綜合灌注法治理路基大型巖溶病害

李世杰

(濟(jì)南鴻運(yùn)鐵路巖土工程有限責(zé)任公司,山東濟(jì)南 250022)

我國(guó)石灰?guī)r分布范圍較廣,路基巖溶病害在石灰?guī)r地區(qū)普遍發(fā)育,一般巖溶病害對(duì)鐵路路基的穩(wěn)定性影響并不大,采取的治理措施多為注漿加固,注漿材料以水泥系漿材為主,水泥漿中多摻入粉煤灰、黏土、中(粗)砂等廉價(jià)材料,以降低工程造價(jià)。濟(jì)南鐵路局管內(nèi)尤其津浦線濟(jì)(南)泰(山)段,以及兗石線平邑、臨沂附近,皆為石灰?guī)r地區(qū),斷層通過(guò)處基巖破碎,溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。

近幾年,隨著鐵路行車(chē)速度以及載重的不斷提高,列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)既有線路基的穩(wěn)定性影響越來(lái)越大。巖溶發(fā)育、石灰?guī)r地層埋藏淺的地段,受雨季地表水下滲的影響,易出現(xiàn)淺層的路基土洞,形成路基的不均勻沉降。根據(jù)作者近幾年在既有線路基巖溶病害治理項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn),病害地段一般具有空溶洞體積大、地下水水位變化大且流向復(fù)雜等特點(diǎn)。如津浦線K369溶洞群,最大單洞體積達(dá)到15.7m×6.2m×12.0m,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在我國(guó)北方非常罕見(jiàn),頂板最薄處僅有0.4m,嚴(yán)重危及津浦線行車(chē)安全。總結(jié)提出了針對(duì)路基大型巖溶病害的綜合灌注治理方法,即根據(jù)溶洞的規(guī)模、體積以及上覆基巖的破碎程度、頂板厚度,選用不同的工程材料綜合灌注。對(duì)有條件的溶洞,研發(fā)了數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng),對(duì)整個(gè)灌注過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,從而使充填灌注工作目的性更強(qiáng)。以津浦線K369大型巖溶病害治理項(xiàng)目為背景,對(duì)綜合灌注法在路基大型巖溶病害治理工程中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,并對(duì)如何確定巖溶病害處理深度,整治工藝創(chuàng)新等進(jìn)行了探討。

1 工程概況

津浦線K369+200～K369+700段位于巖溶發(fā)育區(qū),在K369+364.5附近發(fā)現(xiàn)路基下有一大型溶洞,洞口位于下行左9.6m。經(jīng)初步勘察揭示,該處地下是由結(jié)構(gòu)復(fù)雜相互貫通的11個(gè)空溶洞組成的大型溶洞群,單洞長(zhǎng)3.77～15.7m,寬 0.5～6.2m,洞高 0.4～12m,每個(gè)溶洞間一般由直徑約0.8m左右的通道相連。在雨水下灌、爆破、以及當(dāng)?shù)乩习傩障碌蕉磧?nèi)開(kāi)采石鐘乳的影響下,每次進(jìn)入洞內(nèi)勘察都能看到新近發(fā)生的坍塌落石,頂板最薄處僅有0.4m,嚴(yán)重危及路基穩(wěn)定及津浦線行車(chē)安全(如圖1所示)。

圖1 溶洞口原貌

2 勘察簡(jiǎn)介

K369+200～K369+700病害范圍內(nèi)采用物探、鉆探、調(diào)查測(cè)繪等方法進(jìn)行綜合勘察,對(duì)K369+364.5處的溶洞群,勘察人員進(jìn)入洞內(nèi)進(jìn)行了調(diào)查測(cè)繪。采用羅盤(pán)、皮尺、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等測(cè)攝儀器,進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的量測(cè)與采集,基本查清了溶洞的分布范圍、大小及頂板厚度(如圖2所示)。

圖2 洞內(nèi)勘察情況

2.1 地質(zhì)情況

(1)地貌巖性

本區(qū)宏觀地貌單元為泰山山脈北緣之低山丘陵區(qū),大地構(gòu)造單元屬山東地塊泰山隆起北側(cè),為魯中南低山丘陵不穩(wěn)定工程地質(zhì)區(qū)的中低山亞區(qū)。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)內(nèi)無(wú)大的斷裂通過(guò),但次級(jí)小斷裂發(fā)育,共有4條小斷層存在。褶曲不發(fā)育,單斜產(chǎn)狀為主。巖層節(jié)理發(fā)育,以構(gòu)造型為主,伴有風(fēng)化節(jié)理。次級(jí)小斷層和節(jié)理的發(fā)育為地下水下滲形成了良好的通道。該區(qū)地下水主要為深層基巖裂隙水,據(jù)調(diào)查,埋藏深度大于100m。

