與質(zhì)量穩(wěn)定[6]。

3.3 壓注漿加固補(bǔ)強(qiáng)

巖溶地基塌陷嚴(yán)重威脅路基及填筑土層穩(wěn)定性，導(dǎo)致沉降現(xiàn)象并對無砟軌道和站房結(jié)構(gòu)構(gòu)成安全隱患，阻礙運(yùn)營計(jì)劃。因此，需針對項(xiàng)目實(shí)際情況，采取相應(yīng)加固措施。按照監(jiān)測區(qū)域沉降相關(guān)數(shù)據(jù)，主要采用低壓注漿加固法，精確分析計(jì)算注漿孔間距，確定注漿孔間距為5 m。經(jīng)分析，加固范圍主要包含路基沉降區(qū)域以及該區(qū)域向外延伸20 cm的墊層和上面3～5 m的墊土層。注漿期間，需實(shí)時(shí)監(jiān)控路面位移情況，協(xié)調(diào)好施工，以免因提升過度破壞其本來結(jié)構(gòu)。結(jié)合滲透與壓密注漿兩種方式，填充空隙并壓密松動(dòng)部分，形成高強(qiáng)度結(jié)石體，有效控制沉降。

3.4 構(gòu)建加固補(bǔ)強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)

為更好地進(jìn)行站場路基加固補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)，合理構(gòu)建加工工程監(jiān)測系統(tǒng)，以便精確掌握路基變形規(guī)律。系統(tǒng)運(yùn)行期間，為現(xiàn)場施工及采取相應(yīng)加固補(bǔ)強(qiáng)措施提供數(shù)據(jù)支持。該監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測構(gòu)筑物變形、邊坡路基變形以及線路沉降等核心內(nèi)容，以全面評估路基健康狀況。該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地反映站場路基變形情況，為整治工作提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)，同時(shí)也有助于優(yōu)化加固補(bǔ)強(qiáng)措施，增強(qiáng)站場路基的穩(wěn)定性和安全性。

4 鐵路站場巖溶地基加固補(bǔ)強(qiáng)方案效果研究

4.1 分析鐵路站場路基側(cè)向變形規(guī)律

經(jīng)過系統(tǒng)觀測和記錄分析，鐵路站場路基的坡頂與坡腳位置均展現(xiàn)出明顯的向外側(cè)位移特征。在位移的初始階段，這種移動(dòng)趨勢呈現(xiàn)緩慢而穩(wěn)定的增長。經(jīng)分析，相較于坡腳位置，坡頂?shù)膫?cè)向位移更為顯著，并且隨著深度的增加，位移量逐漸減小。路基補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)期間，發(fā)現(xiàn)斷面?zhèn)认蛭灰婆c邊坡鉆孔位有著密切聯(lián)系。施工前后，施工斷面出現(xiàn)較為明顯的側(cè)向位移現(xiàn)象。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于，隨著注漿量及注漿壓力的逐漸增加，漿液向四周擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致土體發(fā)生位移現(xiàn)象。完成注漿加補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)后，發(fā)現(xiàn)路基的坡腳及坡頂位置側(cè)向位移明顯變小，說明路基逐漸區(qū)域穩(wěn)定。經(jīng)過一系列的補(bǔ)強(qiáng)措施和注漿加固作業(yè)，鐵路站場路基的穩(wěn)定性得到了顯著提升。觀測數(shù)據(jù)顯示，坡頂與坡腳位置的向外側(cè)位移趨勢得到了有效抑制，位移速率顯著降低。特別是在注漿加補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)完成后，側(cè)向位移量明顯減少，顯示出路基的整體穩(wěn)定性得到了有效改善。

4.2 病害區(qū)域加固補(bǔ)強(qiáng)效果分析

按照某地區(qū)鐵路站場路基加固前后補(bǔ)勘與實(shí)測資料，對該區(qū)域病害較為嚴(yán)重+650～+700區(qū)段進(jìn)行分析，分別計(jì)算加固補(bǔ)強(qiáng)后的地基沉降量以及承載力特征值。綜合考慮沉降量以及特征值等參數(shù)對加固措施的影響[7]。

4.2.1 計(jì)算加固后地基沉降量

按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算注漿加固補(bǔ)強(qiáng)后平均壓縮量S1，相關(guān)計(jì)算方法見式（1）～（3）。同時(shí)，樁端下注漿加固巖溶地基的壓縮變形量S2，用分層總和法進(jìn)行計(jì)算。

