廣清城際軌道交通項目巖溶發育特征淺析

柳 柳 喬艷紅

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 10055； 2.廊坊師范學院， 河北廊坊 065000)

巖溶是水對可溶性巖石的化學作用和機械作用以及這些地質作用所產生的水文現象、地貌現象的綜合[1],根據埋藏的條件,可分為裸露型巖溶、覆蓋型巖溶和埋藏型巖溶等。巖溶作為鐵路工程中較為常見的不良地質之一,是影響鐵路工程質量的關鍵因素。

1 工程概況

廣清城際軌道交通項目包含機場北至清遠飛來湖段和廣州北至汽車學院段兩段線路,正線全長68.338 km。

其中,機場北至飛來湖段自廣州市白云機場起,途徑花都區花山鎮、獅嶺鎮,清遠市銀盞、龍塘鎮、清遠城區至終點飛來湖站,全長59.389 km；廣州北至汽車學院段起于廣州北站,終于汽車學院站,全長8.499 km[2](如圖1)。

圖1 廣清城際軌道交通項目線路示意

2 地質概況

2.1 地形地貌

廣清城際交通項目線路主要經過廣州市花都區和清遠市兩個轄區。廣州市花都區地勢北高南低,北部丘陵綿亙,中部淺丘臺地,南部為廣花平原,形成東北向西南斜置的長方形；清遠地處廣東中部和西北部,一半以上地域是山區,地勢自西北向東南傾斜,以山地、丘陵為主,平原分布于北江兩岸的南部地區。

線路所經區域主要地貌類型為沖積平原及剝蝕丘陵。丘陵區,地形起伏較大,高程一般為11～381 m,相對高差50～330 m,丘陵上植被發育,林木茂密；平原區地形平坦、開闊,河流、道路縱橫交錯,經濟發達,城鎮密布,多農田及魚塘,零星分布有剝蝕殘丘,海拔高程一般為3～37 m,相對高差小于27 m[3]。

2.2 地層巖性

線路所經區域表層主要為第四系全新統(Q4)，局部零星分布有下第三系(E)地層。下伏基巖主要為石炭系下統(C1)、泥盆系上統(D3)地層以及燕山期侵入巖(γ)[4],線路所經區域地層情況見圖2。

圖2 廣清城際軌道交通項目全線工程地質示意

石炭系下統(C1)地層分布于花都區,主要巖性為灰白色厚層狀粗砂巖,紫灰色中厚層狀粉砂巖,灰、灰黑、紫灰色砂巖,泥質頁巖,砂質頁巖夾砂礫巖,炭質頁巖夾無煙煤層等；其中,石磴子段(C1ds)地層中主要巖性為灰巖。

泥盆系上統(D3)地層分布于花都區長崗—獅嶺,清遠市龍塘、清遠市區至飛來湖一帶。主要巖性為天子嶺組(D3t)灰巖,局部夾有粉砂巖、頁巖等巖性。

燕山期侵入巖(γ)地層分布于花都區獅嶺至清遠市銀盞,主要巖性為中粗粒二長花崗巖。

全線范圍內巖溶發育在石炭系下統石磴子段(C1ds)和泥盆系上統天子嶺組(D3t)兩套地層的灰巖中。

3 巖溶發育特征

3.1 鉆探概況

現場完成的鉆探含兩個部分：清遠段范圍進行詳細勘察,灰巖時代為泥盆系上統天子嶺組(D3t),灰巖區的結構形式主要為橋梁及高架車站。按照詳勘要求,采用逐樁布置原則；花都段范圍進行初步勘察,灰巖時代為石炭系下統石磴子段(C1ds)和泥盆系上統天子嶺組(D3t),灰巖區的主要結構形式為橋梁、城市隧道以及地下車站,按照初勘要求,橋工點采取逐墩布置鉆孔原則,地下段鉆孔布置間距為30 m[5-8]。