2.2 巖溶發(fā)育分區(qū)及穩(wěn)定性分析

根據(jù)物探、鉆探和調(diào)查測(cè)繪的結(jié)果,K369+200～K369+700范圍內(nèi)共分為4個(gè)區(qū),各區(qū)穩(wěn)定性分析如下。

巖溶弱發(fā)育區(qū)(Ⅰ):穩(wěn)定區(qū)。

巖溶中等發(fā)育區(qū)(ⅡA):基本穩(wěn)定區(qū),局部淺層有溶洞發(fā)育。

巖溶中等發(fā)育區(qū)(ⅡB):較穩(wěn)定區(qū),可能塌陷。

巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)(Ⅲ):不穩(wěn)定區(qū),可能塌陷。K369+364.5溶洞群位于該區(qū),經(jīng)綜合判釋為可能塌陷的非穩(wěn)定巖溶溶洞。

3 處理范圍確定

經(jīng)方案論證、專(zhuān)家評(píng)審,確定處理范圍為:上行線范圍為穩(wěn)定區(qū)(I區(qū)),不需處理;下行線K369+330～K369+375.3為不穩(wěn)定區(qū)(Ⅲ區(qū));三線K369+251.5～K369+297.5為較穩(wěn)定區(qū)(ⅡB區(qū)),可能坍塌;三線K369+340～K369+410為不穩(wěn)定區(qū)(Ⅲ區(qū))。下行線、三線上述地段為工程處理范圍。其中下行線上述地段已危及行車(chē)安全,應(yīng)迅速處理。

4 灌注原則

4.1 K369+364.5溶洞群

該處溶洞以大型溶洞群的形式存在,由大小不同、埋深不一、走向各不相同的巖溶溶洞相互連通而成,溶洞內(nèi)無(wú)充填物,溶洞類(lèi)型為裸露型,其連通性較好,裂隙發(fā)育。該溶洞主要集中發(fā)育在埋深30m以上,局部可達(dá)37m。設(shè)計(jì)采用灌注混凝土、砂漿與壓漿相結(jié)合的方法處理巖溶病害。溶洞下部主要灌注混凝土,防止?jié){材過(guò)多漏失。接近頂板部分,當(dāng)混凝土的自身流動(dòng)無(wú)法保證頂板充填密實(shí)時(shí),可灌注水泥砂漿或壓水泥漿。

混凝土中粗骨料可以有效填充較大裂隙,防止填充材料向加固范圍以外滲流,減慢充填速度,并造成不必要的浪費(fèi)?；炷聊毯罂梢栽诓『Ψ秶纬芍}相連的有效剛體,增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性。通過(guò)試灌,混凝土采用輸送泵灌注,混凝土拌制過(guò)程按1%比例添加泵送劑,既保證了混凝土在管內(nèi)的輸送順暢,又能使混凝土具有較小的塌落度和良好的和易性,提高了混凝土在溶洞內(nèi)及裂隙間的流動(dòng)性,確保充填密實(shí)(如圖3所示)。

圖3 混凝土在洞內(nèi)灌注情況

4.2 巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)(Ⅲ)

K369+330～K369+373.5(下行線里程 )、K369+340～K369+410(三線里程)。石灰?guī)r間夾泥灰?guī)r,受斷層影響很大,節(jié)理非常發(fā)育,巖體相當(dāng)破碎,巖溶溶洞以溶洞群的形式存在,各溶洞連通性良好,發(fā)育深度從0～30m不等,對(duì)線路的穩(wěn)定性影響較大,線巖溶率 ＞20%,最大可達(dá)40%以上。

整個(gè)區(qū)域巖體破碎,設(shè)計(jì)以灌注混凝土、砂漿為主,對(duì)較小裂隙、頂板及有充填物的溶洞壓水泥漿處理。

4.3 巖溶中等發(fā)育區(qū)(ⅡB)

K369+251.5～K369+297.5(三線里程)。該段石灰?guī)r節(jié)理發(fā)育,巖體破碎,溶洞較發(fā)育,巖溶溶洞以連通性較好的空洞為主,溶洞主要發(fā)育在埋深20m以上,在埋深小于15m范圍內(nèi)集中發(fā)育,對(duì)路基的穩(wěn)定性影響較大。

