既有鐵路覆蓋型巖溶路基病害整治的勘察設計

2010-08-06 10:27:02劉好正

鐵道勘察 2010年4期

劉好正

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

1 工程概況

浙贛鐵路始建于1899年,全長914.146 km。由于建設年代久遠,技術標準低、列車速度慢,運輸能力日趨緊張,制約了沿線區域的經濟發展。為此,2003年浙贛線開始電氣化改造工程勘察設計。既有浙贛鐵路巖溶地段路基塌陷病害一直是危及行車安全的重大隱患之一。2006年,受南昌鐵路局委托,我院對部分未改建地段巖溶路基工程進行了勘察設計,勘察范圍為浙贛鐵路分宜至蘆溪(K769+540～K824+382)段,設計時速140 km,共計45.686 km。

浙贛線分宜至蘆溪段位于贛西地區,地勢總的特點是西高東低。袁水河南側為羅霄山脈北端之武功山地區,是該區南北向的分水嶺,袁水河北岸以低山和丘陵為主。既有浙贛鐵路以淺挖、低填形式通過江西省新余市、宜春市和萍鄉市轄區。

根據工務部門的記錄和本次勘察資料,分宜至蘆溪段既有路基巖溶地面塌陷病害主要分布在分宜、彬江、下浦,以及宜春、王華、西村一帶,其余地段也有零星分布。

2 覆蓋型巖溶路基勘察[1]

2.1 勘察過程和勘察方法

浙贛線分宜至蘆溪段巖溶路基整治勘察工作于2006年4月開始,至2006年6月完成。勘察工作方法主要有：地質測繪(1/2000地質測繪,重點地段采用大面積地質測繪)、物探(電法、地震法)、鉆探和水土巖石試驗等。全段物探采用兩條電法測線貫通,部分地段補充了地震測線。在地質測繪和物探成果綜合分析的基礎上,針對不同地貌單元、不同地層和物探異常區的分布特征,在路基兩側按不同的間距布置鉆孔。勘察期間,調查訪問了彬江鎮自來水公司、宜春青能科學研究院抽水井、宜春麻紡廠抽水井、宜春肉聯廠抽水井、宜春火車站抽水井、盛源水泥廠抽水站等單位,收集到6個大口徑抽水機井資料。通過地質綜合勘探成果的互相驗證和綜合分析,基本查明了沿線的地層巖性、地質構造、地下水類型、巖溶發育特征等。

2.2 工程地質條件

(1)地層巖性

浙贛線分宜至蘆溪段沿線地層有石炭系下統和中、上統,二疊系下統茅口組和上統龍潭組以及第四系地層。其中：石炭系下統大塘階薄層至厚層狀灰巖,石炭系中上統中厚層狀灰巖、白云質灰巖、角礫狀灰巖、溶崩角礫巖、硅質灰巖,二疊系下統茅口組厚層狀灰巖分布的地段為主要的巖溶路基段落；上述分布地段表層的第四系全新統沖、洪積粉質黏土夾碎石層中一般土洞發育,特別是下伏為粗圓礫土、細圓礫土以及礫砂層時。

(2)地質構造

浙贛線分宜至蘆溪段位于北東東向萍(鄉)—樂(平)坳陷帶 (復式向斜)西段,褶皺、斷裂較為發育。袁水河所經地區為袁水復式向斜,大致分布于萍鄉—宜春—分宜—豐城一線,基本平行于袁水河河谷,并貫穿浙贛線分宜至蘆溪全段。分宜至蘆溪段的主要斷裂為萍鄉—廣豐深斷裂,大致沿浙贛線分布,沿線斷續發育數十米或數百米的硅化破碎帶及一系列規模不等、平行排列的逆沖或斜沖斷層。受上述地質構造影響,沿線巖體破碎,為可溶巖地區的巖溶發育提供了有利條件。

(3)水文地質條件

浙贛線分宜至蘆溪段地表水系發育,主要河流為袁水河及其支流,其支流源于山間谷地,形成密集的樹枝狀水網,河水位與降雨關系密切。袁水河最高水位75.32 m,最低水位69.63 m(茅州水文站統計資料)。其水位變化也影響地下水位的變化,而變化范圍在既有浙贛線所經區段大多在基巖面上下3～5 m范圍之內,有利于地面塌陷的形成和發展。

沿線地下水有三種類型：即表層松散層孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水。

松散層孔隙水：主要分布于分宜至蘆溪袁水河河曲發育地段,含水層為第四系沖、洪積層。靠大氣降水和低山丘陵的基巖裂隙水補給,與巖溶水互補,向袁水河谷排泄或以上升泉的形式排泄。

