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铁路路基稳定性探索研究及施工

2011-08-12 11:58:43中国铁路招标网

  我国岩溶地区分布广泛,面积达56万平方公里。新建铁路如武广客运专线、宜万线等穿越众多的岩溶及采空区,这给铁路路、桥基础的稳定性构成了极大威胁。岩溶及采空区路基处理必须进行其稳定性分析和评价,其稳定性评价有两个方面的考虑:**,以地基变形控制作为依据;第二,以结构强度破坏作为依据。作为高速铁路路基采空区及溶洞的处理问题,由于变形已基本完成,基于后者的考虑是合理的。

  基于上述考虑,存在两种情况:即“先有结构(铁路路基)后有(开采)空洞”与“先有(开采)空洞后有建筑物(铁路路基)”,这两种情况的研究和问题的处理方法是有本质区别的,本文只考虑后者情况,这就决定了该问题的处理依据与原则,即以铁路路基岩溶与采空区顶板承载力能力控制为主,以路基地表变形控制为辅进行决策。

  结合新建铁路岩溶路基类型(路堤、路堑)、岩溶地下水以及岩溶的特殊问题,提出相应的整治措施及原则。

  1岩溶路基稳定性半定量分析方法目前,岩溶与采空区路基稳定性分析一般采用传统经验半定量分析方法和有限元方法等,包括洞穴顶板安全厚度及其距路基安全距离的估算。

  1.1岩溶顶板安全厚度的估算根据我国铁路建设中处理基岩洞穴顶板的实践经验认为,评价洞穴顶板稳定性必须考虑两方面因素:一是内在因素:包括洞穴顶板的厚度、跨度及形态、岩石的性质、岩层产状、节理、裂隙状况以及岩石的物理力学性质指标等;二是外在因素:包括洞内水流搬运的机械破坏作用等。

  在实践中,将上述诸因素加以概括化,采用近似的办法计算。常用的几种方法有:1.1.1完整顶板安全厚度的估算完整顶板系指未被节理裂隙切割或虽被切割但胶结良好,可视为整体的洞穴顶板。完整顶板安全厚度的估算方法有如下几种:①荷载传递线交汇法对于完整的水平顶板参照《铁路桥梁设计规范》,假定由顶板中心按与竖直线成30° ̄35°扩散角向下传递,此传递线位于顶板与洞壁的交点以外时,即认为溶洞壁直接支承顶板上的外荷与自重,顶板是安全的。

  ②厚跨比法影响空洞顶板的稳定因素主要有四个方面,即顶板的完整程度、顶板形态(水平或拱形)、顶板的厚度(h)及建筑物跨过溶洞的长度(l)。根据多年来的调查统计分析及现场试验得出结论:当洞顶板为完整顶板时,其顶板的厚度h与建筑物跨越溶洞的长度l之比(h/l)大于0.5时,顶板厚度是安全的。

  ③按剪切概念估算当溶洞顶板岩层完整,洞跨较小,剪切是主要控制条件时,可按顶板受剪估算其安全厚度。

  设溶洞宽度为b,溶洞长度B,路基范围内的溶洞顶板自重为Q 1、附加荷载(包括填土和附加荷载)

  为Q 2,根据极限平衡条件,顶板岩体抗剪力T为(1)而,代入式(1)得(2)式中,λ为岩体的抗剪强度,kPa,石灰岩一般为其允许抗压强度的1/12;L为路基下溶洞的平面周长,m:L=2(B+b)。

  ④按梁板受力情况估算当溶洞顶板岩层完整,近似于水平层,且洞跨较大,弯矩是主要控制条件时,可按梁板受力情况估算其安全厚度。如,设路基溶洞宽度为b,溶洞长度为B,溶洞顶板总荷载(包括自重和附加荷载)集度为q,根据抗弯验算(3)得(4)式中,[σ]为岩体的抗弯强度,kPa,石灰岩一般为其允许抗压强度的1/8;M为弯矩,kNm,按两端固定梁计算,M=qb 2/12.所得H再加适当的安全系数,即为顶板的安全厚度。

  在计算荷载集度q时,主要考虑顶板岩石自重、填土与原状土重以及附加荷载,附加荷载主要指压路机静动荷载,考虑压路机重600kN,动力系数1.2,轮距2.5m,轮宽0.2m,轮与地面接触0.2m,另外,计算压路机荷载时要考虑荷载的扩散性,扩散角取φ=24°。

  1.1.2不完整顶板安全厚度的估算①洞穴顶板坍塌堵塞估算法洞内无地下水搬运的情况下,溶洞顶板坍塌时,岩块体积松胀,当坍塌至一定高度,溶洞将被完全堵塞,顶板不再坍塌,坍塌高度h 1可用下式估算(5)式中,V 0为洞穴体积(m 3);V 1为可能坍塌的岩体体积(m 3);K为岩石胀余系数(石灰岩一般的胀余率为20%,即K=1.2)。

