1、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；19842003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“Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Engineering and Environmental Impacts of Karst(岩溶
2、塌陷和岩溶工程与环境影响多学科国际讨论会)” 。 19851989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
3、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
4、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)，
5、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。 岩 性塌陷个数（个）面积（km2）塌陷密度（个/km2）粉质土1288.7814.57含砾粉质粘土181.4612.3粘土
6、冲洪积373.4710.67坡残积12814.428.88残 积61.354.44砂砾石20.682.95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。 覆盖层结构塌陷数量（个）占比例(%)分布面积（km2）塌陷密度（个/km2）一元粘性土18858.918.0610.41二元粘砂砾268.22.998.69多元粉质砂砾粘土154.72.057.33混杂粉质粘质砾砂石9028.26.2514.43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
7、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610m。 全岩溶地层 。岩溶塌陷点的成因类型 地区统计塌陷总数自然因素人为因素抽水列车震动其它荷载渠道渗漏桂林市区64203347-临桂县4624115-5灵川县17143-湘桂线路基岩溶塌陷评价因子组合与评分 主要因数组合因素因素水平因素水平评分备注岩溶发育程度F140岩石可溶性10灰岩岩组10灰岩白云岩岩组8白云岩岩组5泥质灰岩岩组3钻孔见洞率或剖剖面岩溶率20钻孔见洞率40%20 钻孔见洞率率n=400%20n/40%剖面岩溶率15%20剖面岩溶率n=150%20
8、n/15%地貌单元10孤峰峰林平原10峰丛谷地8丘陵谷地5缓丘谷地4缓丘平原3续上表覆盖层特征F230厚度2015m20h=530m0.8（30-h）成因5冲洪积5坡残积3其他2结构2单一结构2多元结构1固结3松散3粘结2固结1 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 F70， 不易塌陷区； F =7189，易塌陷区； F 90，极易塌陷区。4 路基岩溶水治理岩溶水治理 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
9、段K139+410K139+5605 路基岩溶塌陷治理岩溶塌陷治理 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。10kHHfHbH)90tan(0gwfkabctgctgL0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，
10、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
11、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
12、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。 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
13、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0.6:11:1。 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0.20.5MPa；粘性土中，灌浆压力宜选用0.20.3MPa。充填地下洞穴和空洞可采用自流灌浆。 5）灌
14、浆终注条件：在灌浆压力表不小于0.20.5Mpa时，10分钟持续灌浆量小于15L/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25mm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46小时，一次的水泥浆用量以23m3为宜。6 岩溶路基不均匀沉降治理治理 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
15、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。 检测方法灌浆处理对象检测方法及适用条件检测内容检测目的采空区钻孔法波速测井法电磁波CT补注浆岩芯观察孔内弹性横波空间采空洞充填是否有充填结实体结石体强度检测充填率岩溶钻孔法瞬态面波法（覆盖层小于25m）电测深法（处理前后同时采用，两者进行对比）压水实验电磁波CT空洞充填地层渗透率是否有充填结石体检测充填率天然土洞及人防工程地质雷达（空洞埋深小于10m）钻孔法补注浆空洞充填岩芯观察是否有充填结石体检测结实率软弱渗透地基瞬态面波法（埋深小于25m）钻孔法压水实验弹性横波地层渗透率地层强度及变形模量是否提高地层渗透率是否下降检
16、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510%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
17、计规范（TB100352002）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
18、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（TB100272001,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/T51482001） 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
19、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5 m、右5 m各布置三排孔，孔距为5 m，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55 m。 注浆压力参数：灰岩
20、注浆压力一般为0.31.0 MPa，最大为1.5MPa，岩土界面附近注浆压力可逐步加大至0.30.5 MPa，最大可为1.5 MPa。 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3050：硫酸盐为520：硅酸盐为515；氧化硅为110；氧化钙为l10浙赣线浙赣线 路肩设计高程灰岩覆盖土层岩层注浆站场咽喉区地段代表性岩溶整治图左线右线1:1.501:1.50站线（封锁）站线站线土层注浆空钻左线右线站场咽喉区地段代表性平面图 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
21、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1/41/3； 采用孔底循环式全孔注浆要求射浆管伸入孔内离孔底约0.51.0m； 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；分类 岩溶发育情况及相应处理措施 倒流 1.对路基上方的岩溶泉或冒水洞，设排水沟截至路基外，对位于路基基底的岩溶泉或冒水洞设涵或暗沟将水排除。 跨越 1.路基地有流量较大的暗河、落水洞、消水坑、岩溶泉等，设桥跨越；规模较小的设涵洞跨过。基底附近的可设挡土墙、护角将基础隔在路基外。在
22、路基外避免封闭。当溶洞位于路基底或路基附近时，需对溶洞顶板安全厚度及距路基的安全距离进行计算。 加固 1. 洞径大、洞内施工条件好的溶洞，可采用浆片石支墙、支柱及码砌片石垛等加固，如需保持洞内水流畅通，可在支撑工程间设置涵管排水。 2. 深而小的溶洞不便用洞内加固时，采用石盖板或钢筋混凝土盖板封闭，靠近边沟的应防此边沟水的渗漏。 3. 对洞径小、顶板薄或岩层破碎的溶洞，采用爆破顶板用片石回填，如溶洞较深或须保持排水时，采用拱涵或板涵跨越。 4. 对路基范围内的地表塌陷，如基岩未出露者，采用粘土回填夯实，如基岩出露并见空洞洞口时，先用大块石堵塞洞口在用粘土回填土洞。 5. 对溶洞埋深较深，洞顶板
23、较薄 的地段，采用钻孔注浆加固：注浆采用低压间歇定量或循环式灌注，目的是减少浆液流失，间歇时间可控制在78 小时。 6. 当溶洞内的土不会从旁的地方被挤压走且土呈可塑或半坚硬 状态时，为提高基础承载力可用打桩加固。 堵塞 1. 对于路堑边坡上的溶洞，如影响边坡稳定时，洞内用片石填塞，洞口用干砌片石、砂浆勾缝或采用浆砌片石封闭。 2. 对位于路基基底或挡土墙基底的干溶洞，当洞口不大，深度较浅时，回填夯实；当洞口较宽及深度较大时，采用桥涵跨越；当干溶洞顶板太薄或岩层较破碎时，可爆破后回填或设桥涵跨越。 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
24、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，加固位置可控性强，主要是新增加钻孔和隧道中间钻探孔。广州市轨道交通五号线草暖公园至小北站区间盾构区间3）注浆材料 周边孔：纯水泥浆+水玻璃； 中央孔：纯水泥浆。4）注浆压力和注浆量 周边孔：以相对小压力、多次数、较大量控制；压力0.21.0MPa，34，总注浆量控制在92立方米以内。 中央孔：压力按0.82.0控制，3次，总注浆量控制58立方米左右。5）注浆间歇时间 每次间隔610小时。6）注浆终止标准 注浆终压达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80% ；或虽未达到设计终压, 但注浆量已达到设计注浆量, 即可结束本孔注浆。铁路沿线岩溶地面塌陷分布图
