动态设计在云桂铁路路基岩溶整治中的应用

薛 元 郑永飞 曾 锐 曾小波

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

动态设计在云桂铁路路基岩溶整治中的应用

薛 元 郑永飞 曾 锐 曾小波

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

岩溶发育受地形地貌、地质条件、水动力条件、气候条件控制，形态各异、极不规律。为确保铁路施工及运营安全，岩溶整治措施必须具有针对性，但施工之前开展大规模、高密度的钻探和物探等综合勘探手段查明每一段岩溶的详细发育情况是不现实的，故有必要利用施工中的开挖、钻孔等措施验证前期的勘探，开展动态设计、动态施工。文章以云桂铁路岩溶整治采取动态设计、探灌结合的方案为例，总结了一整套岩溶动态设计、动态施工的实施细则，该细则明确了参建各方的职责和作业流程，可有效的控制施工质量和投资，降低工程风险。该实施细则已被成都铁路局、昆明铁路局等建设管理单位推广应用。

云桂铁路； 岩溶整治； 动态设计； 分序实施

1 云桂铁路岩溶发育情况

新建云桂铁路东起广西南宁，西至云南昆明，正线长度约710 km，其中云南境内约434 km，广西境内约276 km。云桂铁路横跨我国两大构造单元和地貌单元，自桂中平原区的南宁、百色经云南富宁爬升至滇东南区的弥勒、石林至昆明，自然地质条件复杂。其中岩溶是铁路工程建设所面临的最主要工程地质问题。

云桂铁路沿线岩溶分布广泛，岩溶地段总长近310 km，其中路基岩溶长度约117 km，约占岩溶线路总长的42%。岩溶类型多样，裸露型、覆盖型和埋藏型三者兼有；地表岩溶形态多样，以峰丛洼地和溶丘洼地(谷地)为主，两者分布区占岩溶线段长度的70%，如图1所示。地下岩溶空间发育规模及空间分布极不均匀；基岩表面覆盖土层物质成分、粒径组成、结构和厚度等变化较大；沿线地形地貌、地层岩性、地质构造及水文地质结构和地下水动力条件复杂。

图1 在建云桂铁路岩溶段岩溶组合形态统计

沿线岩溶易塌陷区123处，区段长度约111 km；极易塌陷区6处，区段长度约6 km。由于岩溶塌陷是威胁在建云桂铁路岩溶路基稳定的主要地质隐患之一，所以，对云桂铁路沿线岩溶发育特征及其主要工程地质条件和相应整治原则措施进行深入研究，是确保云桂铁路岩溶地段路基建设和运营安全的关键。鉴于勘察阶段物探、钻探等勘察密度、精度受限，有必要借助施工钻孔和施工开挖进一步对岩溶形态详判以细化整治设计。为了确保措施的针对性，云桂铁路路基岩溶整治提出了“探灌结合、分析实施、动态设计、动态施工”的方案。

2 动态设计分序实施法的总体思路

2.1 常规方法

岩溶设计采用一次性出图、一次性施工，是基于勘探根据现场踏勘、物探及钻孔综合宏观分析区域的岩溶发育程度，按照易、极易、不易塌陷区采取相应的工程整治措施，这种方法存在的缺点是施工过程中揭示有异于原设计的地质情况不能及时反馈，一定程度造成设计措施缺乏针对性，没有最大限度的优化投资。

2.2 本文方法——探灌结合、动态设计、分序实施

(1)探灌结合：钻孔注浆是目前覆盖性岩溶的一般性整治措施，在注浆孔设计时，布置一定比例的先导I序孔，作为勘探孔，进一步探明隐伏岩溶的发育情况。

(2)动态设计：根据勘探孔进一步揭示地质特征调整加固范围、加固措施、具体施工的参数和工艺。

(3)分序实施：施工单位现场根据设计提供的I序孔设计进行探灌结合式施工，施工完成交付资料后，待设计重新评估，另行出图加强或优化设计，再行施工。

3 探灌结合、动态设计法的具体操作流程

3.1 基本程序

设计完成一期工程施工图→施工图审核审批→一期工程施工→施工单位提交经监理签认的一期施工钻孔(含先导探灌孔)资料→对一期整治效果做出综合评判，确定是否进行二期整治→建设单位审批→开展二期工程施工图设计→施工图审核审批→交付施工→动态调整及实施效果评定，具体流程如图2所示。

