覆盖型岩溶路基塌陷机理与注浆加固方法-凯时人生就是博首页

一、覆盖型岩溶路基塌陷机理

1.1覆盖型岩溶地带的基本特征

覆盖型岩溶地貌多见于岩溶化平原、盆地及丘陵地区，第四系覆盖层薄，岩溶溶洞、裂隙发育，顶板过薄，土石界面存在溶蚀裂隙或通道。岩溶水以水平运动为主，埋藏浅，水量丰富，地下水呈微承压型。由于岩溶区内工农业生产大量抽排地下水及地下水自身水位季节性变化幅度过大，改变了地下水动力条件，形成大量的土洞并引起地表自然塌陷，构成铁路安全运营的隐患。

1.2 覆盖型岩溶塌陷机理

岩溶塌陷是岩溶、覆盖层、水、气构成的系统在各种因素下表现出来的系统失稳过程在地表的宏观表现。其发展具有时空动态持续性、阶段性。具体来说，形成塌陷机制的主要原因有：

1.2.1 地下水位下降形成真空吸蚀作用

要产生真空吸蚀作用，必须具备基岩受到严重溶蚀，形成溶洞、裂隙，且相互纵横贯通而成岩溶裂隙通道（或溶蚀腔）；表面有土层覆盖，或浅部岩溶腔被充填，岩溶腔被掩盖密封；地下水处于密封的具有承压或低压状态等 3 个条件。

当地下水面下降时，地下水从有压转为无压，岩溶腔内出现真空吸蚀，其作用大致分为 3 个过程：

（1）吸盘作用：地下水聚降时，在密封的岩溶腔内有压水面转为无压水面之际，岩溶腔水面与覆盖层底之间，出现一层很薄的液体吸附层。由于液体分子的内聚力和覆盖层底面固体表面分子的附着力，像吸盘一样紧紧的吸引覆盖层向下陷落。

（2）真空吸蚀作用：地下水面继续下降，真空状态的破坏力也越大，使覆盖层底部的土体颗粒松动或液体化，离散剥落和掏空，导致覆盖层的脱落。

（3）旋吸作用：覆盖层塌落或地面变形后，地表水通过覆盖层向地下水面不断下降的岩溶腔内渗漏过程中，产生旋吸漏斗（如水面漩涡），使土体受到旋转水流的卷吸或液体化，于是塌陷愈益扩大。

从上述情况可看出，真空吸蚀能量与岩溶腔的覆盖层底面大小、水位下降幅度及速度有关。覆盖层底面宽，地下水位下降幅度大、速度快者，则真空吸蚀力量就大，造成的地面塌陷也就严重。

1.2.2 地下水潜蚀作用

地下水流动速度加快，地下水位下降及地表水渗入地下，都可引起土层细颗粒被搬走，逐渐扩大了替换空间，水力作用也随之加强，潜蚀作用愈演愈烈，致使覆盖层不能支持上覆土体而坍塌。

1.2.3 荷载振动作用

列车或采石放炮等振动引起砂土液化，黏性土触变，土体强度降低及土体结构遭到破坏，从而诱发或促使地面塌陷。此外，地震也可以诱发岩溶地面塌陷。

1.2.4 加荷作用

土层负荷来自上部土体自重及外部荷载。在长期荷载作用下黏土产生蠕变；地下水位下降，土体失去浮力，不能支持上部负荷或因土体中水分被排出而压缩等，都可引起地面沉落和塌陷。

在塌陷区内上述各个机制都可能存在，塌陷的形成往往是多种机制综合作用的结果。此外，在塌陷的形成过程中，其机制也往往发生变化，如抽排水塌陷，当地下水位降低到基岩面以上时，主要是失托加荷和渗透潜蚀效应；当水位降低到基岩面以下时，水气压力变化产生的效应则更为重要。

二、某铁路岩溶发育特征与规律

某线可溶岩主要分布于浈江流域，分布起点为梅岭地区，沿途经过南雄盆地和丹霞盆地到韶关市区，间断分布，属典型的覆盖型岩溶区。沿线分布的白垩系上统灰质砾岩，二叠系下统、石炭系和泥盆系石灰岩为可溶岩。

