铁路岩溶路基注浆引起地表位移与注浆效果评价方法

章定文 陈顺达 毛忠良 梁 锴 王安辉

(1东南大学交通学院， 南京210096)(2东南大学江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室， 南京210096)(3中铁第五勘察设计院地质路基勘察设计处， 北京102600)

为满足高平顺性的要求，需对高速铁路临近施工引起的路基附加变形严格控制[1].当新建铁路岩溶路基注浆工程邻近既有高速铁路时，有必要对注浆引起的地表位移规律进行研究，评价其对既有铁路安全运营的影响.杨新安等[2]针对运营期高速铁路软土地基注浆处理，提出了控制注浆参数和注浆顺序的有控注浆施工技术.文献[3-5]中对注浆抬升引起的地层变形等问题进行理论与现场研究，得到了注浆抬升地层的作用规律.在注浆效果评价中，分析法是根据注浆施工过程中搜集的参数信息对注浆效果进行定性或定量评价的一种方法[6]，具有快速、直接和可靠等特点.常用的分析法有注浆量分布特征法和注浆压力-流速-时间(P-Q-t)曲线法，它们均可实时反馈注浆信息，以便于在施工过程中对注浆效果进行评价.注浆量分布特征法包含注浆量空间分布特征与注浆量时间分布特征等信息.张民庆等[7]通过对渝怀铁路圆梁山隧道开挖断面注浆过程进行研究，得到注浆量空间分布特征，发现注浆量和地层扰动、岩层空隙大小等因素正相关.王德明等[8]在永莲隧道开挖断面帷幕注浆过程中发现，由于断层破碎带的岩性变化杂乱无规律，注浆量空间分布呈现不均匀性.当采用分序注浆或跳孔注浆时，不同的注浆工程实例[9-12]均报道，注浆量在时间分布上随注浆顺序递减，达到设计注浆压力的注浆时间也随之缩短.朱明听等[13]通过室内模型试验指出，注浆过程中围岩孔隙挤密，注浆模式从挤密注浆向劈裂注浆转化是这一现象的内在原因.文献[6]采用P-Q-t曲线法对注浆效果进行评价，发现P-Q-t曲线法中注浆压力通常随时间逐渐增大，但注浆流速随时间逐渐减小.张忠苗等[14]将含部分黏土卵石层注浆的P-t曲线分为一字型、A或V字型、W或M字型、上升型、下降型5类，但该方法在岩溶场地注浆中的适用性还有待验证.

京沪高铁徐州东站扩建工程场地存在岩溶裂隙，需要进行注浆加固处理.新建路基与既有高速铁路路基最近距离仅有8 m，为保证既有线的运营安全，需严格控制扩建工程岩溶地基处理引起的既有线变形.为此，本研究选取地质条件相似的自由场地开展岩溶注浆试验，明确岩溶注浆引起的地表位移，探究注浆量分布特征法与P-Q-t曲线法评价岩溶处治效果的适用性，最后确定合适的注浆效果评价方法.研究成果可指导后续邻近既有线岩溶注浆施工引起的既有线变形控制与注浆效果评价.

1 试验场地岩溶调查

京沪高铁徐州东站扩建工程设计范围为正线里程D2K1+689.49 — D2K3+743.28，总长2 053.79 m.根据初步的地质调查，沿线广泛分布着寒武系下统石灰岩地层.该地层作为铁路工程地基时，极易诱发路基坍塌等地质灾害，因此需进行注浆处理.其中，D2K2+200—D2K2+700段距离既有路仅有8 m，需要选取合适的注浆压力，既要保证注浆加固效果，又不影响既有线运营.本文选取地质条件相似的自由场地(D2K1+930—D2K1+980)开展试验研究.试验开始前对试验段场地进行钻探与物探相结合的地质勘探.由地质钻孔探勘得到的地质资料如表1所示.

