李世杰

(济南鸿运铁路岩土工程有限责任公司,山东济南 250022)

我国石灰岩分布范围较广,路基岩溶病害在石灰岩地区普遍发育,一般岩溶病害对铁路路基的稳定性影响并不大,采取的治理措施多为注浆加固,注浆材料以水泥系浆材为主,水泥浆中多掺入粉煤灰、黏土、中(粗)砂等廉价材料,以降低工程造价。济南铁路局管内尤其津浦线济(南)泰(山)段,以及兖石线平邑、临沂附近,皆为石灰岩地区,断层通过处基岩破碎,溶蚀现象严重。

近几年,随着铁路行车速度以及载重的不断提高,列车动荷载对既有线路基的稳定性影响越来越大。岩溶发育、石灰岩地层埋藏浅的地段,受雨季地表水下渗的影响,易出现浅层的路基土洞,形成路基的不均匀沉降。根据作者近几年在既有线路基岩溶病害治理项目中的经验,病害地段一般具有空溶洞体积大、地下水水位变化大且流向复杂等特点。如津浦线K369溶洞群,最大单洞体积达到15.7m×6.2m×12.0m,结构复杂,在我国北方非常罕见,顶板最薄处仅有0.4m,严重危及津浦线行车安全。总结提出了针对路基大型岩溶病害的综合灌注治理方法,即根据溶洞的规模、体积以及上覆基岩的破碎程度、顶板厚度,选用不同的工程材料综合灌注。对有条件的溶洞,研发了数字信号采集系统,对整个灌注过程进行实时监控,从而使充填灌注工作目的性更强。以津浦线K369大型岩溶病害治理项目为背景,对综合灌注法在路基大型岩溶病害治理工程中的应用进行简要介绍,并对如何确定岩溶病害处理深度,整治工艺创新等进行了探讨。

1 工程概况

津浦线K369+200～K369+700段位于岩溶发育区,在K369+364.5附近发现路基下有一大型溶洞,洞口位于下行左9.6m。经初步勘察揭示,该处地下是由结构复杂相互贯通的11个空溶洞组成的大型溶洞群,单洞长3.77～15.7m,宽 0.5～6.2m,洞高 0.4～12m,每个溶洞间一般由直径约0.8m左右的通道相连。在雨水下灌、爆破、以及当地老百姓下到洞内开采石钟乳的影响下,每次进入洞内勘察都能看到新近发生的坍塌落石,顶板最薄处仅有0.4m,严重危及路基稳定及津浦线行车安全(如图1所示)。

图1 溶洞口原貌

2 勘察简介

K369+200～K369+700病害范围内采用物探、钻探、调查测绘等方法进行综合勘察,对K369+364.5处的溶洞群,勘察人员进入洞内进行了调查测绘。采用罗盘、皮尺、摄像机、数码相机等测摄仪器,进行各种数据的量测与采集,基本查清了溶洞的分布范围、大小及顶板厚度(如图2所示)。

图2 洞内勘察情况

2.1 地质情况

(1)地貌岩性

本区宏观地貌单元为泰山山脉北缘之低山丘陵区,大地构造单元属山东地块泰山隆起北侧,为鲁中南低山丘陵不稳定工程地质区的中低山亚区。

(2)地质构造

该区内无大的断裂通过,但次级小断裂发育,共有4条小断层存在。褶曲不发育,单斜产状为主。岩层节理发育,以构造型为主,伴有风化节理。次级小断层和节理的发育为地下水下渗形成了良好的通道。该区地下水主要为深层基岩裂隙水,据调查,埋藏深度大于100m。

2.2 岩溶发育分区及稳定性分析

根据物探、钻探和调查测绘的结果,K369+200～K369+700范围内共分为4个区,各区稳定性分析如下。

岩溶弱发育区(Ⅰ):稳定区。

岩溶中等发育区(ⅡA):基本稳定区,局部浅层有溶洞发育。

岩溶中等发育区(ⅡB):较稳定区,可能塌陷。

岩溶强烈发育区(Ⅲ):不稳定区,可能塌陷。K369+364.5溶洞群位于该区,经综合判释为可能塌陷的非稳定岩溶溶洞。

3 处理范围确定

经方案论证、专家评审,确定处理范围为:上行线范围为稳定区(I区),不需处理;下行线K369+330～K369+375.3为不稳定区(Ⅲ区);三线K369+251.5～K369+297.5为较稳定区(ⅡB区),可能坍塌;三线K369+340～K369+410为不稳定区(Ⅲ区)。下行线、三线上述地段为工程处理范围。其中下行线上述地段已危及行车安全,应迅速处理。

