兖石线K169岩溶路基塌陷原因分析及整治

董 森

(济南鸿运铁路岩土工程有限责任公司,山东济南 250022)

1 工程概况

2008年9月兖石线K169+680～K170+245两线间及上行线路右侧路肩、路基边坡、坡脚、取土坑原地面突然发生多次塌陷,共出现14个陷坑。多次塌陷导致线路下沉,并伴有偏水平现象,影响到线路几何尺寸,对行车安全构成威胁。塌陷地段限速60 km/h,工务部门派专人在现场进行24 h监护。经勘探揭示,塌陷地段岩溶发育程度由两个近于直交的溶蚀裂隙带控制,一是北西向南东裂隙带,一是北东向南西裂隙带。岩溶强烈发育区、岩溶中等发育区的线岩溶率平均值22.3%,最大线岩溶率67.6%,最大溶洞高4.00 m。为尽快消除安全隐患,确保兖石线正常运营,采用压力注浆方法对塌陷地段进行加固处理。

2 工程地质及水文地质[1]

2.1 工程地质

地表部分分布第四系全新统人工填筑的素填土,其下为全新统冲洪积粉质黏土、细砂、中砂、粗砂,上更新统冲洪积粉质黏土,下伏基岩为奥陶系中统马家沟组石灰岩。覆盖层厚度为6.00～13.50 m。

(1)第四系地层

素填土：黄褐色,局部灰褐色,主要为铁路路基及道路路基填土,以粉质黏土为主。

粉质黏土：褐黄色,软塑,局部硬塑,夹少量砂粒及铁锰结核。

黏土:灰褐色,软塑,含少量铁锰结核。

细砂:褐黄色,松散—稍密,潮湿—饱和,局部夹少量粉质黏土。

中砂:褐黄色,松散—稍密,潮湿—饱和,夹少量粉质黏土及细角砾。

粗砂:黄色,局部灰白色,稍密—中密,潮湿—饱和,局部夹粉质黏土。

粉质黏土：灰黄色夹灰绿色,弱—中等膨胀土,软塑—硬塑,分布不均匀,局部地段已被潜蚀。上行线左侧塌陷区附近Z-3、Z-5、Z-50及右侧Z-9、Z-11、Z-12、Z-16、Z-20、Z-41共9个孔在该层皆有疏松带揭示,厚度为0.8～3.5 m,土质疏松,岩芯采取率极低,进尺很快。

(2)奥陶系中统马家沟组灰岩地层

溶蚀强烈发育的石灰岩：溶蚀现象发育,溶蚀率4%～67.6%。溶蚀为串珠状和蜂窝状,最大揭示溶洞4.0 m,多为充填溶洞,充填物为软塑状黏性土夹粗砂和碎石,部分溶洞为未充填的空洞或半充填,最大揭示空洞高1.4 m。

溶蚀微弱发育石灰岩：溶蚀现象弱发育,未见溶蚀孔洞及沟槽,该层灰岩中溶洞发育极少。

2.2 水文地质

受第四系砂层的影响,塌陷区早期壤中潜水非常丰富,下伏岩层受构造、岩性的影响,塌陷区域内岩溶极其发育,是良好的岩溶塌陷物存储、运输通道。枯水季节,由于地下水的过度开采,水位突然大幅度的下降,致使岩溶裂隙水水位埋深为20.00～40.00 m；丰水期,地下水位又上升到第四系砂层中,地下水频繁在基岩面上下波动,为第四系壤中潜水及地表水下渗潜蚀覆盖层土体颗粒形成了良好的水文地质条件。勘探期间第四系壤中潜水水位埋深 2.70～7.70 m,潜水水位受大气降水和周围抽水的影响较大。

3 塌陷原因分析

3.1 岩溶塌陷形成的基本条件及主要影响因素[2]