表1 地质资料表

采用地震映像法对溶洞与裂隙分布进行勘探，其典型断面勘探结果见图1.结合试验区所有断面勘探结果形成试验区岩溶分布平面图，见图2.为进一步描绘地层剖面中溶洞、裂隙的发育情况，采用孔间CT法进行探测，其典型断面结果见图3.

图2 试验区岩溶分布

图3 53-21至53-25断面孔间CT成果图

2 试验区注浆试验

2.1 试验设备

注浆设备采用SGB6-10型注浆泵，排量为100 L/min，最大注浆压力可达10 MPa；注浆记录仪采用上海艾特自动化仪表公司生产的注浆自动记录仪；位移监测设备采用北京大成国测研发的静力水准传感器，其量程为±500 mm，灵敏度为0.02 mm，监测频次为2 min/次，工作温度在-30～+60 ℃之间.1区与2区采用相同的监测布置方式，如图4所示.

图4 试验区注浆顺序与监测布置图(单位：m)

2.2 注浆施工

注浆施工包括4个过程：钻孔、封孔、制浆以及注浆.

1) 钻孔按三序布置，Ⅰ序孔间距10 m，正方形布置；Ⅱ序孔在正方形中心处加密布置；Ⅲ序孔在正方形各边中点加密布置(见图4).Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔钻孔时，保证土层中开孔直径不小于130 mm，岩层中直径不小于91 mm，钻孔深度15 m.

2) 封孔采用孔口一次性封闭法，封孔材料采用M10水泥砂浆.当覆盖层大于4 m时，封孔高度不小于4 m；当覆盖层小于4 m时，应封孔至土岩界面处(见图5).

3) 制配纯水泥浆作为注浆材料，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶1，浆液密度1.52 g/cm3.

4) 利用承压管连接注浆泵以及注浆孔中预留的注浆管，并在回浆管上连接控制阀门、压力表和压力传感器(采集注浆压力).确认设备连接紧密且控制阀门为开启状态后，启动注浆泵开始注浆.注浆过程中实时采集注浆压力、浆液流速以及注浆时间等参数.若水泥浆液从回浆管口持续涌出1 min左右，则关闭回浆管控制阀门，并继续注浆直到满足终孔条件.

图5 封孔示意图

试验区注浆孔的终孔条件采用定量与定压相结合的控制标准.为选取合适的注浆压力，对试验区中部分注浆孔(见图4)的定压控制标准进行改变.具体要求如下：

1) 回浆管孔口压力维持在0.3 MPa且吸浆量不大于5 L/min，持续5 min.对于部分注浆孔的回浆管孔口压力分别维持在0.1，0.2 MPa，其余条件不变.

2) 回浆管孔口压力快速上升至0.3 MPa以上且持续地快速上升.

3) 距离注浆点3～5 m出现多处地表冒浆.

4) 若注浆压力长时间不上升，则控制注浆量，当注浆量达到5 m3以上，且流速小于正常流速的1/2～1/4.

3 实验结果分析

3.1 注浆量分布特征

3.1.1 注浆量空间分布特征

试验区注浆量统计结果如图6所示.对比注浆压力为0.1，0.2以及0.3 MPa的区域可知，注浆压力越大的区域，所达到的注浆量最大值也越大.说明注浆压力的增加有助于注浆量的增大.

(a) 1区(其余孔注浆压力0.3 MPa)

(b) 2区(注浆压力0.3 MPa)

对比1区、2区的注浆量分布特征与场地物探结果可知，各注浆孔的注浆量差异大，且注浆量分布与物探勘察确定的岩溶位置并不完全对应.其原因可能是：①物探勘察对小尺寸的裂隙通道无法准确探明，但浆液会沿此通道流动；②场地内溶洞分布集中，其连通性好，注浆时浆液窜浆难以控制.王德明等[8]在永莲隧道开挖断面帷幕注浆过程中也得到类似规律.然而，张民庆等[6]在渝怀铁路圆梁山隧道开挖断面注浆工程中发现，注浆量空间分布规律与地层情况配备度高，其主要原因在于该地区的溶洞孤立且连通性差.

