長昆高鐵湖南段巖溶地段路基設計

莊仲欣

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

巖溶塌陷具有復雜性、隱蔽性、突發性等特點，一直是巖溶地區鐵路路基的主要病害之一[1]。高速鐵路對線路穩定、軌道變形要求極高，一旦發生巖溶塌陷，輕則限速斷道，重則造成安全事故，且無砟軌道路基維修相對困難，這些都給巖溶地段路基的設計帶來了很大的風險和挑戰。

在長昆高鐵湖南段巖溶地段路基設計過程中，堅持貫徹了動態設計的原則，并對處理措施進行反復論證，以確定經濟合理、技術可靠的工程方案。

1 巖溶路基概況

1.1 工程概況

長昆高鐵湖南段是我國橫向高鐵大動脈滬昆高鐵的組成部分，東起湖南省會長沙市，由高鐵長沙南站引出，經邵漣盆地之后穿越雪峰山脈，西至湖南省懷化市新晃縣湘黔省界處，線路全長413.94 km。

1.2 巖溶分布情況

長昆高鐵湖南省內巖溶路基段總長38.5 km，其中位于極易塌陷區的路基段長4.3 km，位于易塌陷區的路基段長13.1 km。

沿線寒武系，奧陶系，泥盆系，石炭系，二疊系，三疊系石灰巖、白云巖、泥灰巖，以及白堊系以灰巖為主的礫巖等可溶巖廣泛出露，因覆蓋層較薄、斷裂構造發育、地下水豐富，造成巖溶構造發育，主要有溶洞、溶溝、溶槽、溶蝕裂隙等。長昆高鐵湖南段巖溶發育主要集中在長沙至新化間，新化至懷化段亦零星分布，其中婁底南、新化南、懷化南等車站全部或部分位于巖溶強烈發育區，沿線經過地區巖溶塌陷分布情況見圖1[2]。

圖1 湖南段沿線地區巖溶塌陷分布

湖南段巖溶地段路基巖溶發育程度分布情況見表1。

表1 巖溶地段路基巖溶發育程度統計

2 路基動態設計

巖溶處理措施的選擇與巖溶勘察精度緊密相關。因此，對于路基工程，必須堅持動態設計的原則，即隨著工程的推進，根據設計階段的勘察資料、施工階段的先導探察孔、開挖或鉆孔施工等資料，不斷印證設計方案和工程措施的正確性，必要時調整設計方案和工程措施。

施工圖設計階段，巖溶發育情況已基本查明。對極易塌陷地段，首先進行路、橋方案比較，有條件設橋時，應選擇以橋代路。沒有設橋條件時，可采用樁板結構，并在其基樁位置布置注漿孔，利用其中不少于20%的注漿孔兼作先導探察孔，對巖溶發育形態作進一步定性、定量勘察。對于其它巖溶發育地段，也應采用注漿措施，布置注漿孔，利用不少于20%的注漿孔做為先導探察孔，摸清巖溶發育形態。對個別巖溶強烈發育區域，應及時調整設計，變更巖溶整治措施，其動態設計流程見圖2。

圖2 巖溶地段路基動態設計流程

3 淺層巖溶處理

(1)對位于路堤基底或路塹基床換填層下，覆蓋土層厚度小于2 m的無充填溶洞，或當溶洞范圍不受地下水變化的影響，且溶洞底板以下10 m深度范圍內沒有洞隙發育時，可采用溶洞揭蓋，回填碎石灌水泥砂漿或回填C25混凝土等方法進行處理。對出露于路基換填層范圍內的石芽予以鑿除，并清除溶溝、溶槽內的軟弱土層，位于基床范圍時回填C25混凝土，位于基床以下時回填滲水土。

(2)對位于路堤坡腳外5 m范圍內，覆蓋土層厚度小于3 m的巖溶洞穴，可采取挖開，爆破揭頂，挖除洞內松散充填物，回填片石或碎石后灌水泥砂漿等方法進行處理。

圖3 基底淺層巖溶處理斷面示意(單位：m)

(3)對位于路塹邊坡范圍內的溶洞、溶槽，可采用回填M10水泥砂漿砌片石或嵌補等措施，對洞徑大于1 m的溶洞，回填水泥砂漿砌片石深度按洞頂至塹頂高度的1.5倍控制；洞徑小于1 m的溶洞，回填深度不小于2 m?；诇\層巖溶斷面示意如圖3。

4 深層巖溶處理

4.1 注漿設計

①不易塌陷區-易塌陷區路基基底巖溶均采用鉆孔注漿處理。其中，對于裸露型巖溶區，當頂板厚度不滿足穩定要求時，鉆孔注漿深度至溶洞底板以下2 m；對于覆蓋型巖溶地段，鉆孔注漿深度不小于土石界面以下5 m，當頂板厚度不滿足穩定要求時，注漿深度至溶洞底板以下2 m[3，4]。土層內注漿厚度一般為2～3 m，巖溶注漿橫斷面設計見圖4。

