铁路站场岩溶地基加固补强技术与效果研究

收稿日期：2024-03-27

作者简介：胡俊清（1987—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：岩土工程、市政工程、高铁运维。

摘要 文章以某复杂岩溶区域铁路建设为例，深入研究铁路站场岩溶地基加固补强技术及其效果。针对岩溶地质条件下铁路线路穿越石灰岩区的难题，采用高压旋喷桩法和注浆加固等方案进行地基处理。通过实施加固补强措施，有效提升地基承载能力和稳定性，满足沉降要求。同时，还分析复合地基沉降差异因素，为铁路站场岩溶地基加固提供重要参考。

关键词 铁路站场；岩溶地基；加固补强；效果研究

中图分类号 U215.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）11-0061-04

0 引言

随着我国基础设施建设规模的持续扩大，涉及岩溶地区的工程项目日益增多，岩溶地质灾害问题备受关注。岩溶地质对铁路站场的安全稳定构成严重威胁，特别是在高速铁路项目中，岩溶地基的处理成为一大挑战。长期以来，我国铁路工程中存在“重桥梁、轻路基”的倾向，路基的岩土工程结构特性未能得到足够的重视。岩溶地质引起的路基变形、沉降等问题频发，严重威胁铁路运输安全。因此，开展铁路站场岩溶地基加固补强技术与效果研究至关重要。通过深入研究加固补强技术，提升地基稳定性，有效控制沉降，对于保障铁路站场的安全运营、推动铁路工程技术的创新与发展具有重要意义[1]。

1 某岩溶地区地质条件概况

某地区岩溶地质条件较为复杂，地貌以溶洞、土洞及断裂、褶皱等构造为主。经长期地质作用，其力学特性显著变化，导致地面塌陷、下沉、涌水等岩溶现象频发，对大型工程建设，特别是铁路线路建设构成严峻挑战。该地区线路穿越石灰岩分布区，地下水源丰富，岩溶发育强烈，给铁路建设与运营带来极大风险。特别是某路段全长约139 km，其中可溶岩地段约50 km，岩溶地基问题极为突出。为探究岩溶发育状况，进行钻探工作。钻探数据显示，该地段溶洞发育普遍，高达52.43%的钻孔揭示出溶洞存在。且87.37%的溶洞位于地下20 m以上，威胁铁路线路基础稳定性。溶洞多呈半充填状态，充填物主要为硬塑状粉质黏土，局部存在软塑状粉质黏土夹带少量强风化灰岩碎石，增加地基处理难度。此外，还发现一高达9.78 m的溶洞，为目前已知最大溶洞，凸显岩溶发育的强烈程度。钻孔遇洞率高达51.96%，表明岩溶发育普遍且严重。经分析，该段岩溶发育属中等至强烈程度，地基稳定性差，易发生地质灾害。为确保铁路安全稳定运营，必须对岩溶地基进行严格的加固处理[2]。

2 选择岩溶地基处理方案

常见处理岩溶地基方法主要有强夯法、高压喷桩处理法以及注浆加固法等，按照该地区地质特性，合理选择处理目标区域岩溶地基方案。

2.1 强夯法

强夯法在处理岩溶地基方面具有显著优势，能强力闭合溶洞、裂隙等通道，实现地基均匀化。其灵活调整夯击能级的特点，确保了不同岩溶条件下的有效夯实。然而，该方法也存在地基密实度不均匀、震动噪声大等局限性，尤其在邻近村庄的区域影响更为显著。经分析，铁路线路直线500 m左右有村庄分布，若采用该方案会对附近居民日常生活造成较大影响，因此，该次岩溶地基处理工程不选择强夯法[3]。

2.2 高压旋喷桩法

压旋喷桩利用高压射流切割原理，通过喷嘴喷射出高压水泥浆液，与地基土混合后形成具有一定强度的桩体。在岩溶地基处理中，高压旋喷桩能够深入溶洞、溶蚀裂隙等区域，有效填充并加固这些软弱部位。根据工程实践数据，采用高压旋喷桩处理岩溶地基时，桩身强度可达20 MPa以上，相较于原状地基土，其承载力提升了近50%。同时，高压旋喷桩的施工效率较高，单桩施工时间一般不超过2 h，极大地缩短了工期。此外，高压旋喷桩还具有对周边环境影响小的优点。在施工过程中，由于采用高压射流切割原理，对周围土体的扰动较小，减小了对邻近建筑物和地下管线的影响。

2.3 注浆加固处理法

注浆加固方案通过向地基中注入特定配比的水泥浆液，利用浆液的渗透、扩散和固化作用，填充岩溶空洞、裂隙等软弱部位，从而提高地基的整体承载力和稳定性。在实际应用中，注浆加固方案展现出显著的效果。根据工程实践数据，注浆加固后，地基的承载力平均提升了约40%，且地基的沉降量也得到了有效控制。此外，注浆加固还能够显著改善地基的均匀性，降低地基的变形风险。注浆浆液的选择和配比对于加固效果至关重要。通常情况下，采用水灰比为0.8∶1的普通硅酸盐水泥浆液，并根据地质条件适当调整浆液的配比和流动性，以确保浆液能够充分渗透和扩散到岩溶空洞和裂隙中[4]。