图2 动态设计整治流程图

3.2 各方职责

(1)施工单位：在施工过程中若发现与地质资料出入较大，特别是发现空溶洞、土洞和出现注浆量特别大时，应及时通知建设单位等现场验证。对填报的钻孔记录表、注浆记录表的数据真实性负责，按“验标”要求及时编制“岩溶路基处理检验批”，自检合格后报监理验收签字；及时按要求提交I序孔(含先导孔)施工情况报告及相关资料至设计单位；对提交资料不对口、与施工图地质情况差异大，或相关单位对其真实性和可靠度有疑问并要求现场验证时，应按要求组织实施现场钻孔验证。岩溶路基处理施工中出现的问题及时反馈建设和设计单位。

(2)监理单位：在岩溶注浆施工时全过程旁站；对钻孔记录表、注浆记录表当日签字确认。对签字确认的钻孔记录表、注浆记录表的数据真实性负责，及时对岩溶路基处理检验批进行验收签认、对岩溶路基注浆工程量进行确认。

(3)设计单位：在施工过程中若发现与地质资料出入较大，特别是发现空溶洞、土洞和出现注浆量特别大时，应及时配合建设单位、施工单位及监理单位至现场参与现场验证和技术指导工作。设计单位对施工单位提交的、经监理审查属实的、签署完备的资料进行验证分析，对验证后的地质情况进行加深评价，明确后续注浆孔实施意见并完成二期工程加固设计，报咨询单位审查、建设单位审批；设计单位对提交资料不对口、与施工图地质情况差异大，或对其真实性和可靠度有疑问时，提请建设指挥部组织并参与现场钻孔验证。

(4)咨询单位：对设计单位的后续注浆孔实施意见及二期工程加固设计进行审查并给出审查意见。

(5)建设单位：对施工单位提交资料不对口、与施工图地质情况差异大，或对其真实性和可靠度有疑问时，组织各参建单位进行现场钻孔验证；对各单位签审提交的后续注浆孔实施意见进行审批，给出审批意见，作为后续注浆孔施工的依据。

4 塌陷亚区分区详判原则

根据施工提交的先导钻孔资料，划分塌陷区：A——极易塌陷亚区(综合评分≥90分)，B——易塌陷亚区(综合评分<90分，≥70分)，C——不易塌陷亚区(综合评分<70分)。评分参考标准如表1所示，总分为100分，其中坍陷动力-水的影响因素占25分，覆盖层的物质成分占25分，塌陷与储运条件占50分。

表1 岩溶整治先导施工钻孔岩溶地面塌陷预测分析参考标准

(1)表1判定标准必须剔除钻孔人工填筑层，对于裸露型岩溶，钻孔判定按以下标准执行：勘探未见溶洞的钻孔(即岩溶发育程度5分)按不易塌陷判定，评分为65分；钻孔见溶洞(即岩溶发育程度为35分)，根据厚跨比确定分值(溶洞顶板厚度b，钻孔溶洞直径d)。5d

(2)钻孔土层中遇到土洞的判定为极易塌陷，分值100分。施工区段附近近期产生过塌陷，根据调查资料结合I序施工钻孔资料划分极易塌陷区范围(分值100分)。

(3)地表降水入渗致塌陷区(主要指平原、谷地、溶蚀洼地区)，水的指标为25分；终孔未见稳定水位，该孔稳定水位采用前后钻孔稳定水位平均值。对于非溶蚀破碎(机械破碎、风化破碎等)地段，可结合该段范围统计的岩溶发育程度对单孔指标分进行修正，钻孔遇洞率为10%～20%地段未遇溶洞的钻孔指标分减5分，钻孔遇洞率为5%～10%地段未遇溶洞的钻孔指标分减10分，钻孔遇洞率<5%地段未遇溶洞的钻孔指标分减15分。

