鄰近既有高鐵巖溶地基聯(lián)控注漿加固試驗(yàn)研究

唐 沛 陳順達(dá) 梁 鍇 章定文 楊 泳

(1. 中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600；2. 東南大學(xué)交通學(xué)院 江蘇南京 210096)

1 引言

高速鐵路安全運(yùn)營需要軌道結(jié)構(gòu)有高平順性，因此，臨近既有高速鐵路開展新建鐵路的巖溶路基注漿處治工程時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化注漿參數(shù)和施工工藝，對施工引起既有高鐵路基附加變形嚴(yán)格進(jìn)行控制[1]，以確保既有高速鐵路運(yùn)營安全。

針對鄰近既有鐵路施工引起既有線路變形影響與控制技術(shù)已有較多學(xué)者開展研究和工程實(shí)踐。高廣運(yùn)等[2]基于數(shù)值方法提出采用劈裂注漿、壓密注漿及旋噴樁分塊加固可有效控制既有鐵路路基變形，確保既有鐵路運(yùn)營安全。 楊新安等[3]采取有控注漿施工技術(shù)控制注漿參數(shù)和注漿順序，在運(yùn)營期高鐵軟土地基處理中取得良好的注漿效果。 Guo 等[4]采用隨機(jī)介質(zhì)理論計算確定了注漿引起的地表隆起值，計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值相符合。 Wang 等[5]建立了一種計算噴射注漿引起地面隆起的數(shù)值模型，確定了注漿引起的地面隆起范圍一般為樁徑的六倍。徐前衛(wèi)等[6]針對注漿誘發(fā)的地層抬升問題開展理論與現(xiàn)場研究，提出注漿對地層變形影響的理論分析與數(shù)值計算模型，揭示了注漿抬升地層的作用機(jī)理。 但現(xiàn)有成果中對巖溶地基注漿引起鄰近既有高鐵路基變形規(guī)律及進(jìn)行變形控制的現(xiàn)場實(shí)測資料甚少。

監(jiān)測方面，眾多學(xué)者對監(jiān)測方法與數(shù)據(jù)分析開展了研究。 張成平等[7]采用遠(yuǎn)程自動監(jiān)測系統(tǒng)對既有地鐵結(jié)構(gòu)變形縫的變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，方便有關(guān)單位根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)反映的異常情況及時調(diào)整施工措施。 趙燕容等[8]對深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)提出了基于小波技術(shù)的時間序列改進(jìn)法，其監(jiān)測與預(yù)測精度大大提高。 此外還有采用光柵監(jiān)測系統(tǒng)、反射片布點(diǎn)監(jiān)測等方法以提高監(jiān)測的精度。 但是目前的研究只是停留在監(jiān)測方法與數(shù)據(jù)分析的改進(jìn)上，缺少監(jiān)測與施工參數(shù)調(diào)整的聯(lián)控實(shí)踐。

新建徐州至鹽城高鐵建設(shè)需要對既有京滬高鐵徐州東站進(jìn)行擴(kuò)建，新建高鐵路基為巖溶地基，需采取注漿進(jìn)行加固。 但新建高鐵路基距離既有京滬高鐵路基最近距離僅8 m，要求在新建高鐵巖溶地基注漿加固處理時確保既有線路基的變形滿足相關(guān)要求，以保證既有京滬高鐵的運(yùn)營安全。

為此，課題組利用研發(fā)的具備注漿參數(shù)智能化控制、與既有線變形監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)控的聯(lián)控注漿設(shè)備，并選取了鄰近既有京滬高鐵的新建徐宿淮鹽高鐵D2K2 ＋420 ～D2K2 ＋465 區(qū)間開展試驗(yàn)研究，旨在分析注漿量分布規(guī)律和P-Q-t曲線中反映的注漿加固處治效果等信息，同時監(jiān)測既有線位移，分析聯(lián)控巖溶注漿對既有京滬高鐵安全運(yùn)營的影響，驗(yàn)證聯(lián)控注漿設(shè)備的有效性。