3 铁路站场岩溶地基加固补强方案设计

经综合考虑，深入分析成本、地基刚度、施工工期等因素，主要选择注浆加固、高压旋喷桩法以及注浆帷幕加工等方案，作为该次岩溶加固处理方案。

3.1 高压旋喷桩技术加固

针对岩溶地基普遍存在的承载力不足及空区塌陷问题，原方桩持力层失效，致使加固区域出现沉陷现象，严重危及路基本体和站房结构的安全稳定。为确保注浆加固达到预期效果，必须对加固区进行更为精细化的处理。基于项目实际情况，采用高压旋喷桩技术，对土层进行针对性加固，以显著提升地基覆土层的承载能力。在施工前，进行试桩试验，确保施工参数的精确性与施工质量的可靠性。经过钻心取样和无侧限抗压强度试验，全面评估单管高压旋喷桩桩身质量。检测结果表明，单管高压旋喷桩桩身的无侧限抗压强度高达7.3 MPa，变形模量达到1.15 GPa，完全满足设计要求。高压旋喷注浆相关参数见表1。

在实际施工过程中，对旋喷桩的布置进行精细控制。其横向桩间距设定在1.8～2 m的范围内，而纵向间距则为1.7～1.8 m。在局部区域，为施工便利性和效果，横向桩间距为4 m。针对+650～+700区段沉降范围，将其纵向间距调整为1.55 m，桩径则为0.7 m，针对项目情况，采取正方形补桩法；而针对+540～+685区段来说，主要采用三角形布桩法进行，将其排距调整为1.25 m。其间，需按照相关规定严格控制成桩参数，以确保施工效果与质量。

3.2 侧向补注浆帷幕加固

针对岩溶地基的稳定性与安全性需求，该方案经过深入研究与规划，旨在通过补注浆技术加固土洞、溶洞及岩溶通道。其核心目标在于封闭土、石界面，切断地表水与地下水系的联系，形成坚实的封闭基底。同时，为预防地下水径流对路基造成二次损害，特设路基侧向补注浆帷幕加固措施，增强路基整体稳定性。区段加固补强如图1所示。

图1 +550～+800段加固补强方案（cm）

侧向补注浆帷幕加固方案实施细节如下：

首先，在+550～+800段3道至右侧路堤坡脚，划定补注浆加固区。注浆深度需达岩面以下4～10 m，遇溶洞则深入底面至少1.2 m，确保注浆材料充分填充。注浆范围上限应高于基岩面以上土层至少3 m，形成完整封闭层。注浆孔间距通常为5 m，病害严重区域则适当增加补充注浆孔，并设3%～5%注浆检验孔，确保注浆效果均匀可靠[5]。

其次，主要在+450～+800路基班主要采用注浆帷幕。将注浆孔间距调整为6 m，其深度需确保超过岩基面6 m以下，以形成较为坚实的侧向屏障，以便隔断地面水径流，避免后续水流浸蚀地基，影响建筑物整体性能。

最后，选用高质量的P.O42.5普硅水泥，作为该次灌注浆主要材料。同时，基于项目需求，将水灰比控制在1∶0.9～1∶1范围内，确保材料流动性和固化性能。注浆期间，应严格监控压力变化，保障注浆安全与质量稳定[6]。

3.3 压注浆加固补强

岩溶地基塌陷严重威胁路基及填筑土层稳定性，导致沉降现象并对无砟轨道和站房结构构成安全隐患，阻碍运营计划。因此，需针对项目实际情况，采取相应加固措施。按照监测区域沉降相关数据，主要采用低压注浆加固法，精确分析计算注浆孔间距，确定注浆孔间距为5 m。经分析，加固范围主要包含路基沉降区域以及该区域向外延伸20 cm的垫层和上面3～5 m的垫土层。注浆期间，需实时监控路面位移情况，协调好施工，以免因提升过度破坏其本来结构。结合渗透与压密注浆两种方式，填充空隙并压密松动部分，形成高强度结石体，有效控制沉降。

3.4 构建加固补强监测系统

为更好地进行站场路基加固补强作业，合理构建加工工程监测系统，以便精确掌握路基变形规律。系统运行期间，为现场施工及采取相应加固补强措施提供数据支持。该监测系统主要监测构筑物变形、边坡路基变形以及线路沉降等核心内容，以全面评估路基健康状况。该监测系统能够实时、准确地反映站场路基变形情况，为整治工作提供数据支撑和决策依据，同时也有助于优化加固补强措施，增强站场路基的稳定性和安全性。

