薛 元 鄭永飛 曾 銳 曾小波

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031)

動態(tài)設計在云桂鐵路路基巖溶整治中的應用

薛 元 鄭永飛 曾 銳 曾小波

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031)

巖溶發(fā)育受地形地貌、地質條件、水動力條件、氣候條件控制，形態(tài)各異、極不規(guī)律。為確保鐵路施工及運營安全，巖溶整治措施必須具有針對性，但施工之前開展大規(guī)模、高密度的鉆探和物探等綜合勘探手段查明每一段巖溶的詳細發(fā)育情況是不現(xiàn)實的，故有必要利用施工中的開挖、鉆孔等措施驗證前期的勘探，開展動態(tài)設計、動態(tài)施工。文章以云桂鐵路巖溶整治采取動態(tài)設計、探灌結合的方案為例，總結了一整套巖溶動態(tài)設計、動態(tài)施工的實施細則，該細則明確了參建各方的職責和作業(yè)流程，可有效的控制施工質量和投資，降低工程風險。該實施細則已被成都鐵路局、昆明鐵路局等建設管理單位推廣應用。

云桂鐵路； 巖溶整治； 動態(tài)設計； 分序實施

1 云桂鐵路巖溶發(fā)育情況

新建云桂鐵路東起廣西南寧，西至云南昆明，正線長度約710 km，其中云南境內約434 km，廣西境內約276 km。云桂鐵路橫跨我國兩大構造單元和地貌單元，自桂中平原區(qū)的南寧、百色經(jīng)云南富寧爬升至滇東南區(qū)的彌勒、石林至昆明，自然地質條件復雜。其中巖溶是鐵路工程建設所面臨的最主要工程地質問題。

云桂鐵路沿線巖溶分布廣泛，巖溶地段總長近310 km，其中路基巖溶長度約117 km，約占巖溶線路總長的42%。巖溶類型多樣，裸露型、覆蓋型和埋藏型三者兼有；地表巖溶形態(tài)多樣，以峰叢洼地和溶丘洼地(谷地)為主，兩者分布區(qū)占巖溶線段長度的70%，如圖1所示。地下巖溶空間發(fā)育規(guī)模及空間分布極不均勻；基巖表面覆蓋土層物質成分、粒徑組成、結構和厚度等變化較大；沿線地形地貌、地層巖性、地質構造及水文地質結構和地下水動力條件復雜。

圖1 在建云桂鐵路巖溶段巖溶組合形態(tài)統(tǒng)計

沿線巖溶易塌陷區(qū)123處，區(qū)段長度約111 km；極易塌陷區(qū)6處，區(qū)段長度約6 km。由于巖溶塌陷是威脅在建云桂鐵路巖溶路基穩(wěn)定的主要地質隱患之一，所以，對云桂鐵路沿線巖溶發(fā)育特征及其主要工程地質條件和相應整治原則措施進行深入研究，是確保云桂鐵路巖溶地段路基建設和運營安全的關鍵。鑒于勘察階段物探、鉆探等勘察密度、精度受限，有必要借助施工鉆孔和施工開挖進一步對巖溶形態(tài)詳判以細化整治設計。為了確保措施的針對性，云桂鐵路路基巖溶整治提出了“探灌結合、分析實施、動態(tài)設計、動態(tài)施工”的方案。

2 動態(tài)設計分序實施法的總體思路

2.1 常規(guī)方法

巖溶設計采用一次性出圖、一次性施工，是基于勘探根據(jù)現(xiàn)場踏勘、物探及鉆孔綜合宏觀分析區(qū)域的巖溶發(fā)育程度，按照易、極易、不易塌陷區(qū)采取相應的工程整治措施，這種方法存在的缺點是施工過程中揭示有異于原設計的地質情況不能及時反饋，一定程度造成設計措施缺乏針對性，沒有最大限度的優(yōu)化投資。

2.2 本文方法——探灌結合、動態(tài)設計、分序實施

(1)探灌結合：鉆孔注漿是目前覆蓋性巖溶的一般性整治措施，在注漿孔設計時，布置一定比例的先導I序孔，作為勘探孔，進一步探明隱伏巖溶的發(fā)育情況。

(2)動態(tài)設計：根據(jù)勘探孔進一步揭示地質特征調整加固范圍、加固措施、具體施工的參數(shù)和工藝。

(3)分序實施：施工單位現(xiàn)場根據(jù)設計提供的I序孔設計進行探灌結合式施工，施工完成交付資料后，待設計重新評估，另行出圖加強或優(yōu)化設計，再行施工。