  在坍塌前,溶洞可视为柱体,底面积为F,柱体体积为V 0(V 0=Fh 0)。顶板坍塌后,可能形成穹窿或棱锥体,其体积为V 1=Fh 1/3;也可能形成柱体,其体积为V 1=Fh 1。如为棱锥体,从上式得:(6)

  如为柱体,则得(7)式中,h 0为洞穴高度(m);h 1为坍塌的岩体高度(m)。从式(6)和式(7)可看出,当为穹窿或棱锥体坍塌时,所需坍塌高度大于柱体坍塌高度,但其顶板受力条件比柱体坍塌的顶板有利。因此,可以认为,坍塌所需高度只需按柱体坍塌考虑已足够安全,即非完整岩层顶板的厚度大于洞高度的5倍时是安全的。

  ②按破裂拱概念估算适用于顶板风化破碎的岩层。

  溶洞未坍塌时,相当于天然拱处于平衡状态,如发生坍塌则形成破裂拱,破裂拱高度H为(8)如溶洞不规则,H 0和b应采用较大尺寸。破裂拱以上的岩体重量由拱承担,因承担上部荷载尚需一定的厚度,故溶洞顶板的安全厚度为破裂拱高加上部荷载作用所需的厚度,再加适当的安全系数。

  根据前述方法,对路基下空洞的稳定情况进行了分析计算,得到了路基下几种大小空洞保持稳定的**小安全厚度,计算结果见表1,为武广客运专线岩溶及采空区处理原则的制定提供了基本依据。

  1.2溶洞距路基的安全距离估算按破裂拱估算顶板厚度示意图表1空洞顶板**小安全厚度计算(上覆土层按5m计算,单位:m)空洞大小b(m)×h(m)荷载传递线交汇法(φ=35°)厚跨比法按剪切概念估算(洞长取1倍洞宽)按梁板受力估算按坍塌堵塞概念估算

  路基附近的溶洞,距离路基坡脚应有一定的距离,如一旦坍塌呈漏斗形,不致危及路基,该距离称为溶洞距路基的安全距离。由于影响因素较多,尚无可靠的计算公式,可暂按坍塌时的扩散角估算,安全距离L为(9)式中,H为溶洞顶板厚度(m);β为坍塌扩散角(°);;(K为安全系数,取1.1 ̄1.25;φ为岩石的内摩擦角(°)。利用上述方法,计算了几种埋深情况的溶洞距路基的安全距离。

  2岩溶路基处理方案采用以上方法对新建铁路如宜万线、武广客运专线等岩溶及采空区域构造的稳定性进行了评价,结果表明,该区段的许多岩溶都需进行处理。本文针对岩溶构造的不同特性,提出了相应的处理措施。

  2.1岩溶路基处理原则岩溶路基处理中除了应遵循“安全可靠、经济合理,技术可行、施工方便”,的通用原则,结合该区段岩溶构造的发育特点,尚要遵循以下原则:(1)尽可能保持岩溶原有水系的自然补给与排泄环境。

  (2)合理利用岩溶顶板、岩溶石柱、岩溶坡面岩石承载能力。

  (3)在压缩层深度范围内,岩溶发育构成对地基沉降不良影响时,采用灌浆固化及填充。

  (4)在大面积复杂岩溶路段,采用桥式跨越的办法。

  (5)在落水洞分布较多的地段,应尽量避免降水施工。因水力梯度的突变,可能造成地面沉陷,威胁地面建筑物安全。

  2.2岩溶路基处理方案新建铁路岩溶病害路基的处理方案在施工中要根据现场实际情况和开挖后暴露的地质问题进行修改设计,使设计的措施更加符合千变万化的岩溶地质的要求。

  2.2.1岩溶地质构造覆盖土层较厚的土质路堑下伏为灰岩地层,受垂直方向地下水位变化幅度的影响非常严重,在土石界面存在土洞时,应根据土层的厚度,合理选择桩承板(带支撑桩的钢筋混凝土板)或注浆加固等措施。

  开挖路堑所揭示的溶洞,应对其大小、形态、充填情况进行调绘记录,根据岩溶**手资料,配以必要的钻探,采用跨越(钢筋混凝土盖板、桥)、洞内支撑(柱状、拱形)、填充(无充填物、无地下水流时可浆砌片石充填)等手段通过。

  路堑周围附近,凡与线路有密切关系的溶洞应进洞探查,根据调绘溶洞的平剖面、溶洞顶板的完整情况、路基标高下溶洞的厚跨比、厚高比,判断岩溶顶板的稳定程度。当评价为不稳定时,一般采用跨越(钢筋混凝土盖板)或根据溶洞形态、顶板厚度进行支撑(柱状或拱形)。

