山西中南部铁路通道岩溶段路基灌浆施工技术

秦利平 王岩 何金星

[摘要]山西中南部铁路通道ZNTJ-17标段大部分为覆盖型岩溶，特别是DK1003+565~715段岩溶覆盖层厚度仅为0.4~3.2m，平均岩溶率更是达到9.3%。地表水汇集后随着地表水的渗入，对覆盖层形成搬运，极易在上覆层中形成土洞，诱发地表塌陷，破坏铁路路基，将会带来极为严重的后果。针对这一潜在工程问题，铺设路基前对地表采用了灌浆充填裂隙通道、洞穴，并且加固土石界面土层的施工技术来处理岩溶地段，消除地表塌陷隐患，确保施工的质量、进度和以及铁路运营安全，为今后类似路基施工提供了很好的借鉴作用。

[关键词]岩溶灌浆；路基；灌浆技术

中图分类号： U213.1 文献标识码： A 文章编号：

近年来，我国各地出现的岩溶塌陷事件增多,造成了人民生命财产的重大损失[1]。由于地质情况的隐蔽性与复杂性，岩溶塌陷也给铁路路基施工带来了很大的难度以及重大的安全隐患，对岩溶段路基进行加固处理必不可少[2-5]。结合山西中南部铁路通道ZNTJ-17标段岩溶段路基的工程实例，对岩溶发育强烈、岩溶覆盖层厚度小的地区岩溶灌浆施工技术进行研究。

1工程概况

山西中南部铁路通道是国家规划的大能力运煤通道建设项目，是“十一五”期间国家重点工程，西起山西兴县瓦塘站，穿越吕梁山、太岳山、太行山、沂蒙山，途经山西、河南、山东3省12市，终点为山东省日照市，全长1260公里，其中山西、河南、山东3省境内分别为579公里、255公里和426公里。该铁路设计标准为国铁Ⅰ级、双线电气化，时速120公里，货运能力2亿吨/年，客车15对/日，项目总投资998亿元。

中交二公局所承接的山西中南部铁路通道ZNTJ-17标段DK1001+407.7~DK1006+689.65，其中DK1003+555.0~DK1004+097岩溶比较发育，特别是DK1003+555.0~751.7段岩溶发育强烈，且岩溶覆盖层厚度小，路基在铺垫前，需要对其地层采用高压注水泥浆灌浆处理。

2水文、地质条件

覆盖型岩溶段路基涉及地层岩性如下：（1）粉质粘土，黄褐色，软塑局部硬塑，土质不均，含少量铁锰氧化物，局部夹少量石灰岩碎块，层厚0.4~3.2m。（2-1）石灰岩，浅灰色、青灰色，强风化，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状及碎块状，节理裂隙发育，有漏水现象，溶孔溶蚀现象发育，层厚2.6~12m。（2-2）石灰岩，青灰色、浅灰色，弱风化，岩芯呈柱状，节理裂隙发育，溶孔溶蚀现象发育，揭示厚度1.9~13.4m。（2-3）溶洞，勘探深度内44孔揭示有溶洞，溶洞厚度为0.5~2.9m不等，溶洞大部分少量黏性土及石灰岩碎屑，漏水严重。岩芯样品如图1所示。

岩溶覆盖层厚度0.4~3.2m，DK1003+565~715段平均岩溶率9.3%，DK1003+715~755段平均岩溶率2.18%，岩溶发育强烈，地下水为基岩裂隙水及第四系孔隙潜水及岩溶水，主要受大气降水补给，地表水及地下水对普通混凝土不具侵蚀性。地下水位埋深小于可溶岩顶板埋深，该段场地为较不稳定区。

图1岩芯样品图

Fig.1 core sample

3施工重难点

由于该段岩溶发育强烈，且岩溶覆盖层厚度小，地表水汇集后随着地表水的渗入，对覆盖层形成搬运，极易在上覆层中形成土洞，诱发地表塌陷。施工重点是对该段路基进行地基处理，采用灌浆技术充填裂隙通道、洞穴，加固土石界面土层；难点是灌浆加固效果的控制和判断。

