章定文 陳順達 毛忠良 梁 鍇 王安輝

(1東南大學(xué)交通學(xué)院， 南京210096)(2東南大學(xué)江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室， 南京210096)(3中鐵第五勘察設(shè)計院地質(zhì)路基勘察設(shè)計處， 北京102600)

為滿足高平順性的要求，需對高速鐵路臨近施工引起的路基附加變形嚴格控制[1].當(dāng)新建鐵路巖溶路基注漿工程鄰近既有高速鐵路時，有必要對注漿引起的地表位移規(guī)律進行研究，評價其對既有鐵路安全運營的影響.楊新安等[2]針對運營期高速鐵路軟土地基注漿處理，提出了控制注漿參數(shù)和注漿順序的有控注漿施工技術(shù).文獻[3-5]中對注漿抬升引起的地層變形等問題進行理論與現(xiàn)場研究，得到了注漿抬升地層的作用規(guī)律.在注漿效果評價中，分析法是根據(jù)注漿施工過程中搜集的參數(shù)信息對注漿效果進行定性或定量評價的一種方法[6]，具有快速、直接和可靠等特點.常用的分析法有注漿量分布特征法和注漿壓力-流速-時間(P-Q-t)曲線法，它們均可實時反饋注漿信息，以便于在施工過程中對注漿效果進行評價.注漿量分布特征法包含注漿量空間分布特征與注漿量時間分布特征等信息.張民慶等[7]通過對渝懷鐵路圓梁山隧道開挖斷面注漿過程進行研究，得到注漿量空間分布特征，發(fā)現(xiàn)注漿量和地層擾動、巖層空隙大小等因素正相關(guān).王德明等[8]在永蓮隧道開挖斷面帷幕注漿過程中發(fā)現(xiàn)，由于斷層破碎帶的巖性變化雜亂無規(guī)律，注漿量空間分布呈現(xiàn)不均勻性.當(dāng)采用分序注漿或跳孔注漿時，不同的注漿工程實例[9-12]均報道，注漿量在時間分布上隨注漿順序遞減，達到設(shè)計注漿壓力的注漿時間也隨之縮短.朱明聽等[13]通過室內(nèi)模型試驗指出，注漿過程中圍巖孔隙擠密，注漿模式從擠密注漿向劈裂注漿轉(zhuǎn)化是這一現(xiàn)象的內(nèi)在原因.文獻[6]采用P-Q-t曲線法對注漿效果進行評價，發(fā)現(xiàn)P-Q-t曲線法中注漿壓力通常隨時間逐漸增大，但注漿流速隨時間逐漸減小.張忠苗等[14]將含部分黏土卵石層注漿的P-t曲線分為一字型、A或V字型、W或M字型、上升型、下降型5類，但該方法在巖溶場地注漿中的適用性還有待驗證.

京滬高鐵徐州東站擴建工程場地存在巖溶裂隙，需要進行注漿加固處理.新建路基與既有高速鐵路路基最近距離僅有8 m，為保證既有線的運營安全，需嚴格控制擴建工程巖溶地基處理引起的既有線變形.為此，本研究選取地質(zhì)條件相似的自由場地開展巖溶注漿試驗，明確巖溶注漿引起的地表位移，探究注漿量分布特征法與P-Q-t曲線法評價巖溶處治效果的適用性，最后確定合適的注漿效果評價方法.研究成果可指導(dǎo)后續(xù)鄰近既有線巖溶注漿施工引起的既有線變形控制與注漿效果評價.

