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岩溶路基整治技术 西南交通大学赵晓彦2014 3 概述岩溶路基病害形式及整治内容岩溶发育程度评判路基岩溶水治理路基岩溶塌陷治理岩溶路基不均匀沉降治理整治效果检测工程实例 1概述 岩溶治理研究历时较长1978年 美国在宾夕法尼亚州的赫尔锡市召开了岩溶地区工程地质讨论会 重点讨论了岩溶地面塌陷发育规律问题 1984 2003年先后在美国佛罗里达州 密苏里州 肯塔基州和阿拉巴马州举行了9届 Multi disciplinaryConferenceonSinkholesandtheEngi neeringandEnvironmentalImpactsofKarst 岩溶塌陷和岩溶工程与环境影响多学科国际讨论会 1985 1989年 中国地质科学院岩溶研究所先后开展了 中国南方岩溶塌陷研究 长江流域岩溶塌陷研究 和 中国北方岩溶塌陷研究 等项目L2引 1988年 铁道部第二勘测设计院还开展了 铁路沿线岩溶塌陷及防治 工作 概述 仍存在的问题凡提高岩溶 易局限于溶洞 一味关心顶板稳定性 片面强调岩溶对工程稳定性的影响 忽略灾害链效应 如对地基岩土均匀性的影响实际上岩溶是对岩溶地貌 岩溶现象 岩溶作用 岩溶水运动的总称 90 以上的塌陷都是可溶岩上部的土层塌陷 工程中应关注 工程活动是否会影响岩溶地区原来的水文地质平衡 是否会造成岩溶地质灾害及范围 岩溶及其治理是否会影响工程地基的均匀性 概述 成果显著中铁二院 铁路路基工程地基处理技术规程 基础研究 2009 3 贵昆铁路 南昆铁路 浙赣铁路分宜车站 京沪铁路的泰安车站 贵州省交通厅 岩溶地区公路基础设计与施工技术指南 2007 8 岩溶水害 2岩溶路基病害形式及整治内容 岩溶塌陷 DK293 371左侧路基边坡岩溶塌陷 DK831 525路基中心岩溶塌陷 路基不均匀沉降 具体形式及原因总结 由于地下洞穴顶板的坍塌 或因溶洞内充填物被地下水的运动所带走 使位于其上的路基发生塌陷 下沉或开裂 较大的石芽石形成的地基局部不均匀 易使路基产生差异变形 且石芽周围充填软塑红粘土 影响路基的设计与施工 雨季落水洞难以及时下排水石 易在洼地 槽谷等形成积水区 从而影响路基的稳定性 由于地下岩溶水的活动或因地面水的排泄不畅 而导致路基基底冒水 水淹路基 水冲路基等病害 漏斗使地面呈凹陷状 其内土质疏松 填筑路基后 易引起进一步塌陷 整治内容 岩溶水岩溶塌陷 溶洞 土洞 及近临岩土体稳定 路基不均匀沉降 3岩溶发育程度评判 岩溶发育程度越高 路基岩溶塌陷越易产生 以岩性 钻孔岩溶率 岩溶发育形态 连通性 岩溶水的富存方式等作为岩溶发育程度的评价依据 地下水动态特征 地下水越活跃的区域 岩溶塌陷越易发生 地下水的活跃程度由以下因数进行描述 1 地下水位的位置 2 地下水位的波动幅度 3 地下水位的波动频率 4 地表水入渗的集中程度 覆盖层特征 岩溶塌陷时土层 土洞情况 岩溶塌陷发生于各种成因类型和不同厚度的第四纪覆盖层分布区 通过对湘桂铁路沿线分析 1 以平原及谷地的坡残层和洪积层为最 2 较老的洪积层 当地亦称粘土泥砾层 次之 3 一级阶地及河床冲积层 Q4 发生数量最少 4 