邻近既有高铁岩溶地基联控注浆加固试验研究

2020-10-10陈顺达章定文

铁道建筑技术 2020年7期

唐沛陈顺达梁锴章定文杨泳

(1. 中铁第五勘察设计院集团有限公司北京 102600；2. 东南大学交通学院江苏南京 210096)

1 引言

高速铁路安全运营需要轨道结构有高平顺性，因此，临近既有高速铁路开展新建铁路的岩溶路基注浆处治工程时，应当优化注浆参数和施工工艺，对施工引起既有高铁路基附加变形严格进行控制[1]，以确保既有高速铁路运营安全。

针对邻近既有铁路施工引起既有线路变形影响与控制技术已有较多学者开展研究和工程实践。高广运等[2]基于数值方法提出采用劈裂注浆、压密注浆及旋喷桩分块加固可有效控制既有铁路路基变形，确保既有铁路运营安全。杨新安等[3]采取有控注浆施工技术控制注浆参数和注浆顺序，在运营期高铁软土地基处理中取得良好的注浆效果。 Guo 等[4]采用随机介质理论计算确定了注浆引起的地表隆起值，计算结果与现场实测值相符合。 Wang 等[5]建立了一种计算喷射注浆引起地面隆起的数值模型，确定了注浆引起的地面隆起范围一般为桩径的六倍。徐前卫等[6]针对注浆诱发的地层抬升问题开展理论与现场研究，提出注浆对地层变形影响的理论分析与数值计算模型，揭示了注浆抬升地层的作用机理。但现有成果中对岩溶地基注浆引起邻近既有高铁路基变形规律及进行变形控制的现场实测资料甚少。

监测方面，众多学者对监测方法与数据分析开展了研究。张成平等[7]采用远程自动监测系统对既有地铁结构变形缝的变化进行实时监控，方便有关单位根据监测系统反映的异常情况及时调整施工措施。赵燕容等[8]对深基坑监测数据提出了基于小波技术的时间序列改进法，其监测与预测精度大大提高。此外还有采用光栅监测系统、反射片布点监测等方法以提高监测的精度。但是目前的研究只是停留在监测方法与数据分析的改进上，缺少监测与施工参数调整的联控实践。

新建徐州至盐城高铁建设需要对既有京沪高铁徐州东站进行扩建，新建高铁路基为岩溶地基，需采取注浆进行加固。但新建高铁路基距离既有京沪高铁路基最近距离仅8 m，要求在新建高铁岩溶地基注浆加固处理时确保既有线路基的变形满足相关要求，以保证既有京沪高铁的运营安全。

为此，课题组利用研发的具备注浆参数智能化控制、与既有线变形监测系统协同联控的联控注浆设备，并选取了邻近既有京沪高铁的新建徐宿淮盐高铁D2K2 ＋420 ～D2K2 ＋465 区间开展试验研究，旨在分析注浆量分布规律和P-Q-t曲线中反映的注浆加固处治效果等信息，同时监测既有线位移，分析联控岩溶注浆对既有京沪高铁安全运营的影响，验证联控注浆设备的有效性。

2 工程背景

徐州东站扩建工程为站场路基工程，场地内分布寒武系下统石灰岩地层，岩溶轻微-中等发育，易诱发岩溶塌陷等地质灾害，需要进行注浆加固处理。但是，新建高铁D2K2 ＋200 ～D2K2 ＋700 段路基距既有京沪高铁路基最小距离仅8 m。为保证注浆加固得到预期效果，同时避免对既有京沪高铁路基产生威胁运营安全的变形影响，需要对注浆压力等参数进行研究。为此，选取里程D2K2 ＋420 ～D2K2 ＋465 段设置岩溶注浆现场试验段。试验前采用钻探与物探对试验场地的地质情况进行了综合勘察，其中用地震映像法[9]对试验场地进行物探调查，得到岩溶分布平面图(见图1)和典型剖面的物探结果(见图2)。

图1 试验场地岩溶发育状况

图2 典型剖面岩溶与裂隙分布(单位:m)

3 注浆试验

3.1 联控注浆设备

联控注浆设备的控制系统由经改造的位移监测系统与注浆记录仪组成，在注浆过程中实时监测既有线路基变形，并据自动反馈的监测数据智能调整注浆参数，当静力水准传感器监测到的位移达到预警值时联控注浆设备停止注浆，控制既有线地基变形不超过设计提出的预警值。

为验证联控注浆设备，选取某个注浆孔设定位移值与位移变化量的预警值，分别为±5 mm 与±2 mm，人为调整静力水准传感器位移以查验联控注浆设备的响应情况，结果表明联控注浆设备工作正常。

3.2 注浆方案

采用SGB6-10 型注浆泵进行注浆，额定排量100 L/min，注浆压力可达10 MPa。试验区内布置三排注浆孔，从第一排到第三排顺序注浆。每一排中布置两序注浆孔，先注前序孔(图3 编号1 ～5)，后注浆后序孔(图3 编号6 ～10)。

图3 场地注浆孔分布(单位:m)