1 試驗場地巖溶調(diào)查

京滬高鐵徐州東站擴建工程設(shè)計范圍為正線里程D2K1+689.49 — D2K3+743.28，總長2 053.79 m.根據(jù)初步的地質(zhì)調(diào)查，沿線廣泛分布著寒武系下統(tǒng)石灰?guī)r地層.該地層作為鐵路工程地基時，極易誘發(fā)路基坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，因此需進行注漿處理.其中，D2K2+200—D2K2+700段距離既有路僅有8 m，需要選取合適的注漿壓力，既要保證注漿加固效果，又不影響既有線運營.本文選取地質(zhì)條件相似的自由場地(D2K1+930—D2K1+980)開展試驗研究.試驗開始前對試驗段場地進行鉆探與物探相結(jié)合的地質(zhì)勘探.由地質(zhì)鉆孔探勘得到的地質(zhì)資料如表1所示.

表1 地質(zhì)資料表

采用地震映像法對溶洞與裂隙分布進行勘探，其典型斷面勘探結(jié)果見圖1.結(jié)合試驗區(qū)所有斷面勘探結(jié)果形成試驗區(qū)巖溶分布平面圖，見圖2.為進一步描繪地層剖面中溶洞、裂隙的發(fā)育情況，采用孔間CT法進行探測，其典型斷面結(jié)果見圖3.

圖2 試驗區(qū)巖溶分布

圖3 53-21至53-25斷面孔間CT成果圖

2 試驗區(qū)注漿試驗

2.1 試驗設(shè)備

注漿設(shè)備采用SGB6-10型注漿泵，排量為100 L/min，最大注漿壓力可達10 MPa；注漿記錄儀采用上海艾特自動化儀表公司生產(chǎn)的注漿自動記錄儀；位移監(jiān)測設(shè)備采用北京大成國測研發(fā)的靜力水準傳感器，其量程為±500 mm，靈敏度為0.02 mm，監(jiān)測頻次為2 min/次，工作溫度在-30～+60 ℃之間.1區(qū)與2區(qū)采用相同的監(jiān)測布置方式，如圖4所示.

圖4 試驗區(qū)注漿順序與監(jiān)測布置圖(單位：m)

2.2 注漿施工

注漿施工包括4個過程：鉆孔、封孔、制漿以及注漿.

1) 鉆孔按三序布置，Ⅰ序孔間距10 m，正方形布置；Ⅱ序孔在正方形中心處加密布置；Ⅲ序孔在正方形各邊中點加密布置(見圖4).Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔鉆孔時，保證土層中開孔直徑不小于130 mm，巖層中直徑不小于91 mm，鉆孔深度15 m.

2) 封孔采用孔口一次性封閉法，封孔材料采用M10水泥砂漿.當(dāng)覆蓋層大于4 m時，封孔高度不小于4 m；當(dāng)覆蓋層小于4 m時，應(yīng)封孔至土巖界面處(見圖5).

3) 制配純水泥漿作為注漿材料，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1，漿液密度1.52 g/cm3.

4) 利用承壓管連接注漿泵以及注漿孔中預(yù)留的注漿管，并在回漿管上連接控制閥門、壓力表和壓力傳感器(采集注漿壓力).確認設(shè)備連接緊密且控制閥門為開啟狀態(tài)后，啟動注漿泵開始注漿.注漿過程中實時采集注漿壓力、漿液流速以及注漿時間等參數(shù).若水泥漿液從回漿管口持續(xù)涌出1 min左右，則關(guān)閉回漿管控制閥門，并繼續(xù)注漿直到滿足終孔條件.

圖5 封孔示意圖

試驗區(qū)注漿孔的終孔條件采用定量與定壓相結(jié)合的控制標準.為選取合適的注漿壓力，對試驗區(qū)中部分注漿孔(見圖4)的定壓控制標準進行改變.具體要求如下：

1) 回漿管孔口壓力維持在0.3 MPa且吸漿量不大于5 L/min，持續(xù)5 min.對于部分注漿孔的回漿管孔口壓力分別維持在0.1，0.2 MPa，其余條件不變.

2) 回漿管孔口壓力快速上升至0.3 MPa以上且持續(xù)地快速上升.

3) 距離注漿點3～5 m出現(xiàn)多處地表冒漿.

