郭全元
中铁四院集团广州设计院有限公司 广东广州 510600
摘要：基于覆盖型岩溶裂隙发育机理，以京广铁路覆盖型岩溶塌陷引发路基沉降为例，经过研究论证，采用“探灌结合”的方式进行，设置先导孔并作为钻探验证孔，确定岩溶塌陷治理方案。采取钻孔取芯法和钻孔降水头注水试验法验证注浆效果，可供今后类似工程提供一些参考。
关键词：覆盖型岩溶；铁路路基；土洞；岩溶注浆；岩溶裂隙；探灌结合；注水试验
Settlement Analysis of Covering Karst Collapse in K1994+780～K1995+020 section of Beijing-Guangzhou Railway Subgrade And remediation plan
Guo Quan-yuan
（Guangzhou Institute of the China Railway Siyuan Survey and Design Group Company Limited，Guangzhou 510600，China）
Abstract：Based on the cover-type karst fissure development mechanism and the subgrade settlement caused by the cover-type karst collapse of Beijing-Guangzhou Railway as an example，after research and demonstration，the method of “exploration and irrigation combined” was adopted，and the pilot hole was set and used as the drilling verification hole to determine the karst collapse treatment plan. . The core drilling method and borehole head water injection test method were used to verify the effect of grouting，which can provide some reference for similar projects in the future.
Key words：Covering Karst；railway subgrade；soil cave；karst grouting；karst fissure；Combination of exploration and irrigation；The water injection test
0 引言
覆盖型溶岩被第四系松散堆积物覆盖，覆盖层厚度一般小于30m。岩溶洞穴在上覆层重力、溶洞水位波动等各种因素的作用下，导致溶洞上部土体潜蚀、搬运、掏空，逐渐形成土体洞室，土洞不断发展扩大并最终塌陷[1～2]。在既有运营铁路路基中若含有覆盖型可溶岩，路基承载能力低，覆盖型岩溶路基在列车荷载以及附加荷载的作用下会导致岩溶塌陷，给铁路安全造成严重威胁[3～4]。
注浆是岩溶路基整治最常用的方法之一[5～8]，传统的路基岩溶注浆一般采用花管注浆形成隔离层以阻止岩溶继续溶蚀发育，由于注浆过程中无法控制浆液在地下的扩散方向，浆液难以控制，导致跑浆冒浆严重，对既有铁路线影响较大，或者是如果地下存在岩溶溶腔，浆液无法进入岩溶溶腔，注浆效果不好。本文以京广铁覆盖型岩溶塌陷引发路基沉降为研究对象，针对覆盖型岩溶的形成原因及机理进行分析，并提出覆盖型岩溶注浆治理方案，并通过注浆检测验证治理效果。
1 岩溶塌陷的机理分析