圖4 基底巖溶注漿斷面示意(單位：m)

②對基底覆蓋層厚度大于30 m，且30 m范圍內未見土洞的深層巖溶發育地段，一般不作處理。

③注漿水灰比為0.8～1.0，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，可適量摻入粉煤灰，摻入量不宜大于30%[3，4]。

④巖溶注漿處理寬度：對于路堤及邊坡高度不大于1 m的路塹地段，加固寬度為路堤坡腳外5 m或塹頂外5 m；對路塹邊坡高度大于1 m地段，加固寬度為兩側側溝平臺范圍內，當塹腳有支擋結構時，加固寬度為支擋結構外緣。

⑤注漿孔間距：一般地段注漿孔間距為5 m，正方形布置；地表已塌陷地段或支擋結構基底范圍的注漿孔間距為3.5 m，梅花形布置；當巖溶強烈發育(遇洞率≥60%，線溶率>15%)，穩定性評價為易塌陷區時，宜優先采用樁板結構。

⑥路基基底覆蓋層采用復合地基時，應先進行巖溶注漿再進行地基處理；當路基基底采用沖擊碾壓、重型振動機械碾壓時，應先進行碾壓，再進行巖溶注漿。

⑦注漿結束后，應采用鉆孔取芯結合壓水試驗、瞬態面波檢測及電測深法等進行注漿效果檢測及評價，應按《高速鐵路路基工程施工質量驗收標準》(TB10751—2010)[5]的相關規定執行。

4.2 樁板結構設計

樁板結構將路基及軌道、列車荷載通過承載板傳遞到基樁上，再由基樁傳遞到巖溶發育層下的完整穩定巖層中，溶洞頂板不受附加荷載的影響。長昆高鐵湖南省內巖溶地段(共計23處，總長3.03 km)路基采用樁板結構跨越巖溶極易塌陷區，也是國內首次在鐵路建設中大范圍以樁板結構處理路基基底巖溶。

對樁板結構進行了高、低樁板方案的對比分析。高樁板方案承載板置于路基面附近，雖然大大減少了承載板寬度和灌注樁根數，投資較少，但其在填筑完成的路基上進行灌注樁施工，惡化了路基條件，路基荷載直接施加在溶洞頂板上，灌注樁傳遞的只是軌道和列車荷載，沒有起到減少填土荷載的作用，不予推薦。

(1)結構形式選擇

樁板結構形式較為靈活，大致可以分為以下三種[6]。

①獨立墩柱式

基樁與承載板直接連接，承載板直接固接或鉸接于樁上，此時承載板為多跨連續雙向板。

②托梁式

由基樁、托梁與承載板三部分組成，托梁連接橫向基樁，其上再與承載板相連，基樁與托梁固接，承載板與托梁固接、鉸接或者搭接。此時承載板為多跨連續單向板，在局部活載作用下為雙向板。

③復合式

為獨立墩柱式、托梁式的組合結構，中跨采用獨立墩柱式，邊跨采用托梁式。

三種樁板結構形式即有共性又各有特點，其中，獨立墩柱式板體不只是縱橫兩方向受力，視支撐情況可以任意方向共同受力；托梁式板體則主要為縱向受力，其設計較其他兩種形式簡單?？傮w來講，托梁式樁板結構受力明確，內力計算相對簡單，更有利于推廣。

采用Midas軟件建立計算模型，進一步對上述三種形式的樁板結構進行結構計算和經濟比較。計算結果顯示，與托梁式樁板結構形式相比，獨立墩柱式及復合式樁板結構中承載板的彎矩、剪力較大，使得承載板配筋及截面增加，造價較高，故本工程采用托梁式低樁板結構方案。

托梁樁板結構由基樁(鉆孔灌注樁)、托梁、承載板三部分組成(見圖5～圖6)。

圖5 托梁低樁板結構整體示意

圖6 托梁低樁板結構橫剖面

(2)技術要求

①樁板結構設計時應考慮巖溶塌陷的影響，托梁與承載板分別按與地基全部脫空、部分脫空和不脫空等工況計算。

②托梁樁板結構承載板縱向高程突變處應設置鋼筋混凝土墊梁過渡。托梁與灌注樁剛性連接，承載板置于托梁之上(與托梁搭接)，墊梁與承載板澆筑為一體。

③承載板厚0.8～1 m；托梁寬1.5～1.8 m，厚0.8～1.2 m；鉆孔灌注樁樁徑1～1.5 m，橫向間距5～6 m，縱向間距4～7 m。

④基樁必須穿透溶洞嵌入穩定巖層中，其嵌入深度應按相關規范要求且不小于1 m[7，8]。樁端以下5 m深度范圍內應無影響地基穩定的洞隙存在[7]。

⑤灌注樁施工前應進行工藝性試樁，并按相關規范要求選取不少于2根樁作為首件評估[9]。承載板、托梁、墊梁及基樁均采用強度等級不低于C35的混凝土。侵蝕條件下應嚴格按照《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》[10]的相關規定執行。