土层厚度以10m以内数量最多 5 在洪积 冲积 坡残积等都可能发生 桂林市西区及临桂一带塌陷与覆盖层性质关系易遭潜蚀和液化的粉质土 粘土均有利于塌陷坑的形成 覆盖层的结构与塌陷也有一定的关系 以混杂结构及一元结构抗塌性较弱 岩溶塌陷现状分析 既有铁路岩溶地面塌陷多集中在岩溶发育的东安 永岁 兴安 灵川 二塘地区 均属岩溶发育中等 强烈的地段 其中以灵川 二塘区段最为严重 为厚层 巨厚层状纯灰岩分布的岩溶强烈发育区 地貌分区属典型的全岩溶区 1 岩溶塌陷现状地面塌陷多发生于强抽水期 基坑施工排水发生塌陷 塌陷区覆盖层厚度6 10m 全岩溶地层 岩溶塌陷点的成因类型 湘桂线路基岩溶塌陷评价因子组合与评分 续上表 根据岩溶地面塌陷发生程度 将岩溶地面塌陷分级如下 根据F综合评分值 将岩溶地面塌陷分级为F 70 不易塌陷区 F 71 89 易塌陷区 F 90 极易塌陷区 4路基岩溶水治理 路基岩溶水治理的基本原则是宜疏不宜堵 也就是说路基的修筑要保证流经该区域岩溶水的畅通 同样 这种思想应该贯穿于各种路基岩溶病害治理的方法之中 湖南常德至张家界高速公路十八标段K139 410 K139 560 5路基岩溶塌陷治理 路基岩溶塌陷从其发生的原因来看 可以分成两中情况 1 路基中空隙岩土体 土洞 溶洞 的破坏所造成的 2 岩溶水长期运动过程中物质运移所造成的 治理方案 1 单个不稳定岩溶形态整治 对不稳定溶洞 埋深较浅 便于揭盖则采取揭盖回填水泥砂浆的办法进行加固处理 埋深较深 则采取钻孔注浆充填不稳定溶洞的办法加固处理 2 岩溶形态分区整治 在易发生岩溶地面塌陷区内对在岩溶水动力条件发生人为改变时 具备土粒运移条件和形成土洞的条件区域的岩溶形态 分区采取钻孔充填注浆 充填注浆影响区域内岩溶形态的办法加固处理 3 岩溶地面塌陷诱发条件整治 在极易发生岩溶地面塌陷区 岩溶强烈发育 浅埋型岩溶区 岩溶形态的连通性好 岩溶水流动的动力条件好 岩溶水位在基岩面波动 具备土粒运移条件和形成土洞的条件 针对岩溶地面塌陷诱发条件分区采取钻孔充填注浆充填土石界面附近岩溶形态 钻孔渗透注浆封堵开口岩溶形态和固结土石界面附近土体的办法加固处理 整治宽度整治宽度为新建铁路路堤坡脚外2m 路堑侧沟平台 坡脚 堑顶 外有岩溶形态危及边坡稳定时 适当加大整治范围 整治深度1 单个不稳定岩溶形态处治深度1 浅层及开口型溶洞采取揭盖回填M7 5浆砌片石或封闭措施 2 裸露型岩溶地面以下25m深度内存在不稳定溶洞的地段 有针对性的采取跨越 揭盖回填 钻孔充填措施 当采取钻孔充填时 钻孔深度应至溶洞底板以下2m 一般最大处理至路基面以下10m 对存在多层溶洞的 应查明溶洞发育情况 计算分析安全的加固深度 3 易塌陷及极易塌陷区存在较大空溶洞 土洞时 应按单个易塌岩溶形态处治思路进行揭盖回填或钻孔充填处理 填充料为砂 碎石 揭盖回填为片石 2 充填注浆 渗透注浆加固深度1 表层土厚度小于30m地段 以钻孔注浆充填基岩面下5m的岩溶形态 渗透注浆封闭土石界面的开口岩溶形态和固结土石界面附近土体 形成水平向隔水帷幕 在加固深度范围有溶洞时 则钻孔注浆至溶洞底板以下2m 2 覆盖层厚度大于30m时 一般情况下处理深度控制为30m 如在钻孔过程中发现覆盖层中土洞较多 