岩溶塌陷主要有内部因素和外部因素，内部因素是指存在岩溶发育的条件，主要有：（1）可溶性岩石；（2）构造裂隙和地下水存在。而外部因素主要是诱导因素，主要有：（1）自然因素，如地下水位随季节性变化，降水渗入地下等；（2）人为活动因素，如修建地下工程，抽排地下水等。
岩溶洞穴在上覆土层重力及外部附加动力作用、地下水渗流作用等诱导因素的作用下，土体不断被潜蚀、淘空，失去稳定性，形成土洞，土洞持续发育扩大，当土洞拱顶厚度减少到临界厚度时，在外界突发附加荷载作用下最终垮塌，形成覆盖型岩溶塌陷。
图1 上覆黏土层和溶洞
图1表明，覆盖层下覆含有可溶性基岩时，地下水水位发生波动时，地下水在黏土层与溶洞接触面处发生潜蚀作用。
图2 溶洞上部土体流失形成土洞
图2 表明当地层中的地下水位快速下降时，地下水水力坡度增大，渗透力大小与水力坡度成正比，地下水的潜蚀作用加强，将溶洞上部土体颗粒随带走，在溶洞上部逐渐形成土体空洞，因此水位下降时诱发地面塌陷的因素之一。
图3 土洞扩大至上层顶板塌陷
图2～3 表明，土体洞室在地下水诱导因素的作用下不断扩大、发展，直到达到临界土洞高度hmax，上层顶板被溶蚀洞穿，最终发生垮塌[9]。
通过以上可知，岩溶塌陷的基本条件是：覆盖层、下伏开口岩溶洞穴、地下水潜蚀等诱导因素。在地下水等诱导因素对土体潜蚀作用下，溶洞洞口处土体不断冲蚀、淘空，在岩溶洞穴顶板与盖层土体的交接处形成拱形土洞，土洞规模逐渐扩大、发展，直到达到临界土洞高度hmax，土洞的上拱力不足于支撑上部荷载，最终塌陷。
2 工程概况
既有京广铁路乐昌段K1994+780～K1995+020路基工程，线路位于岩溶极发育的地段，路基基底有面积较大的覆盖型岩溶。
2.1 沉降变形过程及特征
（1）2014年3月13日上午10点乐昌线路车间张滩工区检查线路时发现京K1994+960～+980处有较大沉降，Ⅲ道下沉16mm、上下行线分别下沉了20mm和5mm，见图4。随即上报上级对该段上行线办理慢行，下行线进行封锁，并对周围路基及涵洞进行检查排除险情，发现K1994+992处涵洞有下沉错位现象，路基边坡无明显变化，电气化柱无沉降。
（2）2014年5月11日上午于K1994+985的Ⅲ道左侧轨枕边再次发生塌陷，塌陷处上口40×50cm，深1.5m。下部宽1.5m左右，呈漏斗型，见图5。
2.2 场地工程地质特征：
场地为河流一级阶地，地下岩溶发育，据地质钻探资料显示，从上往下地层依次是：人工填土：上部以片石为主、下部夹有少量种植土；粉质黏土：冲洪积层，硬塑，局部夹有少量砾石；细砂：冲洪积层，稍密，局部夹有卵砾石；石灰岩：弱风化，方解石脉发育，溶蚀现象严重。
区域内地下水发育，武江常水位约在86m，百年水位为94.6m，两者相差8～9m，另外，4～7月份是广东地区的雨季，通过一段时间的下雨，加上上游有一水库，地下水的活动能力增强，潜蚀作用加剧。
图4 路基塌陷导致钢轨不平顺
图5 路基塌陷呈漏斗型
2.3 路基塌陷沉降原因分析
该段路基位于覆盖型岩溶发育地段，此处覆盖型岩溶覆盖层主要由粉质黏土和砂土组成的二元结构，溶洞无充填物，灰岩裂隙发育，侵蚀基准面的起伏，使得地下水在裂缝中流动，对可溶岩的溶蚀作用增强，岩溶顶板不稳定，上层顶板容易被溶蚀洞穿。水位季节性变化幅度过大，水位波动易使上覆土体产生潜蚀破坏甚至形成土洞，部分地区引起较大范围内地表自然坍陷。地表水和地下水沿基岩的孔隙、裂隙和层面由高水头向低水头渗流，不断溶蚀碳酸岩形成溶洞溶槽，形成溶蚀裂隙通道，与此同时，也对上层的砂层和黏土层进行潜蚀，导致上覆土层被搬运、掏空，从而在上层路基基底下土层中形成空洞、土洞，进而加剧该地质模型的土一岩交界面处岩溶及土洞发育。溶洞中被潜蚀的上层砂层和黏土层等松散物充填，强度很低，在列车动荷载的作用下，该段土洞的上拱力不足于支撑上部荷载引起突然垮塌，从来引起铁路路基下沉、塌陷。因此必须对此类岩溶进行处理，以达到路基设计的承载力要求。
