宁安铁路覆盖型岩溶路基的勘察与地基处理实践

2012-11-29王京泉

铁道勘察 2012年5期

王京泉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

宁安铁路在安徽的铜陵地区经过大面积分布的三叠系中统(T2)石灰岩地层。众所周知，石灰岩既是炼钢、水泥、石灰、电石制造业不可多得的非金属矿产资源，而且也是各类工业与民用建筑大量使用的优良建筑石材。但石灰岩地层作为铁路、公路、水库等大型工程的建筑地基时，由于其具有的可溶性而形成的或明或暗的岩溶洞穴、地下暗河等岩体孔洞，常常形成路基塌陷、水库漏水等岩溶地质灾害。暗埋溶洞的勘察、评价以及后续的地基处理方法，是地质、路基等岩土工程专业经常碰到的一个非常棘手的工程课题。宁安铁路覆盖型岩溶的分类和处理措施，经过工程的实践检验，积累了不少有益的经验，对相似地区的岩溶地基处理，具有一定的借鉴和指导意义。

1 岩溶路基的勘察

宁安铁路铜陵段的岩溶路基，主要为三叠系中统石灰岩层，以微风化到弱风化为主，大部分覆盖在厚度0.5～20m以下的黏性土等第四系沉积层下，仅在局部丘陵裸露地表。地下岩溶孔隙、孔洞及较大溶洞均有分布，地表溶蚀沟槽、小型尖峰角锥发育，偶有落水洞出露。勘察阶段先行采用综合物探沿线普查，而后根据桥涵、路基及路基支挡工程的设计要求，结合物探解译成果，在有岩溶孔洞的点位布置钻探验证。钻孔深度一般为20m，如果覆盖层较薄，钻孔中没有遇到溶洞时，钻入基岩的深度大于8m时即可终孔;如在钻孔中20m范围内遇到溶洞，要求钻入洞底完整岩层不小于8m。

宁安铁路按程序经过了初测、定测及补充定测阶段的工程地质勘察。路基地段揭露的覆盖型岩溶问题，在勘察期间经过地质调查、综合物探断面普查、钻探验证，确定了大部分地段存在的岩溶洞穴并进行了岩溶发育程度分区。在施工阶段，制定了在岩溶裂隙、小型溶洞发育区采用地质钻机探灌结合、一孔两用的方法进行地基处理，中型以上岩溶发育区采用大口径工程钻机冲击成孔、辅以机械开挖揭露溶洞的方法，向洞内抛填块石、碎石、黏土或砂类土填塞，而后再钻探灌浆等地基处理措施，提高了岩溶地段地基的稳定程度，经地基钻探、物探等方法的验证，效果良好，顺利通过了施工质量验收。

2 宁安铁路的岩溶发育程度分区

根据勘察资料，宁安铁路的岩溶发育程度在平面分布上具有不均一性，这主要跟岩溶的发育条件和影响岩溶发育的因素有关。宁安铁路路基地段的岩溶在水平、垂直方向上的分布，受岩层的可溶性、地质构造(层理、裂隙)以及地下水等因素的控制。如DK168+450～DK169+900段路基基底同时存在第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶水。来自大气的降水及水田人工灌溉水补给第四系孔隙潜水，孔隙潜水又下渗到存在裂隙、层理缝隙的石灰岩层中补给基岩裂隙水，基岩裂隙水侵蚀灰岩的裂隙，溶蚀形成了岩溶洞穴。岩溶洞穴中的岩溶水来自于基岩裂隙水，上层的岩溶水又补给下层的裂隙水，地表、地下水的连通排泄和互为补充，导致本段岩层的富水性较强。覆盖型岩溶的发育对铁路的修建形成了潜在的危害，根据宁安铁路灰岩地段岩溶的发育强度，将其分为强烈发育区、较强发育区、一般发育区和零星发育区四个分区。

2.1 岩溶强烈发育区

岩溶强烈发育区的特征是:地下洞穴沿层面发育的特征比较明显，各溶洞间的岩溶水通过地下暗河、法向裂隙和层间裂隙相互联系，大小不等，高低不同的溶洞呈串珠状发育，地下暗河水系纵横呈树枝状分布。根据钻探揭示，岩溶发育强烈地段的钻孔见洞率达到了70%，宁安铁路的岩溶强烈发育区如图1所示。

