寧安鐵路覆蓋型巖溶路基的勘察與地基處理實踐

王京泉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

寧安鐵路在安徽的銅陵地區經過大面積分布的三疊系中統(T2)石灰巖地層。眾所周知，石灰巖既是煉鋼、水泥、石灰、電石制造業不可多得的非金屬礦產資源，而且也是各類工業與民用建筑大量使用的優良建筑石材。但石灰巖地層作為鐵路、公路、水庫等大型工程的建筑地基時，由于其具有的可溶性而形成的或明或暗的巖溶洞穴、地下暗河等巖體孔洞，常常形成路基塌陷、水庫漏水等巖溶地質災害。暗埋溶洞的勘察、評價以及后續的地基處理方法，是地質、路基等巖土工程專業經常碰到的一個非常棘手的工程課題。寧安鐵路覆蓋型巖溶的分類和處理措施，經過工程的實踐檢驗，積累了不少有益的經驗，對相似地區的巖溶地基處理，具有一定的借鑒和指導意義。

1 巖溶路基的勘察

寧安鐵路銅陵段的巖溶路基，主要為三疊系中統石灰巖層，以微風化到弱風化為主，大部分覆蓋在厚度0.5～20m以下的黏性土等第四系沉積層下，僅在局部丘陵裸露地表。地下巖溶孔隙、孔洞及較大溶洞均有分布，地表溶蝕溝槽、小型尖峰角錐發育，偶有落水洞出露?？辈祀A段先行采用綜合物探沿線普查，而后根據橋涵、路基及路基支擋工程的設計要求，結合物探解譯成果，在有巖溶孔洞的點位布置鉆探驗證。鉆孔深度一般為20m，如果覆蓋層較薄，鉆孔中沒有遇到溶洞時，鉆入基巖的深度大于8m時即可終孔;如在鉆孔中20m范圍內遇到溶洞，要求鉆入洞底完整巖層不小于8m。

寧安鐵路按程序經過了初測、定測及補充定測階段的工程地質勘察。路基地段揭露的覆蓋型巖溶問題，在勘察期間經過地質調查、綜合物探斷面普查、鉆探驗證，確定了大部分地段存在的巖溶洞穴并進行了巖溶發育程度分區。在施工階段，制定了在巖溶裂隙、小型溶洞發育區采用地質鉆機探灌結合、一孔兩用的方法進行地基處理，中型以上巖溶發育區采用大口徑工程鉆機沖擊成孔、輔以機械開挖揭露溶洞的方法，向洞內拋填塊石、碎石、黏土或砂類土填塞，而后再鉆探灌漿等地基處理措施，提高了巖溶地段地基的穩定程度，經地基鉆探、物探等方法的驗證，效果良好，順利通過了施工質量驗收。

2 寧安鐵路的巖溶發育程度分區

根據勘察資料，寧安鐵路的巖溶發育程度在平面分布上具有不均一性，這主要跟巖溶的發育條件和影響巖溶發育的因素有關。寧安鐵路路基地段的巖溶在水平、垂直方向上的分布，受巖層的可溶性、地質構造(層理、裂隙)以及地下水等因素的控制。如DK168+450～DK169+900段路基基底同時存在第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水。來自大氣的降水及水田人工灌溉水補給第四系孔隙潛水，孔隙潛水又下滲到存在裂隙、層理縫隙的石灰巖層中補給基巖裂隙水，基巖裂隙水侵蝕灰巖的裂隙，溶蝕形成了巖溶洞穴。巖溶洞穴中的巖溶水來自于基巖裂隙水，上層的巖溶水又補給下層的裂隙水，地表、地下水的連通排泄和互為補充，導致本段巖層的富水性較強。覆蓋型巖溶的發育對鐵路的修建形成了潛在的危害，根據寧安鐵路灰巖地段巖溶的發育強度，將其分為強烈發育區、較強發育區、一般發育區和零星發育區四個分區。

2.1 巖溶強烈發育區

巖溶強烈發育區的特征是:地下洞穴沿層面發育的特征比較明顯，各溶洞間的巖溶水通過地下暗河、法向裂隙和層間裂隙相互聯系，大小不等，高低不同的溶洞呈串珠狀發育，地下暗河水系縱橫呈樹枝狀分布。根據鉆探揭示，巖溶發育強烈地段的鉆孔見洞率達到了70%，寧安鐵路的巖溶強烈發育區如圖1所示。