则继续钻进打穿覆盖层至土石界面 2020 3 17 35 可编辑 注浆孔布置1 对确定需要整治的单个不稳定岩溶形态 在不稳定岩溶形态的位置钻孔充填骨料和充填注浆 据岩溶形态分布范围布置施工钻孔 布孔方式以达到充填目的整治依据 孔间距7 10m 2 分区采取钻孔充填注浆充填区域内岩溶形态 在易发生岩溶地面塌陷区的岩溶形态区 采取分序钻孔充填注浆 采用两序布置钻孔 序以7 0m正方形布置注浆孔 序在 序孔间布孔 形成5 0m正方形布置注浆孔 3 分区采取钻孔充填注浆充填土石界面附近岩溶形态 钻孔渗透注浆封堵开口岩溶形态和固结土石界面附近土体 在极易发生岩溶地面塌陷区 采取分序钻孔充填和渗透注浆 采用三序布置钻孔 序孔在 序孔间以3 5m正方形布置注浆孔 形成3 5m正方形布置注浆孔 注浆孔间距一般采用3 5m 主要设计参数 1 注浆孔间距一般采用3 5 10m 2 水泥采用P O 32 5水泥 水灰比一般为0 6 1 1 1 3 压浆量按所需充填岩溶孔隙的体积或压密封闭的覆盖土层的孔隙体积进行控制 注浆量计算参数为 充填半径 裂隙率 损耗系数 4 为使浆液在地下能水平扩散 在砂土中 灌浆压力宜选用0 2 0 5MPa 粘性土中 灌浆压力宜选用0 2 0 3MPa 充填地下洞穴和空洞可采用自流灌浆 5 灌浆终注条件 在灌浆压力表不小于0 2 0 5Mpa时 10分钟持续灌浆量小于1 5L min 6 防止浆液不扩散过远过深的措施 充填粗骨料 主要灌砂 堵塞岩缝 缩小过水断面 增加浆液流动阻力如遇较大溶洞 可灌入2 5mm粒径的小砾石 水砂比以20 1至30 1为好 注浓浆或加粉煤灰 添加速凝剂 降低注浆压力 孔口压力在0 2MPa以下 间歇定量压浆 一般间歇时间为4 6小时 一次的水泥浆用量以2 3m3为宜 6岩溶路基不均匀沉降治理 7整治效果检测 一般质量检验时间应在灌浆结束28d后进行 针对以充填地下洞穴和空洞为目的灌浆施工 施工完成后 应重新检测地下洞穴和空洞的情况 针对以阻断地下水的活动为目的灌浆施工 施工完成后 应重新检测地层渗透和固结的情况 检测方法 检测工作量 在施工过程中 加强自检工作 视工程的重要性和岩溶形态 在灌浆孔间布置5 10 质量自检孔 且每个灌浆段落不得少于2孔 施工结束后 选10 的整治段落长 采用综合勘探方法 对施工地段质量进行全面检查 质量标准 分区初步检查时 可以用是否满足下列条件之一 来初步判断灌浆施工质量是否符合要求 能否转入下一区域的灌浆施工 a 检查孔岩芯可见多处水泥结石体 基本填满可见缝隙 水泥结石体单轴抗压强度 0 3MPa 横波波速 160m s b 压水试验测定的渗透系数小于灌浆施工前的1 10 c 检查孔的单位吃浆量不超过周围4孔单位平均吃浆量的15 d 面波检测速度参照d 铁路特殊路基设计规范 TB10035 2002 中12 1 5条 e 采用电测深法进行注浆前后物探异常对比测试 第三方检测时 采用电测深 瞬态面波法及电磁波CT等综合物探方法 辅以钻孔取芯 注水或灌浆实验对灌浆施工质量进行全面评价 质量评价 以充填地下洞穴和空洞为目的灌浆施工 充填达到85 以上 以阻断地下水的活动为目的灌浆施工 渗透系数降低85 以上 灌浆施工质量检测合格点数达到检测总点数的80 