图1 岩溶强烈发育区

2.2 岩溶较强发育区

岩溶较强发育区的特征是:岩溶溶洞间的水平联系相对较少，地下水流只在少数溶洞间相互流通，溶岩垂直发育性较强，钻孔见洞率小于50%。

2.3 岩溶一般发育区

岩溶一般发育区的溶洞之间几乎没有水平联系，大都是彼此独立的竖井状溶洞，钻孔见洞率小于30%。

2.4 岩溶零星发育区

岩溶零星发育区的溶洞一般分布在覆盖层下的石灰岩浅表层，多为独立的坑洞，溶洞之间的距离较远。

3 宁安铁路岩溶洞穴分类

宁安铁路铜陵地区路基地段在20m的勘探深度内，揭露、发现的溶洞多为覆盖型浅埋溶洞，60%以上的溶洞高度在0.25～3m之间，所遇溶洞的最大高度为14.2m。勘察所揭露的溶洞在空间分布上，以沿石灰岩层理发育的层间溶洞为主，沿区域性垂直节理裂隙发育的竖井状溶洞次之。垂向高度内以一层溶洞为主，仅在DK170+450附近的钻孔揭示出多个2层结构的溶洞，钻孔ZK3—13揭示有3层溶洞。全线揭示的436个溶洞中，有177个溶洞上顶板的厚度小于1m，自然拱承载能力差，如果处理不当则存在通车震动受力后有随时塌陷的可能。

通过综合分析，根据溶洞的空间形态和回填处理的难易程度，将溶洞划分为小、中、大及特大四种类型，其分类特征见表1。

表1 溶洞分类

4 岩溶路基的地基处理研究

岩溶地质的发育对铁路路基的影响，是由于岩溶空洞的存在，可能造成路基的不均匀沉降甚至突然坍陷，对行车安全具有潜在的严重威胁。为了消除地基沉降和突然塌陷的隐患，查明溶洞位置，进行回填注浆，甚至打桩处理是行之有效的方法。

4.1 超前注浆预处理

在用地质钻机核查岩溶的超前钻孔过程中，对于发现的全充填、半充填或者有漏浆现象的裂隙或小溶洞，立即进行注浆预处理。

4.2 小型溶洞的处理

对于没有充填物的小型溶洞，开孔后采用抛填片石、碎石和黏土团，反复用重锤小冲程锤击方式，进行桩孔的填塞和桩壁挤密，最后再进行注浆处理;对于有充填物的溶洞，在钻孔中直接灌注水下混凝土加压充填。

4.3 中型溶洞及大型溶洞的处理

遇到中型及以上的大型及特大型无充填溶洞或半充填溶洞时，预先在孔口附近准备好足够的块石、黏土、水泥等填充材料。大型溶洞间隔4～7m采用大型钻孔桩机梅花状开孔，在溶洞洞顶击穿形成天窗后，用铲车及时将准备好的块石、黏土、水泥按适当的比例抛入，在抛填过程中用冲击锤进行适当挤压夯实，反复抛填块石、黏土、水泥混合土，直至把溶洞填满或堵死为止，最后补充泥浆加固充填物。

4.4 注浆的主要技术参数

注浆泵流量:8～10 L/min;水泥砂浆的浆液配比采用质量比，需要速凝的浆液经多次试验确定，采用“水泥+砂+水玻璃”混合砂浆，砂取代水泥用量的30%，水玻璃取代拌和水用量的4%效果最好。

每立方砂浆的材料用量水泥、砂、水玻璃、水分别为750、320、26、614 kg，理论配比为 1 ：0.427 ：0.035：0.819，多层溶洞应从下向上灌注。注浆压力根据注浆深度随时调整，一般注浆压力较注浆孔底水压大0.1～0.2 MPa为宜。孔底水压可根据水位高程与孔底高程的差，计算出地下水的压力后就可准确设置注浆压力。

注浆结束标准为:在规定的注浆压力下，注浆压力持续0.2 MPa不变的孔段吸浆量小于0.6 L/min，单孔注浆量达到平均注浆量1.5～2.0倍，且进浆量明显减少时，延续30 min即可结束注浆。为了保证注浆压力或注浆过程的连续性加压注浆前需采取必要的封孔措施。