3 探灌結合、動態(tài)設計法的具體操作流程

3.1 基本程序

設計完成一期工程施工圖→施工圖審核審批→一期工程施工→施工單位提交經(jīng)監(jiān)理簽認的一期施工鉆孔(含先導探灌孔)資料→對一期整治效果做出綜合評判，確定是否進行二期整治→建設單位審批→開展二期工程施工圖設計→施工圖審核審批→交付施工→動態(tài)調整及實施效果評定，具體流程如圖2所示。

圖2 動態(tài)設計整治流程圖

3.2 各方職責

(1)施工單位：在施工過程中若發(fā)現(xiàn)與地質資料出入較大，特別是發(fā)現(xiàn)空溶洞、土洞和出現(xiàn)注漿量特別大時，應及時通知建設單位等現(xiàn)場驗證。對填報的鉆孔記錄表、注漿記錄表的數(shù)據(jù)真實性負責，按“驗標”要求及時編制“巖溶路基處理檢驗批”，自檢合格后報監(jiān)理驗收簽字；及時按要求提交I序孔(含先導孔)施工情況報告及相關資料至設計單位；對提交資料不對口、與施工圖地質情況差異大，或相關單位對其真實性和可靠度有疑問并要求現(xiàn)場驗證時，應按要求組織實施現(xiàn)場鉆孔驗證。巖溶路基處理施工中出現(xiàn)的問題及時反饋建設和設計單位。

(2)監(jiān)理單位：在巖溶注漿施工時全過程旁站；對鉆孔記錄表、注漿記錄表當日簽字確認。對簽字確認的鉆孔記錄表、注漿記錄表的數(shù)據(jù)真實性負責，及時對巖溶路基處理檢驗批進行驗收簽認、對巖溶路基注漿工程量進行確認。

(3)設計單位：在施工過程中若發(fā)現(xiàn)與地質資料出入較大，特別是發(fā)現(xiàn)空溶洞、土洞和出現(xiàn)注漿量特別大時，應及時配合建設單位、施工單位及監(jiān)理單位至現(xiàn)場參與現(xiàn)場驗證和技術指導工作。設計單位對施工單位提交的、經(jīng)監(jiān)理審查屬實的、簽署完備的資料進行驗證分析，對驗證后的地質情況進行加深評價，明確后續(xù)注漿孔實施意見并完成二期工程加固設計，報咨詢單位審查、建設單位審批；設計單位對提交資料不對口、與施工圖地質情況差異大，或對其真實性和可靠度有疑問時，提請建設指揮部組織并參與現(xiàn)場鉆孔驗證。

(4)咨詢單位：對設計單位的后續(xù)注漿孔實施意見及二期工程加固設計進行審查并給出審查意見。

(5)建設單位：對施工單位提交資料不對口、與施工圖地質情況差異大，或對其真實性和可靠度有疑問時，組織各參建單位進行現(xiàn)場鉆孔驗證；對各單位簽審提交的后續(xù)注漿孔實施意見進行審批，給出審批意見，作為后續(xù)注漿孔施工的依據(jù)。

4 塌陷亞區(qū)分區(qū)詳判原則

根據(jù)施工提交的先導鉆孔資料，劃分塌陷區(qū)：A——極易塌陷亞區(qū)(綜合評分≥90分)，B——易塌陷亞區(qū)(綜合評分<90分，≥70分)，C——不易塌陷亞區(qū)(綜合評分<70分)。評分參考標準如表1所示，總分為100分，其中坍陷動力-水的影響因素占25分，覆蓋層的物質成分占25分，塌陷與儲運條件占50分。

表1 巖溶整治先導施工鉆孔巖溶地面塌陷預測分析參考標準

(1)表1判定標準必須剔除鉆孔人工填筑層，對于裸露型巖溶，鉆孔判定按以下標準執(zhí)行：勘探未見溶洞的鉆孔(即巖溶發(fā)育程度5分)按不易塌陷判定，評分為65分；鉆孔見溶洞(即巖溶發(fā)育程度為35分)，根據(jù)厚跨比確定分值(溶洞頂板厚度b，鉆孔溶洞直徑d)。5d