4 灌注原则

4.1 K369+364.5溶洞群

该处溶洞以大型溶洞群的形式存在,由大小不同、埋深不一、走向各不相同的岩溶溶洞相互连通而成,溶洞内无充填物,溶洞类型为裸露型,其连通性较好,裂隙发育。该溶洞主要集中发育在埋深30m以上,局部可达37m。设计采用灌注混凝土、砂浆与压浆相结合的方法处理岩溶病害。溶洞下部主要灌注混凝土,防止浆材过多漏失。接近顶板部分,当混凝土的自身流动无法保证顶板充填密实时,可灌注水泥砂浆或压水泥浆。

混凝土中粗骨料可以有效填充较大裂隙,防止填充材料向加固范围以外渗流,减慢充填速度,并造成不必要的浪费。混凝土凝固后可以在病害范围形成支脉相连的有效刚体,增强路基的稳定性。通过试灌,混凝土采用输送泵灌注,混凝土拌制过程按1%比例添加泵送剂,既保证了混凝土在管内的输送顺畅,又能使混凝土具有较小的塌落度和良好的和易性,提高了混凝土在溶洞内及裂隙间的流动性,确保充填密实(如图3所示)。

图3 混凝土在洞内灌注情况

4.2 岩溶强烈发育区(Ⅲ)

K369+330～K369+373.5(下行线里程 )、K369+340～K369+410(三线里程)。石灰岩间夹泥灰岩,受断层影响很大,节理非常发育,岩体相当破碎,岩溶溶洞以溶洞群的形式存在,各溶洞连通性良好,发育深度从0～30m不等,对线路的稳定性影响较大,线岩溶率 ＞20%,最大可达40%以上。

整个区域岩体破碎,设计以灌注混凝土、砂浆为主,对较小裂隙、顶板及有充填物的溶洞压水泥浆处理。

4.3 岩溶中等发育区(ⅡB)

K369+251.5～K369+297.5(三线里程)。该段石灰岩节理发育,岩体破碎,溶洞较发育,岩溶溶洞以连通性较好的空洞为主,溶洞主要发育在埋深20m以上,在埋深小于15m范围内集中发育,对路基的稳定性影响较大。

该段溶洞空洞体积一般较小,高度0.2～0.8m。设计以灌注水泥砂浆为,对较小裂隙、顶板压水泥浆处理。孔底铺垫底砂,堵塞孔底裂隙。

5 主要机具设备

主要机具设备如表1所示。

表1 主要机具设备

6 灌注材料

灌注材料主要为:混凝土、水泥砂浆、水泥浆。混凝土主要用于K369+364.5溶洞群及其他需加固区内体积较大、互相贯通的溶洞;水泥浆、水泥砂浆主要用于较小裂隙及顶板压浆。

水泥:采用P·C 32.5R级复合硅酸盐水泥。

砂:拌和用砂采用中砂,使用前须严格过筛,防止堵管。

碎石:粒径1～2 cm。

砂浆:水泥与砂的比为1∶0.1～0.4,水灰比为1∶1.5～1∶0.6,铺底砂浆可适当减小水灰比,增加细骨料比例,上部水灰比可逐渐增大。

混凝土:塌落度220～230 mm,添加泵送剂1%。

7 混凝土输送管路布置

K369+364.5溶洞群主要采用混凝土输送泵灌注,洞外管路水平布置,通过埋在注浆孔内的钢套管与洞内的灌注管路体系连接,出浆孔均位于各层溶洞顶板最高处,确保充填密实。经多次试灌与技术创新,水平管与向下的管路连接处,设置了向上的弯头连接,解决了泵送混凝土打上不打下的技术难题,大大减少了混凝土由水平管路向地下管路体系输送时频繁堵管现象,加快了施工进度。

