兗石線K169巖溶路基塌陷原因分析及整治

董 森

(濟南鴻運鐵路巖土工程有限責任公司,山東濟南 250022)

1 工程概況

2008年9月兗石線K169+680～K170+245兩線間及上行線路右側路肩、路基邊坡、坡腳、取土坑原地面突然發生多次塌陷,共出現14個陷坑。多次塌陷導致線路下沉,并伴有偏水平現象,影響到線路幾何尺寸,對行車安全構成威脅。塌陷地段限速60 km/h,工務部門派專人在現場進行24 h監護。經勘探揭示,塌陷地段巖溶發育程度由兩個近于直交的溶蝕裂隙帶控制,一是北西向南東裂隙帶,一是北東向南西裂隙帶。巖溶強烈發育區、巖溶中等發育區的線巖溶率平均值22.3%,最大線巖溶率67.6%,最大溶洞高4.00 m。為盡快消除安全隱患,確保兗石線正常運營,采用壓力注漿方法對塌陷地段進行加固處理。

2 工程地質及水文地質[1]

2.1 工程地質

地表部分分布第四系全新統人工填筑的素填土,其下為全新統沖洪積粉質黏土、細砂、中砂、粗砂,上更新統沖洪積粉質黏土,下伏基巖為奧陶系中統馬家溝組石灰巖。覆蓋層厚度為6.00～13.50 m。

(1)第四系地層

素填土：黃褐色,局部灰褐色,主要為鐵路路基及道路路基填土,以粉質黏土為主。

粉質黏土：褐黃色,軟塑,局部硬塑,夾少量砂粒及鐵錳結核。

黏土:灰褐色,軟塑,含少量鐵錳結核。

細砂:褐黃色,松散—稍密,潮濕—飽和,局部夾少量粉質黏土。

中砂:褐黃色,松散—稍密,潮濕—飽和,夾少量粉質黏土及細角礫。

粗砂:黃色,局部灰白色,稍密—中密,潮濕—飽和,局部夾粉質黏土。

粉質黏土：灰黃色夾灰綠色,弱—中等膨脹土,軟塑—硬塑,分布不均勻,局部地段已被潛蝕。上行線左側塌陷區附近Z-3、Z-5、Z-50及右側Z-9、Z-11、Z-12、Z-16、Z-20、Z-41共9個孔在該層皆有疏松帶揭示,厚度為0.8～3.5 m,土質疏松,巖芯采取率極低,進尺很快。

(2)奧陶系中統馬家溝組灰巖地層

溶蝕強烈發育的石灰巖：溶蝕現象發育,溶蝕率4%～67.6%。溶蝕為串珠狀和蜂窩狀,最大揭示溶洞4.0 m,多為充填溶洞,充填物為軟塑狀黏性土夾粗砂和碎石,部分溶洞為未充填的空洞或半充填,最大揭示空洞高1.4 m。

溶蝕微弱發育石灰巖：溶蝕現象弱發育,未見溶蝕孔洞及溝槽,該層灰巖中溶洞發育極少。

2.2 水文地質

受第四系砂層的影響,塌陷區早期壤中潛水非常豐富,下伏巖層受構造、巖性的影響,塌陷區域內巖溶極其發育,是良好的巖溶塌陷物存儲、運輸通道。枯水季節,由于地下水的過度開采,水位突然大幅度的下降,致使巖溶裂隙水水位埋深為20.00～40.00 m；豐水期,地下水位又上升到第四系砂層中,地下水頻繁在基巖面上下波動,為第四系壤中潛水及地表水下滲潛蝕覆蓋層土體顆粒形成了良好的水文地質條件。勘探期間第四系壤中潛水水位埋深 2.70～7.70 m,潛水水位受大氣降水和周圍抽水的影響較大。

3 塌陷原因分析

3.1 巖溶塌陷形成的基本條件及主要影響因素[2]

