京廣鐵路淺覆蓋型巖溶路基注漿整治策略

趙威

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 地質(zhì)與路基設(shè)計(jì)研究院， 武漢 430063

京廣鐵路為中國三橫五縱干線鐵路網(wǎng)的一縱，是中國最重要的南北鐵路交通大動(dòng)脈，自前身京漢、粵漢鐵路建成通車起算，已運(yùn)營百余年。近年來，受城市化建設(shè)影響，京廣鐵路廣州段沿線新增多處建設(shè)工地，深基坑開挖、抽排地下水與施工震動(dòng)等工程活動(dòng)誘發(fā)多起巖溶地面塌陷［1-2］，給鐵路安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。

地球物理探測(cè)是巖溶病害探測(cè)和注漿效果評(píng)價(jià)的有效方法［3-4］。付明［5］采用多道地震面波法、地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)既有鐵路某巖溶病害區(qū)域進(jìn)行了綜合勘察，將測(cè)區(qū)按巖溶發(fā)育程度劃分為發(fā)育區(qū)、較發(fā)育區(qū)和微發(fā)育區(qū)，建議對(duì)物探解譯巖溶發(fā)育區(qū)及頂板厚度較小的巖溶較發(fā)育區(qū)進(jìn)行注漿整治。劉杰等［6］采用地質(zhì)雷達(dá)法與地震映像法對(duì)隧道基底巖溶進(jìn)行綜合探測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)淺層巖溶有更高分辨能力，地震映像法對(duì)深層巖溶有更好的穿透力，兩種方法結(jié)合能夠更準(zhǔn)確判識(shí)巖溶病害特征。馬文濤等［7］應(yīng)用高密度電法對(duì)新建鐵路路基巖溶注漿效果進(jìn)行檢測(cè)，采用質(zhì)量自檢孔方法驗(yàn)證了物探方法的有效性。白明洲等［8］運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)新建鐵路路基巖溶注漿效果，通過對(duì)比注漿前后雷達(dá)圖像特征，判別巖溶注漿效果。

注漿整治是預(yù)防巖溶路基塌陷的有效手段［9］。汪水清［10］采用工廠化標(biāo)準(zhǔn)注漿試驗(yàn)，從技術(shù)上解決了大溶洞連續(xù)注漿及快速填充的問題，為巖溶路基注漿施工提供了可行的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。祝珣［11］論述了控水和工程加固兩種常用的覆蓋型巖溶地表塌陷處理措施，工程實(shí)踐表明灌漿法可以根治淺層覆蓋型巖溶地表塌陷問題。尚曉琦［12］強(qiáng)調(diào)路基巖溶整治過程中應(yīng)探灌結(jié)合，根據(jù)探灌情況對(duì)注漿工藝、注漿材料進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，工程應(yīng)用表明注漿整治對(duì)巖溶路基穩(wěn)定性效果明顯。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合京廣鐵路廣州段巖溶路基病害特征，提出了一套巖溶路基整治策略。包含巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)段劃分，中、高風(fēng)險(xiǎn)段巖溶路基物探勘察與驗(yàn)證，注漿方案設(shè)計(jì)與實(shí)施，注漿效果檢測(cè)等系列措施，為既有線巖溶路基病害整治提供了一套行之有效的方案。

1 工程概況

1.1 線路情況

京廣鐵路廣州北至廣州段大部分為路基工程，前身為1936 年建成的粵漢鐵路一部分，后經(jīng)衡廣復(fù)線、電氣化工程等升級(jí)改造，主線運(yùn)行速度160 km/h。該段全長約28.2 km，走向由北至南，多為可溶巖地層；沿途站點(diǎn)有廣州北站、江村、大朗、石井、棠溪、三元里、廣州站等站點(diǎn)。其中K2256—K2266 段運(yùn)營線路已對(duì)白云站項(xiàng)目進(jìn)行了加固，急需對(duì)K2238—K2256段路基進(jìn)行注漿加固處理，保證列車運(yùn)行安全。