8 灌注量计算

灌注量计算如表2所示。

表2 灌注量计算

9 灌注施工

9.1 注浆孔布置

K369+364.5溶洞群:通过钻探资料与洞内勘察,已经查明了溶洞形状及分布,布孔主要针对溶洞的位置实施钻孔,注浆孔均布置于溶洞顶板最高处,确保灌注密实。由于爆破等因素影响,洞内坍塌较严重,为减小扰动,施工中利用了部分既有勘察钻孔。

Ⅲ区(溶洞群除外)、ⅡB区:该区根据物探、钻探揭示溶洞位置布孔,钻孔间距4～6m。

成孔使用 XY-100型地质钻机完成,钻孔直径127 mm。

9.2 灌注

(1)灌注顺序

灌注按照先下后上、先外后内的原则进行。首先灌注加固区外排注浆孔,形成帷幕,避免浆液过多流失。K369+364.5溶洞群,互相贯通,构造复杂,根据现场情况灌注顺序由下向上逐层完成。

单孔的灌注顺序为:根据每孔的拟处理深度下套管,对需处理的溶洞底层灌注水泥砂浆或冲砂铺底,然后逐层灌注混凝土或水泥砂浆,套管随灌注深度起拔,对于较小裂隙压水泥浆。

(2)套管使用

因一个钻孔大多要穿过多层溶洞,为便于控制,灌注过程须使用套管。套管直径保证套管起落顺利,且不漏浆。套管起落利用自制简易三角架结合倒链完成,灌注结束并把套管全部拔出后,方可移动三角架。如果灌注孔已经堵塞,可先用岩芯管清理钻孔或重钻,然后再下套管。

(3)灌注量控制

该段岩层裂隙发育、互相贯通,从地质资料看,处理区域内岩溶发育方向没有规律,灌注量不易控制。在保证质量的前提下,为降低造价,通常采用间歇灌注控制灌注量,间歇时间3 h左右。每次灌注前在孔底铺一层水灰比较小的水泥砂浆或铺垫砂层,防止浆材向纵深漏失较多。溶洞群灌注时遇跑浆严重时,可在洞底裂隙发育处以片石封堵。

(4)顶板压浆

K369+364.5溶洞群,当混凝土灌至孔口而顶板无法保证密实时,可以采用压水泥浆方法保证充填密实,排浆压力0～1.5 MPa左右为宜,现场可根据地层情况进行调整。压浆过程注意记录注浆量,如果实际注浆量高出设计值较多,则需适当降低排浆压力,并减小浆液水灰比。

(5)终孔

压浆时当孔口压力在0～0.2 MPa左右,吸浆量不大于4 L/min时,持续30 min,则视为浆液已灌满。该区裂隙发育,如果长时间不起压,或无法满足上述指标而排浆量较大时,可改用水泥砂浆或混凝土进行灌注。K369+364.5溶洞群,施工人员可下到洞内灌注,通过观察可以判定溶洞是否已灌满,无法观察到顶板灌注情况的溶洞,可用数字信号采集系统实时监控,如有空洞可在顶板压力补浆。

每次灌注结束后,应压入一定量的清水,清洗套管,但压入的水量不宜过多,以免冲淡浆液,影响浆液凝固。如果一次灌注时间较长,套管应经常活动,防止浆液将套管凝固住。最后清洗搅拌机、输送管路、注浆泵,进行下一孔的灌注。

10 质量检测

10.1 实时监控

K369+364.5溶洞群,在确保安全的前提下,施工人员进入洞内安装摄像头及照明设备,利用数字信号采集系统对洞内的灌注过程和灌注质量进行全过程实时监控(如图4所示),发现问题及时改进灌注工艺,并采取相应的处理措施,确保灌注质量。

图4 监控实拍混凝土灌至洞顶画面

10.2 检查孔检测

针对灌注难度较大或地质情况特别复杂的区域作一定数量的检查孔,正线下方的检查孔为斜孔,施钻时必须严格控制钻杆倾斜角度,确保孔底位置正确。如检查孔发现有空洞,在分析原因后可采用二次补浆或其他处理措施(如图5所示)。