由此可知，注浆量空间分布特征与地层或者岩溶分布具有一定的匹配性，但其匹配效果受到地层连通情况的影响.对于地层连通性好的区域，注浆量空间分布与地层的匹配性也较差；若地层连通性差，且区域内地层有明显独立的土岩分界线时，注浆量空间分布与地层匹配性较好.在本试验中，如图3所示，地层之间裂隙连通，可见地层连通性好，故注浆量空间分布特征并不能与具体地层情况完全匹配.

3.1.2 注浆量时间分布特征

分序注浆是在岩溶易塌陷区及极易塌陷区推荐采用的注浆方法.在试验段施工时，按照1区、2区的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔依次注浆施工.各序孔的平均注浆量分布如图7所示.

图7 注浆量随注浆次序分布图

由图7可知，1区Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔的注浆量明显大于2区相应注浆孔的注浆量.这是由于1区与2区之间地层连通性较好，在1区注浆时浆液通过溶洞裂隙流向2区，从而使得2区注浆量减少.从图中还可看出，在每个区域中，Ⅰ序孔平均注浆量均达到该区各序孔注浆量累计值的50%以上；Ⅱ序孔平均注浆量占该区各序孔注浆量累计值的20%以上；Ⅲ序孔平均注浆量低于Ⅱ序孔.这表明采用分序注浆时，注浆量随着注浆次序的增加而递减.这是因为，地层中的溶洞及裂隙逐渐被浆液填充后，后续注浆可填充的空间减小.图8为本文试验与文献[15]中不同注浆次序的平均注浆量占注浆量累计值百分数对比图.由图可见，尽管不同场地之间各注浆次序的平均注浆量所占比例有差异，但其平均注浆量按照注浆次序递减的规律是一致的.

图8 注浆量百分数随注浆次序分布图

通过对实验结果进行分析可得到以下结论：① 通过注浆量空间分布特征对注浆效果进行评价时，其评价结果易受地质勘探精度与地层条件的影响.② 在注浆量时间分布特征上，先注浆孔的注浆量大于后序注浆孔的注浆量，符合注浆过程中的填充挤密效应，因此注浆量时间分布特征法比空间分布特征法更具有普遍适用性.③ 根据分序注浆孔平均注浆量统计结果，可认为，当Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔的注浆量占总浆量比例分别在40%～60%，25%～35%，15%～25%之间时，达到预期的注浆效果.

3.2 P-Q-t曲线分析

3.2.1P-Q-t曲线类型

对试验区所有注浆孔的注浆压力、浆液流速与时间的关系进行汇总，得到试验区岩溶注浆压力P、注浆流速Q随时间t变化的规律，形成P-Q-t曲线.下面分别对5种类型的P-Q-t曲线进行分析.

1) 一字型：注浆压力与注浆流速基本不随时间变化，见图9(a).该类型的曲线反应地层中溶蚀空隙大，注浆泵施加的压力与浆液行进间的阻力基本一致，此时注浆以填充作用为主，采用注浆量定量控制作为结束注浆的标准.

2) 上升型:注浆压力随时间逐渐增大，同时注浆流速随时间逐渐减小，最后注浆压力到达结束标准，见图b(b).该类型曲线反映注浆孔周围的石灰岩地层完整，密实度较高，可注性差.由于浆液扩散受到限制，造成注浆压力逐渐升高.采用注浆压力定压控制注浆的结束，同时要注意控制最高压力，防止注浆管爆裂.

3) 下降型:注浆压力随时间逐渐降低的同时注浆流速逐渐升高，见图9(c).这反映场地中部分溶洞、空隙存在填充物(硬塑黏土)，限制了浆液扩散，导致开始时浆液行进阻力大.随着注浆的进行，压力升高，逐渐挤密、劈裂填充物[16]，打通通道后浆液行进阻力减小，曲线开始向一字型靠近.此时采用注浆量定量控制作为注浆结束标准.