碳酸鹽巖類巖溶水：主要分布于分宜至西村間灰巖、白云質灰巖和泥灰巖地區。根據收集的8孔抽水試驗資料,不同巖性組合,涌水量變化較大,水量較大的自流井,抽水降深2.05 m,涌水量達3 924.98 t/d。沿線調查泉水7處,其中銅鼓廟泉水最大流量29.49 L/s,日涌水量2 548 t。巖溶水主要通過潛水補給。

基巖裂隙水：主要分布于西村至宣風間低山丘陵區,根據本次勘察實測的3處泉水,日涌水量小于30 t。基巖裂隙水主要靠大氣降水補給,側向排泄(補給)潛水和巖溶水。

(4)沿線地下水開采情況

沿線地下水開采多為民用壓水井,但局部地段也有機井大量開采地下水。K781+480右25 m彬江鎮銅鼓廟村抽水井,抽水量800～1000 t/d；K794+680左180 m宜春麻紡廠抽水井,抽水量300～400 t/d；K795+507左304 m宜春肉聯廠抽水井,抽水量800～900 t/d,高峰時1600 t/d,抽水房外地面已塌陷；K797+895左62 m宜春車站泉水抽水井,抽水量1 760 t/d,水井護壁及圍墻開裂,地面下沉；K814+025左300 m盛源水泥廠抽水井,抽水量140t/d。在既有鐵路附近長期大量開采地下巖溶水是地面塌陷發生的重要影響因素。

2.3 既有線巖溶塌陷情況

根據收集的臺賬資料和勘察調查,浙贛線分宜至蘆溪段既有巖溶路基病害情況如表1所示。

表1 既有線塌陷病害一覽

由以往調查可知：分宜至西村間是巖溶地面塌陷易發地區。

2.4 覆蓋型巖溶區工程地質評價

(1)巖溶路基塌陷機理分析

覆蓋型巖溶區地面塌陷可分為三種情況：①覆蓋層土洞坍塌導致地面塌陷；②巖溶洞穴頂板垮塌導致地面塌陷；③土洞坍塌和巖溶洞穴頂板同時垮塌導致地面塌陷。分宜至蘆溪段已發生的地面塌陷或可能發生的地面塌陷多屬于第一種情況,也是比較常見的一種地質災害。該種地面塌陷從形成機理分析,是土體在滲流作用下的破壞,即土體的滲透變形問題。形成地面塌陷的基本條件是：地層結構、巖土性質和地下水動力條件,(列車)振動是不可忽視的誘發因素。根據本測段工程地質、水文地質條件,對覆蓋型巖溶區地面塌陷的影響因素分析如下。

地形地貌的影響：沿線多數地段路基兩側地勢有明顯差異,一般左側為低丘或高階地地貌,右側多為袁水河一級階地,地形總體上有左高右低的特征,其橫向坡度多在1%～10%之間。地面橫坡引起地表、地下水由線路左側向線路右側袁水河方向排泄,地下水水力坡度較大,一般大于3%,容易引起土體的潛蝕,造成細顆粒土流失,形成空洞(如圖1)。

圖1 分宜至蘆溪段地形橫向坡度示意

第四系覆蓋層厚度的影響：第四系覆蓋層越薄,特別是黏性土層越薄,巖溶塌地面陷越容易發生。覆蓋層薄一方面有利于地表水和覆蓋層中的孔隙水下滲,當地下水動力條件改變時,地下水活動加速了覆蓋層的潛蝕作用,一旦下部發生潛蝕并形成土洞,隨著壓力拱不斷向上發展,直至破壞而形成地面塌陷。覆蓋層薄,壓力拱難以形成,因此地面塌陷也越容易發生。分宜至西村段,鉆孔揭示的覆蓋層厚度多在3～15 m,所以巖溶地面塌陷容易發生。

可溶巖的影響：測段內分宜至西村(K769～K815)之間,廣泛分布有石炭系和二疊系茅口組厚層灰巖、白云質灰巖和白云巖等可溶巖地層。受區域地質構造影響,沿線巖體破碎,巖溶發育,平均線巖溶率達33%,最大的溶洞11 m,一般為1～2 m,為地下水活動和運移物質的積存提供了有利條件。