1.2 巖溶發(fā)育特征

路基工區(qū)所屬的廣花盆地位于粵港澳大灣區(qū)北部核心位置，是我國典型的淺覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶塌陷已成為該地區(qū)突出的地質(zhì)問題之一。工區(qū)范圍內(nèi)下伏基巖主要為石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子組、中上統(tǒng)壺天群等可溶巖地層，基巖表層被第四系地層覆蓋。第四系中普遍發(fā)育含水砂層，局部地段發(fā)育上、下兩層含水中粗砂結(jié)構(gòu)，含有豐富的地下水，地下水向基巖垂直下滲，為巖溶、土洞的發(fā)育提供了充足的地下水補(bǔ)給。

巖溶路基塌陷地段上覆砂層中賦存豐富的孔隙潛水，下伏基巖可溶性碳酸鹽巖中賦存巖溶裂隙溶洞水。少部分段落兩層間雖有粉質(zhì)黏土層相隔，但粉質(zhì)黏土層土質(zhì)不均，含大量砂礫、角礫，具有一定的滲透性，砂層中的潛水能夠穿過粉質(zhì)黏土層向下滲透。

由于工程建設(shè)對(duì)地下水的人為擾動(dòng)，加速了地下潛水補(bǔ)給流動(dòng)，使可溶巖溶蝕作用增強(qiáng)，巖溶頂板被溶蝕穿透。同時(shí)，上覆砂層和黏土層產(chǎn)生潛蝕破壞，從而在路基基底土層中形成松散體或空洞。在列車動(dòng)載和震動(dòng)作用下，松散體或空洞的上供力不足以支撐上部荷載，最終引起鐵路路基下沉、塌陷。

2 巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)段劃分

京廣鐵路K2238—K2256 段路基占比90%以上，若采用無差別全線注漿，將浪費(fèi)大量人力財(cái)力。因此，需優(yōu)先對(duì)目標(biāo)段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，在巖溶塌陷中高風(fēng)險(xiǎn)段進(jìn)行注漿整治，在巖溶塌陷低風(fēng)險(xiǎn)段進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

參考GB/ T 51238—2018《巖溶地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)場地巖溶發(fā)育等級(jí)進(jìn)行劃分，見表1。

表1 巖溶發(fā)育等級(jí)

結(jié)合前期收集的路基左右側(cè)100 m 范圍內(nèi)鉆孔資料，對(duì)注漿范圍巖溶發(fā)育情況進(jìn)行分段評(píng)價(jià)：線巖溶率 > 20%且見洞率 > 45%段對(duì)應(yīng)塌陷高風(fēng)險(xiǎn)段，線巖溶率 < 5%且見洞率 < 15%段對(duì)應(yīng)塌陷低風(fēng)險(xiǎn)段，其他段對(duì)應(yīng)塌陷中風(fēng)險(xiǎn)段。

各段風(fēng)險(xiǎn)情況見表2。其中：總孔數(shù)為該里程段收集到的總鉆孔個(gè)數(shù)；溶洞孔數(shù)為該里程段總孔數(shù)中存在溶洞的鉆孔個(gè)數(shù)；溶洞數(shù)為存在溶洞的鉆孔中溶洞的總個(gè)數(shù)，部分溶洞孔中可能存在兩個(gè)或兩個(gè)以上溶洞。

表2 巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)段統(tǒng)計(jì)

3 物探勘察與驗(yàn)證

巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)段劃分完成后，如果直接對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)段整體注漿整治，一方面注漿位置沒有針對(duì)性，必然造成大量浪費(fèi)，另一方面巖溶發(fā)育深度不清，無法合理設(shè)計(jì)注漿孔位置、深度、傾斜角度等參數(shù)。因此，有必要對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)段開展物探勘察，結(jié)合物探成果設(shè)計(jì)注漿方案。

