莊仲欣

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

巖溶塌陷具有復(fù)雜性、隱蔽性、突發(fā)性等特點(diǎn)，一直是巖溶地區(qū)鐵路路基的主要病害之一[1]。高速鐵路對(duì)線路穩(wěn)定、軌道變形要求極高，一旦發(fā)生巖溶塌陷，輕則限速斷道，重則造成安全事故，且無砟軌道路基維修相對(duì)困難，這些都給巖溶地段路基的設(shè)計(jì)帶來了很大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

在長昆高鐵湖南段巖溶地段路基設(shè)計(jì)過程中，堅(jiān)持貫徹了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則，并對(duì)處理措施進(jìn)行反復(fù)論證，以確定經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可靠的工程方案。

1 巖溶路基概況

1.1 工程概況

長昆高鐵湖南段是我國橫向高鐵大動(dòng)脈滬昆高鐵的組成部分，東起湖南省會(huì)長沙市，由高鐵長沙南站引出，經(jīng)邵漣盆地之后穿越雪峰山脈，西至湖南省懷化市新晃縣湘黔省界處，線路全長413.94 km。

1.2 巖溶分布情況

長昆高鐵湖南省內(nèi)巖溶路基段總長38.5 km，其中位于極易塌陷區(qū)的路基段長4.3 km，位于易塌陷區(qū)的路基段長13.1 km。

沿線寒武系，奧陶系，泥盆系，石炭系，二疊系，三疊系石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r，以及白堊系以灰?guī)r為主的礫巖等可溶巖廣泛出露，因覆蓋層較薄、斷裂構(gòu)造發(fā)育、地下水豐富，造成巖溶構(gòu)造發(fā)育，主要有溶洞、溶溝、溶槽、溶蝕裂隙等。長昆高鐵湖南段巖溶發(fā)育主要集中在長沙至新化間，新化至懷化段亦零星分布，其中婁底南、新化南、懷化南等車站全部或部分位于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，沿線經(jīng)過地區(qū)巖溶塌陷分布情況見圖1[2]。

圖1 湖南段沿線地區(qū)巖溶塌陷分布

湖南段巖溶地段路基巖溶發(fā)育程度分布情況見表1。

表1 巖溶地段路基巖溶發(fā)育程度統(tǒng)計(jì)

2 路基動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

巖溶處理措施的選擇與巖溶勘察精度緊密相關(guān)。因此，對(duì)于路基工程，必須堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則，即隨著工程的推進(jìn)，根據(jù)設(shè)計(jì)階段的勘察資料、施工階段的先導(dǎo)探察孔、開挖或鉆孔施工等資料，不斷印證設(shè)計(jì)方案和工程措施的正確性，必要時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案和工程措施。

施工圖設(shè)計(jì)階段，巖溶發(fā)育情況已基本查明。對(duì)極易塌陷地段，首先進(jìn)行路、橋方案比較，有條件設(shè)橋時(shí)，應(yīng)選擇以橋代路。沒有設(shè)橋條件時(shí)，可采用樁板結(jié)構(gòu)，并在其基樁位置布置注漿孔，利用其中不少于20%的注漿孔兼作先導(dǎo)探察孔，對(duì)巖溶發(fā)育形態(tài)作進(jìn)一步定性、定量勘察。對(duì)于其它巖溶發(fā)育地段，也應(yīng)采用注漿措施，布置注漿孔，利用不少于20%的注漿孔做為先導(dǎo)探察孔，摸清巖溶發(fā)育形態(tài)。對(duì)個(gè)別巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)域，應(yīng)及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)，變更巖溶整治措施，其動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)流程見圖2。

圖2 巖溶地段路基動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)流程

3 淺層巖溶處理

(1)對(duì)位于路堤基底或路塹基床換填層下，覆蓋土層厚度小于2 m的無充填溶洞，或當(dāng)溶洞范圍不受地下水變化的影響，且溶洞底板以下10 m深度范圍內(nèi)沒有洞隙發(fā)育時(shí)，可采用溶洞揭蓋，回填碎石灌水泥砂漿或回填C25混凝土等方法進(jìn)行處理。對(duì)出露于路基換填層范圍內(nèi)的石芽予以鑿除，并清除溶溝、溶槽內(nèi)的軟弱土層，位于基床范圍時(shí)回填C25混凝土，位于基床以下時(shí)回填滲水土。

(2)對(duì)位于路堤坡腳外5 m范圍內(nèi)，覆蓋土層厚度小于3 m的巖溶洞穴，可采取挖開，爆破揭頂，挖除洞內(nèi)松散充填物，回填片石或碎石后灌水泥砂漿等方法進(jìn)行處理。

圖3 基底淺層巖溶處理斷面示意(單位：m)

