高速铁路路基岩溶、采空区整治技术研究

高速铁路路基岩溶、采空区整治技术研究

李嘉兴

中电建路桥集团东部投资有限公司，山东 济南 261400

摘  要：鉴于高速铁路岩溶、采空区路基风险大，为有效控制质量和节约投资，潍烟铁路路基岩溶、采空区整治采用了“先探后灌、探灌结合”的原则，首先进行先导孔探察，进一步探明整治区的岩溶发育情况及采空范围，根据先导孔探察资料确定整治深度及范围，进而制定注浆方案，对路基岩溶、采空区进行有效治理。

关键词：高速铁路  路基工程  岩溶  采空区  注浆加固

1 工程概况

潍烟铁路沿线泥灰岩、灰岩、大理岩中发育岩溶，溶洞各种充填状态均有分布，岩溶发育程度以微弱～中等发育为主；沿线矿产资源丰富，开采历史悠久，主要开采方式为地下开采，形成了众多矿坑及采空区，采矿工程施工随意性强，导致民采井的数量、工程措施、开采深度及分布范围均不清楚且民采形成的采空区均未充填，部分已坍塌，无技术资料、隐蔽性强。

2 岩溶、采空区整治原则

2.1 岩溶整治原则

1）岩溶地段路基做好地面排水，防止集中径流渗漏引起塌陷。

2）对单一的溶隙发育带，基岩顶板厚度大于12m的溶洞一般不作处理。

3）对于裸露和埋深较浅（＜3.0m）的无充填或充填流塑状土的溶洞、溶沟、溶槽等，采取开挖或爆破揭顶，挖除洞内松散充填物，回填C15混凝土封闭处理。

4）岩溶地段路堑，对于位于基床厚度范围内的溶沟、溶槽，应将突出的坚硬岩石进行清除，将堆积充填物挖除换填C15混凝土；基床厚度以下的岩溶，视充填物的岩性、强度等，采用挖除换填或采取注浆加固。

5）路堤基底有覆盖层的岩溶地段及溶洞埋藏较深的路堑地段采用注浆处理。

①注浆宽度：路堑地段为路堑边坡坡脚至坡脚，当堑脚有支挡结构时，处理至支挡结构外侧平台；岩溶弱～中等发育的路堤一般为坡脚外+5m，对于岩溶强发育的地段，溶洞距路基的安全距离，按照坍塌时的扩散角计算。

式中，H—溶洞顶板厚度（m）；

β—坍塌扩散角（°）；

F—安全系数，取1.1～1.25；

Φ—岩石的内摩擦角（°）。

溶洞顶板以上有覆盖层时，岩土界面处用土体稳定坡率（综合内摩擦角）向上延长坍塌扩散线与地面线相交，注浆宽度应在距交点和坡脚外不小于5m。

注浆沿线路范围：岩溶弱发育～岩溶中等发育地段注浆加固地段长度控制在溶洞地段或溶隙发育带前后10m。岩溶强发育地段注浆加固地段长度控制在溶洞地段或溶隙发育带按上述公式计算的安全距离以外10m。

②注浆孔间距：根据岩溶发育、溶洞孔径大小、溶沟溶槽发育形态确定注浆孔间距，注浆孔布置一般采用梅花型布置，间距5m。

③注浆深度

地质钻孔发现溶蚀现象，未见溶洞，岩溶不发育地段，路堤和有覆盖层的路堑，基岩内3m，土内2m；覆盖层小于2m时，注浆深度不小于5m。

地质钻孔发现溶洞，岩溶弱发育地段，路堤地段覆盖层小于5m时，基岩内5m，土内不小于3m；覆盖层大于5m时，基岩内5m，土内3m；无覆盖层路堑路基面以下8m；同时有溶洞地段应在溶洞底板以下2m。