3.3 注浆施工

注浆施工包括钻孔、封孔、制浆及注浆四个过程。注浆期间采集注浆压力、流速以及时间等参数信息。

试验区内注浆孔的终孔条件采取定量控制与定压控制相结合的控制标准。

3.4 监测方案

用静力水准传感器监测注浆引起的路基位移，监测频次2 min/次，布置两条监测点测线，既有线坡脚处和路肩处各布置一条，测点数和测点间距如图4 所示。设定位移与位移变化量的预警值均为1 mm。

图4 监测点布置平面示意(单位:m)

4 试验结果分析

4.1 注浆参数分析

注浆记录仪记录各个注浆孔的注浆量以及注浆压力、注浆流速随时间变化等参数信息。通过分析，可以得出注浆过程中注浆加固效果等信息。统计所有注浆孔的注浆量，计算不同注浆次序下每个注浆孔的注浆量占总注浆量的百分比，结果见图5。

图5 注浆量随注浆次序分布

如图5 所示，注浆次序对注浆量影响明显，前序孔注浆量占到总注浆量的80%左右，后序孔注浆量占总注浆量的20%左右。注浆量随注浆次序递减，前序孔注浆量明显大于后序孔注浆量。因为，前序孔注浆时，地层中岩溶空隙较多，而后序孔注浆时的注浆量则明显减少。

统计注浆压力、注浆流速随时间变化关系可绘制注浆压力-流速-时间(P-Q-t)曲线。根据P-Q-t曲线形态，可以将曲线分为两大类，如图6 所示。

图6 P-Q-t 曲线

图6 a 为压力下降型P-Q-t曲线，表现为注浆压力随时间逐渐降低，注浆流速随时间逐渐升高，反映了场地岩层中发育有溶洞或溶蚀裂隙，呈充填或半充填状态。填充物使得浆液行进阻力增大，限制了浆液扩散。随着注浆进行，压力升高逐渐挤密、劈裂填充物，打通通道后浆液行进阻力减小，注浆压力下降，注浆流速升高。此时浆液主要填充地层中的溶蚀空隙，结束注浆一般采用注浆量定量控制来判断。

图6b 为压力上升型P-Q-t曲线，表现为注浆压力随时间逐渐增大的同时注浆流速随时间逐渐减小，最后注浆压力达到注浆终孔标准而结束注浆。反映注浆孔周围地层中的石灰岩较完整、没有大量溶蚀空隙存在，可注性差，形成封闭空间使得注浆压力逐渐升高。这种情况下，一般采用注浆压力定压控制作为注浆终孔的标准。

统计两种类型曲线在前、后序孔中占比，见表1。

表1 各类型在不同注浆次序占比

从表1 可见，前序孔中下降型占比为60%，上升型占比为40%。而在后序孔注浆中下降型比例为47%，上升型所占比例为53%，上升型注浆曲线的比例在逐渐升高。前序注浆过程中岩溶空隙较多，浆液以填充为主，因而注浆曲线多为下降型。在后序孔注浆时，因前序孔填充效应使得周围地层的密实性好，岩溶空隙数量减少且封闭，因而在后序孔注浆时上升型注浆曲线所占的比例提高。前序孔到后序孔P-Q-t曲线类型占比变化反映了注浆处理有效填充了地层中的岩溶空隙。

4.2 既有高铁路基坡脚处变形

注浆过程中对既有线路基坡脚与路肩处竖向位移进行监测。实测的既有高铁路基坡脚处竖向位移随注浆孔距离变化关系见图7。

图7 既有路基坡脚处竖向位移随注浆孔距离

从图7 中可知，坡脚处竖向位移随着距注浆区距离的增加而减小。试验段中采用0.3 MPa 回浆管压力控制时，10 m 以内的坡脚处竖向位移约为0.6 mm左右。距离增加到20 m 附近时，竖向位移衰减到0.2 mm 左右。距离大于20 m 后，注浆引起的竖向位移可以忽略不计。因此，0.3 MPa 回浆管压力注浆引起的地表竖向位移影响范围约为20 m。

4.3 既有高铁路基路肩处变形

在既有高铁路基的路肩位置布置竖向位移监测点，既有线注浆前与注浆过程中各测点竖向位移最大值监测结果如图8 所示。

图8 既有高铁路基路肩处竖向位移

注浆前各测点数据稳定，竖向位移在0.1 mm以内小范围波动。注浆施工过程中，试验区及其相应两端一定范围内的监测点竖向位移最大值开始增加。在第一排孔注浆过程中，试验区附近各测点竖向位移最大值在0.2 mm 左右。随着监测点与注浆试验区距离的增加，注浆引起的微小抬升现象逐渐减弱。在第二排孔注浆过程中，试验区附近各测点竖向位移最大值在0.1 mm 左右。在第三排孔注浆过程中，监测点处记录的竖向位移与未注浆时的监测数据相近，表明第三排孔注浆时对既有线路肩处引起的附加变形可以忽略不计。产生上述现象的原因有两点：(1)第一、二排到第三排注浆孔距既有线的距离依次增加，附加竖向位移随着距离增加而衰减；(2)前一排孔注浆加固了注浆孔与既有线路基之间的地基，减弱了后续注浆引起的路基位移。《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》规定，邻近工程施工引起的轨道附加变形要求为竖向变形不大于2 mm。本试验现场实测既有线路肩处的竖向位移最大值在0.2 mm 左右，未超位移预警值(1 mm)，联控注浆设备正常注浆，表明注浆对既有京沪高速铁路的运营安全没有不利影响。