(3)對(duì)位于路塹邊坡范圍內(nèi)的溶洞、溶槽，可采用回填M10水泥砂漿砌片石或嵌補(bǔ)等措施，對(duì)洞徑大于1 m的溶洞，回填水泥砂漿砌片石深度按洞頂至塹頂高度的1.5倍控制；洞徑小于1 m的溶洞，回填深度不小于2 m。基底淺層巖溶斷面示意如圖3。

4 深層巖溶處理

4.1 注漿設(shè)計(jì)

①不易塌陷區(qū)-易塌陷區(qū)路基基底巖溶均采用鉆孔注漿處理。其中，對(duì)于裸露型巖溶區(qū)，當(dāng)頂板厚度不滿足穩(wěn)定要求時(shí)，鉆孔注漿深度至溶洞底板以下2 m；對(duì)于覆蓋型巖溶地段，鉆孔注漿深度不小于土石界面以下5 m，當(dāng)頂板厚度不滿足穩(wěn)定要求時(shí)，注漿深度至溶洞底板以下2 m[3，4]。土層內(nèi)注漿厚度一般為2～3 m，巖溶注漿橫斷面設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 基底巖溶注漿斷面示意(單位：m)

②對(duì)基底覆蓋層厚度大于30 m，且30 m范圍內(nèi)未見土洞的深層巖溶發(fā)育地段，一般不作處理。

③注漿水灰比為0.8～1.0，水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，可適量摻入粉煤灰，摻入量不宜大于30%[3，4]。

④巖溶注漿處理寬度：對(duì)于路堤及邊坡高度不大于1 m的路塹地段，加固寬度為路堤坡腳外5 m或塹頂外5 m；對(duì)路塹邊坡高度大于1 m地段，加固寬度為兩側(cè)側(cè)溝平臺(tái)范圍內(nèi)，當(dāng)塹腳有支擋結(jié)構(gòu)時(shí)，加固寬度為支擋結(jié)構(gòu)外緣。

⑤注漿孔間距：一般地段注漿孔間距為5 m，正方形布置；地表已塌陷地段或支擋結(jié)構(gòu)基底范圍的注漿孔間距為3.5 m，梅花形布置；當(dāng)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育(遇洞率≥60%，線溶率>15%)，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為易塌陷區(qū)時(shí)，宜優(yōu)先采用樁板結(jié)構(gòu)。

⑥路基基底覆蓋層采用復(fù)合地基時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行巖溶注漿再進(jìn)行地基處理；當(dāng)路基基底采用沖擊碾壓、重型振動(dòng)機(jī)械碾壓時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行碾壓，再進(jìn)行巖溶注漿。

⑦注漿結(jié)束后，應(yīng)采用鉆孔取芯結(jié)合壓水試驗(yàn)、瞬態(tài)面波檢測(cè)及電測(cè)深法等進(jìn)行注漿效果檢測(cè)及評(píng)價(jià)，應(yīng)按《高速鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(TB10751—2010)[5]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

4.2 樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樁板結(jié)構(gòu)將路基及軌道、列車荷載通過承載板傳遞到基樁上，再由基樁傳遞到巖溶發(fā)育層下的完整穩(wěn)定巖層中，溶洞頂板不受附加荷載的影響。長昆高鐵湖南省內(nèi)巖溶地段(共計(jì)23處，總長3.03 km)路基采用樁板結(jié)構(gòu)跨越巖溶極易塌陷區(qū)，也是國內(nèi)首次在鐵路建設(shè)中大范圍以樁板結(jié)構(gòu)處理路基基底巖溶。

對(duì)樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高、低樁板方案的對(duì)比分析。高樁板方案承載板置于路基面附近，雖然大大減少了承載板寬度和灌注樁根數(shù)，投資較少，但其在填筑完成的路基上進(jìn)行灌注樁施工，惡化了路基條件，路基荷載直接施加在溶洞頂板上，灌注樁傳遞的只是軌道和列車荷載，沒有起到減少填土荷載的作用，不予推薦。

(1)結(jié)構(gòu)形式選擇

樁板結(jié)構(gòu)形式較為靈活，大致可以分為以下三種[6]。

①獨(dú)立墩柱式

基樁與承載板直接連接，承載板直接固接或鉸接于樁上，此時(shí)承載板為多跨連續(xù)雙向板。

②托梁式

由基樁、托梁與承載板三部分組成，托梁連接橫向基樁，其上再與承載板相連，基樁與托梁固接，承載板與托梁固接、鉸接或者搭接。此時(shí)承載板為多跨連續(xù)單向板，在局部活載作用下為雙向板。