水是塌陷的主要动力,水位能否在土、岩界面上下波动是形成塌陷的主要因素。

上覆第四系覆盖层为塌陷物质土层,其厚度及土层性质、结构是岩溶塌陷的主要影响因素。一般覆盖层为多元结构或以砂类土为主，覆盖层厚度小易形成地面塌陷。

岩溶的塌陷与储运条件：一般在岩溶发育的平原、谷地、溶蚀洼地形成地面塌陷。

3.2 塌陷原因

下伏岩层在构造、地下水的影响下,岩溶裂隙带形成规模大小不一、连通情况复杂的溶洞,溶洞的发育对接受上部土层的潜蚀物质有了充足的空间。

K169+825～K170+245段基岩面上部为厚约2.0～8.0 m的细砂、粗砂,松散—稍密,颗粒间联结力小,当地下水在基岩面反复波动及地表水下渗过程中极易被带入溶洞。第四系盖层与灰岩接触面的土层为黏性土,该层土具有弱—中等膨胀性,厚度很薄,一般为0.50～2.30 m,最大厚度为3.90 m,遇水软化崩解后极易被带入溶洞内,在失水收缩开裂后,形成地下水通道。

在地下水位逐渐下降至岩土交界面时,由于第四系潜水及基岩岩溶水的共同作用,基岩面以上具膨胀性黏性土开始软化,当地下水位继续下降至基岩岩溶溶蚀带附近时,形成局部的负压作用。在第四系潜水强烈下渗补给地下水时,当水头压力大于砂类土的承受力,软化的黏性土及饱和砂土极易在短时间内沿溶蚀裂隙和溶洞流失,发生潜蚀作用，形成疏松带。疏松带内极易形成土洞,土洞在地下水的潜蚀效应、真空吸蚀效应、垂直渗压效应的作用下不断扩大[3]。当大气降水使上覆土层的含水量增多,凝聚力降低,内摩擦角减小,自重压力增大,抗塌力小于致塌力时,土洞坍塌,导致地面塌陷。

4 岩溶路基塌陷整治[4]

4.1 整治原则

封闭土层与基岩间的渗水通道,提高路基本体及地基土强度,岩溶发育范围充填加固处理。

(1)注浆孔布置

处理范围内线路横断面方向布4排注浆孔(见图1),路基坡面上2排,坡角处2排。相邻直孔、斜孔交错布置,路基坡角处斜孔倾角为18°,坡面上斜孔倾角为21°和45°,相邻倾角不同钻孔交错布置。

图1 灌浆孔横断面布置示意(单位：m)

(2)注浆设计

上覆土层厚小于10 m的土石界面加固4 m,基岩加固3 m,总计加固7 m；上覆土层厚大于10 m的土石界面加固3 m,基岩加固3 m,总计加固6 m。注浆材料为42.5号普通硅酸盐水泥、三级粉煤灰,水固比为0.6∶1～1∶1,水泥：粉煤灰=2∶1,注浆压力为土层0.1～0.3 MPa,基岩为0.5～1.0 MPa。

(3)终孔标准

注浆出现下列情况之一时,可以结束：

①土层当孔口压力在0.3 MPa时,吸浆量不大于4 L/min,持续30 min,视为浆液已灌满。

②岩层当孔口压力在1.0 MPa时,吸浆量不大于4 L/min,持续30 min,视为浆液已灌满。

4.2 工艺流程

(1)施工程序

施工准备—钻孔定位—钻探成孔—套管固结—注水试验—连接注浆设备—注浆—清孔—钻孔封闭—质量检测—注浆结束。

(2)施工工艺

布置钻孔：按设计孔位,利用经纬仪、水平仪现场放孔,测量并进行复测。

钻探成孔：首先在每个岩溶分区地段选择有代表性钻孔先行钻探,加深基岩面以下的深度,最大为20 m,目的是核对区域的地质情况,以便指导注浆施工工艺及技术参数的选择。同时,还加大了初期浆液扩散的通道。

