中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司 四川成都 曾健 611130
摘要：在岩溶地区,铁路运输给人民生活与社会经济发展带来利益的同时, 由于铁路施工改变了原来的地貌,而给铁路运营也潜伏下较大的危害.为此,我们在今后的铁路施工中,需要在处理岩溶塌陷的技术以及工艺上展开深入的分析,健全技术体系和工艺体系,为铁路施工提供更多的保障.在现阶段的发展中,铁路施工成为了决定社会发展水平的重要项目,在很多方面都具有较大的积极作用,但自 然因素的限制是一大处理难点.日后,需在铁路施工中,进一步落实各项技术和工艺,提高铁路施工的质量,保证铁路运营安全.
关键词：铁路施工;岩溶塌陷
引言：在我国,岩溶地貌分布较广泛,其中岩溶塌陷是一种突出的地质灾害,其在影响城市建设及交通运输的同时还给生态环境造成很大影响,造成严重的经济损失,给人们的生活带来不便.现如今,交通越来越发达,铁路工程不可避免要经过岩溶区域,如何避免岩溶塌陷对工程的影响成为在工程建设中需要面临的重要问题,文章从塌陷机理及触发因素入手,对铁路施工中对岩溶塌陷的处理进行分析.
一、 岩溶治理的必要性
岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层（石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等）造成的地表和地下溶蚀现象，这一过程经过化学溶解作用和崩解、沉淀、搬运等机械性作用。在工程建设中，遭遇岩溶区域越来越常见，相应的岩溶工程危害也越来越复杂和严重。常常出现的各种类型的岩溶地质灾害，如果没有采取科学、适当的处理措施，往往在施工和运营期间都会发生许多事故，甚至严重危害工程的正常使用，故妥善、有效处整治岩溶地质灾害是确保工程建设的关键。
二、岩溶塌陷发育特征
岩溶塌陷是由于可溶岩洞（隙）上覆土体在自然或人为因素作用下向下塌落的现象，开口岩溶形态、上覆一定厚度的松散盖层及自然和人为外部作用力等是岩溶塌陷形成的基本条件。大量研究表明，岩溶塌陷的发育和分布规律受形成条件的影响。
隐伏岩溶发育强度影响。岩溶的发育引起裂隙、溶洞等发育，导致岩溶空洞中地下水流速显著增大，因此对覆盖层的作用力增大，从而加速了塌陷的形成。
构造发育程度影响。断裂带附近，岩石破碎，裂隙发育，是地下水的良好赋存空间和运移通道，地下水与岩石密切接触，溶蚀作用增强，从而加速溶洞及土洞的形成。
土层结构、厚度影响。土层结构分为一元结构、二元结构和多元结构：一元结构土层岩性主要为粘性土，厚度一般较薄；二元结构和多元结构土层主要有粘性土、砂卵石层交互组成，厚度一般较厚；以往研究表白，相同条件下，二元结构和多元结构产生塌陷比一元结构容易。土层厚度主要影响地面塌陷坑的形成时间和规模，土层越厚，塌陷孕育的时间越长，塌陷坑规模越大，另有研究表明，岩溶塌陷多发生在土层厚度30m以浅的地区。
水动力条件影响。地下水位及水压变动大的地带易发生岩溶塌陷，如地下水抽取过度形成的降落漏斗区、溶蚀洼地、河床两侧等地区。研究表明，地下水位变幅大、变化速率大及水位长时间在基岩面上下波动的地区岩溶塌陷极易发生。
二、岩溶塌陷机制分析
过去普遍认为岩溶塌陷系改变地下水动力条件所致，其实，地下水或地表水的作用，均可造成岩溶塌陷。岩溶洞隙、土层、外部条件三个因素，可视为塌陷产生的必要条件。三个因素中，岩溶洞隙在一般情况下，特别是在工程的设计年限范围内不会改变，是一个固定因素，而可能变化的就只有土层和外部条件。这两个因素中，不管哪一个改变都会产生塌陷。过去的研究者对外部条件研究较多、较深，诸如地下水动力条件改变、河水涨落、地表水集中渗入、列车运行振动荷载、放炮等等，而对土层改变的研究相对较少。土层的改变实质上在致塌因素中占主要地位，起着承上启下的作用。