  基岩裸露、岩溶欠发育的路堑。对溶沟、溶槽、溶缝及溶洞口应清除表土,砂浆勾缝、浆砌片石回填或小型盖板处理。

  岩溶发育的基岩裸露路堑,应根据具体的岩溶工程地质和水文地质确定设计整治方案。

  ①溶洞具有完整顶板,顶板厚度与**大跨度之比大于0.5;溶洞具有不完整顶板,顶板厚度大于溶洞高度的5倍,上述两种情况线路可以直接跨越。一旦不能满足时,则需要加固。

  ②溶洞评价为不安全时,一般采用钢筋混凝土盖板直接置于基岩之上,对石芽、溶槽中残存土层一般清除表土,回填浆砌片石,局部土层较厚地段宜设置支撑桩。

  ③常年无水的大型溶洞,可采用地表跨越(桥、钢筋混凝土盖板)方案,有施工条件的可采用支撑(柱状、拱形)等方案;浆砌片石回填慎用;揭盖的干溶洞,一般不宜干砌片石抛填,难以保证基底的密实程度。

  ④路堑开挖基底暴露的空洞,不得随意抛填,必须对岩溶形态、充填情况、地下水动态等充分了解后再作决定,一般宜设置钢筋混凝土盖板。

  ⑤路堑支挡建筑物基础之下可用钎探(≥5m)探明溶槽的土厚,熔洞顶板厚度及溶洞的跨度,分别采用清除表土、回填浆砌片石、揭盖回填浆砌片石、钢筋混凝土底座的圬工墙、桩承墙等方法处理。

  ⑥路堑边坡出现溶洞,应及时支撑、嵌补,保持边坡稳定。对相应基底薄弱地段应先浅层钎探,可疑地点钻探落实。

  2.2.2线路位置线路直接跨越封闭岩溶洼地,路堤覆盖落水洞,当采用钢筋混凝土盖板方案时,支撑桩应置于基岩中,并根据地形、落水洞的位置做好涵洞、排水沟、截水沟等地表排水设计。路基所遇岩溶地下水、暗河以及地表集水,一般均在查明位置、标高、流向、流量、变幅等基础上采用疏导、引排的方法进行整治。

  ①暗河标高高于路肩标高时,应采取“拦截、引排”的措施,将地下水拦截至路堑之外,引排到线路范围以外,对路基安全不构成威胁。

  ②路堑中基底溶洞作为暗河水流通道时(既使旱季干枯无水),要保留通道。当通道过水断面不足时应予拓宽,尽量采用地表跨越等手段,严禁回填,以免酿成新的水害。

  ③对地表水和地下水应留有出路,不得随意改变原来的地质环境。任何岩溶泉,甚至雨后的间歇泉,都应给地下水出路,采用涵洞、盲沟等措施引出路堤边坡之外,严禁封堵。路堤下的落水洞,应保留原来的地质环境,地表建立良好的排水系统,利用涵洞将表水引至落水洞。当地表汇水面积较大,落水洞周边出现长期积水,排水不畅时,可采用地表截排水或落水洞疏通等措施。路堤下部有暗河存在时,评价暗河岩溶形态的安全性和水位变幅对路堤稳定的影响。

  根据稳定性和灾害性评价,选择跨越(桥、涵、盖板)以及放水、排气、减压等措施。暗河部位不宜采用注浆加固措施。路堤填方直接覆盖于基岩裸露或表土较薄地段,可清除表土,对出露的溶缝、溶沟、溶槽及熔洞口,用砂浆、浆砌片石、片石混凝土、盖板等封闭,用地表明处理方法,切断路基土下移的通道,保证路基的稳定。

  路堤范围下的漏斗,虽无表水汇聚,但其成因往往与地下水活动相关联,宜采用盖板处理。对岩溶可疑地段,采用钎探查明溶洞顶板厚度,当顶板过薄时宜炸开顶板,根据实际情况回填浆砌片石或加盖板。线路从封闭洼地边缘通过时,应结合横断面和地质钻探成果,选择技术可行、经济合理的常规设计方案,慎用盖板方案。

  ①路堤有条件收坡地段,结合岩溶地质条件,应采用路肩墙、坡脚墙、加筋土挡墙、桩承墙、钢筋混凝土座板式挡墙或组合式方案。对岩溶发育的基础,应加强勘察,保证墙体的稳定性。

  ②结合表土厚度、岩溶发育程度及地下水变动闭塞信号系统,类似系统也已投入商业运营。

  但WLAN通信技术与信号系统相结合毕竟还不是非常成熟,同时由于各公司开发的信号系统技术方案上各不相同,实际运营经验仍不够丰富,在工程应用中还是存在着一定的工程风险,只要充分考虑到工程存在的风险因素,在进行了充分研究试验、制定详细工程规划、优化系统设计等规避风险措施下,随着工程实际应用的不断增加,基于无线扩频通信的移动闭塞信号系统技术上一定会更加成熟和可靠,运营维护和投资经济的优越性将逐步体现,必然会得到更加广泛的应用。

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