4) A字型：注浆压力先升高而后下降，注浆流速先下降而后升高，见图9(d).其反映随着浆液向裂隙扩散，裂隙中填充物逐渐阻碍浆液扩散，造成注浆压力升高.随着压力的升高，裂隙中的填充物被劈裂打通，浆液行进的阻力减少，注浆压力随之下降.此时常采用注浆量定量控制作为注浆结束标准.

5)W型：与A字型相似，区别在于反复出现浆液行进阻力增大、注浆压力升高、打通裂隙填充物后压力下降等过程，造成注浆压力出现多个较大的峰值，见图9(e).震荡后注浆压力持续升高，可参考上升型曲线控制.

(a) 一字型

(b) 上升型

(c) 下降型

(d) A字型

(e) W字型

3.2.2 曲线类型与注浆过程的关系

统计各类P-Q-t曲线数量占曲线总数的比例(见表2)，发现一字型与A字型占比达到64%.这表明试验区浆液主要是填充地层中溶蚀空隙以及打通溶蚀空隙中的填充物进行扩散的过程.注浆结束时会出现地表冒浆与地表未冒浆2种情况，统计这2种情况在各曲线类型中的比例发现：A字型中94%是以地表冒浆结束注浆的，表明浆液在向上发展的裂隙中行进至地表冒浆时受到来自覆盖层填充物的阻碍，符合A字型产生条件，使得地表冒浆与A字型曲线关联度高.而在一字型、上升型、下降型以及W字型中，地表未冒浆类型曲线所占比例高，反映了在这些类型中浆液主要向地层四周延伸的裂隙通道中扩散，不易产生地表冒浆.

表2 5种曲线类型占比及地表冒浆占比统计 %

通过地质勘探资料，可以解释岩溶地区注浆P-Q-t曲线类型的产生原因与统计规律.图3方框1所示区域中，溶蚀裂隙通道向水平方延伸到其他空洞，注浆曲线为一字型或者下降型，此时浆液沿水平通道扩散，不易产生地表冒浆现象.若通过钻孔反应出溶洞中有填充物阻碍时，曲线为A字型或W字型；在图3方框2中所示区域，溶蚀裂隙通道向上发展到覆盖层，易产生地表冒浆现象，曲线以A字型为主；在图3方框3中所示区域，空洞填充完后，没有其他溶蚀裂隙通道可以扩散，曲线为上升型.因此，在注浆过程中可利用P-Q-t曲线的特点，判断地层溶洞连通情况与注浆效果.

统计分序注浆下不同次序注浆孔的P-Q-t曲线类型占该序注浆孔的比例(见表3)后发现，在Ⅰ序孔注浆中，上升型与A字型所占比例为37%，表明Ⅰ序孔注浆中地层空隙多，浆液主要以渗透填充为主.Ⅱ序孔中，上升型与A字型占52%，表明部分空隙已填充，形成更多的封闭空间；下降型比例也较大，说明部分地层仍存在较大空隙有待填充.Ⅲ序孔中，上升型与A字型占比达82%，反应Ⅲ序孔注浆时空隙减小、地层逐渐密实的特点.

表3 不同次序下5种曲线类型占比统计 %

根据上述研究结果，可知：① 根据P-Q-t曲线的形态特点，可将曲线分为5种类型，不同曲线类型对应不同地层条件下的浆液扩散类型.② 根据曲线类型的数量统计，可得试验段浆液扩散的主要类型是填充空隙以及通过溶蚀裂隙向覆盖层发展.③ 分序注浆下，上升型与A字型曲线所占比例随着注浆次序的增加而增大，上升型与A字型曲线在Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔注浆完成时的占比分别为37%，52%以及82%，反应了分序注浆逐步填充空隙的注浆特点.在分序注浆下，上升型与A字型所占比例的增大规律可为判断注浆效果提供依据.