2 工程背景

徐州東站擴(kuò)建工程為站場路基工程，場地內(nèi)分布寒武系下統(tǒng)石灰?guī)r地層，巖溶輕微-中等發(fā)育，易誘發(fā)巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，需要進(jìn)行注漿加固處理。 但是，新建高鐵D2K2 ＋200 ～D2K2 ＋700 段路基距既有京滬高鐵路基最小距離僅8 m。 為保證注漿加固得到預(yù)期效果，同時避免對既有京滬高鐵路基產(chǎn)生威脅運(yùn)營安全的變形影響，需要對注漿壓力等參數(shù)進(jìn)行研究。 為此，選取里程D2K2 ＋420 ～D2K2 ＋465 段設(shè)置巖溶注漿現(xiàn)場試驗(yàn)段。 試驗(yàn)前采用鉆探與物探對試驗(yàn)場地的地質(zhì)情況進(jìn)行了綜合勘察，其中用地震映像法[9]對試驗(yàn)場地進(jìn)行物探調(diào)查，得到巖溶分布平面圖(見圖1)和典型剖面的物探結(jié)果(見圖2)。

圖1 試驗(yàn)場地巖溶發(fā)育狀況

圖2 典型剖面巖溶與裂隙分布(單位:m)

3 注漿試驗(yàn)

3.1 聯(lián)控注漿設(shè)備

聯(lián)控注漿設(shè)備的控制系統(tǒng)由經(jīng)改造的位移監(jiān)測系統(tǒng)與注漿記錄儀組成，在注漿過程中實(shí)時監(jiān)測既有線路基變形，并據(jù)自動反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)智能調(diào)整注漿參數(shù)，當(dāng)靜力水準(zhǔn)傳感器監(jiān)測到的位移達(dá)到預(yù)警值時聯(lián)控注漿設(shè)備停止注漿，控制既有線地基變形不超過設(shè)計提出的預(yù)警值。

為驗(yàn)證聯(lián)控注漿設(shè)備，選取某個注漿孔設(shè)定位移值與位移變化量的預(yù)警值，分別為±5 mm 與±2 mm，人為調(diào)整靜力水準(zhǔn)傳感器位移以查驗(yàn)聯(lián)控注漿設(shè)備的響應(yīng)情況，結(jié)果表明聯(lián)控注漿設(shè)備工作正常。

3.2 注漿方案

采用SGB6-10 型注漿泵進(jìn)行注漿，額定排量100 L/min，注漿壓力可達(dá)10 MPa。 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置三排注漿孔，從第一排到第三排順序注漿。 每一排中布置兩序注漿孔，先注前序孔(圖3 編號1 ～5)，后注漿后序孔(圖3 編號6 ～10)。

圖3 場地注漿孔分布(單位:m)

3.3 注漿施工

注漿施工包括鉆孔、封孔、制漿及注漿四個過程。注漿期間采集注漿壓力、流速以及時間等參數(shù)信息。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)注漿孔的終孔條件采取定量控制與定壓控制相結(jié)合的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 監(jiān)測方案

用靜力水準(zhǔn)傳感器監(jiān)測注漿引起的路基位移，監(jiān)測頻次2 min/次，布置兩條監(jiān)測點(diǎn)測線，既有線坡腳處和路肩處各布置一條，測點(diǎn)數(shù)和測點(diǎn)間距如圖4 所示。 設(shè)定位移與位移變化量的預(yù)警值均為1 mm。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置平面示意(單位:m)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 注漿參數(shù)分析

注漿記錄儀記錄各個注漿孔的注漿量以及注漿壓力、注漿流速隨時間變化等參數(shù)信息。 通過分析，可以得出注漿過程中注漿加固效果等信息。 統(tǒng)計所有注漿孔的注漿量，計算不同注漿次序下每個注漿孔的注漿量占總注漿量的百分比，結(jié)果見圖5。