在以往的研究中，往往注意的是外部条件的改变对土层性质的影响，如含水量，值等，或者对土层细部结构的改造，如潜蚀等，而往往忽视了土层宏观方面的改变，特别是铁路工程建设过程中对原有地貌的破坏。土层的改变首先是其抵抗外力的改变，直接的表现形式为土层减薄，承载力锐降。人为的改变土层结构，在铁路新线施工中表现得尤为明显，特别是线路以挖方路堑形式通过时，首先涉及的便是土层减薄。如果路基下有溶洞，上覆土层减薄，即意味着洞隙上方土层的厚跨比减小，当厚跨比减小至超过临界值时就会产生塌陷。这种塌陷产生较快，无需外动力，也无需触发因素。过去对它一般不予重视，其实它是进一步塌陷的雏形，它的产生及发展对铁路的危害极大。
其特点为：具突发性，有一定的可预见性，在施工过程中就可能产生。将塌陷产生时的临界土层厚度，称为临界厚度。这种因土层厚度减薄而发生塌陷的临界厚度，只与土层性质有关。对于未超过临界厚度，在外部条件改变情况下，有可能产生塌陷的土层厚度，称为危险厚度。根据铁路沿线岩溶调查及对大量塌陷的统计分析，塌陷产生的危险厚度一般小于。当然含水量的多寡、土性的差异，对临界厚度有明显的影响。调查发现，上述土层减薄产生的塌陷，一般在施工尚未结束时就能发生：有的在施工过程中，无外在诱发条件（如降雨）下，就会发生；有的处于临界厚度附近的土层，在施工期间，一场大雨后，或经历一个雨季后（即改变外部条件产生的集中渗流）就产生塌陷，且产生的部位均在路堑及半填半挖地段。例如贵昆线浑水塘车站，南昆线段等等，均在施工开挖过程中、或施工雨季中产生过塌陷。实际上，施工时大部分岩溶发育严重的路堑地段，均产生过规模不等的塌陷，只是施工中未引起重视，且未作施工记录而已。
外部条件的改变，实际上也是促使土体抗力衰减的过程。这里有两种形式：其一，当土体逐渐减薄到超过极限抗力时的厚度而产生塌陷，这种塌陷类型属于土层厚度接近临界厚度，产生塌陷是必然的结果；其二，土层厚度在危险厚度以内，塌陷的产生先有一个产生土洞的过程，这就是人们常说的潜蚀，这种类型塌陷的特点，是突发性、隐蔽性、不可预测性。整治铁路沿线的岩溶塌陷，实质上就是整治这两种类型的塌陷。总之，铁路沿线岩溶塌陷的产生、发展，有它自身的规律。它的发展过程，便是施工中产生或形成隐患，运营中潜伏，再形成危害。所以整治塌陷，应该从勘测、设计到施工全过程的角度来考虑，并应力求在施工过程中消灭隐患，根除潜在的危害，才能提高铁路运营的安全水平。岩溶塌陷整治措施过去对铁路沿线的岩溶塌陷，往往是产生了危害的情况下才予以重视。
三、岩溶塌陷对铁路的影响
岩溶地表水和地下水对可溶性岩石的化学溶解和机械侵蚀作用所产生的地貌现象。岩溶对铁路的危害如下：地下洞穴的顶板坍塌引起洞上的铁路建筑物下沉或破坏；洞穴或漏斗周期性冒水，淹没路基基底，引起沉陷、翻浆或崩塌；突发性地下涌水，冲毁铁路建筑物。中国西南石灰岩地区常见的岩溶形态有：落水洞、竖井、漏斗、溶洞、溶蚀洼地和暗河等，选线不当常导致严重后果。如某线老虎咀隧道，施工进洞300 m处发现一溶洞，顶部高出路肩60m，底部低于路肩72 m，长102 m，宽90 m，难于处理，迫不得已改线绕避。岩溶地段定线原则如下：对于大型的、处于强烈发育阶段的岩溶线路应予绕避；对于中、小型的、已停止发育的岩溶，可择其窄处、易于处理的部位通过；根据岩性及地质构造，宜将线路选在难溶岩层通过，宜避开地质构造破碎带，使线路方向与主要构造线正交或较大夹角斜交，以减少其影响；可溶岩层与非可溶岩层和不透水层的接触带常诱发落水洞、漏斗、塌陷及暗河等，故应予绕避；岩溶地段，宜以明线（路基、桥涵等）通过，不宜做地下工程（隧道）特别是长隧道。
