張雪東 丁海軍

(1.中交鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088;2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

甘泉線鐵路DK63+850.00～DK63+977.40段采空區(qū)路基位于烏拉特山北坡的低山區(qū)，地勢(shì)陡峻，屬丘陵區(qū)，地形起伏較大，山間溝谷深切，“V”字形溝谷發(fā)育，溝床狹窄，大部分地段基巖裸露，植被稀少。該段溝谷為季節(jié)性河流，暴雨過后有徑流，平時(shí)無水?；鶐r裂隙水埋藏較深，勘察期間未見出露。地震動(dòng)峰值加速度0.2g，土壤最大凍結(jié)深度1.97 m。

地層自上而下依次為:粉土，黃褐色，中密，潮濕，層厚0.0～5.0 m，分布于各沖溝岸坎邊及緩丘地帶，Ⅱ級(jí)普通土，σ0=120 kPa;片麻巖，青灰、灰綠色、棕褐色，變粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造;強(qiáng)風(fēng)化層厚20.0～30.0 m，Ⅳ級(jí)軟石，σ0=600 kPa;弱風(fēng)化Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石，σ0=1 200 kPa。

地質(zhì)調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)該段范圍分布有多處洞穴，主要為開采云母礦，洞穴多為個(gè)體非法開采。為查清采空區(qū)分布的具體情況，采用以超高密度電法為主、地震映像法為輔的綜合物探法對(duì)該段進(jìn)行勘探。

沿線路方向布置WT1、WT2和WT3三條測(cè)線，位于左10 m、中線和右10 m位置。測(cè)線布設(shè)見圖1。

物探資料成果表明(見圖1):云母礦采空區(qū)規(guī)模小，埋深淺，無規(guī)律，停采后均無回填?？斩粗睆揭话銥?～3 m(個(gè)別達(dá)5 m)，埋深一般為10 m左右(個(gè)別深度在15 m左右)，為人工采掘云母礦留下的坑道，以豎井或斜井通往地面。

結(jié)合線路路肩設(shè)計(jì)高程，路塹開挖后大部分空洞將被挖除。DK63+850.00～DK63+925.00段洞穴主要分布在路肩以上，路肩以下無洞穴分布。DK63+925.00～DK63+977.40段洞穴主要分布在路肩以下。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

甘泉線鐵路DK63+850.00～DK63+977.40段采空區(qū)屬小型采空區(qū)。小型采空區(qū)一般變形的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，成為長(zhǎng)期隱患，宜盡可能繞避，若線路必須通過時(shí)，對(duì)埋深小于40 m、寬度大于2 m的坑道必須進(jìn)行處理。結(jié)合本段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)范》、《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》、《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》、《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》介紹的有關(guān)小窯采空區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算公式以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，綜合判定:該段采空區(qū)埋深較淺，穩(wěn)定性較差，屬可能塌陷區(qū)，必須進(jìn)行處理。

圖1 物探布線平面及成果縱斷面

3 地基處理方案設(shè)計(jì)

3.1 DK63+850.00～DK63+920.00段處理方案

DK63+850.00～DK63+925.00段采空區(qū)洞穴主要分布在路肩以上，路肩以下無洞穴分布。路塹開挖后，采空區(qū)空洞主要出露于路塹邊坡處，處理方案較為簡(jiǎn)單，采用回填漿砌片石處理方案即可。

3.2 DK63+920.00～DK63+977.40段處理方案

DK63+925.00～DK63+977.40段采空區(qū)洞穴主要分布在路肩以下，為確保路基的安全與穩(wěn)定，對(duì)DK63+920.00～DK63+977.40段采用全充填壓力注漿法對(duì)地基進(jìn)行加固處理。在地表鉆孔，通過注漿泵、注漿管將漿液注入采空區(qū)及其上覆巖體裂隙內(nèi)，漿液經(jīng)固化膠結(jié)巖層裂隙帶，同時(shí)采空區(qū)冒落物和漿液形成的結(jié)石體對(duì)上覆巖層形成支撐作用，從而保證路基穩(wěn)定。