3.1 物探方法選取

目前，鐵路路基巖溶物探方法主要有：高密度電法、地震映像法、瞬變電磁法、多道地震面波法與地質(zhì)雷達(dá)法等。考慮到既有線接地條件差，沿線存在接觸網(wǎng)、通信線等電磁干擾，直流電法、電磁法等無法開展工作。

多源頻率域地震波法是近兩年工程物探行業(yè)涌現(xiàn)的新方法［13］。該方法融合了瞬態(tài)面波法、微動(dòng)臺(tái)陣法和微動(dòng)譜比法的優(yōu)勢(shì)，利用人工源和天然源振動(dòng)信號(hào)，基于多點(diǎn)四分量傳感器獲取人工源瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)和天然源微動(dòng)臺(tái)陣數(shù)據(jù)，綜合獲取每個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻散和譜比信息，在聯(lián)合反演的基礎(chǔ)上提取高分辨率地層中波速信息，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形條件下的地質(zhì)勘探。

結(jié)合既有線路基環(huán)境特征，多源頻率域地震波法具備天然優(yōu)勢(shì)。路基覆蓋層10 m 以上有利于頻散曲線提取，路基附近施工震動(dòng)是微動(dòng)臺(tái)陣法的有效天然震源。通過獲取工區(qū)地層橫波速度探查基巖巖溶發(fā)育特征，為注漿整治設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.2 設(shè)備及參數(shù)選擇

多源頻率域地震波法選用國科（重慶）儀器有限公司生產(chǎn)的EVS-4 型分布式多源地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作便捷，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)震動(dòng)信號(hào)、頻散及譜比特征的優(yōu)勢(shì)，有利于監(jiān)控外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

線性臺(tái)陣數(shù)據(jù)采集如圖1所示。其中：S為人工激發(fā)源位置，R 為分布式四分量拾震儀。線性臺(tái)陣測(cè)線布置于路肩外側(cè)，排列參數(shù)為：接收道數(shù)12道，偏移距6 m，道間距3 m，主動(dòng)源采集時(shí)長800 ms，被動(dòng)源采集時(shí)長15 min。

圖1 線性臺(tái)陣數(shù)據(jù)采集

3.3 物探成果與驗(yàn)證

結(jié)合前期巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)段劃分成果，本次物探測(cè)線布置于中高風(fēng)險(xiǎn)段路基兩側(cè)路肩，高風(fēng)險(xiǎn)和異常范圍大的重點(diǎn)段落。根據(jù)需要在外側(cè)加密測(cè)線。

物探成果結(jié)合反演橫波速度（Vs）等值線剖面圖進(jìn)行解釋，下伏灰?guī)r巖溶發(fā)育情況會(huì)影響橫波速度及速度變化規(guī)律。結(jié)果顯示：

1）當(dāng)巖溶弱發(fā)育時(shí)，速度等值線在進(jìn)入基巖深度0～6 m 后達(dá)到完整灰?guī)r速度（500 m/s），如圖2（a）所示。

圖2 巖溶區(qū)橫波速度等值線剖面特性

2）當(dāng)巖溶中等發(fā)育時(shí)，速度等值線在進(jìn)入基巖深度6～15 m達(dá)到完整灰?guī)r速度，如圖2（b）所示。

3）當(dāng)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育時(shí)，速度等值線形成明顯的低速凹槽，如圖2（c）所示。

按照上述原則，對(duì)各段中高風(fēng)險(xiǎn)物探成果進(jìn)行分析解釋，統(tǒng)計(jì)各段覆蓋層厚度、巖溶發(fā)育情況，見表3。

表3 中高風(fēng)險(xiǎn)段物探成果

結(jié)合表3 可知，各段巖溶發(fā)育情況與前期巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)段劃分對(duì)應(yīng)性良好，巖溶塌陷中風(fēng)險(xiǎn)段巖溶大部分為中等發(fā)育，巖溶塌陷高風(fēng)險(xiǎn)段巖溶大部分為強(qiáng)烈發(fā)育。