4岩溶灌浆施工技术

岩溶注浆范围DK1003+565~755段，处理深度0.4~9m，钻孔直径为110mm。其中DK1003+565~715段纵向间距5m，排距5m，正方形布置；DK1003+715~755纵向间距15m，竖向间距5m，平行四边形布置，注浆布置如图2所示。

图2注浆平面布置图

Fig.2 Grouting plane arrangement

根据先导勘探孔揭示岩溶发育情况，一般加固深度为岩土界面以下5m，即孔深钻入基岩不小于5m，若无土层覆盖层，则加固至基床以下8m；若施工过程中遇溶洞，应至溶洞底板以下2.0m，注浆套管嵌入基岩0.5m，用水泥砂浆与基岩固结成一体。注浆遇到空洞时，采用中粗砂材料等回填至溶洞充填后才能进行注浆。具体施工技术如下：

4.1施工准备

1）场地平整：用推土机、挖掘机等清除表层土，采用平地机进行场地平整，采用压路机进行碾压，要求达到路基本体压实度要求，并做好场地内的排水系统。

2)施工测量：按照设计布设形式测设出注浆孔位，并打木桩标记。

3）设置临时排水系统，根据设计，结合周边环境，建立完整的临时排水系统，保证在施工过程中，路基基本不被水冲和冲刷破坏。

4.2岩溶灌浆施工技术

施工工艺流程为：施工准备→布孔位图→测量放线→钻孔→清孔→检查岩芯→注浆→封孔→注浆完成。施工工艺流程详见图3。

图3岩溶注浆工艺流程

Fig.3 Karst grouting technological process

4.2.1钻探工艺

1）定孔位

根据设计要求标出注浆孔位置、并进行复测。依据图2进行注浆孔布置。

2）钻机与注浆设备就位

注浆孔位标定后，移动钻机至钻孔位置，完成钻机就位。钻机就位后，用全站仪、水准仪等工具调整钻机角度，安装牢固，定位稳妥。各类设备就近安装，注浆管线固定，不宜过长，一般为30~50m，以防压力损失。

3）钻孔

按钻杆对准所标孔位，用φ108mm钻头开孔钻进，保证开孔孔径不小于110mm。开孔时轻压、慢速，防止将孔开斜。钻进一定深度，采取钢套管护壁。钻孔时从注浆加固范围的两侧向中间施钻，钻孔深度按设计要求入基岩不小于5米。若遇溶洞，孔深至底板下1.0m即可结束钻探。注浆套管嵌入基岩0.5m，终孔直径不小于90mm。

4）清孔

在钻孔结束后，通过水循环将孔中碎石等破碎岩芯等沉淀物冲洗干净，确保水泥浆能顺利的充填基岩中破碎岩层和裂隙。

4.2.2注浆工艺

注浆采用孔口封闭注浆法，先注浆基岩后，再对岩层面与土层接触面进行注浆，封孔注浆示意图如图4。

图4孔口封闭注浆法封孔注浆示意图

Fig.4 hole top plugged grouting method

1)安装注浆管和止浆阀

在确定注浆管内无阻塞物时，即可进行注浆管安装。把管子插入孔内，在将管顶入孔内到设计深度要求，使橡胶栓塞与孔壁充分挤压密实，注浆管和止浆塞固定，注浆管外漏的长度不小于30~40cm，以便连接孔口阀门与管路。注浆管安放好后，在注浆管管口加上孔口盖，以防止杂物进入。

2)浆液配置

注浆主要材料：P.O42.5袋装水泥、合格的水，水玻璃38~43Be，模数2.4~3.0。DK1003+715~755段注浆采用单液浆，单液浆采用纯水泥浆液，水灰比为1﹕1~0.8﹕1；DK1003+565~715段裂隙及溶洞过大、渗水地段采用水泥水玻璃双液浆，水泥浆﹕水玻璃为1﹕0.1~0.05。

浆液配制先加水后加水泥及外加剂，根据制浆机容量称取定量水，注入制浆机内，然后根据水灰比称取对应重量的水泥，开启制浆机，边搅拌边加入水泥。拌和10~20min，浆液无明显的沉淀即可，完后将水泥浆倒入储浆桶。浆液在储浆桶内要不停的人工搅拌，防止浆液沉淀离析。