該段溶洞空洞體積一般較小,高度0.2～0.8m。設(shè)計(jì)以灌注水泥砂漿為,對(duì)較小裂隙、頂板壓水泥漿處理?？椎卒亯|底砂,堵塞孔底裂隙。

5 主要機(jī)具設(shè)備

主要機(jī)具設(shè)備如表1所示。

表1 主要機(jī)具設(shè)備

6 灌注材料

灌注材料主要為:混凝土、水泥砂漿、水泥漿?；炷林饕糜贙369+364.5溶洞群及其他需加固區(qū)內(nèi)體積較大、互相貫通的溶洞;水泥漿、水泥砂漿主要用于較小裂隙及頂板壓漿。

水泥:采用P·C 32.5R級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥。

砂:拌和用砂采用中砂,使用前須嚴(yán)格過(guò)篩,防止堵管。

碎石:粒徑1～2 cm。

砂漿:水泥與砂的比為1∶0.1～0.4,水灰比為1∶1.5～1∶0.6,鋪底砂漿可適當(dāng)減小水灰比,增加細(xì)骨料比例,上部水灰比可逐漸增大。

混凝土:塌落度220～230 mm,添加泵送劑1%。

7 混凝土輸送管路布置

K369+364.5溶洞群主要采用混凝土輸送泵灌注,洞外管路水平布置,通過(guò)埋在注漿孔內(nèi)的鋼套管與洞內(nèi)的灌注管路體系連接,出漿孔均位于各層溶洞頂板最高處,確保充填密實(shí)。經(jīng)多次試灌與技術(shù)創(chuàng)新,水平管與向下的管路連接處,設(shè)置了向上的彎頭連接,解決了泵送混凝土打上不打下的技術(shù)難題,大大減少了混凝土由水平管路向地下管路體系輸送時(shí)頻繁堵管現(xiàn)象,加快了施工進(jìn)度。

8 灌注量計(jì)算

灌注量計(jì)算如表2所示。

表2 灌注量計(jì)算

9 灌注施工

9.1 注漿孔布置

K369+364.5溶洞群:通過(guò)鉆探資料與洞內(nèi)勘察,已經(jīng)查明了溶洞形狀及分布,布孔主要針對(duì)溶洞的位置實(shí)施鉆孔,注漿孔均布置于溶洞頂板最高處,確保灌注密實(shí)。由于爆破等因素影響,洞內(nèi)坍塌較嚴(yán)重,為減小擾動(dòng),施工中利用了部分既有勘察鉆孔。

Ⅲ區(qū)(溶洞群除外)、ⅡB區(qū):該區(qū)根據(jù)物探、鉆探揭示溶洞位置布孔,鉆孔間距4～6m。

成孔使用 XY-100型地質(zhì)鉆機(jī)完成,鉆孔直徑127 mm。

9.2 灌注

(1)灌注順序

灌注按照先下后上、先外后內(nèi)的原則進(jìn)行。首先灌注加固區(qū)外排注漿孔,形成帷幕,避免漿液過(guò)多流失。K369+364.5溶洞群,互相貫通,構(gòu)造復(fù)雜,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況灌注順序由下向上逐層完成。

單孔的灌注順序?yàn)?根據(jù)每孔的擬處理深度下套管,對(duì)需處理的溶洞底層灌注水泥砂漿或沖砂鋪底,然后逐層灌注混凝土或水泥砂漿,套管隨灌注深度起拔,對(duì)于較小裂隙壓水泥漿。

(2)套管使用

因一個(gè)鉆孔大多要穿過(guò)多層溶洞,為便于控制,灌注過(guò)程須使用套管。套管直徑保證套管起落順利,且不漏漿。套管起落利用自制簡(jiǎn)易三角架結(jié)合倒鏈完成,灌注結(jié)束并把套管全部拔出后,方可移動(dòng)三角架。如果灌注孔已經(jīng)堵塞,可先用巖芯管清理鉆孔或重鉆,然后再下套管。

(3)灌注量控制

該段巖層裂隙發(fā)育、互相貫通,從地質(zhì)資料看,處理區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育方向沒(méi)有規(guī)律,灌注量不易控制。在保證質(zhì)量的前提下,為降低造價(jià),通常采用間歇灌注控制灌注量,間歇時(shí)間3 h左右。每次灌注前在孔底鋪一層水灰比較小的水泥砂漿或鋪墊砂層,防止?jié){材向縱深漏失較多。溶洞群灌注時(shí)遇跑漿嚴(yán)重時(shí),可在洞底裂隙發(fā)育處以片石封堵。