(2)鉆孔土層中遇到土洞的判定為極易塌陷，分值100分。施工區(qū)段附近近期產生過塌陷，根據(jù)調查資料結合I序施工鉆孔資料劃分極易塌陷區(qū)范圍(分值100分)。

(3)地表降水入滲致塌陷區(qū)(主要指平原、谷地、溶蝕洼地區(qū))，水的指標為25分；終孔未見穩(wěn)定水位，該孔穩(wěn)定水位采用前后鉆孔穩(wěn)定水位平均值。對于非溶蝕破碎(機械破碎、風化破碎等)地段，可結合該段范圍統(tǒng)計的巖溶發(fā)育程度對單孔指標分進行修正，鉆孔遇洞率為10%～20%地段未遇溶洞的鉆孔指標分減5分，鉆孔遇洞率為5%～10%地段未遇溶洞的鉆孔指標分減10分，鉆孔遇洞率<5%地段未遇溶洞的鉆孔指標分減15分。

5 動態(tài)設計分序實施法具體案例

5.1 巖溶路基優(yōu)化設計段(DK 560+200～DK 560+300鉆孔注漿優(yōu)化方案)

(2)巖溶發(fā)育情況：該工點處于幸福隧道—南盤江水動力單元內的補給區(qū)，地表巖溶形態(tài)主要為溶丘谷地，覆蓋土層較厚，地下巖溶中等發(fā)育，勘察階段鉆孔見洞率為10%，溶洞高度為2.5 m。地下水動力條件較弱，溶洞內為軟塑狀黏土全填充。因受本水動力單元內沿斷層發(fā)育的地下暗河影響，地下水位埋藏較深。地表巖體見溶隙、溶孔等巖溶現(xiàn)象。物探揭示巖溶強烈發(fā)育，如圖3所示。綜合分析，本段路基巖溶中等發(fā)育。根據(jù)《鐵路工程不良地質勘察規(guī)程》及相關標準，本段評價為易塌陷區(qū)。潛在塌陷機制為降雨入滲致塌。

圖3 DK 560+200～DK 560+300路基物探剖面圖

(3)巖溶整治措施：根據(jù)本段巖溶發(fā)育特征及其評判結果，為了封堵降雨導致土層遷移的通道和賦存空間，避免塌陷影響路基穩(wěn)定，本段路基巖溶整治主要采用注漿充填基巖表層巖溶空間的治理措施。

(4)巖溶一期工程整治設計：根據(jù)本段巖溶路基的塌陷調查及物探勘探結果，本段路基巖溶中等發(fā)育。依據(jù)云桂線巖溶路基動態(tài)設計原則，本段巖溶路基分兩期進行設計，本段一期勘探設計平面鉆孔布置如圖4所示。

圖4 一期工程整治設計平面圖

(5)巖溶二期工程整治設計:根據(jù)巖溶探灌結合動態(tài)設計原則，該段在巖溶一期整治后，結合一期工程探灌孔的鉆探資料，進行了巖溶塌陷分亞區(qū)加深評價。二期工程平面分區(qū)設計如圖5所示。從二期工程塌陷分區(qū)可以看出該段巖溶路基主要分為易塌陷亞區(qū)和不易塌陷亞區(qū)。對易塌陷亞區(qū)(B區(qū))，在I序孔中間內插Ⅱ序注漿處理；對不易塌陷亞區(qū)(C區(qū))，不再進行二期工程加固。

圖5 二期工程整治塌陷亞區(qū)及設計平面圖

5.2 巖溶路基加強設計段(HDK 19+500～HDK 19+731樁板結構跨越工點)

