铁路沿线浅层覆盖型岩溶灌浆处理关键技术

祝 珣

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

岩溶地表塌陷常对矿山开采、农田水利、公路及铁路的建设和正常运营产生巨大的影响。按照埋藏条件划分的裸露型、覆盖型和埋藏型3种岩溶类型中，以覆盖型岩溶分布最广泛，其隐蔽性、突发性和易发性的特点导致塌陷灾害普遍发生[1]。对于覆盖型岩溶塌陷，防治方法主要有结构物(梁、板、柱) 跨越法、灌注法、强夯法、深基础法、旋喷加固法等[2-4]。大量实践表明，处理既有铁路岩溶路基病害时宜采用注浆加固法，如采用憎水性发泡材料封堵流水通道并结合注浆[5]。汪水清通过宁安铁路岩溶路基工程现场注浆试验，评价了双孔注浆技术的加固效果，进而探索了路基岩溶注浆工厂化、标准化模式和控制技术[6-7]。截至目前，国内还没有系统完善的浅层覆盖型岩溶治理规范，遇到实际问题一般参照(DL/T 5148—2012)《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中的坝基岩体灌浆法。然而该方法只针对无覆盖层的岩体进行灌浆，注浆孔径较小(约为60 mm)，注浆孔深较大，注浆压力较大(1～5 MPa)，注浆量小，灌浆前需冲洗钻孔。

近年来铁路设计部门吸收并改进了水工建筑物灌浆的一些具体操作，例如灌浆前冲洗钻孔，采用止浆塞封闭孔口，应用双管法灌注水泥浆和水玻璃等。这些改进总体而言对于铁路线路覆盖型岩溶地表塌陷治理针对性不强，存在一些不必要的工序，甚至部分措施并不适用。

本文根据多年在津浦铁路泰安段、浙赣线分宜—彬江段、湘默线娄底车站、皖赣线硬石岭车站等岩溶路基塌陷整治工程的经验[8-10]，总结并提出铁路路基覆盖型岩溶地表塌陷灌浆处理关键技术，为新建黔张长铁路及其他类似线路应用该技术提供参考。

1 覆盖型岩溶地表塌陷常用处理措施

覆盖型岩溶区地表一般有2～10 m厚的土质覆盖层，其中存在裂缝、土洞或局部发育的软弱结构面。覆盖层下为可溶性岩体，岩体在一定深度范围内存在节理裂隙、溶洞、溶槽甚至地下暗河。岩溶区地表塌陷是地表覆盖土层、溶洞、土洞及水组成的综合体系在自然和人为因素作用下的结果。其常用处理措施有控水和工程加固2类。

1.1 控水

控水措施包括控制地表水和地下水的措施。控制地表水是阻断地表水下渗，隔断对地下水的补给。控制地下水措施是阻断地下水流动，阻止或减缓岩溶的继续发育。目前，这2种措施可通过灌浆处理技术实现。将一定浓度的水泥浆液或其他化学浆液，通过钻孔，在一定压力作用下充填溶洞、土洞、岩溶裂隙、软弱结构面和水流通道。这种方法可预防岩溶的进一步发育。

1.2 工程加固

工程加固措施中，清除填堵法常用于塌坑或浅埋的土洞，首先清除其中的松土、填入块石、碎石，然后上覆黏土夯实。

跨越法用于塌陷坑或土洞较大，开挖回填有困难时。该方法适用于短期工程，不适用于永久或期限较长的工程。由于造成塌陷的因素没有根除，岩溶、土洞的进一步发育会造成跨越法两端支承岩土的稳定性变差。

强夯法是对塌陷土坑进行回填夯实处理。

对深度大，跨越结构无能为力的土洞、塌陷，采用桩基础进行处理。这种处理方法造价高，不宜大面积应用。

旋喷加固法是在浅部用旋喷桩形成一硬壳，在其上再设置筏板基础的一种方法。

地下水位的升降造成溶洞空腔中的水气压力产生变化，会出现冲爆塌陷。钻孔充气法是首先探明地下岩溶通道，将钻孔深入到基岩面下溶蚀裂隙或溶洞的适当深度，然后在各种岩溶管道中安装通气调压装置，破坏真空腔的岩溶封闭条件，平衡其水、气压力，减少发生冲爆塌陷的概率。

以上各种工程加固方法在处理已经形成的塌陷坑洞方面，展示了其有效性，但这些方法治标不治本，不能彻底根治覆盖型岩溶地表塌陷。

2 覆盖型岩溶灌浆施工关键技术

目前防治铁路路基覆盖型岩溶地表塌陷的最好方法是灌浆法。从塌陷形成机制来看，地下水和地表水的活动是形成塌陷的主要因素，若用浆液充填了水活动的全部通道，就能彻底根治岩溶、土洞塌陷。