4) 若注漿壓力長時間不上升，則控制注漿量，當(dāng)注漿量達到5 m3以上，且流速小于正常流速的1/2～1/4.

3 實驗結(jié)果分析

3.1 注漿量分布特征

3.1.1 注漿量空間分布特征

試驗區(qū)注漿量統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示.對比注漿壓力為0.1，0.2以及0.3 MPa的區(qū)域可知，注漿壓力越大的區(qū)域，所達到的注漿量最大值也越大.說明注漿壓力的增加有助于注漿量的增大.

(a) 1區(qū)(其余孔注漿壓力0.3 MPa)

(b) 2區(qū)(注漿壓力0.3 MPa)

對比1區(qū)、2區(qū)的注漿量分布特征與場地物探結(jié)果可知，各注漿孔的注漿量差異大，且注漿量分布與物探勘察確定的巖溶位置并不完全對應(yīng).其原因可能是：①物探勘察對小尺寸的裂隙通道無法準確探明，但漿液會沿此通道流動；②場地內(nèi)溶洞分布集中，其連通性好，注漿時漿液竄漿難以控制.王德明等[8]在永蓮隧道開挖斷面帷幕注漿過程中也得到類似規(guī)律.然而，張民慶等[6]在渝懷鐵路圓梁山隧道開挖斷面注漿工程中發(fā)現(xiàn)，注漿量空間分布規(guī)律與地層情況配備度高，其主要原因在于該地區(qū)的溶洞孤立且連通性差.

由此可知，注漿量空間分布特征與地層或者巖溶分布具有一定的匹配性，但其匹配效果受到地層連通情況的影響.對于地層連通性好的區(qū)域，注漿量空間分布與地層的匹配性也較差；若地層連通性差，且區(qū)域內(nèi)地層有明顯獨立的土巖分界線時，注漿量空間分布與地層匹配性較好.在本試驗中，如圖3所示，地層之間裂隙連通，可見地層連通性好，故注漿量空間分布特征并不能與具體地層情況完全匹配.

3.1.2 注漿量時間分布特征

分序注漿是在巖溶易塌陷區(qū)及極易塌陷區(qū)推薦采用的注漿方法.在試驗段施工時，按照1區(qū)、2區(qū)的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔依次注漿施工.各序孔的平均注漿量分布如圖7所示.

圖7 注漿量隨注漿次序分布圖

由圖7可知，1區(qū)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔的注漿量明顯大于2區(qū)相應(yīng)注漿孔的注漿量.這是由于1區(qū)與2區(qū)之間地層連通性較好，在1區(qū)注漿時漿液通過溶洞裂隙流向2區(qū)，從而使得2區(qū)注漿量減少.從圖中還可看出，在每個區(qū)域中，Ⅰ序孔平均注漿量均達到該區(qū)各序孔注漿量累計值的50%以上；Ⅱ序孔平均注漿量占該區(qū)各序孔注漿量累計值的20%以上；Ⅲ序孔平均注漿量低于Ⅱ序孔.這表明采用分序注漿時，注漿量隨著注漿次序的增加而遞減.這是因為，地層中的溶洞及裂隙逐漸被漿液填充后，后續(xù)注漿可填充的空間減小.圖8為本文試驗與文獻[15]中不同注漿次序的平均注漿量占注漿量累計值百分數(shù)對比圖.由圖可見，盡管不同場地之間各注漿次序的平均注漿量所占比例有差異，但其平均注漿量按照注漿次序遞減的規(guī)律是一致的.