圖5 注漿量隨注漿次序分布

如圖5 所示，注漿次序?qū)ψ{量影響明顯，前序孔注漿量占到總注漿量的80%左右，后序孔注漿量占總注漿量的20%左右。 注漿量隨注漿次序遞減，前序孔注漿量明顯大于后序孔注漿量。 因?yàn)椋靶蚩鬃{時，地層中巖溶空隙較多，而后序孔注漿時的注漿量則明顯減少。

統(tǒng)計注漿壓力、注漿流速隨時間變化關(guān)系可繪制注漿壓力-流速-時間(P-Q-t)曲線。 根據(jù)P-Q-t曲線形態(tài)，可以將曲線分為兩大類，如圖6 所示。

圖6 P-Q-t 曲線

圖6 a 為壓力下降型P-Q-t曲線，表現(xiàn)為注漿壓力隨時間逐漸降低，注漿流速隨時間逐漸升高，反映了場地巖層中發(fā)育有溶洞或溶蝕裂隙，呈充填或半充填狀態(tài)。 填充物使得漿液行進(jìn)阻力增大，限制了漿液擴(kuò)散。 隨著注漿進(jìn)行，壓力升高逐漸擠密、劈裂填充物，打通通道后漿液行進(jìn)阻力減小，注漿壓力下降，注漿流速升高。 此時漿液主要填充地層中的溶蝕空隙，結(jié)束注漿一般采用注漿量定量控制來判斷。

圖6b 為壓力上升型P-Q-t曲線，表現(xiàn)為注漿壓力隨時間逐漸增大的同時注漿流速隨時間逐漸減小，最后注漿壓力達(dá)到注漿終孔標(biāo)準(zhǔn)而結(jié)束注漿。反映注漿孔周圍地層中的石灰?guī)r較完整、沒有大量溶蝕空隙存在，可注性差，形成封閉空間使得注漿壓力逐漸升高。 這種情況下，一般采用注漿壓力定壓控制作為注漿終孔的標(biāo)準(zhǔn)。

統(tǒng)計兩種類型曲線在前、后序孔中占比，見表1。

表1 各類型在不同注漿次序占比

從表1 可見，前序孔中下降型占比為60%，上升型占比為40%。 而在后序孔注漿中下降型比例為47%，上升型所占比例為53%，上升型注漿曲線的比例在逐漸升高。 前序注漿過程中巖溶空隙較多，漿液以填充為主，因而注漿曲線多為下降型。在后序孔注漿時，因前序孔填充效應(yīng)使得周圍地層的密實(shí)性好，巖溶空隙數(shù)量減少且封閉，因而在后序孔注漿時上升型注漿曲線所占的比例提高。 前序孔到后序孔P-Q-t曲線類型占比變化反映了注漿處理有效填充了地層中的巖溶空隙。

4.2 既有高鐵路基坡腳處變形

注漿過程中對既有線路基坡腳與路肩處豎向位移進(jìn)行監(jiān)測。 實(shí)測的既有高鐵路基坡腳處豎向位移隨注漿孔距離變化關(guān)系見圖7。

圖7 既有路基坡腳處豎向位移隨注漿孔距離

從圖7 中可知，坡腳處豎向位移隨著距注漿區(qū)距離的增加而減小。 試驗(yàn)段中采用0.3 MPa 回漿管壓力控制時，10 m 以內(nèi)的坡腳處豎向位移約為0.6 mm左右。 距離增加到20 m 附近時，豎向位移衰減到0.2 mm 左右。 距離大于20 m 后，注漿引起的豎向位移可以忽略不計。 因此，0.3 MPa 回漿管壓力注漿引起的地表豎向位移影響范圍約為20 m。