(4)頂板壓漿

K369+364.5溶洞群,當(dāng)混凝土灌至孔口而頂板無(wú)法保證密實(shí)時(shí),可以采用壓水泥漿方法保證充填密實(shí),排漿壓力0～1.5 MPa左右為宜,現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)地層情況進(jìn)行調(diào)整。壓漿過(guò)程注意記錄注漿量,如果實(shí)際注漿量高出設(shè)計(jì)值較多,則需適當(dāng)降低排漿壓力,并減小漿液水灰比。

(5)終孔

壓漿時(shí)當(dāng)孔口壓力在0～0.2 MPa左右,吸漿量不大于4 L/min時(shí),持續(xù)30 min,則視為漿液已灌滿(mǎn)。該區(qū)裂隙發(fā)育,如果長(zhǎng)時(shí)間不起壓,或無(wú)法滿(mǎn)足上述指標(biāo)而排漿量較大時(shí),可改用水泥砂漿或混凝土進(jìn)行灌注。K369+364.5溶洞群,施工人員可下到洞內(nèi)灌注,通過(guò)觀察可以判定溶洞是否已灌滿(mǎn),無(wú)法觀察到頂板灌注情況的溶洞,可用數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控,如有空洞可在頂板壓力補(bǔ)漿。

每次灌注結(jié)束后,應(yīng)壓入一定量的清水,清洗套管,但壓入的水量不宜過(guò)多,以免沖淡漿液,影響漿液凝固。如果一次灌注時(shí)間較長(zhǎng),套管應(yīng)經(jīng)?；顒?dòng),防止?jié){液將套管凝固住。最后清洗攪拌機(jī)、輸送管路、注漿泵,進(jìn)行下一孔的灌注。

10 質(zhì)量檢測(cè)

10.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控

K369+364.5溶洞群,在確保安全的前提下,施工人員進(jìn)入洞內(nèi)安裝攝像頭及照明設(shè)備,利用數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)洞內(nèi)的灌注過(guò)程和灌注質(zhì)量進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控(如圖4所示),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)改進(jìn)灌注工藝,并采取相應(yīng)的處理措施,確保灌注質(zhì)量。

圖4 監(jiān)控實(shí)拍混凝土灌至洞頂畫(huà)面

10.2 檢查孔檢測(cè)

針對(duì)灌注難度較大或地質(zhì)情況特別復(fù)雜的區(qū)域作一定數(shù)量的檢查孔,正線下方的檢查孔為斜孔,施鉆時(shí)必須嚴(yán)格控制鉆桿傾斜角度,確保孔底位置正確。如檢查孔發(fā)現(xiàn)有空洞,在分析原因后可采用二次補(bǔ)漿或其他處理措施(如圖5所示)。

10.3 物探檢測(cè)

施工完畢后,針對(duì)處理區(qū)域進(jìn)行物探檢測(cè),物探可采用地質(zhì)雷達(dá)、對(duì)稱(chēng)四極電測(cè)深等方法進(jìn)行綜合物探,并將施工后的物探資料與勘察階段的物探資料進(jìn)行對(duì)比分析,準(zhǔn)確判釋充填質(zhì)量。

圖5 檢查孔提取巖芯情況

10.4 壓水試驗(yàn)

壓水試驗(yàn)的關(guān)鍵是如何控制試驗(yàn)中的穩(wěn)定流量、壓力和成果判斷。試驗(yàn)方法按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行。