水是塌陷的主要動力,水位能否在土、巖界面上下波動是形成塌陷的主要因素。

上覆第四系覆蓋層為塌陷物質土層,其厚度及土層性質、結構是巖溶塌陷的主要影響因素。一般覆蓋層為多元結構或以砂類土為主，覆蓋層厚度小易形成地面塌陷。

巖溶的塌陷與儲運條件：一般在巖溶發育的平原、谷地、溶蝕洼地形成地面塌陷。

3.2 塌陷原因

下伏巖層在構造、地下水的影響下,巖溶裂隙帶形成規模大小不一、連通情況復雜的溶洞,溶洞的發育對接受上部土層的潛蝕物質有了充足的空間。

K169+825～K170+245段基巖面上部為厚約2.0～8.0 m的細砂、粗砂,松散—稍密,顆粒間聯結力小,當地下水在基巖面反復波動及地表水下滲過程中極易被帶入溶洞。第四系蓋層與灰巖接觸面的土層為黏性土,該層土具有弱—中等膨脹性,厚度很薄,一般為0.50～2.30 m,最大厚度為3.90 m,遇水軟化崩解后極易被帶入溶洞內,在失水收縮開裂后,形成地下水通道。

在地下水位逐漸下降至巖土交界面時,由于第四系潛水及基巖巖溶水的共同作用,基巖面以上具膨脹性黏性土開始軟化,當地下水位繼續下降至基巖巖溶溶蝕帶附近時,形成局部的負壓作用。在第四系潛水強烈下滲補給地下水時,當水頭壓力大于砂類土的承受力,軟化的黏性土及飽和砂土極易在短時間內沿溶蝕裂隙和溶洞流失,發生潛蝕作用，形成疏松帶。疏松帶內極易形成土洞,土洞在地下水的潛蝕效應、真空吸蝕效應、垂直滲壓效應的作用下不斷擴大[3]。當大氣降水使上覆土層的含水量增多,凝聚力降低,內摩擦角減小,自重壓力增大,抗塌力小于致塌力時,土洞坍塌,導致地面塌陷。

4 巖溶路基塌陷整治[4]

4.1 整治原則

封閉土層與基巖間的滲水通道,提高路基本體及地基土強度,巖溶發育范圍充填加固處理。

(1)注漿孔布置

處理范圍內線路橫斷面方向布4排注漿孔(見圖1),路基坡面上2排,坡角處2排。相鄰直孔、斜孔交錯布置,路基坡角處斜孔傾角為18°,坡面上斜孔傾角為21°和45°,相鄰傾角不同鉆孔交錯布置。

圖1 灌漿孔橫斷面布置示意(單位：m)

(2)注漿設計

上覆土層厚小于10 m的土石界面加固4 m,基巖加固3 m,總計加固7 m；上覆土層厚大于10 m的土石界面加固3 m,基巖加固3 m,總計加固6 m。注漿材料為42.5號普通硅酸鹽水泥、三級粉煤灰,水固比為0.6∶1～1∶1,水泥：粉煤灰=2∶1,注漿壓力為土層0.1～0.3 MPa,基巖為0.5～1.0 MPa。

(3)終孔標準

注漿出現下列情況之一時,可以結束：

①土層當孔口壓力在0.3 MPa時,吸漿量不大于4 L/min,持續30 min,視為漿液已灌滿。

②巖層當孔口壓力在1.0 MPa時,吸漿量不大于4 L/min,持續30 min,視為漿液已灌滿。

4.2 工藝流程

(1)施工程序

施工準備—鉆孔定位—鉆探成孔—套管固結—注水試驗—連接注漿設備—注漿—清孔—鉆孔封閉—質量檢測—注漿結束。

(2)施工工藝

布置鉆孔：按設計孔位,利用經緯儀、水平儀現場放孔,測量并進行復測。

鉆探成孔：首先在每個巖溶分區地段選擇有代表性鉆孔先行鉆探,加深基巖面以下的深度,最大為20 m,目的是核對區域的地質情況,以便指導注漿施工工藝及技術參數的選擇。同時,還加大了初期漿液擴散的通道。