（1）

Esp=ξEs （2）

ξ=fspk/fak （3）

式中，S1——壓縮變形值；pz、pzh——旋噴樁復(fù)合涂層地面以及頂面的附加應(yīng)力值；Es、Esp——旋噴樁樁間及復(fù)合土層壓縮模量；fak、fspk——天然地基及復(fù)合地基的承載力特征值。

4.2.2 計(jì)算加固后地基承載力特征值

該工程在使用高壓旋噴加固法加固地基覆土層后，地基承載力計(jì)算方法見式（4）：

（4）

式中，Ap、m——樁的截面積和面積置換率；β——樁間土承載力折減系數(shù)用表示；fspk——樁間土承載力特征值用；Ra——樁豎向承載力特征值用。而高壓旋噴樁單樁豎向承載力特征值計(jì)算方法見式（5）、（6），取其中最小值。

Ra=ηfcuAp （5）

（6）

式中，η、fcu——樁身強(qiáng)度折減系數(shù)與抗壓強(qiáng)度；up、qsi——樁的周長與樁身第i層阻力特征值；li、qp——第i層土厚度及樁端承載力特征值。該次加強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)后復(fù)合地基沉降量及承載力相關(guān)數(shù)值見表2。

表2 路基加固各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

單樁豎向承載力特征值/kN 地基承載力

特征值/kPa 路基沉降量/mm

式（5） 式（6） S1 S2

690 1 109 456 10.7 1.5

計(jì)算復(fù)合地基相關(guān)數(shù)值期間，按照現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，fak和fspk分別取30 kPa和150 kPa；按照平均樁徑計(jì)算Ap，綜合考慮多因素取值為0.7 m；旋噴樁加固9 m深度土層平均值進(jìn)行計(jì)算Es，按照7.5 MPa計(jì)算Esp得113.8 MPa。

通過對上述公式及相關(guān)數(shù)值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)站場路基經(jīng)過加固補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)后，地基承載能力大幅提升。同時(shí)，地基沉降為12.3 mm，滿足該地區(qū)鐵路專線路徑沉降要求。

4.3 復(fù)合地基沉降差異因素分析

加固補(bǔ)強(qiáng)后的復(fù)合地基，其沉降的理論計(jì)算值與實(shí)際觀測值應(yīng)保持一致。然而，在監(jiān)測期間，觀察到路基+600、+650和+750斷面的平均沉降量分別為4.60 mm、5.23 mm和5.68 mm。在扣除路基本體壓密變形的影響后，實(shí)際沉降量遠(yuǎn)低于理論預(yù)測值。這一差異主要源于以下幾個(gè)方面的因素：

第一，巖溶地基及其上覆的3 m土層經(jīng)過注漿加固處理后，與既有方樁和CFG樁樁端緊密結(jié)合，形成高強(qiáng)度持力層，顯著提升地基承載能力。然而，在進(jìn)行復(fù)合地基沉降計(jì)算時(shí)，出于安全考慮，往往忽略這一增強(qiáng)效應(yīng)，導(dǎo)致理論計(jì)算值偏高。

（下轉(zhuǎn)第60頁）

（上接第63頁）

第二，地基覆土層通過采用高壓旋噴樁法進(jìn)行加固之后，在高壓漿液的作用下，樁間土以及新樁實(shí)現(xiàn)排水固結(jié)目標(biāo)，進(jìn)一步形成脈狀、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅能夠大幅提升地基變形特性以及地基承載力，還能有效提升CFG樁、既有方樁的性能。然而，在計(jì)算復(fù)合地基沉降期間，未能體現(xiàn)出這一強(qiáng)化效應(yīng)，從而導(dǎo)致理論計(jì)算值與實(shí)際觀測值之間存在較大差異。

第三，在加固補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)備階段，均已完成站房、路基填土等施工，其荷載會(huì)對負(fù)荷地基產(chǎn)生作用，導(dǎo)致在加固補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)期間，已完成部分沉降，從而影響理論值與實(shí)際值之間的差距。

5 結(jié)語

在對鐵路站場巖溶地基加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)與效果的研究過程中，該文深入探討不同加固方法的適用性及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，合理的加固技術(shù)能夠有效提升巖溶地基的承載能力和穩(wěn)定性，確保鐵路站場的安全運(yùn)營。同時(shí)，不同加固方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果存在一定差異，因此在實(shí)際工程中，需根據(jù)具體情況選擇合適的加固方案。

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