為驗(yàn)證物探效果，對(duì)部分物探異常進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。圖3（a）為K2244 + 830 —K2244 + 930段鉆孔驗(yàn)證情況。可知，此段覆蓋層劃分誤差在3 m以內(nèi)。其中，K2244 + 860 處物探劃定的覆蓋層和巖溶深度與鉆探結(jié)果有一定誤差，K2244 + 892 處物探劃定的覆蓋層和巖溶深度與鉆探結(jié)果吻合良好。圖3（b）為K2251 + 650—K2251 + 750 段鉆探驗(yàn)證情況。可知，此段覆蓋層劃分誤差在2 m以內(nèi)。其中，K2251 + 670、K2251 + 695處物探圈定的巖溶位置和深度與鉆探結(jié)果均有很好的對(duì)應(yīng)性，K2251 + 730 處物探結(jié)果有效反映了巖溶特征，深度有一定誤差。

圖3 物探與鉆探結(jié)果對(duì)比

4 注漿方案設(shè)計(jì)

結(jié)合物探成果和鉆孔驗(yàn)證情況可知，多源頻率域地震波法對(duì)既有線巖溶探測(cè)是有效的，能夠進(jìn)行覆蓋層劃分和巖溶發(fā)育特征判識(shí)。因此，結(jié)合物探成果，設(shè)計(jì)注漿方案：

1）在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)按照5 m 間距布置注漿孔，在巖溶中等發(fā)育區(qū)按照8 ～ 10 m 間距布置注漿孔，如圖4所示。注漿孔深度和傾斜角度根據(jù)物探異常特征確定。

圖4 注漿設(shè)計(jì)示意

2）鉆孔孔徑不小于91 mm，孔內(nèi)采用?60 mm 鋼花管注漿，注漿眼沿軸線間距15 cm 左右，孔眼直徑6 ～ 10 mm。

3）注漿壓力控制在300 ～ 700 kPa，同時(shí)根據(jù)注漿過程中出現(xiàn)的情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4）注漿水泥采用普通42.5號(hào)硅酸鹽水泥，一般采用水泥單液漿加固。鉆孔中遇巖溶通道、較大溶洞和裂隙時(shí)，首先采用水泥砂漿填充進(jìn)行預(yù)加固，充填完成，達(dá)到注漿壓力后，繼續(xù)鉆孔至設(shè)計(jì)要求深度，再進(jìn)行注漿。

5 注漿效果檢測(cè)

注漿完成后，為檢測(cè)注漿效果，隨機(jī)選取20%段落進(jìn)行多源頻率域地震波法物探復(fù)測(cè)。根據(jù)注漿前后地層橫波速度變化和頻散曲線特征分析注漿效果。注漿處理后，隨著漿液對(duì)覆蓋層松散區(qū)和灰?guī)r溶洞溶槽的充填固結(jié)，橫波速度等值線低速區(qū)速度應(yīng)提高，最終與周圍圍巖速度相近，如圖5所示。

圖5 注漿前后橫波速度等值線剖面對(duì)比

本次注漿效果檢測(cè)共選取路基長度3 km，對(duì)148處物探異常區(qū)進(jìn)行了復(fù)測(cè)。其中：131處低速異常區(qū)注漿后速度明顯提升，與周圍圍巖相近；17 處低速異常區(qū)注漿后速度略有提升，建議進(jìn)行二次注漿補(bǔ)強(qiáng)工作。

6 結(jié)論

1）本項(xiàng)目注漿整治里程范圍長，前期巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)段劃分能夠?qū)︼L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行宏觀把控，有助于物探勘察方案設(shè)計(jì)。

2）多源頻率域地震波法測(cè)點(diǎn)布置靈活，抗干擾能力強(qiáng)，能較好適用于既有線鐵路勘察，達(dá)到預(yù)期的巖溶勘察和注漿檢測(cè)效果。

3）物探勘察成果能夠優(yōu)化注漿方案，為注漿孔位置、深度、角度提供設(shè)計(jì)依據(jù)，有利于提升注漿效果，避免盲目注漿。