圖1 巖溶強烈發育區

2.2 巖溶較強發育區

巖溶較強發育區的特征是:巖溶溶洞間的水平聯系相對較少，地下水流只在少數溶洞間相互流通，溶巖垂直發育性較強，鉆孔見洞率小于50%。

2.3 巖溶一般發育區

巖溶一般發育區的溶洞之間幾乎沒有水平聯系，大都是彼此獨立的豎井狀溶洞，鉆孔見洞率小于30%。

2.4 巖溶零星發育區

巖溶零星發育區的溶洞一般分布在覆蓋層下的石灰巖淺表層，多為獨立的坑洞，溶洞之間的距離較遠。

3 寧安鐵路巖溶洞穴分類

寧安鐵路銅陵地區路基地段在20m的勘探深度內，揭露、發現的溶洞多為覆蓋型淺埋溶洞，60%以上的溶洞高度在0.25～3m之間，所遇溶洞的最大高度為14.2m。勘察所揭露的溶洞在空間分布上，以沿石灰巖層理發育的層間溶洞為主，沿區域性垂直節理裂隙發育的豎井狀溶洞次之。垂向高度內以一層溶洞為主，僅在DK170+450附近的鉆孔揭示出多個2層結構的溶洞，鉆孔ZK3—13揭示有3層溶洞。全線揭示的436個溶洞中，有177個溶洞上頂板的厚度小于1m，自然拱承載能力差，如果處理不當則存在通車震動受力后有隨時塌陷的可能。

通過綜合分析，根據溶洞的空間形態和回填處理的難易程度，將溶洞劃分為小、中、大及特大四種類型，其分類特征見表1。

表1 溶洞分類

4 巖溶路基的地基處理研究

巖溶地質的發育對鐵路路基的影響，是由于巖溶空洞的存在，可能造成路基的不均勻沉降甚至突然坍陷，對行車安全具有潛在的嚴重威脅。為了消除地基沉降和突然塌陷的隱患，查明溶洞位置，進行回填注漿，甚至打樁處理是行之有效的方法。

4.1 超前注漿預處理

在用地質鉆機核查巖溶的超前鉆孔過程中，對于發現的全充填、半充填或者有漏漿現象的裂隙或小溶洞，立即進行注漿預處理。

4.2 小型溶洞的處理

對于沒有充填物的小型溶洞，開孔后采用拋填片石、碎石和黏土團，反復用重錘小沖程錘擊方式，進行樁孔的填塞和樁壁擠密，最后再進行注漿處理;對于有充填物的溶洞，在鉆孔中直接灌注水下混凝土加壓充填。

4.3 中型溶洞及大型溶洞的處理

遇到中型及以上的大型及特大型無充填溶洞或半充填溶洞時，預先在孔口附近準備好足夠的塊石、黏土、水泥等填充材料。大型溶洞間隔4～7m采用大型鉆孔樁機梅花狀開孔，在溶洞洞頂擊穿形成天窗后，用鏟車及時將準備好的塊石、黏土、水泥按適當的比例拋入，在拋填過程中用沖擊錘進行適當擠壓夯實，反復拋填塊石、黏土、水泥混合土，直至把溶洞填滿或堵死為止，最后補充泥漿加固充填物。

4.4 注漿的主要技術參數

注漿泵流量:8～10 L/min;水泥砂漿的漿液配比采用質量比，需要速凝的漿液經多次試驗確定，采用“水泥+砂+水玻璃”混合砂漿，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。

每立方砂漿的材料用量水泥、砂、水玻璃、水分別為750、320、26、614 kg，理論配比為 1 ：0.427 ：0.035：0.819，多層溶洞應從下向上灌注。注漿壓力根據注漿深度隨時調整，一般注漿壓力較注漿孔底水壓大0.1～0.2 MPa為宜?？椎姿畨嚎筛鶕桓叱膛c孔底高程的差，計算出地下水的壓力后就可準確設置注漿壓力。

注漿結束標準為:在規定的注漿壓力下，注漿壓力持續0.2 MPa不變的孔段吸漿量小于0.6 L/min，單孔注漿量達到平均注漿量1.5～2.0倍，且進漿量明顯減少時，延續30 min即可結束注漿。為了保證注漿壓力或注漿過程的連續性加壓注漿前需采取必要的封孔措施。

4.5 砂漿的成本控制

寧安鐵路在路基地段進行注漿加固處理的施工過程中，對注漿參數以及注漿工藝的選擇，一般根據巖溶的發育程度和巖溶洞穴的類型確定，注漿時摻入適量的水玻璃或其他速凝劑加速漿液的凝固，以保證注漿的質量和節約成本。

5 結論

(1)根據巖溶發育程度，寧安鐵路銅陵段路基巖溶從平面上可分為強烈巖溶發育區、較強巖溶發育區、一般巖溶發育區和零星巖溶區發育區。

(2)根據巖溶洞穴的空間形狀和空間尺寸，以及洞穴的填充情況，寧安鐵路銅陵段路基巖溶洞穴可劃分為小、中、大和特大型溶洞。

(3)根據巖溶發育的復雜程度，不同類型巖溶洞穴可采用回填、注漿等加固方法。經多次試驗確定的注漿技術參數合理、可行，可保證注漿效果，對相似地區的巖溶地基處理，具有一定的借鑒和指導意義。

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