(1)注漿孔布置及說明

注漿孔的布置依據(jù)“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工”的原則，按“邊探邊灌，探灌結(jié)合”方式組織實(shí)施。

注漿孔的排距、間距，應(yīng)根據(jù)采空區(qū)頂板強(qiáng)度、采出率、裂隙連通性以及線路情況等因素綜合評(píng)判后確定。本段沿線路縱橫向共布置鉆孔143個(gè)，其中帷幕孔47個(gè)，先導(dǎo)勘探孔25個(gè)，其他注漿孔71個(gè)。注漿孔橫向間距為3.85 m，縱向(線路方向)間距5.0 m，長(zhǎng)方形布置。

采空區(qū)灌漿孔的設(shè)計(jì)深度:注漿孔鉆至采空區(qū)底板以下3.0 m終孔，同時(shí)對(duì)于路塹地段路基面以下未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的地段，鉆孔深度不小于路肩下10 m控制;灌漿孔灌注長(zhǎng)度為第四系覆蓋層以下至鉆孔孔底范圍。見圖2及表1。

表1 地基加固寬度

首先進(jìn)行先導(dǎo)勘探孔施工，探查采礦空洞的分布特征(邊界、大小、埋深及充填物等)，結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)物探采空區(qū)報(bào)告，繪制采空區(qū)分布平面圖及分布立面圖，然后交地質(zhì)專業(yè)填繪，按照《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2001)相關(guān)技術(shù)要求提交成果，如礦層回采率、采空區(qū)坍塌程度等參數(shù)，最后交路基專業(yè)。由路基專業(yè)根據(jù)上述資料確認(rèn)是否需要調(diào)整注漿加固范圍，增補(bǔ)注漿孔等參數(shù)，待路基專業(yè)同意后方可施工。按如下順序施工:先施工帷幕注漿孔，然后依次為一序孔、二序孔及三序孔。施工時(shí)遵循如下原則:由路基面兩側(cè)向中心施工，由低處往高處施工，局部注漿孔可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況酌情調(diào)整，并通知設(shè)計(jì)單位。

當(dāng)注漿孔位置與橋臺(tái)或其他構(gòu)筑物有沖突時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整注漿孔位置，但原則上不應(yīng)大于1 m，否則應(yīng)通知設(shè)計(jì)單位采取變更設(shè)計(jì)予以解決。

(2)漿液配合比設(shè)計(jì)及注漿壓力

注漿漿液為水泥粉煤灰漿，其水灰比為1∶0.8～1∶1.2。采空區(qū)治理范圍內(nèi)最外一排孔為帷幕孔。先注帷幕孔，帷幕孔漿液材料選用水泥粉煤灰漿，并在漿液中摻加水泥重量2%的速凝劑，使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止?jié){液流失，粉煤灰最大摻量為水泥重量的30%。

在正式施工前，應(yīng)按施工時(shí)使用的水泥和粉煤灰，在試驗(yàn)室做漿液配合比試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括漿液在不同配比下每立方米漿液中干料含量、漿液比重、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、結(jié)石率和試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等。采空區(qū)堆積物松散或存在空洞，注漿過程中采用較稠的漿液或利用砂漿灌注。

注漿方法采用一次全灌注施工方式，注漿壓力為0.2～0.5 MPa，空洞及采空區(qū)初期可采用自流注漿。

(3)注漿量計(jì)算

注漿量計(jì)算公式設(shè)計(jì)結(jié)石率 C按75%計(jì)算，裂隙填充率 η按75%，損耗系數(shù)采用A=1.25，m為采空云母礦層厚，K為礦層回采率，取0.35，S為采空區(qū)治理面積，ΔV為采空區(qū)剩余空隙率，取0.8。

經(jīng)計(jì)算，總注漿量Q=2 874 m3。

圖2 注漿孔橫斷面布置(單位:m)

4 施工工藝及技術(shù)