所有檢查孔、壓水孔均應(yīng)在檢查完后以較稠的水泥砂漿灌滿(mǎn)。

11 探討與完善

11.1 巖溶處理深度的探討

在巖溶頂板安全厚度評(píng)價(jià)的計(jì)算中,普遍采用了類(lèi)比法、計(jì)算法等方法,但是由于計(jì)算參數(shù)選取人為因素大,各類(lèi)公式的計(jì)算理論不同,計(jì)算出的結(jié)果也往往出入較大。作者認(rèn)為溶洞的地質(zhì)結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別,世界上沒(méi)有完全相同的兩個(gè)巖溶地區(qū),傳統(tǒng)的關(guān)于巖溶穩(wěn)定性的計(jì)算往往并不能完全反映工點(diǎn)的實(shí)際情況。比如本文案例中溶洞群頂板最薄處只有0.4m,各種公式計(jì)算出的結(jié)果都為不穩(wěn)定區(qū),但津浦線歷經(jīng)百年該處都未曾塌陷,只是三線的開(kāi)挖、爆破、洞內(nèi)的人為破壞等因素才導(dǎo)致了洞內(nèi)的不斷坍塌。而在其他工點(diǎn),比如兗石線某工點(diǎn),巖溶埋深在30m,因與路基內(nèi)的通道已形成,土洞不斷發(fā)展,最終導(dǎo)致路肩處的陷坑病害。圖6是俄羅斯技術(shù)人員所做的列車(chē)荷載下基床應(yīng)力分布規(guī)律試驗(yàn),在我國(guó)一般認(rèn)為基床下3～4m范圍,列車(chē)及道床荷載對(duì)地基中心部位產(chǎn)生的附加應(yīng)力是最大的,所以作者認(rèn)為在基床下3～4m范圍內(nèi),線巖溶率超過(guò)10%的地層,無(wú)論頂板穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如何,出于安全考慮,都必須處理。對(duì)于基床下3～4m以下深度范圍,首先應(yīng)采用注漿等方式阻斷溶洞與上部路基通道或土巖分界面,防止土洞等路基病害的進(jìn)一步形成與發(fā)展。在巖溶地區(qū)穩(wěn)定性判定方面,主要應(yīng)考慮溶洞頂板的基巖破碎程度、水位變化、斷層情況、溶洞(群)結(jié)構(gòu)形式、影響范圍以及是否有充填物等因素,計(jì)算結(jié)果在地質(zhì)條件較好時(shí)可適當(dāng)取小值,在保證處理效果的前提下,節(jié)約處理成本。

圖6 列車(chē)荷載下基床應(yīng)力分布規(guī)律

11.2 注漿量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

本文案例中所采用的注漿量計(jì)算公式,為普遍使用的經(jīng)驗(yàn)公式,但在應(yīng)用中存在系數(shù)取值人為影響因素大的問(wèn)題,有時(shí)只是0.1的偏差,計(jì)算出的注漿量可能就會(huì)成倍的變化,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)總結(jié),公式計(jì)算出的注漿量值一般偏大。在近幾年各工點(diǎn)的反復(fù)實(shí)踐中,作者總結(jié)出注漿量與受注體體積的大致比值為0.08～0.2(有的文獻(xiàn)介紹經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.1～0.2)。對(duì)于評(píng)價(jià)為巖溶中等發(fā)育區(qū)、洞內(nèi)有充填物或計(jì)算區(qū)域注漿量時(shí),可取小值;對(duì)于評(píng)價(jià)為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)、有大范圍空洞揭示或計(jì)算單個(gè)空溶洞注漿量時(shí),應(yīng)取大值。另外在受注體體積計(jì)算時(shí),邊界選取范圍大時(shí),系數(shù)取小值,相反則取大值。

11.3 數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)的完善

在實(shí)踐中,作者創(chuàng)作了針對(duì)大型溶洞灌注作業(yè)的數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng),既能實(shí)現(xiàn)灌注過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控,保證灌注密實(shí)以及突發(fā)事件的應(yīng)急處理,又可為工程項(xiàng)目保留隱蔽工程影像資料。該系統(tǒng)從本文案例項(xiàng)目開(kāi)始應(yīng)用,直到今天我公司在溶洞、采空區(qū)處理項(xiàng)目中仍在使用,并為查明溶洞、采空區(qū)的地下結(jié)構(gòu)、地下水流動(dòng)情況以及灌注過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控等工作做出了貢獻(xiàn)。下一步應(yīng)將該系統(tǒng)進(jìn)一步完善,增加定向、測(cè)距、遠(yuǎn)攝、提高水下成像質(zhì)量等功能,甚至可以借鑒其他領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)直接判定鉆孔周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的溶蝕、破碎程度以及空洞位置及大小,從而使巖溶處理手段更加豐富、勘察精度更高、處理效果更好。

[1]鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999

[2]龔曉南.地基處理手冊(cè)(第三版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008

[3]李前銀.再論巖溶塌陷的形成機(jī)制[J].北京:中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2009,20(3):52-55

[4]吳凡華.巖溶路基注漿加固施工技術(shù)[J].路基工程.2006,126(3):97-99