且不合格点数不集中分布 不合格指标与合格标准的差值不大于合格标准的40 可以判定为灌浆施工质量合格 竣工资料和工程验收 灌浆工程竣工后 应进行验收 可参考文献 1 厚覆盖型潜在岩溶塌陷及变形的处理技术与措施研究 阶段性报告 武广客运专线韶关至花都路基地段厚覆盖型岩溶塌陷预测与防治技术研究中铁二院工程集团有限责任公司 西南交通大学二OO八年十二月成都2 既有建筑地基基础加固技术规范 JGJ123 2000 3 铁路工程不良地质勘察规程 TB10027 2001 J125 2001 4 铁路特殊路基设计规范 TB10035 2006 J158 2006 5 注浆法 中国堤防工程施工丛书 蔡胜华等编著 6 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 DL T5148 2001 7 磁铁矿采空区处理施工工艺与技术方法探讨 铁路路基工程 2007年第3期 闵卫鲸 曾德礼8 路基采空区加固处理施工图及其设计说明书 铁道第二勘察设计院 2006年2月 9 高速公路采空区 空洞 勘察设计与施工治理手册 山西省交通厅 中交通力公路勘察设计工程有限公司 北京 人民交通出版社 2005年 10 建筑物 水体 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 国家煤炭工业局 北京 煤炭工业出版社 2000年5月 11 岩溶地区公路基础设计与施工技术指南 8工程实例 洛一湛铁路娄一益段 注浆孔的布置方式为 路基中线 左5m 右5m各布置三排孔 孔距为5m 呈梅花形布置 当岩溶极发育 路堤填高较高时 加布一排或两排注浆孔 具体的孔深由路基土石界面所处位置确定 通常为5 5m 注浆压力参数 灰岩注浆压力一般为0 3 1 0MPa 最大为1 5MPa 岩土界面附近注浆压力可逐步加大至0 3 0 5MPa 最大可为1 5MPa 注浆材料采用粘土固化液 粘土固化浆液由粘土 水泥 水玻璃 固化剂与水组成 其中固化剂主要成份如下 铝酸盐为30 50 硫酸盐为5 20 硅酸盐为5 15 氧化硅为1 10 氧化钙为l 10 浙赣线 对基岩裸露路堑地段和深度小于10m的钻孔采用孔底循环式全孔压浆 对大于10m的深孔采用分段压浆 自下而上逐段拔管注浆 详见布置图 注浆管路应保证浆液流动畅通 要求其能承受的压力不小于450kPa 在注浆泵和孔口处均应安设压力表 使用压力宜在压力表最大标值的1 4 1 3 采用孔底循环式全孔注浆要求射浆管伸入孔内离孔底约0 5 1 0m 采用套管跟进分段注浆需要注意避免浆液沿套管外壁向上流动 时间长时易胶结套管造成起拔困难 1 无填充溶洞和半填充溶洞处理方法对大于2m以上的无填充溶洞和半填充溶洞 先采用填砂处理 后采用注浆加固的方法 填砂处理的方法是在原钻孔附近 约0 6m 补钻一个 130的投砂孔 注浆加固的方法与见后面的全填充处理方法 共有7个大于2m的无填充溶洞 对小于2m的无填充溶洞和半填充溶洞 可采用注浆填充 2 全填充溶洞处理方法采用压力注浆的方法进行填充加固 注浆压力从低到高 间歇 反复压浆 采用以下注浆方式 1 花管注浆 隧道两侧已埋设花管的钻探孔 2 PVC袖阀管注浆 溶洞填充均匀 加固位置可控性