4.1 注漿工藝流程

注漿施工工藝流程見圖3。

圖3 注漿施工工藝流程

4.2 鉆孔成孔及技術(shù)要求

注漿孔應(yīng)用全儀器法實(shí)地測(cè)量放樣，鉆孔實(shí)際位置原則上不應(yīng)超過設(shè)計(jì)位置1.0 m。

用φ127 mm鉆頭開孔，鉆至完整基巖1 m后，下入φ127 mm套管護(hù)壁，然后變徑為φ91 mm。用φ89 mm鉆頭，鉆至采空區(qū)中的塌陷冒落帶底板或煤層底板以下3 m終孔。成孔過程中應(yīng)對(duì)瓦斯等有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。即在鉆孔時(shí)應(yīng)監(jiān)測(cè)瓦斯氣體含量，遇到瓦斯氣體含量較高時(shí)應(yīng)采用三通管將瓦斯氣體引至順風(fēng)一側(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到其他有害氣體時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)措施引排。鉆探及注漿過程中，嚴(yán)禁采用爆破及明火與孔口接觸。

鉆孔成孔技術(shù)要求:設(shè)計(jì)注漿孔的20%為全取芯孔，取芯孔于采空區(qū)上部覆巖部位巖芯采取率＞60%，采空塌陷區(qū)部位巖芯采取率＞30%;做好鉆探原始記錄和巖芯編錄工作;鉆孔施工過程中，如發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆等現(xiàn)象要詳細(xì)記錄其深度、層位和耗水量。

4.3 灌注孔口管或設(shè)置止?jié){器

當(dāng)鉆孔完成檢測(cè)合格后，將一端帶有φ120～130 mm法蘭盤的φ50 mm注漿管下入孔內(nèi)變徑處，孔內(nèi)投入20 cm厚礫石，以堵塞大的縫隙。之后投入30 cm厚黏土，防止?jié){液大量滲漏，然后灌入水灰比為1∶1.5～1∶2.0的稠水泥漿，灌注要求達(dá)到注漿過程中漿液不會(huì)從注漿孔壁四周溢出。水泥漿液中加入水泥重量2%的速凝劑，快速將注漿管與孔壁固結(jié)。也可采用止?jié){器等措施止?jié){，具體措施可由施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件并結(jié)合其以往施工經(jīng)驗(yàn)確定。

4.4 注漿及技術(shù)參數(shù)

(1)注漿

按采空區(qū)的傾斜方向，先施工采空區(qū)底板高程較低位置的注漿孔及構(gòu)造物工點(diǎn)處的注漿孔，再沿傾斜方向由低向高、由邊部向中心展開施工。

注漿方法采用一次全灌注施工方式，注漿壓力為0.2～0.5 MPa，空洞及采空區(qū)初期可采用自流注漿。

(2)單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)注漿達(dá)到下列標(biāo)準(zhǔn)之一時(shí)，注漿結(jié)束:①注漿空口壓力由小到大，逐漸上升到0.4 MPa左右，10 min持續(xù)注漿量不大于5 L/min;②注漿鉆孔基巖完整，或多次注漿，空口壓力超過1.5 MPa;③冒漿點(diǎn)已出注漿范圍外3～5 m;④單孔注漿量達(dá)到平均注漿量的1.5～2.0倍，且吸漿量明顯減少。

當(dāng)達(dá)不到上述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)清孔再次注漿。

5 質(zhì)量檢測(cè)及監(jiān)測(cè)

采空區(qū)治理工程具有隱蔽性和復(fù)雜性，必須加強(qiáng)對(duì)治理工程質(zhì)量進(jìn)行施工中質(zhì)量檢測(cè)和最終質(zhì)量效果檢測(cè)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)路基沉降變形監(jiān)測(cè)。

5.1 采空區(qū)施工中質(zhì)量檢測(cè)

采空區(qū)施工中質(zhì)量檢測(cè)共分鉆探、注漿兩大類，其中鉆探包括孔位、孔深、斜孔、止?jié){效果和巖芯采取率。注漿包括:注漿原材料、漿液配比、漿液性能指標(biāo)、注漿泵流量、注漿過程中壓力變化、注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)和注漿量檢測(cè)。

5.2 采空區(qū)處理后最終質(zhì)量檢測(cè)