套管固结：用水泥砂浆固结套管,使基岩和嵌入套管结为一体,以使注浆压力向孔底传递,浆液不致沿套管壁流失。

注水试验：选择有代表性的钻孔做注水试验,确定浆液的品种和初始浓度。

注浆：利用套管封闭上部土层,采用自上而下分段灌浆方法注浆。注浆时,浆液由稀到浓,应密切注意注浆可能造成孔内外及周边环境的变化,如吸浆量、压力、地表冒浆、及附近水质的变化等,及时调整浆液的配比及注浆压力。

封孔：注浆结束后,及时用水泥砂浆封孔,整理设备和施工场地,然后进行下一孔的施工。

4.3 注意事项

(1)钻探成孔后及时清孔或用清水冲洗钻孔,确保孔内无残留岩芯。

(2)注浆过程中,由于溶蚀发育、石灰岩裂隙发育,出现自流注浆久注不满,压力注浆压力一直不上升,还未达到设计压力就出现孔口及地面冒浆的情况,灌注量不易控制。在保证质量的前提下,宜采取间歇注浆,间歇时间3 h左右。

(3)为防止浆液向纵深漏失较多,每次灌注前在孔底铺一层水灰比较小的水泥砂浆或铺垫砂层。

(4)空洞一次注浆结束后,压入空洞的水泥浆液中的部分水份在压力作用下向周围地层渗透扩散,随着压力的消散和时间的推移,水泥浆液固结析水，在空洞形成上部空气、中间水、下部水泥固结体的状况。对此情况,采取二次注浆的方法以保证空洞全被水泥固结体充填密实。

(5)钻探过程中,出现土石界面或上覆土层中有软塑—流塑状黏土时,应先行注浆,然后继续钻至设计要求孔深,再正常注浆。

(6)注浆过程中一般要多次注浆，每次注浆前须再次钻至孔底,清除孔内残渣,并用清水冲洗钻孔,疏通浆液通道,注意循环水量的变化、颜色,记录上次注浆到达深度后进行下一次注浆。

5 质量控制[5]

5.1 检查孔检测

在岩溶发育及灌注量大的地段布置一定数量检查孔检测注浆质量,经检测基岩岩芯及第四系土层可见多处水泥粉煤灰结石体,浆液结石体无侧限抗压强度均大于0.3 MPa,且注浆后的钻孔不掉钻、不漏水,表明基本填满岩溶空洞及裂隙。岩溶处理效果良好,满足设计、规范要求。

5.2 物探检测

注浆结束后,采用电测深法进行检测,将检测结果与注浆前物探成果对比进行检测注浆效果,结果显示塌陷地段的电阻率较压浆前有明显提升。压浆后电阻率同样呈现相对均匀的形态,电阻率剖面形态平稳,无明显的低阻或高阻异常带，说明注浆效果良好。

5.3 压水试验检测

注浆完毕后,通过压水试验检测地层渗透系数,与注浆前地层渗透系数进行对比检测注浆效果,经检测注浆后的单位长度吸水量仅为注浆前的1%～5%,注浆效果明显。

6 结束语

兖石线K169+680～K170+245路基塌陷整治工程2010年6月竣工,经1个雨季检验,场区稳定,未再发生塌陷现象,运营状况良好。实践证明：压力注浆处理运营铁路下岩溶路基病害是一项质量可靠、造价低廉、工艺简单、对运营铁路影响小的施工技术。

[1]中铁济南勘察设计咨询院有限公司.兖石线K169+680～K170+245路基塌陷整治工程工程地质勘察与评价[Z].济南:中铁济南勘察设计咨询院有限公司,2008

[2]TB10027—2001 铁路工程不良地质勘察规范[S]

[3]陈国亮.岩溶地面塌陷成因与防治[M].北京:中国铁道出版社,1994

[4]中铁济南勘察设计咨询院有限公司.兖石线K169+680～K170+245路基塌陷整治工程施工设计[Z].济南:中铁济南勘察设计咨询院有限公司,2008

[5]TB10106—2010 铁路工程地基处理技术规程[S]