圖8 注漿量百分數(shù)隨注漿次序分布圖

通過對實驗結(jié)果進行分析可得到以下結(jié)論：① 通過注漿量空間分布特征對注漿效果進行評價時，其評價結(jié)果易受地質(zhì)勘探精度與地層條件的影響.② 在注漿量時間分布特征上，先注漿孔的注漿量大于后序注漿孔的注漿量，符合注漿過程中的填充擠密效應(yīng)，因此注漿量時間分布特征法比空間分布特征法更具有普遍適用性.③ 根據(jù)分序注漿孔平均注漿量統(tǒng)計結(jié)果，可認為，當(dāng)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔的注漿量占總漿量比例分別在40%～60%，25%～35%，15%～25%之間時，達到預(yù)期的注漿效果.

3.2 P-Q-t曲線分析

3.2.1P-Q-t曲線類型

對試驗區(qū)所有注漿孔的注漿壓力、漿液流速與時間的關(guān)系進行匯總，得到試驗區(qū)巖溶注漿壓力P、注漿流速Q(mào)隨時間t變化的規(guī)律，形成P-Q-t曲線.下面分別對5種類型的P-Q-t曲線進行分析.

1) 一字型：注漿壓力與注漿流速基本不隨時間變化，見圖9(a).該類型的曲線反應(yīng)地層中溶蝕空隙大，注漿泵施加的壓力與漿液行進間的阻力基本一致，此時注漿以填充作用為主，采用注漿量定量控制作為結(jié)束注漿的標準.

2) 上升型:注漿壓力隨時間逐漸增大，同時注漿流速隨時間逐漸減小，最后注漿壓力到達結(jié)束標準，見圖b(b).該類型曲線反映注漿孔周圍的石灰?guī)r地層完整，密實度較高，可注性差.由于漿液擴散受到限制，造成注漿壓力逐漸升高.采用注漿壓力定壓控制注漿的結(jié)束，同時要注意控制最高壓力，防止注漿管爆裂.

3) 下降型:注漿壓力隨時間逐漸降低的同時注漿流速逐漸升高，見圖9(c).這反映場地中部分溶洞、空隙存在填充物(硬塑黏土)，限制了漿液擴散，導(dǎo)致開始時漿液行進阻力大.隨著注漿的進行，壓力升高，逐漸擠密、劈裂填充物[16]，打通通道后漿液行進阻力減小，曲線開始向一字型靠近.此時采用注漿量定量控制作為注漿結(jié)束標準.

4) A字型：注漿壓力先升高而后下降，注漿流速先下降而后升高，見圖9(d).其反映隨著漿液向裂隙擴散，裂隙中填充物逐漸阻礙漿液擴散，造成注漿壓力升高.隨著壓力的升高，裂隙中的填充物被劈裂打通，漿液行進的阻力減少，注漿壓力隨之下降.此時常采用注漿量定量控制作為注漿結(jié)束標準.

5)W型：與A字型相似，區(qū)別在于反復(fù)出現(xiàn)漿液行進阻力增大、注漿壓力升高、打通裂隙填充物后壓力下降等過程，造成注漿壓力出現(xiàn)多個較大的峰值，見圖9(e).震蕩后注漿壓力持續(xù)升高，可參考上升型曲線控制.

(a) 一字型

(b) 上升型

(c) 下降型

(d) A字型

(e) W字型

3.2.2 曲線類型與注漿過程的關(guān)系

統(tǒng)計各類P-Q-t曲線數(shù)量占曲線總數(shù)的比例(見表2)，發(fā)現(xiàn)一字型與A字型占比達到64%.這表明試驗區(qū)漿液主要是填充地層中溶蝕空隙以及打通溶蝕空隙中的填充物進行擴散的過程.注漿結(jié)束時會出現(xiàn)地表冒漿與地表未冒漿2種情況，統(tǒng)計這2種情況在各曲線類型中的比例發(fā)現(xiàn)：A字型中94%是以地表冒漿結(jié)束注漿的，表明漿液在向上發(fā)展的裂隙中行進至地表冒漿時受到來自覆蓋層填充物的阻礙，符合A字型產(chǎn)生條件，使得地表冒漿與A字型曲線關(guān)聯(lián)度高.而在一字型、上升型、下降型以及W字型中，地表未冒漿類型曲線所占比例高，反映了在這些類型中漿液主要向地層四周延伸的裂隙通道中擴散，不易產(chǎn)生地表冒漿.