2.1 灌浆工艺流程

1)钻灌浆孔

由于土洞、溶洞发育位置的不确定性，在拟处理的工程范围内按一定间距均匀布置灌浆孔。孔距和排距根据浆液扩散半径确定。一般孔距或排距按5～7 m布置，必要时可布置斜孔，斜孔倾斜角为15°～30°。

采用跟管钻进，在地层中设置2或3路不同直径的套管，钻进时护壁，灌浆时分层，压力灌浆时提供嵌固力。下套管时位置要准确，嵌固要牢靠。灌浆孔及覆盖型岩溶地层如图1所示。

图1 灌浆孔及覆盖型岩溶地层示意

灌浆孔深度视地质条件而定，一般钻至基岩面以下3～5 m。如遇溶洞，钻至溶洞底板以下1～2 m。根据铁路场地承载力和稳定性的要求，当覆盖层厚度超过30 m时，将灌浆孔钻至30 m即可，不必钻入基岩。因此整治岩溶塌陷灌浆孔孔深较浅，一般为10～20 m。

当灌注土洞、溶洞、较大的岩溶通道时，浆液中须加入碎石、砂子等粗骨料。此时要求孔径较大，一般为90～150 mm。

2)注水试验

覆盖型岩溶地层灌浆孔成孔后无需冲洗，直接做注水或压水试验，测定注浆段的单位吸水量，用来确定灌浆浆液浓度和灌浆方式。

3)灌浆

根据注水试验配制水泥浆液，当灌浆段单位吸水量大时配制的浆液相对较浓；当灌浆段单位吸水量小时配制的浆液相对较稀。浆液水灰比需控制在1∶0.5～1∶1。浆液配制完毕后，安装管路系统进行灌浆。一般先灌注外排孔，后灌注中间孔。

如果需要同时灌注水玻璃，首先停止灌注水泥浆液，改用清水灌注(根据管路的长短、钻孔的深度及孔径估算灌注清水的量)，再灌注水玻璃，确保让水玻璃和水泥浆液在地层中相遇而凝结。不宜在孔内设置2根注浆管同时灌注水泥浆液和水玻璃，因为水玻璃和水泥浆液凝固时间一般为30 s左右，混合液未进地层时二者有可能会凝结在钻孔内，导致后续灌注无法进行。

灌浆时，根据压力表数据随时调整浆液浓度。压力大时可适当降低浆液浓度，保证浆液能够到达细小的岩溶裂隙和土层裂隙。压力小或无压力时加大浆液浓度。当无压灌浆量或自流灌浆量超过预想的岩溶裂隙或土洞体积时，可卸掉压力表顶盖，继续灌浆，同时向孔内均匀投入适量中粗砂。若中粗砂和浆液超过一定量而浆液面未见抬高，可向孔内均匀投入适量碎石，直到浆液面抬高，再继续向孔内投入中粗砂，直到浆液面升至孔口。这时，重新装上压力表顶盖，进行压力灌浆，直至压力达到终止灌浆标准。

当覆盖型岩溶地层中存在土洞、溶洞、较大的岩溶通道甚至地下暗河时，灌浆量一般较大，最大可达60 m3。灌浆材料以水泥为主，可适量加入氯化钙、水玻璃、减水剂等添加剂。

4)灌浆结束标准

灌浆压力视灌浆方式或深度而定，对连通性较好的灰岩洞穴、土洞一般采用自流灌注或低压灌注。对充填较好的洞穴、岩溶裂隙、土层裂隙采用压力灌浆。灌浆压力一般控制在0.2～0.6 MPa，根据灌浆过程中出现的情况随时调整压力。为防止既有铁路发生大变形，岩溶塌陷灌浆压力控制在0.3 MPa。当灌浆压力达到0.3 MPa，且能稳压900～1 800 s，即可终止灌浆，或当路基面发生隆起变形时终止灌浆。

5)封孔

灌浆结束后，用水泥砂浆进行封孔，以防止因施工而留下地表水下渗通道。

综合上述分析，结合多年实践，总结出灌浆工艺流程见图2。

图2 灌浆工艺流程

2.2 灌浆施工关键技术

1)灌浆特色设备

岩溶地表塌陷灌浆设备比较简单，成孔设备采用工程地质勘探用100型钻机，配备钻头(φ89，φ110，φ127，φ140)、套管、多用途三通管。制浆灌浆设备采用泰安制浆注浆一体机，配备总长100 m左右的高压软管。