10.3 物探检测

施工完毕后,针对处理区域进行物探检测,物探可采用地质雷达、对称四极电测深等方法进行综合物探,并将施工后的物探资料与勘察阶段的物探资料进行对比分析,准确判释充填质量。

图5 检查孔提取岩芯情况

10.4 压水试验

压水试验的关键是如何控制试验中的稳定流量、压力和成果判断。试验方法按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》进行。

所有检查孔、压水孔均应在检查完后以较稠的水泥砂浆灌满。

11 探讨与完善

11.1 岩溶处理深度的探讨

在岩溶顶板安全厚度评价的计算中,普遍采用了类比法、计算法等方法,但是由于计算参数选取人为因素大,各类公式的计算理论不同,计算出的结果也往往出入较大。作者认为溶洞的地质结构千差万别,世界上没有完全相同的两个岩溶地区,传统的关于岩溶稳定性的计算往往并不能完全反映工点的实际情况。比如本文案例中溶洞群顶板最薄处只有0.4m,各种公式计算出的结果都为不稳定区,但津浦线历经百年该处都未曾塌陷,只是三线的开挖、爆破、洞内的人为破坏等因素才导致了洞内的不断坍塌。而在其他工点,比如兖石线某工点,岩溶埋深在30m,因与路基内的通道已形成,土洞不断发展,最终导致路肩处的陷坑病害。图6是俄罗斯技术人员所做的列车荷载下基床应力分布规律试验,在我国一般认为基床下3～4m范围,列车及道床荷载对地基中心部位产生的附加应力是最大的,所以作者认为在基床下3～4m范围内,线岩溶率超过10%的地层,无论顶板稳定性计算结果如何,出于安全考虑,都必须处理。对于基床下3～4m以下深度范围,首先应采用注浆等方式阻断溶洞与上部路基通道或土岩分界面,防止土洞等路基病害的进一步形成与发展。在岩溶地区稳定性判定方面,主要应考虑溶洞顶板的基岩破碎程度、水位变化、断层情况、溶洞(群)结构形式、影响范围以及是否有充填物等因素,计算结果在地质条件较好时可适当取小值,在保证处理效果的前提下,节约处理成本。

图6 列车荷载下基床应力分布规律

11.2 注浆量计算的经验系数

本文案例中所采用的注浆量计算公式,为普遍使用的经验公式,但在应用中存在系数取值人为影响因素大的问题,有时只是0.1的偏差,计算出的注浆量可能就会成倍的变化,通过经验总结,公式计算出的注浆量值一般偏大。在近几年各工点的反复实践中,作者总结出注浆量与受注体体积的大致比值为0.08～0.2(有的文献介绍经验系数为0.1～0.2)。对于评价为岩溶中等发育区、洞内有充填物或计算区域注浆量时,可取小值;对于评价为岩溶强烈发育区、有大范围空洞揭示或计算单个空溶洞注浆量时,应取大值。另外在受注体体积计算时,边界选取范围大时,系数取小值,相反则取大值。

11.3 数字信号采集系统的完善

在实践中,作者创作了针对大型溶洞灌注作业的数字信号采集系统,既能实现灌注过程的实时监控,保证灌注密实以及突发事件的应急处理,又可为工程项目保留隐蔽工程影像资料。该系统从本文案例项目开始应用,直到今天我公司在溶洞、采空区处理项目中仍在使用,并为查明溶洞、采空区的地下结构、地下水流动情况以及灌注过程的实时监控等工作做出了贡献。下一步应将该系统进一步完善,增加定向、测距、远摄、提高水下成像质量等功能,甚至可以借鉴其他领域的创新技术直接判定钻孔周围一定范围内的溶蚀、破碎程度以及空洞位置及大小,从而使岩溶处理手段更加丰富、勘察精度更高、处理效果更好。

[1]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1999

[2]龚晓南.地基处理手册(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[3]李前银.再论岩溶塌陷的形成机制[J].北京:中国地质灾害与防治学报,2009,20(3):52-55

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