(2)巖溶發(fā)育情況：工點處于石林盆地水動力單元內的徑流區(qū)，發(fā)育于二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r、白云巖地層中，鉆探揭示上部20 m內溶隙、溶洞發(fā)育，巖溶強烈發(fā)育，巖體較破碎，下部巖體普遍較完整。測段地表水主要為農田灌溉溝渠水，為外圍水渠引入及大氣降雨補給。測區(qū)第四系土層黏性強，含孔隙潛水甚微；下伏地層以灰?guī)r為主，巖溶水埋藏較深。經(jīng)鉆孔揭示，測段地下水埋深較深。本單元水文地質結構復雜，因質純碳酸鹽巖下伏非可溶巖的頂托作用，巖溶發(fā)育受侵蝕基準變化的影響較小，地下巖溶強烈發(fā)育。前期勘察鉆孔見洞率29.5%，見洞率不算太高，但常見多層溶洞發(fā)育，溶洞高0.3～8.9 m，規(guī)模差異較大，如圖6所示；物探揭示巖溶強烈發(fā)育，如圖7所示，綜合分析本段巖溶中等～強烈發(fā)育，為易塌陷區(qū)。

(3)巖溶整治措施：根據(jù)本段I序孔中勘探孔揭示溶洞密集發(fā)育，多有串珠狀溶洞發(fā)育，而且位于地形低洼地段，若采用注漿加固，則阻斷鐵路范圍的地下水排泄，引起路基范圍積水，影響路基穩(wěn)定。綜合對比研究后，HDK 19+500～HDK 19+731段巖溶路基采用樁板結構跨越通過。樁板結構設計的縱斷面如圖8所示。

圖6 鉆孔揭示巖溶發(fā)育代表性斷面

圖7 路基巖溶發(fā)育代表性物探剖面圖

圖8 樁板結構設計縱斷面設計圖

主要工程措施如下：

①HDK 19+500～HDK 19+731段，長231 m；地基采用鋼筋混凝土樁板結構加固，為11聯(lián)33跨，每3跨一聯(lián)，每聯(lián)縱向樁間距均為7.0 m(中～中)。

②樁板結構由承載板、托梁和鉆孔灌注樁組成，均采用C40鋼筋混凝土現(xiàn)澆。

③承載板板厚為0.8 m，每聯(lián)長21 m(沿線路方向)，寬10 m(垂直于線路方向)，承載板沿線路方向每隔21 m設1道伸縮縫，縫寬2 cm，縫內填充填縫板和填縫料，填縫板采用瀝青纖維板，填縫料采用常溫施工的高彈性聚胺脂。

④托梁高0.85 m，托梁寬1.6 m(沿線路方向)，長10.4 m(垂直于線路方向)，其中托梁與樁均剛性連接，樁主筋伸入托梁。邊跨承載板與托梁搭接，搭接處設置預埋鋼筋限制位移方向。中跨承載板與托梁剛性連接，由中跨樁主筋穿過托梁，并伸入承載板。托梁底鋪設0.1 m 厚的C25素混凝土找平層。

⑤基樁為鉆孔灌注樁，共設68根，樁徑為1.25 m。樁頂伸入托梁不小于0.1 m?；鶚恫捎眯辛惺脚帕?，縱向樁間距為7.0 m(中～中、沿線路方向)，橫向樁間距為4.6 m，樁長12～24 m。

5.3 路塹開挖裸露型巖溶回填工點

云桂鐵路在路基施工開挖過程中產生的地表塌陷坑及開挖揭示的溶洞均采用了開挖回填漿砌片石措施。較具代表性的開挖回填工點為膩革龍車站，屬于幸福隧道—南盤江水動力單元內的徑流區(qū)，具有典型的徑流區(qū)巖溶發(fā)育特征，地下巖溶發(fā)育強烈，且規(guī)模較大，土層覆蓋不均，地下水位埋藏深。受此影響，路基潛在塌陷機制為降雨入滲致塌及溶洞基巖頂板坍塌。路基施工過程共發(fā)現(xiàn)塌陷坑或者空溶洞共有3處，均進行了開挖回填處理措施。

5.3.1 DK 571+800右側10 m塌陷工點

線路DK 571+800右側10 m的范圍內，膩革龍—小壩心斷層經(jīng)過此處，塌陷坑的形狀為圓形，直徑為2 m。塌陷發(fā)生在土層中。該塌陷坑覆蓋層較厚，根據(jù)附近的鉆孔，得知該處的覆蓋層厚度達到了15 m，塌陷坑上部的土層厚度為3 m。紫紅色，硬塑，土質較均一，局部位置含有角礫。下部基巖溶蝕較嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育。在塌陷坑旁邊的土層中有地表水沖刷的跡象。