在实际操作中，钻孔成孔后灌浆开始前一般需要封闭孔口。若采用止浆塞或一次性固定封闭，费时费力，可逆性不强，也不实用。本灌浆技术采用多用途三通管，见图3。

图3 多用途三通管结构示意

三通管的主管直径同钻孔套管，通过丝扣直接安装在孔口套管上。主管顶部为带丝扣的顶盖，方便安装拆卸。顶盖上安装压力表。位置较高的支管安装有放气阀，位置较低支管为进浆管。

开始灌浆时，首先在孔口套管上安装三通管。对土洞、溶洞、较大的岩溶通道灌浆时，采取自流灌浆，此时可卸掉三通管顶盖及压力表，在三通管主管顶部放置一漏斗，边从漏斗投放粗骨料，边从进浆管灌注水泥浆。对地层裂缝、裂隙等软弱结构面灌浆时，采用压力注浆，此时给三通管安装上顶盖及压力表，直接从进浆管灌注水泥浆液至终孔压力。当灌浆压力迅速达到终孔压力时，表明钻孔范围地层完整。

2)灌浆方式

铁路路基岩溶地表塌陷治理中，主要采取自上而下和自下而上2种灌浆方式。自上而下灌浆方式是指灌浆孔钻至基岩面，外路套管下到孔口以下3～4 m，中路套管下至距基岩面约0.5 m，开始对土层灌浆，达到设计要求后停止灌浆，钻进基岩至设计要求，下内路套管至基岩面下0.5～1.0 m，开始对岩层灌浆。自下而上灌浆是指灌浆孔直接钻至设计深度，先用内路套管进行岩层灌浆，满足要求后拔掉内路套管，进行下部土层灌浆，进而拔掉中路套管，进行上部土层灌浆。具体采用何种灌浆方式，视土层厚度、土层性质、岩层岩溶发育程度等因素综合确定。

3)冒浆应对措施

冒浆对灌浆非常不利。冒浆使灌浆压力释放，使浆液无法进入细小的地层裂隙、裂缝，无法有效地充填溶洞和土洞，同时冒浆也浪费材料，污染环境。但冒浆在灌浆过程中又是不可避免的，因而出现冒浆时要及时处理。

冒浆处理首选间歇法。当出现冒浆，立即停止灌浆，间歇约30～60 min后再进行灌浆，一般冒浆不再出现。原因是浆液在间歇期沉淀，堵塞一些细小裂隙。当间歇法对阻止冒浆不起作用时采用封堵法。用麻绳或废弃的水泥编织袋塞填套管间隙或套管与孔壁的间隙抑制孔口冒浆。对于地层冒浆，挖开冒浆位置约0.5 m深，用一定比例的水泥-水玻璃浆液灌填之，可在数秒钟后凝固而阻止冒浆。若间歇法、封堵法对阻止冒浆仍不起作用时，采用氯化钙法、水玻璃法等化学法。氯化钙法是直接向水泥浆液里掺入一定浓度一定量的氯化钙溶液，加速水泥浆液在地层中的凝固时间，从而堵塞冒浆通道，这种方法对阻止通道小、冒浆量不大的冒浆起作用。要阻止通道大、冒浆量大的冒浆需采用水玻璃法。

3 灌浆技术应用实例

在浙赣线分宜—彬江段岩溶压浆的施工过程中，冒浆现象经常发生，严重影响工程质量。因此在现场开展了水泥浆、水玻璃和氯化钙的配比试验，对冒浆现象的处治效果良好。

在湘默线娄底车站岩溶压浆施工过程中，因施工方案不合理，造成套管嵌固不好，经常出现套管与土体间隙冒浆，使工程质量无法保证。此外由于分2次注浆导致钻机不断移动，增加了工作量，造成工作效率低下。经过调查研究，改为只下一路套管，先对土层注浆，然后套管下至基岩面，钻至设计深度后进行基岩注浆。实践表明该方案切实可行，减少了冒浆和钻机搬动次数，提高了工程质量和进度，取得良好的效果。

4 结语

本灌浆技术已经成功地应用于津浦铁路、皖赣铁路、浙赣铁路、湘黔铁路等既有铁路路基岩溶地表塌陷整治工程中，彻底消除了岩溶地表塌陷危害。

本灌浆技术采用的机械设备为常用的工程勘探用钻探设备和已获实用新型专利的多用途三通管，可为施工单位减少投资。施工方法简单容易掌握，可为施工单位减少人员培训费用。基于工程实用角度提出的岩溶灌浆工艺及灌浆关键技术可为既有线和新建线路路基覆盖型岩溶地表塌陷整治提供技术支持。

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