4.3 既有高鐵路基路肩處變形

在既有高鐵路基的路肩位置布置豎向位移監(jiān)測點(diǎn)，既有線注漿前與注漿過程中各測點(diǎn)豎向位移最大值監(jiān)測結(jié)果如圖8 所示。

圖8 既有高鐵路基路肩處豎向位移

注漿前各測點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，豎向位移在0.1 mm以內(nèi)小范圍波動。 注漿施工過程中，試驗(yàn)區(qū)及其相應(yīng)兩端一定范圍內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)豎向位移最大值開始增加。 在第一排孔注漿過程中，試驗(yàn)區(qū)附近各測點(diǎn)豎向位移最大值在0.2 mm 左右。 隨著監(jiān)測點(diǎn)與注漿試驗(yàn)區(qū)距離的增加，注漿引起的微小抬升現(xiàn)象逐漸減弱。 在第二排孔注漿過程中，試驗(yàn)區(qū)附近各測點(diǎn)豎向位移最大值在0.1 mm 左右。 在第三排孔注漿過程中，監(jiān)測點(diǎn)處記錄的豎向位移與未注漿時的監(jiān)測數(shù)據(jù)相近，表明第三排孔注漿時對既有線路肩處引起的附加變形可以忽略不計。 產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因有兩點(diǎn)：(1)第一、二排到第三排注漿孔距既有線的距離依次增加，附加豎向位移隨著距離增加而衰減；(2)前一排孔注漿加固了注漿孔與既有線路基之間的地基，減弱了后續(xù)注漿引起的路基位移。 《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》規(guī)定，鄰近工程施工引起的軌道附加變形要求為豎向變形不大于2 mm。 本試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)測既有線路肩處的豎向位移最大值在0.2 mm 左右，未超位移預(yù)警值(1 mm)，聯(lián)控注漿設(shè)備正常注漿，表明注漿對既有京滬高速鐵路的運(yùn)營安全沒有不利影響。

5 結(jié)束語

(1)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，采用聯(lián)控注漿設(shè)備可以有效地監(jiān)測注漿過程中的注漿流量、注漿壓力以及既有高鐵路基的位移，并且通過變形監(jiān)測和注漿機(jī)參數(shù)控制間的聯(lián)動來控制注漿，防止變形超限而對既有高鐵路基造成不利的影響。

(2)既有京滬高鐵徐州東站注漿項(xiàng)目采用0.3 MPa的回漿管壓力控制和跳孔注漿方式注漿時，注漿量受注漿次序的影響，前序孔注漿量占總注漿量的80%，后序孔注漿量占總注漿量的20%，表明前序孔注漿填充溶蝕空隙，后序孔注漿時地層空隙率減小，注漿量下降。 注漿效果經(jīng)第三方檢測，達(dá)到設(shè)計要求。

(3)注漿過程中的P-Q-t 曲線可分為壓力上升型與下降型兩種類型。 下降型曲線占前序孔總量的60%，占后序孔總數(shù)的47%。 上升型占前序孔總數(shù)的40%，占后序孔總數(shù)的53%。 后序孔注漿中壓力上升型曲線比例提高，表明從前序孔到后序孔的注漿過程中漿液由填充變?yōu)閿D密，地層逐漸密實(shí)。

(4)注漿引起的既有高鐵路基豎向位移隨著注漿孔與監(jiān)測點(diǎn)距離的增加而減小。 既有線坡腳處豎向位移最大值在0.6 mm 附近，既有線路肩處豎向位移最大值在0.2 mm 左右，均在相關(guān)規(guī)范和鐵路部門允許的變形范圍內(nèi)。

(5)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，可在后臺服務(wù)器網(wǎng)站實(shí)時顯示，便于實(shí)時掌握既有線現(xiàn)場變形情況。

(6)本試驗(yàn)研究受到場地、工期等試驗(yàn)條件局限性的影響，今后將結(jié)合項(xiàng)目開展更廣泛的試驗(yàn)，完善試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究成果。