開采地下水的影響：長期大量抽取地下巖溶水,使得地下水動力條件發生了很大變化。引起地下水水力坡度增大,地下水的潛蝕能力增強,從而加速了土體的潛蝕。

地下水動力條件影響：既有浙贛線分宜至蘆溪段大部分線路沿袁水河而修建,袁水河屬山間河流。其水位隨降雨量驟升驟降的變化影響地下水位的變化,從而促使上覆土層潛蝕。

(2)巖溶路基穩定性病害整治評價

根據上述影響覆蓋型巖溶區地面塌陷發生的因素分析,依據地形地貌、第四系覆蓋層的特征、巖溶發育特征、地下水開采情況、地下水動力條件等,并結合既有地面塌陷情況,對測段覆蓋型巖溶區穩定性進行了綜合評價,穩定性可分三種類型。

不穩定區：地面塌陷隨時可能發生,危及行車安全,應盡快進行整治。該類型共計 10段,總長7.29 km。

較不穩定區：該區在外部影響因素不發生重大變化的情況下,發生地面塌陷的機率較小,但存在地面塌陷的可能性。該種類型共計12段,總長14.13 km。

相對穩定區：在外部影響因素不發生重大變化的情況下,一般不會發生地面塌陷。該種類型共計27段,總長24.26 km。

3 覆蓋型巖溶路基病害整治設計[2]

3.1 設計范圍和工程措施

本著“輕重緩急、分期投資”的原則,對浙贛線分宜至蘆溪不穩定地段(總長7.29 km)先期整治,以確保行車安全。

為防治巖溶路基塌陷,經技術、經濟分析比較,采用鉆孔壓力注漿措施進行路基加固。

3.2 巖溶注漿加固原理

通過壓力注漿充填土洞和灰巖頂部的溶洞、溶蝕裂隙,加固土體,改善土體的工程性質,隔斷地表水與地下水、孔隙水與巖溶水之間的水力聯系,杜絕土體潛蝕的發生,從而達到防止地面塌陷的發生。

3.3 注漿參數設計

(1)漿液擴散半徑

漿液擴散半徑決定了注漿孔的布置,因此它的正確合理選取對于控制注漿工程質量和控制工程造價非常重要。若選用的半徑不符合工程實際情況,將會影響注漿效果,進而達不到壓力注漿加固巖溶路基的目的。本工程設計擴散半徑根據Maag(1938)推導出的球形擴散理論滲透公式結合既有地區注漿經驗確定[3]

式中 K——土的滲透系數/(cm/s)；

P——注漿壓力/(kg/cm2)；

r0——注漿管半徑/cm；

t——注漿時間/s；

n——注漿層的孔隙率；

β——漿液黏度對水的黏度比,一般取 0.1～0.3。

經計算結合工程類比,確定本工程注漿的漿液擴散半徑為4.0～5.0 m。

(2)漿液配合比

漿液配合比的選用對巖溶注漿效果控制也非常關鍵。如果漿液過濃,漿液在注漿通道中的阻力變大,同時也不利于漿液進一步擴散,影響注漿擴散半徑；如果漿液過稀,漿液凝固硬化時收縮后容易形成新的孔隙,影響加固效果。因此,漿液濃度配比是否合理將直接影響注漿工程質量。本工程根據以往工程設計施工經驗并結合現場巖土體巖溶發育條件,一般采用水灰比1∶1和0.75∶1兩種濃度,特殊條件下采用0.5∶1的水灰比。

(3)注漿壓力

注漿壓力與所加固巖土體的覆蓋層壓力、漿液濃度以及漿液在套管里的阻力等因素有關,在注漿過程中壓力是一個動態的過程,考慮本工程巖溶路基發育情況,結合以往巖溶路基工程施工經驗確定。本工程土層一般采用100～300 k Pa,巖層采用300～500 kPa。

(4)注漿量

注漿量的計算常用的方法有：經驗數據法、工程地質比擬法、漿液均勻擴散的單孔注漿計算法等三種方法。考慮巖溶發育的不均勻性,一般采用整體計算法,并用工程地質比擬法進行修正。

(5)注漿孔設計

雙線并行路堤兩側坡腳附近各設一排注漿孔,直孔和斜孔間隔布置,兩側的直孔和斜孔交錯對應。直孔與直孔、斜孔與斜孔沿線路方向間距為5.0 m；單線路堤、路塹及雙線路塹在路堤坡腳或路塹側溝處各設一排直孔注漿(當線間距較大、路基較寬時在兩線中間加設一排),注漿孔間距5.0 m；車站范圍內注漿孔以直孔為主,設在股道之間,孔間距一般為5.0 m。注漿孔深度以進入完整灰巖2 m為原則(如圖2、圖3、圖4所示)。

(6)注漿工藝設計

采用探灌結合的原則,其目的在于進一步了解地層、巖溶發育特征及水文地質條件。