3)试泵

试泵时，在开泵前先将三通转芯阀调到回浆位置，待泵吸水正常时，将三通回浆口慢慢调小，泵压徐徐上升，当泵压达到注浆压力后，持续二、三分钟泵管及机械设备不出故障时，方可进行注浆作业施工。

4)注浆

注浆时遵循先稀浆后浓浆、先低压后高压、先水泥砂浆后水泥浆的原则。注浆压力控制：一般灰岩中为0.1~0.3Mpa，土石界面附近逐步加大至0.3~0.5MPa，每次注浆时间一般不得小于30分钟。

①注浆管路系统的试运转：用1.5~2倍注浆终压的压力对系统进行吸水试验检查，并接好水、电；检查管路系统能否耐压，有无漏水；检查管路连接是否正确；检查设备状况是否正常；使设备充分热身，试运转时间为20分钟。

②注浆顺序：遵循先边排，后内排、跳孔由疏至密注浆顺序；自路基坡脚向中心的顺序进行，先两侧后中间，以保证注浆质量。注浆方式采用分段前进方式，即先钻孔后注浆。

③浆液控制：先稀后浓，依吸浆情况逐步加浓浆液，配比控制在1﹕1~0.8﹕1。

④灌浆压力控制根据受灌地层的地质条件和渗透性、灌浆时吸浆量，以及对浆液稠度变换等一并考虑。一般情况下，当吸浆量较小时，可尽快的达到规定的灌浆压力；而在吸浆量较大时，则可缓慢的升到规定的灌浆压力。灌浆过程中，灌浆压力的控制采用“一次升降法”，即在灌浆开始后，将压力尽快的升高到规定的压力，使整个灌浆过程尽量是在规定的压力下进行。其优点是裂隙不至在低压下提前被堵塞，能较多地进一些浆液，使一些较小的裂隙也能得到充分的灌实。

覆盖型岩溶路基注浆，原则上以封闭土、石界面，形成隔水帷幕，阻隔上层滞水与岩石的联系，根据先导勘探孔揭示岩溶发育情况，加固深度由探灌结合孔确定为碳酸盐岩基岩中第一层溶洞标高，或一般为岩土界面以下5m，即孔深钻入基岩5m，若施工过程中遇溶洞，应至溶洞底板下1.00m，对岩溶进行注浆加固。岩溶通道、较大溶洞和裂隙处，视具体情况先灌注中粗砂或稀的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。

⑤注浆结束条件：注浆孔口压力维持在0.2MPa，吸浆量不大于40L/min，维持30min；冒浆点已出注浆范围外3~5米；单孔注浆量已达到平均注漿量的1.5~2.0倍，进浆量明显减少。当达到上述条件时结束注浆，否则需清孔重新注浆。

5)提管、回填

注浆完成后应立即拔管，若拔管不及时，浆液会把注浆管凝固而造成拔管困难。拔管时使用拔管机。每次上拔高度为500mm，拔出管后，及时刷洗注浆管，以便保持清洁、畅通。

6)封孔

注浆结束拔出套管后，用C15混凝土封孔，封孔时必须边灌边插捣，确保孔内密实。严禁不封孔或假封孔，以致人为形成竖向水力通道，加重岩溶路基病害。封孔完成后，在原孔位处标注注浆孔号。

4.2.3注浆注意事项

1）注浆过程中，发现冒浆、漏浆时，应根据具体情况采用表面封堵、添加速凝剂、低压泵送、浓浆、限流、间歇注浆等方法进行处理。

2）注浆过程中发现串浆时，如串浆孔具备注浆条件，可以同时进行注浆，应一泵注一孔，否则应将串浆孔用塞塞住，待注浆孔注浆结束后，串浆孔再进行扫孔，而后进行钻进和补浆。

3）注浆工作必须持续，若因故中断可按以下原则进行处理：应及早恢复注浆，否则应立即冲洗钻孔，而后恢复注浆，若无法冲洗或冲洗无效，则应进行扫孔而后注浆；恢复注浆时应使用开注比级的水泥浆进行灌注，如注入率与中断前的相近，即可用中断前比级的水泥浆继续进行灌注；如注入率与中断前的减少较少则浆液应逐级加浓继续灌注；恢复注浆后，如注入率较中断前减少较多且在短时间内停止吸浆，应采取补救措施，如加大临近孔的注浆压力或加孔。