③復(fù)合式

為獨(dú)立墩柱式、托梁式的組合結(jié)構(gòu)，中跨采用獨(dú)立墩柱式，邊跨采用托梁式。

三種樁板結(jié)構(gòu)形式即有共性又各有特點(diǎn)，其中，獨(dú)立墩柱式板體不只是縱橫兩方向受力，視支撐情況可以任意方向共同受力；托梁式板體則主要為縱向受力，其設(shè)計(jì)較其他兩種形式簡單。總體來講，托梁式樁板結(jié)構(gòu)受力明確，內(nèi)力計(jì)算相對(duì)簡單，更有利于推廣。

采用Midas軟件建立計(jì)算模型，進(jìn)一步對(duì)上述三種形式的樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和經(jīng)濟(jì)比較。計(jì)算結(jié)果顯示，與托梁式樁板結(jié)構(gòu)形式相比，獨(dú)立墩柱式及復(fù)合式樁板結(jié)構(gòu)中承載板的彎矩、剪力較大，使得承載板配筋及截面增加，造價(jià)較高，故本工程采用托梁式低樁板結(jié)構(gòu)方案。

托梁樁板結(jié)構(gòu)由基樁(鉆孔灌注樁)、托梁、承載板三部分組成(見圖5～圖6)。

圖5 托梁低樁板結(jié)構(gòu)整體示意

圖6 托梁低樁板結(jié)構(gòu)橫剖面

(2)技術(shù)要求

①樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮巖溶塌陷的影響，托梁與承載板分別按與地基全部脫空、部分脫空和不脫空等工況計(jì)算。

②托梁樁板結(jié)構(gòu)承載板縱向高程突變處應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土墊梁過渡。托梁與灌注樁剛性連接，承載板置于托梁之上(與托梁搭接)，墊梁與承載板澆筑為一體。

③承載板厚0.8～1 m；托梁寬1.5～1.8 m，厚0.8～1.2 m；鉆孔灌注樁樁徑1～1.5 m，橫向間距5～6 m，縱向間距4～7 m。

④基樁必須穿透溶洞嵌入穩(wěn)定巖層中，其嵌入深度應(yīng)按相關(guān)規(guī)范要求且不小于1 m[7，8]。樁端以下5 m深度范圍內(nèi)應(yīng)無影響地基穩(wěn)定的洞隙存在[7]。

⑤灌注樁施工前應(yīng)進(jìn)行工藝性試樁，并按相關(guān)規(guī)范要求選取不少于2根樁作為首件評(píng)估[9]。承載板、托梁、墊梁及基樁均采用強(qiáng)度等級(jí)不低于C35的混凝土。侵蝕條件下應(yīng)嚴(yán)格按照《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

⑥鉆孔施工過程中應(yīng)逐樁核對(duì)地質(zhì)情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)不符時(shí)應(yīng)及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)單位。

⑦由于機(jī)械擾動(dòng)、振動(dòng)以及施工對(duì)地下水環(huán)境系統(tǒng)的改變和影響，施工時(shí)極有可能發(fā)生地面巖溶塌陷，必須制定安全防護(hù)技術(shù)措施和應(yīng)急預(yù)案。

⑧當(dāng)鉆至洞頂1.0 m左右時(shí)應(yīng)采用小沖程(0.5～1.0 m)鉆進(jìn)，緩慢將洞頂擊穿。在擊穿無填充或半填充溶洞頂板前應(yīng)密切注意護(hù)筒內(nèi)泥漿面的變化，若泥漿面下降，應(yīng)迅速補(bǔ)漿補(bǔ)水，并根據(jù)溶洞大小向孔洞中拋片石、黏土，充盈后再行施鉆。重復(fù)以上工序，直至成孔[11]。

⑨鉆孔灌注樁施工完成28天后對(duì)全部基樁進(jìn)行成樁質(zhì)量檢測(cè)。當(dāng)樁長不大于40 m時(shí)，采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行檢測(cè)；樁長大于40 m時(shí)，利用聲波透射法進(jìn)行檢測(cè)[12]，并在鋼筋籠安裝時(shí)預(yù)埋聲測(cè)管。

⑩托梁寬度不大于30 m時(shí)，混凝土需一次澆筑完成；托梁寬度大于30 m時(shí)，為減少混凝土的溫度應(yīng)力，每隔20～30 m設(shè)一道后澆帶，后澆帶寬0.8～1.0 m，于1/4梁跨靠近跨中一側(cè)設(shè)置，并應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)鋼筋。此時(shí)托梁分兩次澆筑完成。

5 深化設(shè)計(jì)

施工單位在按上述要求完成先導(dǎo)孔探察后，須及時(shí)報(bào)送勘察成果資料，設(shè)計(jì)單位根據(jù)勘察資料逐工點(diǎn)進(jìn)行巖溶處理措施的確定和詳細(xì)設(shè)計(jì)，并向建設(shè)單位報(bào)送詳細(xì)設(shè)計(jì)圖，施工單位在未取得深化設(shè)計(jì)資料前不得進(jìn)行下一步巖溶處理施工。