地质钻孔发现较多溶洞，岩溶中～强发育。路堤地段基岩内6m，土内4m；无覆盖层路堑地段为路基面以下10～15m；同时有溶洞地段应在溶洞底板以下2m。

注浆治理中贯彻边探边灌、探灌结合的原则，以全部钻孔的30%作为先导孔进行勘探。

2.2 采空区整治原则

1）对于采空区埋藏浅、范围小的地段，可以采用开挖回填方法处理。

2）对于采空区位置埋藏深、范围大的地段，于可能变形区、可能塌陷区段落采用钻孔灌水泥浆处理。

3）采空区治理范围包括采空区治理长度和采空区治理宽度。

①治理长度L是采空塌陷区沿线路方向分布实际长度+覆岩移动影响范围之和。

L=L0+H1前ctgφ1+H2前ctgδ1+ H1后ctgφ2+H2后ctgδ2

式中：L0—沿线路中线方向采空区实际长度；

H1前、H2前—地表松散层厚度（m）；

H2后、H2后—采空区上覆岩层厚度；

φ1、φ2—松散层移动角（°）；

δ1、δ2—岩层移动影响角（°）。

治理长度如图1所示：

图1  采空区治理长度示意图

②治理宽度为受护对象加两侧外留围护带加两侧按岩层移动角考虑所确定的边界宽度且不小于两侧堑顶边缘范围。

B=D＋2d＋H3-1ctgφ1+H3-2ctgφ2+ H4-1ctgδ1+H4-2ctgδ2

式中：B—安全矿柱（保护带）宽度；

D—受护对象宽度，路堤坡脚与坡脚间，路堑堑顶至堑顶间；

d—铁路一侧围护带宽度（m），取20m；

H3-1、H3-2—松散层厚度；

H4-1、H4-2—矿层上覆岩层厚度；

φ1、φ2—松散层移动角（°）；

δ1、δ2—走向方向矿层上覆基岩移动角（°）。

治理宽度如图2所示：

图2  采空区路堤治理宽度示意图

受保护对象加围护带范围钻孔按5×5m，影响范围内钻孔按12×12m，帷幕孔间距3.0m，钻孔深钻至采空区冒落带底板以下3.0m。

3 注浆作业施工流程

3.1 准备工作

1）前期工作

①根据技术要求确定试验段，开展试验性施工；

②

根据试验结果编制试验报告，并完善实施性注浆施工组织。

2）补充勘察

岩溶、采空区地基处理施工按“先探后灌、探灌结合”的原则进行，利用30%的注浆孔做为补充探查孔进一步查清岩溶、采空区发育情况。

3.2 注浆材料和浆液

1）注浆工程所采用的水泥品种，一般情况下，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。

2）注浆一般使用纯水泥浆液。

3）根据注浆需要，可在水泥浆液中加入下列掺合料：

①粉煤灰，符合二、三级质量标准；

②水玻璃，模数宜为2.4～3.4，浓度宜为38～43波美度。

4）为防止浆液的无效漏失，可对岩溶通道、大型采空洞冲填如下骨料：

①砂，质地坚硬的天然砂或人工砂，SO3含量不大于1%，含泥量不大于3%，有机物含量不大于3%，粒径不大于2.5mm，细度模数不大于2.0；

②碎石，质地坚硬的天然砾石或人工碎石，SO3含量不大于1%，含泥量不大于3%，有机物含量不大于3%。

5）根据注浆需要，可在水泥浆液中加入下列外加剂：

①速凝剂，水玻璃、氯化钙等；

②缓凝剂，磷酸氢二钠等。

6）对纯水泥浆液，试验性施工应进行配比试验，初步按1:1、0.8:1进行，具体试验内容为：

①掺合料的细度和颗分曲线；

②浆液的密度、PH值、黏度、初凝时间、终凝时间；

③浆液结石体的结石率、密度、强度（3d、7d）。

3.3 注浆设备和机具

1）注浆泵的技术性能与所注浆液的类型、浓度应相适应，额定工作压力应大于最大注浆压力的1.5倍，应力波动范围宜小于注浆压力的20%，排浆量能满足注浆最大注入率的要求。

2）注浆管路应保证浆液流动畅通，并应能承受2倍以上的最大注浆压力。

3）注浆泵及注浆孔口处均应设压力表，压力表与管路之间应设置隔浆装置。

3.4 制浆

1）制浆材料必须按规定的浆液配比计量，计量误差应小于5%。

2）各类浆液必须搅拌均匀并测定浆液密度。

3）纯水泥浆液的搅拌时间，使用高速搅拌机时应大于30s；使用普通搅拌机时应不小于5min。

3.5 钻孔与冲洗

1）注浆钻孔宜采用回旋钻进，除先导探灌孔外，一般注浆钻孔可采用冲击式或冲击回旋钻进。

2）为避免塌孔，一般覆盖土层中钻孔采用PVC管跟管钻进，直径不得小于110mm，于土石界面以下0.5m处变径至不小于小于91mm。

3）终孔前须进行成孔冲洗。一般采用钻杆注水清孔，如因钻孔较深，土层较厚，泥浆含碎石颗粒沉碴较多，可采用φ50mm的导管插入钻孔底部，用注浆泵大压力、大流量清孔，以保证清孔质量。