⑥鉆孔施工過程中應逐樁核對地質情況，當發現與設計不符時應及時反饋給設計單位。

⑦由于機械擾動、振動以及施工對地下水環境系統的改變和影響，施工時極有可能發生地面巖溶塌陷，必須制定安全防護技術措施和應急預案。

⑧當鉆至洞頂1.0 m左右時應采用小沖程(0.5～1.0 m)鉆進，緩慢將洞頂擊穿。在擊穿無填充或半填充溶洞頂板前應密切注意護筒內泥漿面的變化，若泥漿面下降，應迅速補漿補水，并根據溶洞大小向孔洞中拋片石、黏土，充盈后再行施鉆。重復以上工序，直至成孔[11]。

⑨鉆孔灌注樁施工完成28天后對全部基樁進行成樁質量檢測。當樁長不大于40 m時，采用低應變反射波法進行檢測；樁長大于40 m時，利用聲波透射法進行檢測[12]，并在鋼筋籠安裝時預埋聲測管。

⑩托梁寬度不大于30 m時，混凝土需一次澆筑完成；托梁寬度大于30 m時，為減少混凝土的溫度應力，每隔20～30 m設一道后澆帶，后澆帶寬0.8～1.0 m，于1/4梁跨靠近跨中一側設置，并應設置加強鋼筋。此時托梁分兩次澆筑完成。

5 深化設計

施工單位在按上述要求完成先導孔探察后，須及時報送勘察成果資料，設計單位根據勘察資料逐工點進行巖溶處理措施的確定和詳細設計，并向建設單位報送詳細設計圖，施工單位在未取得深化設計資料前不得進行下一步巖溶處理施工。

(1)對于先導孔探察資料與地質勘探資料揭示的巖溶發育情況基本吻合，穩定性評價均為不易塌陷-易塌陷區的巖溶地段路基，仍維持原設計的淺層巖溶處理或注漿處理措施，對所有注漿孔的注漿深度進行深化設計，同時提出估算的注漿工程數量。對需進行淺層巖溶處理的區域，應給出換填數量。

本線某段巖溶路基，定測階段資料顯示為巖溶中等-強烈發育，施工圖設計時布置注漿孔643個，其中208個孔做為先導孔，由施工單位在平整場地后施作。根據先導探察資料，共97個鉆孔見溶洞(遇溶率為46.6%)，平均線溶率為19.3%，為巖溶強烈發育區。對全部643個注漿孔注漿深度以圖表形式表示，統計得出注漿段長度，然后按《鐵路工程地基處理技術規程》[3]確定該工點的估算注漿數量。

(2)先導孔探察資料與地質勘探資料揭示的巖溶發育情況出入較大時，應重新進行穩定性評價。穩定性評價為極易塌陷時，按經濟技術比較結果，優先采用樁板結構。

本線某段巖溶路基，定測完成鉆探8孔267.3 m，顯示溶洞頂底板埋深為8.8～30.4 m，部分溶洞充填軟塑黏性土、粗角礫土，部分為空洞無充填，遇溶率為87.5%，線溶率為5.9%～34.5%，巖溶發育強烈，穩定性評價為易塌陷。施工圖按注漿方案設計，布置66個先導勘察孔，布孔兼顧了樁板結構跨越的樁位布置要求。施工先導孔探察資料揭示，66個先導孔均有溶洞發育，遇溶率為100%，溶洞高0.4～11.7 m，線溶率為9.3%～66.5%，大部分溶洞和溶蝕裂隙為無充填，少數全充填。本段評價為極易塌陷區。此段路基為低填淺挖，沒有設橋條件，最終采用托梁樁板結構。

6 結束語

由于巖溶發育的復雜性，從設計到施工，巖溶地段路基的勘察是一個由點到面的深入過程，巖溶地段路基的設計也同樣是一個深化和調整的過程。

巖溶極易塌陷區采用路基通過時，應進行經濟、技術方案比選，有條件設橋且經濟相當時應采用橋梁形式通過。沒有條件設橋的車站咽喉區、低填淺挖地段，應進一步進行低樁板結構方案和地基加固結合注漿方案的比較。實踐證明，樁板結構的樁基工藝成熟，質量可控；而鉆孔注漿質量可控性較差。因此，在巖溶極易塌陷區，宜優先采用低樁板結構方案。

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[9] 中鐵三局集團有限公司，中鐵大橋局集團有限公司.QCR9652—2017 客貨共線鐵路橋涵工程施工技術規程[S].北京：中國鐵道出版社，2017

[10] 中國鐵道科學研究院.TB10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[11] 中鐵三局集團有限公司.鐵建設[2010]241號 高速鐵路橋涵工程施工技術指南[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[12] 中國鐵道科學研究院.TB10218—2008 鐵路工程基樁檢測技術規程[S].北京：中國鐵道出版社，2009