四、岩溶地面塌陷区施工措施
(一)应用桩基技术
在打进桩基之前， 首先要测试岩溶的裂隙状况， 然后再确定打进桩基的深度。 为保证施工安全， 及有效地形成一个含有水、 土、 岩石的封闭单元体， 要在钻孔之前对岩溶裂隙注浆。 首先要选择使用高压旋喷支护基坑。 高压旋喷桩和百喷桩组合而成的止水帷幕的有效深度可达到5米左右，并且它们的组合状况还具有明显有效的支护作用。 在操作过程中要注意一下几点： 开挖基坑要采用陡坡和放坡方式， 注浆一定要喷到岩面上， 在遇到溶洞和漏液的时候要先注射浆体，遇到裂缝要加深。支护完毕之后，进行的操作是施工勘察， 勘察的内容是索取岩溶附近的裂隙状况； 确定桩基深度； 确认需要注浆的区段以及注浆的量； 进行拍照和水位记录， 数据的有效分析。 最后是桩基的设计， 在设计桩基之前要先使用钻孔灌注嵌岩桩，灌注它的目的是保证桩基的安全稳定。 开始要检查桩端下面的岩石是否还完整， 检查它的刚度是否还能达到所设计的承载刚度。 在施工的时候要提醒他们不断地调整装和孔的位置， 从而满足不同长度的桩基的使用要求。
(二)应用质量检测技术
常用到的质量检测技术有试验桩静荷载、 检测桩基基身质量、 观察建筑物沉降状况、 基岩注浆等。 在治理地质灾害的时候， 如果治理的结果形成了一个封闭的岩石单元体并且有效地切断了地下水和外界的联系， 那么这样的治理就是一个比较成功的。 在水位的检查方面， 常用到的方法是通过基坑外部设置的观测孔进行观察， 若坑内存在降水现象， 可以考虑使用疏水措施， 进行完毕后水位没有发生过大变化说明设计的止水帷幕是成功的。 在对基岩注浆的时候， 可以延伸到十米之外。 检查方法是进行钻孔，若分析裂隙中存有凝固的注浆体， 说明注浆之后没有发生漏液现象， 说明基岩的裂隙已经被顺利地堵住了。 要想真正地治理地质灾害， 需要完成的工作就是认真地分析坍塌的原因， 然后针对性地进行勘察和桩基设计，确保形成完整的刚度满足要求的岩土单元体。 需要注意的是钻孔前要确定桩基潜入的深度， 而确定桩基深度就要对裂隙的状况进行良好的勘察， 勘察工作十分重要。
五、 在铁路中岩溶地质的处理
在铁路施工中， 遇到岩溶地质时， 首先要确定溶洞区域的位置， 溶洞的大小， 类型（ 是否会引起突泥、 涌水等灾害）， 然后采取相应的施工措施对溶洞进行正确地处理。
当溶洞属于已经停止发育并且无突泥和涌水的可能， 溶洞没有水以及其他填充物时， 一般溶洞规模较小时 可根据其与铁路的相交位置及其填充情况， 采用混凝土、 浆砌片石、 或干砌片石予以回填封闭， 根据地质情况决定是否需要加深边墙基础； 当溶洞规模较大时， 一般采用加强隧道顶部的构造， 并且设置缓冲层的方式， 可以降低成本。
当岩溶地区遇到暗河或者溶洞有水时， 最佳的方法就是排出， 宜排不宜堵。 首先要清楚的了解该地区的水文地质情况， 查明水源流向及其与隧道的位置关系。 然后采用涵洞， 暗管， 附属坑道将水排除洞外。
当中部及底部遇有深狭的溶洞时， 可加强两边墙基础， 并根据情况设置桥台架梁通过。 顶部有溶洞时要注意对顶部结构进行加强并且用材料进行密室回填。
当遇到较大并且较难处理的岩溶地质区域时， 可以采用迂回道坑法，绕过该区域，继续进行施工，并同时对岩溶地区的隧道进行技术研究， 寻找解决的方法，尽量不要延误工期。总体说来就是要： 遵循采取以疏为住、 堵排结合、 因地制宜、 综合治理的原则。“堵排结合” 是治水的基本方法。 在保证掌子面稳定， 拥有良好的工作环境下， 并且注意对周边环境的影响来选取适当的措施。
（一）施工方法
1、确定溶洞形态