4）注水试验：按孔数的10%均匀选定注水孔，确定单位长度吸水量和浆液配方、配比、泵压等参数。

3.6 封 孔

1）对于钻探过程中及冲洗后仍能返水的钻孔，孔口采用浓水泥浆或C15混凝土一次性封闭。

2）岩溶注浆孔口埋设Φ110钢管通过法兰盘与注浆管、出浆管连接，钢管埋入深度为：当封孔段位于土层时，不小于2.0m,当封孔段位于岩层时，不小于1.0m，钢管外露0.5～1.0m,钢管周围采用C15混凝土或浓水泥浆灌封，保证不漏浆；当地表土层松散或采空区整治注浆压力大，采用上述封孔方式无法满足要求时，封孔段钻孔直径130mm，深4～5m，采用C15混凝土或浓水泥浆灌封。

3）土层内护孔管采用Φ110PVC管跟至土石界面以下0.5m处，PVC管底至土层内设计注浆范围深度内护孔管应设置为花管,花管孔眼呈梅花型号布置，直径5mm,孔眼间距3.5cm。

4）终孔与验收时间间隔不宜过长，以免垮孔等不利情况发生。终孔验收后应及时进行封孔作业，封孔水泥浆（或水泥砂浆）终凝后进行注浆作业。

3.7 注 浆

1）以纯水泥浆为主的单液注浆材料，水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8:1～1:1。

2）注浆压力

①岩溶注浆：初始采用自流注浆，注浆末期0.1～0.5MPa，最大不超过1.5 MPa。

②采空区注浆：初始采用自流注浆，注浆末期1.5～2.0 MPa。

③最终注浆压力值通过现场工艺性试验确定。

3）终注条件

①岩溶注浆：在终注压力下连续注浆10min的注入率不大于5L/min时，可结束该孔的注浆施工。

②采空区注浆：在灌浆孔的注浆末期，孔口压力逐渐升高，当泵量小于50L/min时，孔口压力在1.5～2.0MPa，稳定 10～15分钟，可结束该孔的注浆施工。

4）注浆量由注浆段岩溶裂隙率、注浆半径和充填、漏失情况确定。

4 质量检查

1）施工过程中应加强质量控制，在分段施工结束后，应进行施工质量自检，按注浆孔的2%～3%布置质量自检孔，且每个注浆段落不得少于3孔。

①检查孔岩芯可见多处水泥结石体，基本填满可注缝隙；

②检查孔的单位吃浆量不超过周围4孔平均每延米注浆量的15%。

2）采空区及岩溶注浆检测

①注浆加固的地基，采用钻孔取芯、压水实验、瞬态面波法和电测深法进行质量检验，质量检测应在注浆结束14天之后进行。

②钻孔取芯及压水试验孔数按注浆孔数量2%计；瞬态面波法检测点数按注浆孔数量5%计；电测深法检测长度不少于整治段落长度的

10%。

③面波检测及压水试验检测标准按下表执行。

④注浆后岩溶钻孔取芯、压水实验、瞬态面波法和电测深法检测结果与注浆前岩溶钻孔资料、压水实验、瞬态面波法和电测深法检测结果进行对比分析。

5 总结

通过采用“先探后灌、探灌结合”的原则，首先进行先导孔探察，进一步探明整治区的岩溶发育情况及采空范围，根据先导孔探察资料确定整治深度及范围，进而制定注浆方案，对路基岩溶、采空区进行注浆加固处理，有效避免了施工风险，控制了施工质量，节省了施工成本并加快了施工进度。同时，对路基岩溶、采空区整治技术进行了系统总结，对后续类似施工提供了可靠借鉴。

参考文献：

［1］Q/CR 9602-2015,高速铁路路基工程施工技术规程［S］.

［2］TB 10751-2018,高速铁路路基工程施工质量验收标准［S］.

［3］TB10106-2010,铁路工程地基处理技术规程［S］.

［4］姚裕春,袁碧玉.复杂采空区高速铁路路基关键技术研究分析［J］.铁道工程学报,2021,(02):47-52.

［5］谭远发.煤层采空区铁路工程地质综合勘察技术研究［J］．铁道工程学报，2015( 2) : 16 -21.

［6］刘威.铁路路基岩溶问题的整治施工及试验验证 [J].工程技术研究,2017(02):44-45.

1