套管固結：用水泥砂漿固結套管,使基巖和嵌入套管結為一體,以使注漿壓力向孔底傳遞,漿液不致沿套管壁流失。

注水試驗：選擇有代表性的鉆孔做注水試驗,確定漿液的品種和初始濃度。

注漿：利用套管封閉上部土層,采用自上而下分段灌漿方法注漿。注漿時,漿液由稀到濃,應密切注意注漿可能造成孔內外及周邊環境的變化,如吸漿量、壓力、地表冒漿、及附近水質的變化等,及時調整漿液的配比及注漿壓力。

封孔：注漿結束后,及時用水泥砂漿封孔,整理設備和施工場地,然后進行下一孔的施工。

4.3 注意事項

(1)鉆探成孔后及時清孔或用清水沖洗鉆孔,確保孔內無殘留巖芯。

(2)注漿過程中,由于溶蝕發育、石灰巖裂隙發育,出現自流注漿久注不滿,壓力注漿壓力一直不上升,還未達到設計壓力就出現孔口及地面冒漿的情況,灌注量不易控制。在保證質量的前提下,宜采取間歇注漿,間歇時間3 h左右。

(3)為防止漿液向縱深漏失較多,每次灌注前在孔底鋪一層水灰比較小的水泥砂漿或鋪墊砂層。

(4)空洞一次注漿結束后,壓入空洞的水泥漿液中的部分水份在壓力作用下向周圍地層滲透擴散,隨著壓力的消散和時間的推移,水泥漿液固結析水，在空洞形成上部空氣、中間水、下部水泥固結體的狀況。對此情況,采取二次注漿的方法以保證空洞全被水泥固結體充填密實。

(5)鉆探過程中,出現土石界面或上覆土層中有軟塑—流塑狀黏土時,應先行注漿,然后繼續鉆至設計要求孔深,再正常注漿。

(6)注漿過程中一般要多次注漿，每次注漿前須再次鉆至孔底,清除孔內殘渣,并用清水沖洗鉆孔,疏通漿液通道,注意循環水量的變化、顏色,記錄上次注漿到達深度后進行下一次注漿。

5 質量控制[5]

5.1 檢查孔檢測

在巖溶發育及灌注量大的地段布置一定數量檢查孔檢測注漿質量,經檢測基巖巖芯及第四系土層可見多處水泥粉煤灰結石體,漿液結石體無側限抗壓強度均大于0.3 MPa,且注漿后的鉆孔不掉鉆、不漏水,表明基本填滿巖溶空洞及裂隙。巖溶處理效果良好,滿足設計、規范要求。

5.2 物探檢測

注漿結束后,采用電測深法進行檢測,將檢測結果與注漿前物探成果對比進行檢測注漿效果,結果顯示塌陷地段的電阻率較壓漿前有明顯提升。壓漿后電阻率同樣呈現相對均勻的形態,電阻率剖面形態平穩,無明顯的低阻或高阻異常帶，說明注漿效果良好。

5.3 壓水試驗檢測

注漿完畢后,通過壓水試驗檢測地層滲透系數,與注漿前地層滲透系數進行對比檢測注漿效果,經檢測注漿后的單位長度吸水量僅為注漿前的1%～5%,注漿效果明顯。

6 結束語

兗石線K169+680～K170+245路基塌陷整治工程2010年6月竣工,經1個雨季檢驗,場區穩定,未再發生塌陷現象,運營狀況良好。實踐證明：壓力注漿處理運營鐵路下巖溶路基病害是一項質量可靠、造價低廉、工藝簡單、對運營鐵路影響小的施工技術。

[1]中鐵濟南勘察設計咨詢院有限公司.兗石線K169+680～K170+245路基塌陷整治工程工程地質勘察與評價[Z].濟南:中鐵濟南勘察設計咨詢院有限公司,2008

[2]TB10027—2001 鐵路工程不良地質勘察規范[S]

[3]陳國亮.巖溶地面塌陷成因與防治[M].北京:中國鐵道出版社,1994

[4]中鐵濟南勘察設計咨詢院有限公司.兗石線K169+680～K170+245路基塌陷整治工程施工設計[Z].濟南:中鐵濟南勘察設計咨詢院有限公司,2008

[5]TB10106—2010 鐵路工程地基處理技術規程[S]