4 铁路站场岩溶地基加固补强方案效果研究

4.1 分析铁路站场路基侧向变形规律

经过系统观测和记录分析，铁路站场路基的坡顶与坡脚位置均展现出明显的向外侧位移特征。在位移的初始阶段，这种移动趋势呈现缓慢而稳定的增长。经分析，相较于坡脚位置，坡顶的侧向位移更为显著，并且随着深度的增加，位移量逐渐减小。路基补强作业期间，发现断面侧向位移与边坡钻孔位有着密切联系。施工前后，施工断面出现较为明显的侧向位移现象。出现这一现象的主要原因在于，随着注浆量及注浆压力的逐渐增加，浆液向四周扩散，进而导致土体发生位移现象。完成注浆加补强作业后，发现路基的坡脚及坡顶位置侧向位移明显变小，说明路基逐渐区域稳定。经过一系列的补强措施和注浆加固作业，铁路站场路基的稳定性得到了显著提升。观测数据显示，坡顶与坡脚位置的向外侧位移趋势得到了有效抑制，位移速率显著降低。特别是在注浆加补强作业完成后，侧向位移量明显减少，显示出路基的整体稳定性得到了有效改善。

4.2 病害区域加固补强效果分析

按照某地区铁路站场路基加固前后补勘与实测资料，对该区域病害较为严重+650～+700区段进行分析，分别计算加固补强后的地基沉降量以及承载力特征值。综合考虑沉降量以及特征值等参数对加固措施的影响[7]。

4.2.1 计算加固后地基沉降量

按照《建筑地基处理技术规范》中的相关规定，计算注浆加固补强后平均压缩量S1，相关计算方法见式（1）～（3）。同时，桩端下注浆加固岩溶地基的压缩变形量S2，用分层总和法进行计算。

（1）

Esp=ξEs （2）

ξ=fspk/fak （3）

式中，S1——压缩变形值；pz、pzh——旋喷桩复合涂层地面以及顶面的附加应力值；Es、Esp——旋喷桩桩间及复合土层压缩模量；fak、fspk——天然地基及复合地基的承载力特征值。

4.2.2 计算加固后地基承载力特征值

该工程在使用高压旋喷加固法加固地基覆土层后，地基承载力计算方法见式（4）：

（4）

式中，Ap、m——桩的截面积和面积置换率；β——桩间土承载力折减系数用表示；fspk——桩间土承载力特征值用；Ra——桩竖向承载力特征值用。而高压旋喷桩单桩竖向承载力特征值计算方法见式（5）、（6），取其中最小值。

Ra=ηfcuAp （5）

（6）

式中，η、fcu——桩身强度折减系数与抗压强度；up、qsi——桩的周长与桩身第i层阻力特征值；li、qp——第i层土厚度及桩端承载力特征值。该次加强补强后复合地基沉降量及承载力相关数值见表2。

表2 路基加固各指标计算结果

单桩竖向承载力特征值/kN 地基承载力

特征值/kPa 路基沉降量/mm

式（5） 式（6） S1 S2

690 1 109 456 10.7 1.5

计算复合地基相关数值期间，按照现场试验结果，fak和fspk分别取30 kPa和150 kPa；按照平均桩径计算Ap，综合考虑多因素取值为0.7 m；旋喷桩加固9 m深度土层平均值进行计算Es，按照7.5 MPa计算Esp得113.8 MPa。

通过对上述公式及相关数值进行分析，发现站场路基经过加固补强作业后，地基承载能力大幅提升。同时，地基沉降为12.3 mm，满足该地区铁路专线路径沉降要求。

4.3 复合地基沉降差异因素分析

加固补强后的复合地基，其沉降的理论计算值与实际观测值应保持一致。然而，在监测期间，观察到路基+600、+650和+750断面的平均沉降量分别为4.60 mm、5.23 mm和5.68 mm。在扣除路基本体压密变形的影响后，实际沉降量远低于理论预测值。这一差异主要源于以下几个方面的因素：

第一，岩溶地基及其上覆的3 m土层经过注浆加固处理后，与既有方桩和CFG桩桩端紧密结合，形成高强度持力层，显著提升地基承载能力。然而，在进行复合地基沉降计算时，出于安全考虑，往往忽略这一增强效应，导致理论计算值偏高。

（下转第60页）

（上接第63页）

第二，地基覆土层通过采用高压旋喷桩法进行加固之后，在高压浆液的作用下，桩间土以及新桩实现排水固结目标，进一步形成脉状、网状结构。该结构不仅能够大幅提升地基变形特性以及地基承载力，还能有效提升CFG桩、既有方桩的性能。然而，在计算复合地基沉降期间，未能体现出这一强化效应，从而导致理论计算值与实际观测值之间存在较大差异。

第三，在加固补强准备阶段，均已完成站房、路基填土等施工，其荷载会对负荷地基产生作用，导致在加固补强作业期间，已完成部分沉降，从而影响理论值与实际值之间的差距。

5 结语

在对铁路站场岩溶地基加固补强技术与效果的研究过程中，该文深入探讨不同加固方法的适用性及其在实际工程中的应用效果。研究结果表明，合理的加固技术能够有效提升岩溶地基的承载能力和稳定性，确保铁路站场的安全运营。同时，不同加固方法在实际应用中的效果存在一定差异，因此在实际工程中，需根据具体情况选择合适的加固方案。

参考文献

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