3 覆盖型岩溶注浆治理设计方法
针对本工程岩溶塌陷原因分析，同时基于为既有铁路线的运营安全，采取注浆方式对既有铁路路基进行加固。
为更准确分析该区域岩溶情况，需要进一步进行钻探验证工作，因此设置先导注浆孔、并作为钻探验证孔。即采用“探灌结合”的方式进行，设置先导孔并作为钻探验证孔。
（1）通过工程物探[8]确定岩溶区域范围、深度及岩溶形态，作为确定先导孔的布置范围、间距和深度的基础。
（2）根据所确定的岩溶区域范围、深度及岩溶形态来确定先导孔布置范围、间距和深度。采用“探灌结合”的方式进行，设置先导孔并作为钻探验证孔。
如图6～7所示，在K1994+780～K1995+020区域内上下行线岩溶区域范围路堤路基两侧边坡坡脚各设一排先导孔，间距为6m。对每个先导孔按勘察标准实施钻孔成孔，钻入基岩（灰岩）深度不小于8m。通过工程钻探及勘察要求提取岩芯试样并编制柱状图，通过室内试验，提供岩土物理力学性质，探查岩溶发育情况，为路基稳定性评价和岩溶溶腔危险性分析提供参数。
图6 注浆孔横断面示意图（单位：m）
图7 注浆孔平面布置示意图（单位：m）
（3）根据采集的岩芯形态数据确定地质地貌及岩溶的形态，确定注浆孔钻孔工艺及注浆方案，主要包括注浆范围、参数和工艺。对先导孔的钻孔实施注浆工艺，注浆完成后在路基两侧形成隔离结构，该结构一方面起到加固路基效果，另一方面在后续注浆孔注浆工艺中可起到阻止浆液逃逸的效果。
（4）根据探测的岩溶形态进行注浆孔布置及钻孔工艺：在K1994+780～K1995+020岩溶加固区域路堤两侧路肩上进行注浆孔布置及钻孔成孔，根据岩溶形态确定基岩（灰岩）表面平面范围内注浆孔的布置间距，为6m，如图6～7所示。
注浆孔包括注浆直孔和注浆斜孔，注浆直孔与注浆斜孔穿插布置，注浆直孔与注浆斜孔之间的路肩地表平面间距为3m，注浆孔钻入基岩（灰岩）深度为5～8m，如遇岩溶，则孔深应下至溶洞底板。
注浆斜孔是在两侧路肩钻斜孔至路基基底岩溶裂隙发育带，既有路基注浆斜孔注浆更具针对性，斜孔设计要素应包括倾向、倾角、孔深，可根据岩溶溶腔所在区域、路堤宽度、路堤高度、覆盖层厚度确定斜孔的倾向、倾角、孔深。孔深应满足在基岩（灰岩）面以下至第一层溶洞部位并穿越线路中心线，钻入基岩（灰岩）面垂直深度不小于5m。
注浆孔、先导孔在基岩（灰岩）表平面成梅花孔交错布置，如图8所示。
图8 注浆孔在基岩面的平面示意图（单位：m）
（5）注浆孔内钢套管安装工艺：在注浆孔钻孔过程中实施钢套管全孔跟进安装，钢套管与地层之间密贴无空隙，孔口有扰动深度范围内灌水泥浆使得钢套管与地层之间密实无缝隙。
安装钢套管的作用机理：一方面使得钻探成孔，另一方面在注浆过程中以便于浆液压力通过钢套管直接传递至岩溶溶腔区域，降低了浆液压力和浆液流量损耗，有效解决了直接采用注浆管注浆浆液难以控制，注浆量较大的难题，避免了地面裂缝冒浆和隆起现象，同时在注浆过程中能较好控制浆液在地下的扩散方向，对既有铁路线影响较小。
（6）注浆孔有压注浆工艺：注浆水泥采用PO42.5水泥，水玻璃36－43Be'，模数2.4－3.4。水泥浆液水灰比为：0.8：1－1：1。若遇空的岩溶通道、较大溶洞和裂隙处，视具体情况先灌注水泥砂浆对溶蚀腔体进行充填，再采用水泥浆液或双液注浆，全充填溶洞一般采用单液注浆。
有压浆液通过钢套管直接输送至岩溶溶腔区域，充填和胶结地层内的岩溶溶腔、溶蚀裂隙通道及土一岩交界面附近的潜蚀土洞和空隙。有压浆液填充完岩溶溶腔、空洞后通过压力返浆沿溶蚀裂隙通道等薄弱环节对空隙、裂缝进行填充，有压浆液将不断从下往上渗透填充上层黏土层和砂层中先前被潜蚀和冲刷的土洞及裂隙，直到填满所有的空洞、土洞及裂隙，从而封堵岩溶进一步发育的通道，消除了路基产生不均匀沉降及塌陷的地质条件。