根据钻探情况和物探分析，线岩溶率 5%～10%，溶洞主要分布在覆盖层下可溶岩中 0～ 25m 的范围内，在可溶岩与上覆土层接触面，地下水聚集，并向浈江方向径流，在水的作用下岩溶主要沿基岩节理、裂隙和层理发育，岩溶发育轻微—中等，在断层附近、可溶岩与非可溶岩分界处以及大江大河处强烈发育。沿线岩溶形态主要为溶蚀带、空溶洞和充填溶洞。溶洞埋深一般 4～28m，溶洞大小一般 0.5～5m，最大的为 10.3m，多为含砾粉质黏土全充填、半充填，少数为空洞（见照片 2-1、照片 2-2）

        照片 2-1 梅岭石炭系灰岩中的岩溶



照片 2-2 某钻孔取芯揭示溶涧发育情况

为了防止地表塌陷危及行车安全，防止路基基底涌水以及路基填筑完成后，出现基底纵向、横向开裂下沉现象。需对某线岩溶发育的地表及易塌陷地段路基进行加固处理，以确保路基工程的安全、稳定。

三、注浆加固覆盖型岩溶路基的方法

覆盖型岩溶路基，多采用钻孔注浆的加固方法。下面以某线岩溶路基加固为例，介绍注浆加固覆盖型岩溶路基的方法。

3.1 钻孔注浆加固设计

3.1.1 整治原则

钻孔注浆加固岩溶路基是地表施工，低压灌注，遵循边探边灌、探灌结合的原则进行，彻底整治，不留后患。通过注浆充填土石界面附近的土洞、溶洞、溶蚀裂隙，以封闭土石界面，形成水平帷幕，隔断地表水与地下水之间的水力链接，防止岩溶地面塌陷的发生。

3.1.2 整治宽度

钻孔注浆整治宽度原则上路堤为坡脚以外 2.0m，路堑为侧沟平台以内，当设置路肩墙、路堑墙等支护工程时，整治宽度加宽至墙趾以外 3.0m。

3.1.3 整治深度

钻孔注浆整治深度原则上为完整基岩面以下 5.0m，若存在较厚覆盖层，并根据安全顶板厚度进行判断，一般控制在 15.0～20.0m，如遇到串珠状空洞，土洞及裂隙带时，整治深度应加深至溶洞底板以下 2.0m。

3.1.4 注浆孔布置

路堤地段注浆孔位采用正三角形布置，路堑地段采用正方形布置，孔间距 5.0m、7.0m两种。

3.1.5 注浆材料配比

注浆水泥采用 po42.5，水玻璃为 38～43be，模数 2.4～3.0，水泥浆液水灰比为 0.8:1～1.2:1。若遇空的岩溶通道，较大溶洞和裂隙处，视具体情况先灌注粉煤灰或中粗砂对溶蚀空体进行充填，再采用水泥浆液或双液注浆，全充填溶洞一般采用单液注浆，当裂隙通道发育，浆液扩散较远或向深流失严重或地表冒浆严重时，应采用双液注浆，水泥浆、水玻璃配比为 1:0.1～1:0.05。

3.1.6 注浆压力

注浆压力，一般基岩中为不小于 0.1～0.3mpa，岩土界面附近逐加大至 0.3～0.5mpa，注浆压力视注浆方法、注浆段深度和地下水位而定，并针对注浆过程中出现的情况随时调整压力。

3.1.7 注浆结束标准注浆孔控制达到如下标准之一时，即可结束注浆：

（1）压力控制标准，当注浆孔口压力超过 0.5～0.8mpa，浆液难以注入时，或注浆孔压力维持在 0.3mpa 左右，吸浆量不大于 40l/min，维持 10min。

（2）注浆范围控制：冒浆点已出有效范围或整治范围外 3～5m 时。

（3）注浆量控制标准：单孔注浆量达到平均注浆量（单孔平均注浆量为 15t）1.5～2.0倍，且进浆量明显减少（小于正常进浆量 1/2～1/4）时。

（4）地质条件控制：浆液注溶洞下段，注浆受阻进浆困难时。

（5）特殊条件控制：单液注浆压力不大（0.2～0.5mpa）或降低注浆量，地表仍出现异常上鼓，影响建筑物稳定或路运安全时,应立即停止注浆。同时采用附近注浆孔“补偿”的措施。