表2 5種曲線類型占比及地表冒漿占比統(tǒng)計 %

通過地質(zhì)勘探資料，可以解釋巖溶地區(qū)注漿P-Q-t曲線類型的產(chǎn)生原因與統(tǒng)計規(guī)律.圖3方框1所示區(qū)域中，溶蝕裂隙通道向水平方延伸到其他空洞，注漿曲線為一字型或者下降型，此時漿液沿水平通道擴散，不易產(chǎn)生地表冒漿現(xiàn)象.若通過鉆孔反應(yīng)出溶洞中有填充物阻礙時，曲線為A字型或W字型；在圖3方框2中所示區(qū)域，溶蝕裂隙通道向上發(fā)展到覆蓋層，易產(chǎn)生地表冒漿現(xiàn)象，曲線以A字型為主；在圖3方框3中所示區(qū)域，空洞填充完后，沒有其他溶蝕裂隙通道可以擴散，曲線為上升型.因此，在注漿過程中可利用P-Q-t曲線的特點，判斷地層溶洞連通情況與注漿效果.

統(tǒng)計分序注漿下不同次序注漿孔的P-Q-t曲線類型占該序注漿孔的比例(見表3)后發(fā)現(xiàn)，在Ⅰ序孔注漿中，上升型與A字型所占比例為37%，表明Ⅰ序孔注漿中地層空隙多，漿液主要以滲透填充為主.Ⅱ序孔中，上升型與A字型占52%，表明部分空隙已填充，形成更多的封閉空間；下降型比例也較大，說明部分地層仍存在較大空隙有待填充.Ⅲ序孔中，上升型與A字型占比達82%，反應(yīng)Ⅲ序孔注漿時空隙減小、地層逐漸密實的特點.

表3 不同次序下5種曲線類型占比統(tǒng)計 %

根據(jù)上述研究結(jié)果，可知：① 根據(jù)P-Q-t曲線的形態(tài)特點，可將曲線分為5種類型，不同曲線類型對應(yīng)不同地層條件下的漿液擴散類型.② 根據(jù)曲線類型的數(shù)量統(tǒng)計，可得試驗段漿液擴散的主要類型是填充空隙以及通過溶蝕裂隙向覆蓋層發(fā)展.③ 分序注漿下，上升型與A字型曲線所占比例隨著注漿次序的增加而增大，上升型與A字型曲線在Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔注漿完成時的占比分別為37%，52%以及82%，反應(yīng)了分序注漿逐步填充空隙的注漿特點.在分序注漿下，上升型與A字型所占比例的增大規(guī)律可為判斷注漿效果提供依據(jù).

3.3 注漿引起的地表位移

如圖4所示，在場地周圍布置位移傳感器，傳感器距離注漿孔距離不同(根據(jù)圖中尺寸可以求得距離).對某個注漿孔進行注漿時，各個靜力水準傳感器自動采集注漿引起的地表豎向位移.注漿完成時，選擇每個傳感器所記錄數(shù)據(jù)中的最大值，作為該距離下注漿引起地表豎向位移的代表值.采用傳感器至該注漿孔的水平距離作為橫坐標，地表豎向位移代表值作為縱坐標，繪制注漿引起的地表豎向位移散點圖.考慮試驗區(qū)注漿壓力與注漿次序等因素，分別繪制不同注漿壓力下的地表位移圖與不同注漿次序下的地表位移圖，如圖10、圖11所示.