(1)檢測(cè)方法

采空區(qū)注漿過程中和結(jié)束后，必須對(duì)處理工程質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)手段主要采用鉆探、物探和地表沉降觀測(cè)。在采空區(qū)處理范圍內(nèi)主要工程結(jié)構(gòu)部位或可能存在工程隱患的部位布置檢查孔。要嚴(yán)格控制取芯質(zhì)量，以便觀察充填情況及計(jì)算充填比率，對(duì)充填物進(jìn)行飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

(2)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)石體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa，孔內(nèi)受注層物探剪切波速≥160 m/s。

(3)檢測(cè)頻率

鉆探:應(yīng)在采空區(qū)治理工程竣工6個(gè)月后，采用鉆孔檢測(cè)采空區(qū)注漿工程質(zhì)量，按施工注漿孔的2%布置檢測(cè)孔(同時(shí)也不少于3個(gè))，位置宜布置在可能存在問題的地段。檢測(cè)孔深度等同注漿深度，孔徑采用φ108 mm，鉆孔施工工藝與注漿孔施工工藝相同，鉆孔的取芯率要到達(dá)到80%，通過孔內(nèi)取芯直接觀察采空區(qū)的漿液充填情況，并對(duì)所提取冒落帶巖芯作無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

物探:對(duì)治理前后的采空區(qū)采用測(cè)定波速對(duì)比的方法檢驗(yàn)注漿質(zhì)量，按施工注漿孔的2%(同時(shí)也不少于3個(gè))布置檢測(cè)孔(利用鉆探檢查孔2%，共計(jì)4%)。

結(jié)合鉆探、物探，作出綜合評(píng)價(jià)，最終確定質(zhì)量是否合格，是否需要補(bǔ)充灌漿。

5.3 沉降變形監(jiān)測(cè)

于 DK63+920、DK63+940、DK63+960、DK63+977.40設(shè)置觀測(cè)斷面，每個(gè)觀測(cè)斷面在兩側(cè)路肩各設(shè)一個(gè)觀測(cè)樁，在兩側(cè)路塹塹頂外1.0～2.0 m及10～20 m處各設(shè)一個(gè)觀測(cè)樁，觀測(cè)樁采用方形C15鋼筋混凝土預(yù)制，斷面尺寸為15 cm×15 cm，長(zhǎng)度不小于1.5 m，并在樁頭埋設(shè)半圓形鋼耐磨測(cè)頭。觀測(cè)樁埋設(shè)深度不小于1.4 m，樁頂露出地表不大于10 cm。埋設(shè)方法采用挖坑至埋設(shè)深度，將預(yù)制邊樁放入孔內(nèi)，樁周用C15混凝土灌注，確保樁穩(wěn)定。

觀測(cè)精度采用Ⅳ等水準(zhǔn)要求，觀測(cè)儀器采用自動(dòng)安平電子水準(zhǔn)儀并配備專用的水準(zhǔn)尺。在實(shí)際測(cè)量過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用閉合水準(zhǔn)路線或附合水準(zhǔn)路線。

觀測(cè)時(shí)間及頻率:觀測(cè)期為采空區(qū)治理施工前1個(gè)月至施工結(jié)束后12個(gè)月，施工前1個(gè)月至施工后3個(gè)月每周觀測(cè)1次，其后每月觀測(cè)1次。

觀測(cè)任務(wù)由建設(shè)單位安排，觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)整理，提供給建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位。

6 結(jié)束語

結(jié)合甘泉線鐵路DK63+850.00～DK63+925.00和DK63+925.00～DK63+977.40段內(nèi)洞穴分布的大小及埋深情況，有針對(duì)性的提出治理方案。尤其對(duì)DK63+920.00～DK63+977.40段采空區(qū)路基地基所采用的全充填壓力注漿法加固措施進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)其施工工藝、質(zhì)量檢測(cè)及沉降監(jiān)測(cè)等進(jìn)行了細(xì)致論述。結(jié)果表明，對(duì)采空區(qū)采用合理的治理方案設(shè)計(jì)，加上嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制，能夠確保路基基底安全和穩(wěn)定，有效預(yù)防路基失穩(wěn)、下沉、塌陷等病害。

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