3.3 注浆引起的地表位移

如图4所示，在场地周围布置位移传感器，传感器距离注浆孔距离不同(根据图中尺寸可以求得距离).对某个注浆孔进行注浆时，各个静力水准传感器自动采集注浆引起的地表竖向位移.注浆完成时，选择每个传感器所记录数据中的最大值，作为该距离下注浆引起地表竖向位移的代表值.采用传感器至该注浆孔的水平距离作为横坐标，地表竖向位移代表值作为纵坐标，绘制注浆引起的地表竖向位移散点图.考虑试验区注浆压力与注浆次序等因素，分别绘制不同注浆压力下的地表位移图与不同注浆次序下的地表位移图，如图10、图11所示.

从图10可发现：① 注浆压力为0.1, 0.2, 0.3 MPa时，引起的地表竖向位移均随着距离注浆点的距离增大而减小，影响范围在10～15 m之间；② 不同注浆压力下引起的地表位移相差很小，在距离注浆点5 m内的地表竖向位移主要分布在1 mm以下；③ 注浆压力为0.2 MPa时，产生地表竖向位移最大值, 接近1.5 mm, 然而注浆压力为0.3 MPa时，产生的地表竖向位移最大值不超过1 mm.其原因是：当采用0.3 MPa定压控制终孔条件时，部分注浆孔在注浆压力低于0.3 MPa时产生地表冒浆现象或按定量条件而结束注浆，只有部分注浆孔可以达到0.3 MPa的注浆压力并按照定压标准结束注浆.统计注浆孔下溶洞顶板埋深与其结束注浆时达到的注浆压力，结果见图12.由图可知，注浆压力达到0.3 MPa时，溶洞顶板埋深普遍大于5 m，溶洞顶板埋深的增加造成地表竖向位移最大值的减小.

(a) 注浆压力为0.1 MPa

(a) Ⅰ序孔

图12 溶洞顶板埋深与注浆压力关系图

从图11可发现注浆诱发的地表竖向位移具有以下特点：① 地表竖向位移随着距离注浆点的距离增大而减小，影响范围在10～15 m之间；注浆压力为0.3 MPa时，注浆诱发的地表竖向位移最大不超过1.5 mm.② 在Ⅰ，Ⅱ序孔注浆时距离5 m以内的地表竖向位移主要分布区在1 mm以下，影响范围在12～15 m之间；Ⅲ序孔注浆时距离5 m以内的地表竖向位移向1 mm附近，影响范围在10～12 m之间.这表明注浆产生的地表竖向位移最大值会随注浆次序的增加而增大，影响范围随着注浆次序的增加而减小.③ 《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》[17]中对轨道变形的要求为水平与高低均不大于2 mm.地表变形可通过路基传递到轨道形成轨道变形，且轨道变形应小于地表变形.从监测结果看，在8 m附近的地表位移在0.5 mm左右，均未超过 1 mm，说明注浆对既有线的安全运营没有威胁.

4 结论

1) 岩溶路基进行注浆加固时，注浆量空间分布呈现不均匀性，其与地层的对应关系易受到地层岩溶分布特征与地质勘探精度的影响而难以很好的匹配.注浆量时间分布效应上，注浆量普遍有随着注浆次序增加而递减的趋势，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔平均注浆量占总注浆量的比例范围分别为40%～60%, 25%～35%, 15%～25%.因此，注浆量时间分布特征法比其空间分布特征法更具有适用性.

2) 现场注浆的P-Q-t曲线按曲线形态可分为5种类型，每种类型对应不同溶洞形态下的浆液扩散过程.注浆次序影响曲线类型的变化，随着注浆次序的增加，上升型与A字型P-Q-t曲线在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序注浆孔完成时的占比分别为37%，52%和82%，这反映了注浆逐渐填充地层.

3) 注浆压力在0.1～0.3 MPa 之间时，注浆对地表竖向位移影响不大.在分序注浆下，注浆引起的地表位移最大值不超过1.5 mm，且在8 m处衰减至0.5 mm.

4) 在邻近既有线的岩溶注浆工程中，采用0.3 MPa作为定压控制标准，可以满足邻近既有高铁安全运营的同时取得更大的注浆填充效果.可以采用分序注浆下注浆量时间分布特征与P-Q-t曲线类型比例变化进行注浆效果评价.