京广铁路浅覆盖型岩溶路基注浆整治策略

2023-10-09赵威

铁道建筑 2023年8期

赵威

中铁第四勘察设计院集团有限公司地质与路基设计研究院，武汉 430063

京广铁路为中国三横五纵干线铁路网的一纵，是中国最重要的南北铁路交通大动脉，自前身京汉、粤汉铁路建成通车起算，已运营百余年。近年来，受城市化建设影响，京广铁路广州段沿线新增多处建设工地，深基坑开挖、抽排地下水与施工震动等工程活动诱发多起岩溶地面塌陷［1-2］，给铁路安全运行造成严重威胁。

地球物理探测是岩溶病害探测和注浆效果评价的有效方法［3-4］。付明［5］采用多道地震面波法、地质雷达法对既有铁路某岩溶病害区域进行了综合勘察，将测区按岩溶发育程度划分为发育区、较发育区和微发育区，建议对物探解译岩溶发育区及顶板厚度较小的岩溶较发育区进行注浆整治。刘杰等［6］采用地质雷达法与地震映像法对隧道基底岩溶进行综合探测，地质雷达法对浅层岩溶有更高分辨能力，地震映像法对深层岩溶有更好的穿透力，两种方法结合能够更准确判识岩溶病害特征。马文涛等［7］应用高密度电法对新建铁路路基岩溶注浆效果进行检测，采用质量自检孔方法验证了物探方法的有效性。白明洲等［8］运用地质雷达法检测新建铁路路基岩溶注浆效果，通过对比注浆前后雷达图像特征，判别岩溶注浆效果。

注浆整治是预防岩溶路基塌陷的有效手段［9］。汪水清［10］采用工厂化标准注浆试验，从技术上解决了大溶洞连续注浆及快速填充的问题，为岩溶路基注浆施工提供了可行的技术和经验。祝珣［11］论述了控水和工程加固两种常用的覆盖型岩溶地表塌陷处理措施，工程实践表明灌浆法可以根治浅层覆盖型岩溶地表塌陷问题。尚晓琦［12］强调路基岩溶整治过程中应探灌结合，根据探灌情况对注浆工艺、注浆材料进行针对性调整，工程应用表明注浆整治对岩溶路基稳定性效果明显。

本文在前人研究基础上，结合京广铁路广州段岩溶路基病害特征，提出了一套岩溶路基整治策略。包含岩溶塌陷风险段划分，中、高风险段岩溶路基物探勘察与验证，注浆方案设计与实施，注浆效果检测等系列措施，为既有线岩溶路基病害整治提供了一套行之有效的方案。

1 工程概况

1.1 线路情况

京广铁路广州北至广州段大部分为路基工程，前身为1936 年建成的粤汉铁路一部分，后经衡广复线、电气化工程等升级改造，主线运行速度160 km/h。该段全长约28.2 km，走向由北至南，多为可溶岩地层；沿途站点有广州北站、江村、大朗、石井、棠溪、三元里、广州站等站点。其中K2256—K2266 段运营线路已对白云站项目进行了加固，急需对K2238—K2256段路基进行注浆加固处理，保证列车运行安全。

1.2 岩溶发育特征

路基工区所属的广花盆地位于粤港澳大湾区北部核心位置，是我国典型的浅覆盖型岩溶区，岩溶塌陷已成为该地区突出的地质问题之一。工区范围内下伏基岩主要为石炭系下统大塘阶石磴子组、中上统壶天群等可溶岩地层，基岩表层被第四系地层覆盖。第四系中普遍发育含水砂层，局部地段发育上、下两层含水中粗砂结构，含有丰富的地下水，地下水向基岩垂直下渗，为岩溶、土洞的发育提供了充足的地下水补给。

岩溶路基塌陷地段上覆砂层中赋存丰富的孔隙潜水，下伏基岩可溶性碳酸盐岩中赋存岩溶裂隙溶洞水。少部分段落两层间虽有粉质黏土层相隔，但粉质黏土层土质不均，含大量砂砾、角砾，具有一定的渗透性，砂层中的潜水能够穿过粉质黏土层向下渗透。

由于工程建设对地下水的人为扰动，加速了地下潜水补给流动，使可溶岩溶蚀作用增强，岩溶顶板被溶蚀穿透。同时，上覆砂层和黏土层产生潜蚀破坏，从而在路基基底土层中形成松散体或空洞。在列车动载和震动作用下，松散体或空洞的上供力不足以支撑上部荷载，最终引起铁路路基下沉、塌陷。

2 岩溶塌陷风险段划分

京广铁路K2238—K2256 段路基占比90%以上，若采用无差别全线注浆，将浪费大量人力财力。因此，需优先对目标段进行风险等级划分，在岩溶塌陷中高风险段进行注浆整治，在岩溶塌陷低风险段进行变形监测。