现场停止开挖作业，对基底及掌子面附近进行地质雷达检测，根据检测结果初步推断处溶洞位置，为进一步精准探明掌子面及基底溶洞范围，现场在中台阶掌子面打设超前水平钻，基底采用潜孔钻对基底岩溶钻探，钻探参考地质雷达检测结果，边墙两侧处基底钻探外倾15~20°，探测隧道开挖面以外是否存在溶洞，其他段落采用竖向钻孔，钻探过程中对遇到溶洞探孔时，加深钻孔长度，将探孔钻至溶洞以下5m，周边加密探孔数量，确认溶洞范围。纵向探孔探明溶洞纵向长度，采用两端 “夹击”方式，逐步精确推测出溶洞的纵向范围。现场基底探测钻孔探测完成后，及时上报地质专业钻探记录。
根据超前地质预报各种手段综合分析基底溶洞发育情况为：溶洞竖向呈长条状，横向呈葫芦形，较为不规则，为全充填溶洞，填充物为较为松散黄褐色粉质粘土夹碎石。其中DK248+480~+484段溶洞位于轨底下0.5~1m处，溶洞高约2~3m，宽约6~9m；DK248+484~+490段溶洞位于轨底下1~6m，溶洞高约4~13m，宽约5~9m；DK248+490~+495段溶洞位于轨底下12m~16m处，溶洞高约2~6m，宽约1~3m。（引用工程未列）
2、处理方法
根据溶洞的布置形态及大小，溶洞具体处理方法为：
DK248+480～+484段隧底岩溶发育深度小于3m，采用C20混凝土换填；
DK248+484～+490段仰拱以下岩盘厚度小或无岩盘，岩溶发育深度3～15m，全填充，承载力小于80kPa，采用φ194钢管桩注水泥浆加固方案，加固范围为隧底溶洞范围；钢管桩间距0.6×0.6m，梅花型布置，管内压注水泥浆；注浆完成后钢管内采用M10水泥砂浆灌满；桩深入基岩不小于1m；施作仰拱前，桩顶设不小于50cm厚C20混凝土垫层，内设钢筋网片；
DK248+490～+495段采用Φ89钢花管注浆，间距150X150cm，深入基岩不小于1m。
3、注浆效果检验
采用地质雷达进行注浆效果检查，有无注浆盲区存在，若存在盲区，应重新打孔补注浆。
DK248+484～+490段现场进行基地承载力测试，要求基地承载力大于300Kpa，若基地承载力小于300Kpa，应进行补充注浆。
DK248+484～+495段线路纵向每3m设置一排检查孔，每排间距3m设置一个孔钻芯取样，施工中根据溶洞位置布置检查孔，钻孔深入基岩不小于1m，检查溶洞填充是否密实—钻芯的密实度不应小于90%，否则进行补充注浆。
六、在铁路中岩溶地质的处施工总结
岩溶隧道施工中加强超前地质预报，并采取多种预报手段探测岩溶分布情况，探查清晰溶洞后方能确定下部施工方案，消除施工风险，保证隧道运营安全和周边环境不受影响；
根据隧道实际揭示的工程地质和水文地质条件，通过超前管棚、径向注浆和喷锚支护等辅助手段加固隧道顶部的围岩，防止坍塌；基底通过换填、钢管桩、注浆等方法加固隧道底部的松软地层，提高隧底的强度和整体性，防止基底沉降。
隧道岩溶处理施工后，及时对处理效果进行钻孔取芯验证，经检验效果验证合格率为100%，满足要求后方能继续进行开挖或其他工序施工。
在各种不良地质条件下选取不同的岩溶处理措施，方法有效，理念正确，既解决了岩溶区项目施工技术难题，又为项目带来了经济效益，达到了隧道岩溶处理的工程质量和最佳效果，各项指标能够符合设计要求；同时在全线隧道岩溶处理施工中进行推广，为快速、高效、优质地建设黔张常铁路提供了保证，有效地保证了铁路岩溶隧道施工质量。
结论
综上所述，实际工程中，工程人员务必对岩溶发育情况、水文地质特征进行分析，总结引发岩溶塌陷的形成机制，并提出有效的治理方案，提高工程安全性，促进工程建设的顺利进行。
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