4）在岩溶发育段注浆时应先查明溶洞的类型和规模，而后采取相应的措施处理：岩溶内无充填物时，根据溶洞的大小可采用一边投碎石等级配料一边注入水泥砂浆等措施；溶洞内有充填物时，根据充填物的类型、性能以及充填的程度，可采用提高注入压力并结合投入级配料充填等措施处理。

5岩溶灌浆效果评估

路基灌浆结束后，对DK1003+555.0~751.7段进行高密度电法[6]勘探，探测深度达到自然地面以下10m左右，高密度电法共完成3条测线，长度360m，见表1；对灌浆区域其中的3个钻孔灌浆处理段采用超声波测试，累计测试了21m，超声波灌浆效果检测成果见表2。

表1DK1003+555.0~751.7高密度电法探测实测测线表

Table1 survey line of high density resistivity method in section DK1003+555.0~751.7

表2灌浆效果超声波检测成果表

Table2 Result of grouting effect ultrasonic test

当探测区域土质均匀时，高密度电法勘探采集的图像呈层状分布，视电阻率等级强度变化一般呈升高或降低的渐变趋势，但对于有岩溶空洞或经过灌浆处理时，图像层状特征被破坏，出现条带状或椭圆形高阻色块，视电阻率梯度变化较大，使得某些层位发生畸变。这些高阻色块的视电阻率值会大于2倍甚至更高的正常背景值。当探测区域存在松散土质等不均匀体时，也表现为高阻色块，只是范围较大，形态不规则，其视电阻率异常值也达到或超过1.2倍的正常背景值[7]。

1剖面：该剖面72m垂直交与DK1003+600中心线处，从反演后的电阻率剖面（如图5所示）可以看出：本区线路方向基岩面有一定起伏变化，浅部3.5m以内电阻率在5~20Ω·m间，大部集中在10~20Ω·m，沿水平方向变化较小且分布均匀。自然地面以下3.5~12.0m左右处有一高阻区域，范围在30~150Ω·m，电阻率有较大增加，说明注浆结果反映清晰；该剖面处灌浆段的超声波测孔的平均

图5DK1003+600高密度电阻率法剖面1

Fig.5 Profile 1 of high density resistivity method in section DK1003+600

波速为3100m/s，灌浆区域效果相对良好，达到施工目的。

图6DK1003+650高密度电阻率法剖面2

Fig.6 Profile 2 of high density resistivity method in section DK1003+650

2剖面：该剖面60m垂直交与DK1003+650中心线处，，从反演后的电阻率剖面（如图6所示）可以看出：本区线路方向基岩面有一定起伏变化，浅部4.0m以内电阻率在5~25Ω·m间，大部集中在10~20Ω·m，沿水平方向变化较小且分布均匀。自然地面以下4.0~12.0m左右处有一高阻区域，范围在30~250Ω·m，电阻率有很增加，说明注浆结果反映清晰；该剖面处的灌浆段超声波测孔的平均波速为3200m/s，灌浆区域效果相对良好，达到施工目的。

图7DK1003+730高密度电阻率法剖面3

Fig.7 Profile 3 of high density resistivity method in section DK1003+730

3剖面：该剖面56m垂直交与DK1003+730中心线处，从反演后的电阻率剖面（如图7所示）可以看出：本区线路方向基岩面有一定起伏变化，浅部4.0m以内电阻率在5~25Ω·m间，大部集中在10~20Ω·m，沿水平方向变化较小且分布均匀。自然地面以下4.0-12.0m左右处有一高阻区域，范围在30~300Ω·m，电阻率有很增加，说明注浆结果反映清晰；该剖面处的灌浆段超声波测孔的平均波速为3000m/s，灌浆区域效果相对良好，达到施工目的。

6结论

在山西中南部铁路通道岩溶段路基施工中，采用岩溶灌浆施工技术，由高密度电法和超声波测试数据分析显示，该技术有效地处理了岩溶地段，消除地表塌陷隐患，保证了施工进度、质量和安全，成功的解决了在岩溶发育强烈且岩溶覆盖层厚度小的地区路基施工困难的问题。该施工技术在山西中南部铁路通道岩溶段路基中的应用效果很好，表明在以后类似岩溶段路基施工中具有推广应用价值。

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