注浆过程若遇空的岩溶通道、较大溶洞和裂隙处，视具体情况先灌注粉煤灰或中粗砂对溶蚀腔体进行充填，直至溶洞充填后再采用水泥浆液或双液注浆，全充填溶洞一般采用单液注浆。注浆压力一般采用0.3MPa，岩土界面附近逐步加大至0.3～0.8MPa，一般注浆压力不超过1MPa。注浆压力视注浆方法、注浆段深度和地下水位而定，并针对注浆过程中出现的情况随时调整压力。
当注浆压力达到终止注浆压力时，即当压力超过1～1.5Mpa，10min持续注浆量不大于5L/min，浆液难以注入时，可视为注浆完成，退出注浆管，注浆结束后及时用水泥砂浆封孔至孔口。
4 岩溶整治效果
采用钻孔取芯法和钻孔降水头注水试验对路基岩溶注浆效果进行检测。
4.1 钻孔取芯法成果
图9 钻孔（XD-10）与检查孔（XD-10检）岩芯对比照片
图9表明，通过钻孔取芯法，将检查孔与注浆前钻孔岩芯进行对比，可以直观地观察到注浆效果，从上面的岩芯对比照片可看出本次注浆效果明显，注浆前钻孔有溶洞的地层，检查孔钻探揭示溶洞中水泥结石充填效果显著，达到了设计预计的效果。
4.2 钻孔降水头注水试验
注水试验采用钻孔降水头注水试验方法[10]。注水试验的原理是在钻孔内注水，并保持一定的水头高度，量测单位时间内渗入岩土层的水量，再根据试验结果计算岩土层透水性指标的水文地质测试方法。取同一地段注浆前后的渗透系数进行对比来判断注浆效果，如表1。水头比（H/H0）--时间t的关系如图10所示。
图10 水头比（H/H0）--时间t的关系图
通过计算所得的渗透系数与水头比（H/H0）--时间t的关系图可以看出：
（1）注浆之前基岩层渗透系数平均值为3.00×10-3（cm/s），注浆后基岩层的渗透系数平均值为5.63×10-4（cm/s），透水性减小，说明基岩层的溶洞已经充满了水泥浆液。
（2）通过上面的关系图可以看出注浆前试验水头下降速度明显大于注浆后的试验水头下降速度。说明由于注浆的原因，灰岩层中的地下水通道得到了明显的改变，本次岩溶注浆达到了预定的整治效果。
5 结语
本文注浆工艺通过工程物探确定岩溶区域范围、深度及岩溶形态，设置先导孔并作为钻探验证孔，采用“探灌结合”的方式，进行更为准确分析该区域岩溶情况，从而确定最佳的注浆孔的注浆方案，得到以下结论：
（1）本文所提出的注浆方案通过注浆直孔、注浆斜孔注浆并结合钢套管将浆液直接输送至岩溶区域，注浆更具有针对性，可以减少浆液用量和压力损耗，注浆效果显著。
（2）基于岩溶裂隙发育的机理，实现其反演过程。通过有压浆液沿岩溶裂隙薄弱环节充填岩溶溶腔，通过压力返浆充填上覆土层土洞及裂隙，有效填充了溶腔内的孔隙及先前被潜蚀和冲刷的空洞、土洞及裂隙，封堵了岩溶进一步发育的通道。
（3）采用有压注浆和压力返浆充填的注浆方案充填了岩溶溶腔及上覆土层溶蚀土洞及裂隙，降低了路基土的渗透性，有效提高了地层抗渗性能，封闭了地下水潜蚀作用，能经济高效阻止岩溶进一步发育，消除了路基产生不均匀沉降及塌陷的地质条件，为铁路正常安全运营提供了保障。
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作者简介：
郭全元（1971.12-），男，江西吉安人，高级工程师，硕士，主要从事岩土工程技术工作。E-mail：462665311@qq.com
论文作者:郭全元
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第10期
论文发表时间:2019/5/22
标签：岩溶论文; 注浆论文; 路基论文; 浆液论文; 溶洞论文; 裂隙论文; 钻孔论文; 《建筑模拟》2019年第10期论文;