造成塌陷的原因是施工中產生的動荷載。塌陷發(fā)生時，旁邊有一個施工車輛在進行開挖作業(yè)，開挖減小了上覆土層的厚度，使得發(fā)生塌陷處土層無法承受上部荷載，土體會發(fā)生失穩(wěn)；施工車輛不僅增加了塌陷坑上部的自重，且產生的動荷載施加在塌陷坑上部。此處有地表水潛蝕形成的微小土洞，在多重因素下，最終導致了塌陷的發(fā)生。

5.3.2 DK 570+138左側12 m塌陷工點

塌陷坑位于線路DK 570+138左12 m的范圍內，塌陷坑為圓形，直徑為1 m，塌陷深度為0.5 m，塌陷發(fā)生在土層中且塌陷時間發(fā)生在暴雨之后。該塌陷坑位置處覆蓋層較厚，根據(jù)其旁邊的鉆孔資料顯示該處的土層厚度為13 m，棕黃色粉質黏土，硬塑，土質較均一，在基巖面之上有1 m的碎石土。土層下部的基巖溶蝕嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育。塌陷坑的位置位于洼地的邊緣，距離洼地的底部6 m。

造成塌陷的原因是，降雨時，地表水入滲，使得土體中的空隙被水充滿，產生的孔隙水壓力增大，使得有效應力減小。另外，由于水的出現(xiàn)，增加了土體的自重，弱化了土體的抗剪強度，使得土體中的細小顆粒很容易被入滲的水流帶走，形成微小的土洞，隨著降雨次數(shù)的增加，土洞不斷發(fā)展，最終導致了塌陷。

5.3.3 DK 569+720右24 m塌陷工點

塌陷坑位于線路DK 569+720右24 m的范圍內，塌陷坑為橢圓形，長軸長0.6 m，短軸長0.4 m，深度為5 m，塌陷坑如圖9所示。

圖9 DK 569+720右24 m塌陷坑

塌陷坑上部的覆蓋層很薄，僅0.3 m的紫紅色粉質黏土，夾有少量角礫，硬塑，土質較均一。土層之下的基巖溶蝕嚴重，節(jié)理裂隙很發(fā)育，厚度僅1～1.5 m。塌陷發(fā)生后，經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)基巖之下有個較大的溶洞，深2 m，長寬各1.5 m。塌陷發(fā)生時旁邊有施工車輛在進行開挖作業(yè)。

塌陷坑發(fā)生塌陷的原因是，上部的覆蓋層很薄，地表水很容易入滲并將細小的物質帶走，形成微小的孔洞。溶洞的巖溶頂板較薄，巖溶頂板能承受上部巖土體的自重，不會出現(xiàn)塌陷。但當車輛在作業(yè)時，在巖溶頂板中會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，當達到其承載極限時，巖溶頂板會發(fā)生脆性破壞，無法承受上部荷載，隨后塌陷。

以上3段巖溶路基，開挖后對塌陷坑進行了揭蓋回填漿砌片石封閉處理，并對溶洞周邊范圍內路基進行鉆孔注漿處理。

6 云桂鐵路動態(tài)設計分序實施法經(jīng)濟效益分析

動態(tài)設計的方案，相對于傳統(tǒng)巖溶整治降低了工程費用，具有顯著的經(jīng)濟效益，同時也使工程措施更具針對性。較之常規(guī)的注漿加固措施，云桂鐵路采取了多種措施綜合整治巖溶路基，有極發(fā)育地段改橋、樁板結構跨越、搭板跨越的加強措施，也有揭蓋回填、加筋墊層、減少注漿孔密度等優(yōu)化措施。動態(tài)優(yōu)化方案具體如表2所示，動態(tài)加強改變措施統(tǒng)計如表3所示。

表2 動態(tài)優(yōu)化統(tǒng)計表

表3 動態(tài)加強措施統(tǒng)計表

通過表2、表3可以看出，云桂鐵路通過動態(tài)設計分序實施法進行路基巖溶整治，較之常規(guī)注漿方案節(jié)省投資12 251.3萬元；同時對巖溶特別發(fā)育、不適合采取注漿加固地段進行了針對性的措施調整——7處改橋、9處改樁板結構跨越，增加投資3 345萬元；累計實現(xiàn)投資節(jié)約8 906.3萬元。