從圖10可發(fā)現(xiàn)：① 注漿壓力為0.1, 0.2, 0.3 MPa時，引起的地表豎向位移均隨著距離注漿點的距離增大而減小，影響范圍在10～15 m之間；② 不同注漿壓力下引起的地表位移相差很小，在距離注漿點5 m內(nèi)的地表豎向位移主要分布在1 mm以下；③ 注漿壓力為0.2 MPa時，產(chǎn)生地表豎向位移最大值, 接近1.5 mm, 然而注漿壓力為0.3 MPa時，產(chǎn)生的地表豎向位移最大值不超過1 mm.其原因是：當(dāng)采用0.3 MPa定壓控制終孔條件時，部分注漿孔在注漿壓力低于0.3 MPa時產(chǎn)生地表冒漿現(xiàn)象或按定量條件而結(jié)束注漿，只有部分注漿孔可以達到0.3 MPa的注漿壓力并按照定壓標準結(jié)束注漿.統(tǒng)計注漿孔下溶洞頂板埋深與其結(jié)束注漿時達到的注漿壓力，結(jié)果見圖12.由圖可知，注漿壓力達到0.3 MPa時，溶洞頂板埋深普遍大于5 m，溶洞頂板埋深的增加造成地表豎向位移最大值的減小.

(a) 注漿壓力為0.1 MPa

(a) Ⅰ序孔

圖12 溶洞頂板埋深與注漿壓力關(guān)系圖

從圖11可發(fā)現(xiàn)注漿誘發(fā)的地表豎向位移具有以下特點：① 地表豎向位移隨著距離注漿點的距離增大而減小，影響范圍在10～15 m之間；注漿壓力為0.3 MPa時，注漿誘發(fā)的地表豎向位移最大不超過1.5 mm.② 在Ⅰ，Ⅱ序孔注漿時距離5 m以內(nèi)的地表豎向位移主要分布區(qū)在1 mm以下，影響范圍在12～15 m之間；Ⅲ序孔注漿時距離5 m以內(nèi)的地表豎向位移向1 mm附近，影響范圍在10～12 m之間.這表明注漿產(chǎn)生的地表豎向位移最大值會隨注漿次序的增加而增大，影響范圍隨著注漿次序的增加而減小.③ 《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》[17]中對軌道變形的要求為水平與高低均不大于2 mm.地表變形可通過路基傳遞到軌道形成軌道變形，且軌道變形應(yīng)小于地表變形.從監(jiān)測結(jié)果看，在8 m附近的地表位移在0.5 mm左右，均未超過 1 mm，說明注漿對既有線的安全運營沒有威脅.

4 結(jié)論

1) 巖溶路基進行注漿加固時，注漿量空間分布呈現(xiàn)不均勻性，其與地層的對應(yīng)關(guān)系易受到地層巖溶分布特征與地質(zhì)勘探精度的影響而難以很好的匹配.注漿量時間分布效應(yīng)上，注漿量普遍有隨著注漿次序增加而遞減的趨勢，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔平均注漿量占總注漿量的比例范圍分別為40%～60%, 25%～35%, 15%～25%.因此，注漿量時間分布特征法比其空間分布特征法更具有適用性.

2) 現(xiàn)場注漿的P-Q-t曲線按曲線形態(tài)可分為5種類型，每種類型對應(yīng)不同溶洞形態(tài)下的漿液擴散過程.注漿次序影響曲線類型的變化，隨著注漿次序的增加，上升型與A字型P-Q-t曲線在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序注漿孔完成時的占比分別為37%，52%和82%，這反映了注漿逐漸填充地層.

3) 注漿壓力在0.1～0.3 MPa 之間時，注漿對地表豎向位移影響不大.在分序注漿下，注漿引起的地表位移最大值不超過1.5 mm，且在8 m處衰減至0.5 mm.

4) 在鄰近既有線的巖溶注漿工程中，采用0.3 MPa作為定壓控制標準，可以滿足鄰近既有高鐵安全運營的同時取得更大的注漿填充效果.可以采用分序注漿下注漿量時間分布特征與P-Q-t曲線類型比例變化進行注漿效果評價.