当达不到上述结束标准时，可采用双液注浆或清孔后再次注浆清孔与上次注浆间隔时间不少于 24 小时。

3.1.8 注浆质量检查（1）综合物探检测，检查注浆效果。

（2）注浆前后，钻孔注水试验的单位长度吸水量对比，检查注浆效果，注浆后单位长度吸水量应小于注浆前吸水量的 3～5%，且不存在明显漏水现象。

（3）钻孔检查，检查孔数为５％，根据取芯浆液充填情况直观判断注浆效果，土层、裂隙岩溶，洞穴等必须干钻取芯，岩芯采取率>90%，检查孔同时补浆。

3.2注浆施工

3.2.1 施工工艺流程（图 3-2-1）

3.2.2 施工技术要求

（1）通过试验，调整材料配比和注浆压力等工艺技术参数。

（2）注浆前作好注水试验并记录，根据钻孔的地质情况和注水试验的情况采用不同的注浆浆液和措施。

（3）钻孔注浆顺序

先导注浆孔与一般注浆孔均应跳孔施钻，不得全部钻孔完后再注浆，以免孔位串浆，增加难度及清孔工作量，先导勘探孔施工完毕后，对一般注浆孔进行钻孔、注浆施工及封孔；注浆孔施工应自路基加固界线向线路中心的顺序进行，先两侧后中间，保证注浆质量。

（4）钻孔技术要求

钻孔开孔孔径不得小于 110.0mm，终孔孔径不得小于 91.0mm，钻孔完成后采用预埋花管，花管露出地面 0.2～0.5m，如遇回填土、淤泥层、粉细砂层应采用φ110 套管护壁；套管露出地面不得超过 0.3m。在钻探过程中，根据实际钻探土层和溶蚀破碎带采用跟管钻进。对垮孔严重的溶蚀破碎带及充填粗粒土的溶洞，实施跟管钻进极为困难时，可采用自上而下注浆反复钻施工，严禁使用影响注浆加固效果的方法钻进。

（5）如遇岩溶通道、较大溶洞和裂隙处视情况充填中粗砂、水泥砂浆等。如有岩溶发育但吸浆量少或不进浆时，先采用高压清水洗孔或钻机清孔后疏通岩溶裂隙通道，再注浆。

（6）注浆过程应加强地面观测记录(水平位移、冒浆点位置、地面沉陷、附近建筑物变形等)。（7）注浆全过程应做好技术资料和基础数据记录、整理、分析工作。

（8）注浆过程注意环境保护，及时清理浆液污染物。

（9）注浆结束后及时用水泥砂浆封孔至孔口。

3.3.1注水试验对比

在注水试验前，量测孔内稳定水位后，进行孔内定量注水，观测单位长度吸水量变化幅度，注浆后试验的单位长度吸水量应小于注浆前吸水量的 3～5%，即可判定达到注浆效果。单位长度吸水量计算公式如下：

式中：q-单位长度吸水量（l/min·m·m）

q-每分钟注入试验段水量(l/min)；

△h-水头差(m)；

l-注水试验段长度(m)。

通过表 3-1 试验数据可看出，注浆后试验的单位长度吸水量均小于注浆前吸水量的 3～5%，初步判定本段注浆效果良好。

        表3-1

3.3.2 钻孔取芯

钻孔检查，检查孔数为钻孔数量的 5％，根据取芯浆液充填情况直观判断注浆效果。通过钻孔取芯揭示注浆后土层含有脉状结石，呈散状或块状，岩层裂隙中见有水泥结石充填，溶洞被水泥浆充填，充填物为块状，钻进过程中不漏水，达到了加固效果。

3.3.3 物探检测

该段地震剖面上同相轴整体较为清晰可辨，连续性较好。测区土层平均速度约为750m/s，整体看从上到下视电阻率逐渐增大，呈层状分布，左侧线底部视电阻率整体上大于1000ω.m，中侧线、右侧线底部视电阻率介于 400～800ω.m 之间，左侧线基岩面明显高于中侧线、右侧线，基岩面起伏较大。测区土层厚度 5.8～14m，在物探检测所能达到的精度范围内未发现封闭的高阻区或低阻区存在。物探检测的资料进行分析后得出，在震探、电探所能达到精度范围内，注浆后地下介质分布较为均匀，未发现溶洞和较大规模的溶蚀带等不良地质情况存在，说明注浆对所检区岩溶裂隙的填充和改善均起到了一定的作用，注浆效果满足设计要求。

四、结束语

某线沿线通过典型的覆盖型岩溶区，采用钻孔注浆加固某线覆盖型岩溶路基，实行溶洞充填注浆和路基水平帷幕注浆并举。注浆加固结果经物探检测、注浆前后的注水试验对比、检查孔钻探抽芯等多种手段检验，表明达到了良好的加固效果。