5 动态设计分序实施法具体案例

5.1 岩溶路基优化设计段(DK 560+200～DK 560+300钻孔注浆优化方案)

(2)岩溶发育情况：该工点处于幸福隧道—南盘江水动力单元内的补给区，地表岩溶形态主要为溶丘谷地，覆盖土层较厚，地下岩溶中等发育，勘察阶段钻孔见洞率为10%，溶洞高度为2.5 m。地下水动力条件较弱，溶洞内为软塑状黏土全填充。因受本水动力单元内沿断层发育的地下暗河影响，地下水位埋藏较深。地表岩体见溶隙、溶孔等岩溶现象。物探揭示岩溶强烈发育，如图3所示。综合分析，本段路基岩溶中等发育。根据《铁路工程不良地质勘察规程》及相关标准，本段评价为易塌陷区。潜在塌陷机制为降雨入渗致塌。

图3 DK 560+200～DK 560+300路基物探剖面图

(3)岩溶整治措施：根据本段岩溶发育特征及其评判结果，为了封堵降雨导致土层迁移的通道和赋存空间，避免塌陷影响路基稳定，本段路基岩溶整治主要采用注浆充填基岩表层岩溶空间的治理措施。

(4)岩溶一期工程整治设计：根据本段岩溶路基的塌陷调查及物探勘探结果，本段路基岩溶中等发育。依据云桂线岩溶路基动态设计原则，本段岩溶路基分两期进行设计，本段一期勘探设计平面钻孔布置如图4所示。

图4 一期工程整治设计平面图

(5)岩溶二期工程整治设计:根据岩溶探灌结合动态设计原则，该段在岩溶一期整治后，结合一期工程探灌孔的钻探资料，进行了岩溶塌陷分亚区加深评价。二期工程平面分区设计如图5所示。从二期工程塌陷分区可以看出该段岩溶路基主要分为易塌陷亚区和不易塌陷亚区。对易塌陷亚区(B区)，在I序孔中间内插Ⅱ序注浆处理；对不易塌陷亚区(C区)，不再进行二期工程加固。

图5 二期工程整治塌陷亚区及设计平面图

5.2 岩溶路基加强设计段(HDK 19+500～HDK 19+731桩板结构跨越工点)

(2)岩溶发育情况：工点处于石林盆地水动力单元内的径流区，发育于二叠系下统茅口组(P1m)灰岩、白云岩地层中，钻探揭示上部20 m内溶隙、溶洞发育，岩溶强烈发育，岩体较破碎，下部岩体普遍较完整。测段地表水主要为农田灌溉沟渠水，为外围水渠引入及大气降雨补给。测区第四系土层黏性强，含孔隙潜水甚微；下伏地层以灰岩为主，岩溶水埋藏较深。经钻孔揭示，测段地下水埋深较深。本单元水文地质结构复杂，因质纯碳酸盐岩下伏非可溶岩的顶托作用，岩溶发育受侵蚀基准变化的影响较小，地下岩溶强烈发育。前期勘察钻孔见洞率29.5%，见洞率不算太高，但常见多层溶洞发育，溶洞高0.3～8.9 m，规模差异较大，如图6所示；物探揭示岩溶强烈发育，如图7所示，综合分析本段岩溶中等～强烈发育，为易塌陷区。

(3)岩溶整治措施：根据本段I序孔中勘探孔揭示溶洞密集发育，多有串珠状溶洞发育，而且位于地形低洼地段，若采用注浆加固，则阻断铁路范围的地下水排泄，引起路基范围积水，影响路基稳定。综合对比研究后，HDK 19+500～HDK 19+731段岩溶路基采用桩板结构跨越通过。桩板结构设计的纵断面如图8所示。

图6 钻孔揭示岩溶发育代表性断面

图7 路基岩溶发育代表性物探剖面图

图8 桩板结构设计纵断面设计图

主要工程措施如下：

①HDK 19+500～HDK 19+731段，长231 m；地基采用钢筋混凝土桩板结构加固，为11联33跨，每3跨一联，每联纵向桩间距均为7.0 m(中～中)。