7 結束語

我國巖溶地貌分布廣泛，特別在中國西部的廣西、貴州及云南3個地區(qū)分布面積最大，在上述地區(qū)修建鐵路不可避免要經(jīng)過巖溶發(fā)育地段。云桂鐵路通過采用探灌結合、動態(tài)設計、分序實施的巖溶整治方案，實現(xiàn)了投資優(yōu)化、整治方案更具針對性。利用云桂鐵路作為試驗段，形成了一整套巖溶整治實施細則，明確參建各方的職責和作業(yè)流程，對把控施工質量、控制投資起到了極為關鍵的作用，該方案已被成都鐵路局、昆明鐵路局等建設管理單位作為范本推廣。

[1] TB 10106-2010 鐵路工程地基處理技術規(guī)程[S]. TB 10106-2010 Thchnical Code for Ground Treatment of Railway Engineering [S].

[2] 鄧誼明.宜萬鐵路大型巖溶洞穴發(fā)育特征及整治[J].鐵道工程學報,2011,28(4):58-66. DENG Yiming. Developmental Characteristics and Treatment of Large Karst Cavity of Yichang-Wanzhou Railway [J]. Journal of Railway Engineering,2011,28(4):58-66.

[3] 魏光晶.路基巖溶整治施工方案[J].科學之友,2013,34(3):46-47. WEI Guangjing. Construction Scheme of Subgrade Karst Remediation [J]. Friend of Science Amateurs,2013,34(3):46-47.

[4] 王擁政.巖溶注漿在武廣客專中的應用[J].科學之友,2010,31(6):49. WANG Yongzheng. Application of Karst Grouting in Wuhan - Guangzhou Passenger Dedicated Line [J]. Friend of Science Amateurs,2010,31(6):49.

[5] 劉瑜.高速鐵路路基基底巖溶整治技術[J].山西建筑,2010,36(20):279-280. LIU Yu. On Karst Regulation Technique of Subgrade Base along Express Railway[J]. Shanxi Architecture,2010,36(20):279-280.

[6] 鄧啟江,李星宇,呂瓊,等.昆明市巖溶塌陷發(fā)育特征和防治措施[J].中國巖溶,2009,28(1):23-29. DENG Qijiang, LI Xingyu, LV Qiong, et al. Development Characters and Prevention Measures of the Karst Collapse in Kunming [J]. Carsologica Sinica, 2009,28(1):23-29.

[7] 王宇.西南地區(qū)巖溶水源地類型及開發(fā)技術條件[J].中國巖溶,2009,28(4):370-374. WANG Yu. Classification and Exploitive Technical Condition of Karst Water Source Field in Southwest China [J]. Carsologica Sinica, 2009,28(4): 370-374.

Application of the Dynamic Design in Karst Remediation of Yunnan to Guangxi Railway

XUE Yuan ZHENG Yongfei ZENG Rui ZENG Xiaobo

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.,Chengdu 610031，China)

Karst development, affected by landform, geological conditions, hydrodynamic condition, the climatic conditions, has various shapes and be very irregular. In order to ensure the safety of construction and operation, the karst remediation measures must be pertinent, however, it is unpractical to find out the detailed development conditions of the karst in each section by carrying out large-scale and high-density drilling and geophysical prospecting before construction. It is necessary to use excavation, drilling holes and other measures to validate previous explorations, and to carry out the dynamic design and construction. Taken Yunnan to Guangxi railway adopting dynamic design and the combination of exploration and irrigation, it is concluded a whole set of implementation rules of the dynamic design and construction of the karst. The rules specify responsibilities of each party and work flow which could control the construction quality and investment efficiently as well as bring down the engineering risk. The ruleshave been popularized and applied by Chengdu Railway Bureau, Kunming Railway Bureau and other construction management units.

Yunnan to Guangxi Railway； Karst remediation； Dynamic design； Implementation in sequence

2015-06-24

薛元(1978-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)01—0019—07

U212.22

B