参考GB/ T 51238—2018《岩溶地区建筑地基基础技术标准》，对场地岩溶发育等级进行划分，见表1。

表1 岩溶发育等级

结合前期收集的路基左右侧100 m 范围内钻孔资料，对注浆范围岩溶发育情况进行分段评价：线岩溶率 > 20%且见洞率 > 45%段对应塌陷高风险段，线岩溶率 < 5%且见洞率 < 15%段对应塌陷低风险段，其他段对应塌陷中风险段。

各段风险情况见表2。其中：总孔数为该里程段收集到的总钻孔个数；溶洞孔数为该里程段总孔数中存在溶洞的钻孔个数；溶洞数为存在溶洞的钻孔中溶洞的总个数，部分溶洞孔中可能存在两个或两个以上溶洞。

表2 岩溶塌陷风险段统计

3 物探勘察与验证

岩溶塌陷风险段划分完成后，如果直接对中高风险段整体注浆整治，一方面注浆位置没有针对性，必然造成大量浪费，另一方面岩溶发育深度不清，无法合理设计注浆孔位置、深度、倾斜角度等参数。因此，有必要对中高风险段开展物探勘察，结合物探成果设计注浆方案。

3.1 物探方法选取

目前，铁路路基岩溶物探方法主要有：高密度电法、地震映像法、瞬变电磁法、多道地震面波法与地质雷达法等。考虑到既有线接地条件差，沿线存在接触网、通信线等电磁干扰，直流电法、电磁法等无法开展工作。

多源频率域地震波法是近两年工程物探行业涌现的新方法［13］。该方法融合了瞬态面波法、微动台阵法和微动谱比法的优势，利用人工源和天然源振动信号，基于多点四分量传感器获取人工源瞬态面波数据和天然源微动台阵数据，综合获取每个测点的频散和谱比信息，在联合反演的基础上提取高分辨率地层中波速信息，实现复杂地形条件下的地质勘探。

结合既有线路基环境特征，多源频率域地震波法具备天然优势。路基覆盖层10 m 以上有利于频散曲线提取，路基附近施工震动是微动台阵法的有效天然震源。通过获取工区地层横波速度探查基岩岩溶发育特征，为注浆整治设计提供依据。

3.2 设备及参数选择

多源频率域地震波法选用国科（重庆）仪器有限公司生产的EVS-4 型分布式多源地震数据采集系统。该系统具有操作便捷，可实时监测震动信号、频散及谱比特征的优势，有利于监控外业数据质量。

线性台阵数据采集如图1所示。其中：S为人工激发源位置，R 为分布式四分量拾震仪。线性台阵测线布置于路肩外侧，排列参数为：接收道数12道，偏移距6 m，道间距3 m，主动源采集时长800 ms，被动源采集时长15 min。

图1 线性台阵数据采集

3.3 物探成果与验证

结合前期岩溶塌陷风险段划分成果，本次物探测线布置于中高风险段路基两侧路肩，高风险和异常范围大的重点段落。根据需要在外侧加密测线。

物探成果结合反演横波速度（Vs）等值线剖面图进行解释，下伏灰岩岩溶发育情况会影响横波速度及速度变化规律。结果显示：

1）当岩溶弱发育时，速度等值线在进入基岩深度0～6 m 后达到完整灰岩速度（500 m/s），如图2（a）所示。

图2 岩溶区横波速度等值线剖面特性

2）当岩溶中等发育时，速度等值线在进入基岩深度6～15 m达到完整灰岩速度，如图2（b）所示。

3）当岩溶强烈发育时，速度等值线形成明显的低速凹槽，如图2（c）所示。

按照上述原则，对各段中高风险物探成果进行分析解释，统计各段覆盖层厚度、岩溶发育情况，见表3。

表3 中高风险段物探成果

结合表3 可知，各段岩溶发育情况与前期岩溶塌陷风险段划分对应性良好，岩溶塌陷中风险段岩溶大部分为中等发育，岩溶塌陷高风险段岩溶大部分为强烈发育。

为验证物探效果，对部分物探异常进行钻孔验证。图3（a）为K2244 + 830 —K2244 + 930段钻孔验证情况。可知，此段覆盖层划分误差在3 m以内。其中，K2244 + 860 处物探划定的覆盖层和岩溶深度与钻探结果有一定误差，K2244 + 892 处物探划定的覆盖层和岩溶深度与钻探结果吻合良好。图3（b）为K2251 + 650—K2251 + 750 段钻探验证情况。可知，此段覆盖层划分误差在2 m以内。其中，K2251 + 670、K2251 + 695处物探圈定的岩溶位置和深度与钻探结果均有很好的对应性，K2251 + 730 处物探结果有效反映了岩溶特征，深度有一定误差。