②桩板结构由承载板、托梁和钻孔灌注桩组成，均采用C40钢筋混凝土现浇。

③承载板板厚为0.8 m，每联长21 m(沿线路方向)，宽10 m(垂直于线路方向)，承载板沿线路方向每隔21 m设1道伸缩缝，缝宽2 cm，缝内填充填缝板和填缝料，填缝板采用沥青纤维板，填缝料采用常温施工的高弹性聚胺脂。

④托梁高0.85 m，托梁宽1.6 m(沿线路方向)，长10.4 m(垂直于线路方向)，其中托梁与桩均刚性连接，桩主筋伸入托梁。边跨承载板与托梁搭接，搭接处设置预埋钢筋限制位移方向。中跨承载板与托梁刚性连接，由中跨桩主筋穿过托梁，并伸入承载板。托梁底铺设0.1 m 厚的C25素混凝土找平层。

⑤基桩为钻孔灌注桩，共设68根，桩径为1.25 m。桩顶伸入托梁不小于0.1 m。基桩采用行列式排列，纵向桩间距为7.0 m(中～中、沿线路方向)，横向桩间距为4.6 m，桩长12～24 m。

5.3 路堑开挖裸露型岩溶回填工点

云桂铁路在路基施工开挖过程中产生的地表塌陷坑及开挖揭示的溶洞均采用了开挖回填浆砌片石措施。较具代表性的开挖回填工点为腻革龙车站，属于幸福隧道—南盘江水动力单元内的径流区，具有典型的径流区岩溶发育特征，地下岩溶发育强烈，且规模较大，土层覆盖不均，地下水位埋藏深。受此影响，路基潜在塌陷机制为降雨入渗致塌及溶洞基岩顶板坍塌。路基施工过程共发现塌陷坑或者空溶洞共有3处，均进行了开挖回填处理措施。

5.3.1 DK 571+800右侧10 m塌陷工点

线路DK 571+800右侧10 m的范围内，腻革龙—小坝心断层经过此处，塌陷坑的形状为圆形，直径为2 m。塌陷发生在土层中。该塌陷坑覆盖层较厚，根据附近的钻孔，得知该处的覆盖层厚度达到了15 m，塌陷坑上部的土层厚度为3 m。紫红色，硬塑，土质较均一，局部位置含有角砾。下部基岩溶蚀较严重，节理裂隙发育。在塌陷坑旁边的土层中有地表水冲刷的迹象。

造成塌陷的原因是施工中产生的动荷载。塌陷发生时，旁边有一个施工车辆在进行开挖作业，开挖减小了上覆土层的厚度，使得发生塌陷处土层无法承受上部荷载，土体会发生失稳；施工车辆不仅增加了塌陷坑上部的自重，且产生的动荷载施加在塌陷坑上部。此处有地表水潜蚀形成的微小土洞，在多重因素下，最终导致了塌陷的发生。

5.3.2 DK 570+138左侧12 m塌陷工点

塌陷坑位于线路DK 570+138左12 m的范围内，塌陷坑为圆形，直径为1 m，塌陷深度为0.5 m，塌陷发生在土层中且塌陷时间发生在暴雨之后。该塌陷坑位置处覆盖层较厚，根据其旁边的钻孔资料显示该处的土层厚度为13 m，棕黄色粉质黏土，硬塑，土质较均一，在基岩面之上有1 m的碎石土。土层下部的基岩溶蚀严重，节理裂隙发育。塌陷坑的位置位于洼地的边缘，距离洼地的底部6 m。

造成塌陷的原因是，降雨时，地表水入渗，使得土体中的空隙被水充满，产生的孔隙水压力增大，使得有效应力减小。另外，由于水的出现，增加了土体的自重，弱化了土体的抗剪强度，使得土体中的细小颗粒很容易被入渗的水流带走，形成微小的土洞，随着降雨次数的增加，土洞不断发展，最终导致了塌陷。