(1)對(duì)于先導(dǎo)孔探察資料與地質(zhì)勘探資料揭示的巖溶發(fā)育情況基本吻合，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)均為不易塌陷-易塌陷區(qū)的巖溶地段路基，仍維持原設(shè)計(jì)的淺層巖溶處理或注漿處理措施，對(duì)所有注漿孔的注漿深度進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，同時(shí)提出估算的注漿工程數(shù)量。對(duì)需進(jìn)行淺層巖溶處理的區(qū)域，應(yīng)給出換填數(shù)量。

本線某段巖溶路基，定測(cè)階段資料顯示為巖溶中等-強(qiáng)烈發(fā)育，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)布置注漿孔643個(gè)，其中208個(gè)孔做為先導(dǎo)孔，由施工單位在平整場地后施作。根據(jù)先導(dǎo)探察資料，共97個(gè)鉆孔見溶洞(遇溶率為46.6%)，平均線溶率為19.3%，為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。對(duì)全部643個(gè)注漿孔注漿深度以圖表形式表示，統(tǒng)計(jì)得出注漿段長度，然后按《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》[3]確定該工點(diǎn)的估算注漿數(shù)量。

(2)先導(dǎo)孔探察資料與地質(zhì)勘探資料揭示的巖溶發(fā)育情況出入較大時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為極易塌陷時(shí)，按經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較結(jié)果，優(yōu)先采用樁板結(jié)構(gòu)。

本線某段巖溶路基，定測(cè)完成鉆探8孔267.3 m，顯示溶洞頂?shù)装迓裆顬?.8～30.4 m，部分溶洞充填軟塑黏性土、粗角礫土，部分為空洞無充填，遇溶率為87.5%，線溶率為5.9%～34.5%，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為易塌陷。施工圖按注漿方案設(shè)計(jì)，布置66個(gè)先導(dǎo)勘察孔，布孔兼顧了樁板結(jié)構(gòu)跨越的樁位布置要求。施工先導(dǎo)孔探察資料揭示，66個(gè)先導(dǎo)孔均有溶洞發(fā)育，遇溶率為100%，溶洞高0.4～11.7 m，線溶率為9.3%～66.5%，大部分溶洞和溶蝕裂隙為無充填，少數(shù)全充填。本段評(píng)價(jià)為極易塌陷區(qū)。此段路基為低填淺挖，沒有設(shè)橋條件，最終采用托梁樁板結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)束語

由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，從設(shè)計(jì)到施工，巖溶地段路基的勘察是一個(gè)由點(diǎn)到面的深入過程，巖溶地段路基的設(shè)計(jì)也同樣是一個(gè)深化和調(diào)整的過程。

巖溶極易塌陷區(qū)采用路基通過時(shí)，應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方案比選，有條件設(shè)橋且經(jīng)濟(jì)相當(dāng)時(shí)應(yīng)采用橋梁形式通過。沒有條件設(shè)橋的車站咽喉區(qū)、低填淺挖地段，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行低樁板結(jié)構(gòu)方案和地基加固結(jié)合注漿方案的比較。實(shí)踐證明，樁板結(jié)構(gòu)的樁基工藝成熟，質(zhì)量可控；而鉆孔注漿質(zhì)量可控性較差。因此，在巖溶極易塌陷區(qū)，宜優(yōu)先采用低樁板結(jié)構(gòu)方案。

[1] 盧春房.高速鐵路建設(shè)典型工程案例-路基工程[M].北京：中國鐵道出版社，2015

[2] 王明慧，等.基于改進(jìn)型灰色理論模型的山區(qū)高速鐵路路基沉降變形分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017(12)：5-9

[3] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.TB10106—2010 鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2010

[4] 鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.TB10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[5] 中鐵十二局集團(tuán)有限公司.TB10751—2010 高速鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[6] 隋孝民，許志勇.樁板結(jié)構(gòu)在強(qiáng)發(fā)育巖溶無砟軌道中的應(yīng)用研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2015，32(4)：54-59,70

[7] 中國建筑科學(xué)研究院.GB50007—2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011

[8] 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司.TB10093—2017 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2017

[9] 中鐵三局集團(tuán)有限公司，中鐵大橋局集團(tuán)有限公司.QCR9652—2017 客貨共線鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2017

[10] 中國鐵道科學(xué)研究院.TB10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[11] 中鐵三局集團(tuán)有限公司.鐵建設(shè)[2010]241號(hào) 高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[12] 中國鐵道科學(xué)研究院.TB10218—2008 鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2009