5.3.3 DK 569+720右24 m塌陷工点

塌陷坑位于线路DK 569+720右24 m的范围内，塌陷坑为椭圆形，长轴长0.6 m，短轴长0.4 m，深度为5 m，塌陷坑如图9所示。

图9 DK 569+720右24 m塌陷坑

塌陷坑上部的覆盖层很薄，仅0.3 m的紫红色粉质黏土，夹有少量角砾，硬塑，土质较均一。土层之下的基岩溶蚀严重，节理裂隙很发育，厚度仅1～1.5 m。塌陷发生后，经开挖发现基岩之下有个较大的溶洞，深2 m，长宽各1.5 m。塌陷发生时旁边有施工车辆在进行开挖作业。

塌陷坑发生塌陷的原因是，上部的覆盖层很薄，地表水很容易入渗并将细小的物质带走，形成微小的孔洞。溶洞的岩溶顶板较薄，岩溶顶板能承受上部岩土体的自重，不会出现塌陷。但当车辆在作业时，在岩溶顶板中会出现应力集中现象，当达到其承载极限时，岩溶顶板会发生脆性破坏，无法承受上部荷载，随后塌陷。

以上3段岩溶路基，开挖后对塌陷坑进行了揭盖回填浆砌片石封闭处理，并对溶洞周边范围内路基进行钻孔注浆处理。

6 云桂铁路动态设计分序实施法经济效益分析

动态设计的方案，相对于传统岩溶整治降低了工程费用，具有显著的经济效益，同时也使工程措施更具针对性。较之常规的注浆加固措施，云桂铁路采取了多种措施综合整治岩溶路基，有极发育地段改桥、桩板结构跨越、搭板跨越的加强措施，也有揭盖回填、加筋垫层、减少注浆孔密度等优化措施。动态优化方案具体如表2所示，动态加强改变措施统计如表3所示。

表2 动态优化统计表

表3 动态加强措施统计表

通过表2、表3可以看出，云桂铁路通过动态设计分序实施法进行路基岩溶整治，较之常规注浆方案节省投资12 251.3万元；同时对岩溶特别发育、不适合采取注浆加固地段进行了针对性的措施调整——7处改桥、9处改桩板结构跨越，增加投资3 345万元；累计实现投资节约8 906.3万元。

7 结束语

我国岩溶地貌分布广泛，特别在中国西部的广西、贵州及云南3个地区分布面积最大，在上述地区修建铁路不可避免要经过岩溶发育地段。云桂铁路通过采用探灌结合、动态设计、分序实施的岩溶整治方案，实现了投资优化、整治方案更具针对性。利用云桂铁路作为试验段，形成了一整套岩溶整治实施细则，明确参建各方的职责和作业流程，对把控施工质量、控制投资起到了极为关键的作用，该方案已被成都铁路局、昆明铁路局等建设管理单位作为范本推广。

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Application of the Dynamic Design in Karst Remediation of Yunnan to Guangxi Railway

XUE Yuan ZHENG Yongfei ZENG Rui ZENG Xiaobo

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.,Chengdu 610031，China)

Karst development, affected by landform, geological conditions, hydrodynamic condition, the climatic conditions, has various shapes and be very irregular. In order to ensure the safety of construction and operation, the karst remediation measures must be pertinent, however, it is unpractical to find out the detailed development conditions of the karst in each section by carrying out large-scale and high-density drilling and geophysical prospecting before construction. It is necessary to use excavation, drilling holes and other measures to validate previous explorations, and to carry out the dynamic design and construction. Taken Yunnan to Guangxi railway adopting dynamic design and the combination of exploration and irrigation, it is concluded a whole set of implementation rules of the dynamic design and construction of the karst. The rules specify responsibilities of each party and work flow which could control the construction quality and investment efficiently as well as bring down the engineering risk. The ruleshave been popularized and applied by Chengdu Railway Bureau, Kunming Railway Bureau and other construction management units.

Yunnan to Guangxi Railway； Karst remediation； Dynamic design； Implementation in sequence

2015-06-24

薛元(1978-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)01—0019—07

U212.22

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