3.2 巖溶發育概率

全線灰巖區共完成灰巖區鉆孔3075個,其中初勘鉆孔504個,詳勘鉆孔2571個,揭露溶洞的鉆孔為1081個,總的見洞率為35.2％。

(1)初勘段與詳勘段巖溶發育概率對比情況見表1。

表1 初勘段與詳勘段巖溶發育概率對比

從表1可以看出,詳勘段的溶洞見洞率大于初勘段的溶洞見洞率。

(2)初勘段包含石炭系下統石磴子段(C1ds)和泥盆系上統天子嶺組(D3t)兩套灰巖地層,二者巖溶發育概率對比情況見表2．

表2 石炭系灰巖與泥盆系灰巖溶洞發育概率對比

從表2可以看出,石炭系下統石磴子段(C1ds)灰巖的見洞率大于泥盆系上統天子嶺組(D3t)灰巖的見洞率,這反映了前者比后者溶洞發育更強烈。

(3)詳勘段灰巖區共完成429個墩臺的鉆探,按照墩臺統計的溶洞發育情況見表3。

表3 詳勘段墩臺溶洞概率統計

表3反映的是詳勘段巖溶發育的整體情況,揭露溶洞的墩臺占所有完成鉆探的墩臺數近70％,反映了詳勘段灰巖區巖溶發育地段約占整個灰巖區詳勘段的70％。揭露溶洞的墩臺數占完成鉆探墩臺總數的百分比還反映各墩臺同時施工第一個鉆孔時揭露溶洞的百分比。當429個墩臺同時施鉆各墩臺第一個鉆孔時,最少有55個墩臺第一個鉆孔揭露溶洞,百分比為12.8％；最多有299個墩臺第一個鉆孔揭露溶洞,這個百分比為69.7％。在詳勘墩臺中,共有130個墩臺未揭露溶洞,這些地段并不需要實施柱狀勘探。

對比表1和表3,根據初勘段的布孔原則,初勘段的見洞率實際上反映的是各墩臺施鉆過程中第一個鉆孔揭露巖溶的百分比,并不能真實的反映初勘段的巖溶的發育情況。

3.3 巖溶發育規模

巖溶發育規模反映在溶洞的發育的形式、溶洞埋深的范圍以及溶洞的尺寸等方面。

(1)溶洞發育的形式

巖溶發育的形式指的鉆孔揭露的溶洞為單層溶洞或是多層溶洞(溶洞個數≥2)。根據對揭露溶洞的鉆孔進行統計,共計584個鉆孔揭露單層溶洞,占揭露溶洞的鉆孔總數的54％；而揭露多層的鉆孔共計497個,占揭露溶洞的鉆孔總數46％,單孔揭露最多的9層溶洞。由此可以看出,單層溶洞與多層溶洞的發育概率較為接近,發育成單層溶洞的概率略高于發育成多層溶洞的概率。

(2)溶洞頂板埋深

溶洞頂板埋深反映的溶洞開始發育的位置,是反映溶洞發育規模的前提。溶洞頂板埋深范圍情況見表4和圖3。

表4 溶洞頂板埋深對比

從表4和圖3可以看出,最容易發育溶洞的位置在埋深20～30 m的范圍內,在這個范圍內的溶洞發育概率為42％,其次為頂板埋深在10～20 m和30～40 m范圍內的溶洞,概率分別為28％和19％,由以上三項可得溶洞在埋深10～40 m范圍內開始發育的概率高達89％。而溶洞在淺層(5～10 m)和深層(>40 m)的發育概率較小,分別僅為2％和9％。

圖3 溶洞頂板埋深比例

(3)溶洞尺寸

溶洞的尺寸包含兩個方面的含義：單個溶洞的尺寸和各鉆孔溶洞累計的尺寸。前者統計的對象為單層溶洞及多層溶洞中的單個溶洞,反映的是單個溶洞的發育規模；后者統計的對象為各鉆孔所揭露的所有溶洞尺寸之和,反映的是鉆孔揭露溶洞的總體規模。

鉆探過程中共有1 081個鉆孔揭露溶洞,累計揭露溶洞的各個數為1 937個,單個溶洞的尺寸范圍分布情況和多層溶洞累計尺寸范圍分布情況分別見表5和表6；各尺寸范圍內溶洞的比例分別見圖4和圖5。

表5 單個溶洞尺寸分布對比

表6 溶洞累計尺寸分布對比

圖4 單個溶洞尺寸分布比例

圖5 溶洞累計尺寸分布比例

根據表5和圖4可以看出,單個溶洞尺寸范圍在1～2 m,0.5～1 m和2～3 m的溶洞所占的比例最大,所占的比例分別為25％、17％和14％,由此三項相加可得0.5～3 m范圍內的溶洞所占的比例為56％；而單個溶洞尺寸范圍在3～4 m,4～5 m和大于10 m的溶洞所占的比例最小,依次為7％、6％和6％。溶洞尺寸小于3 m的溶洞所占的比例為69％,而尺寸大于3 m的溶洞所占的比例為31％。

根據表6和圖5可以看出,溶洞累計尺寸在1～5 m的鉆孔最多,所占的百分比為45％,其次為溶洞累計尺寸在5～10 m范圍內的鉆孔數,所占的百分比為23％；再次為溶洞累計尺寸>10 m的鉆孔數,所占百分比為18％,最少為溶洞累計尺寸<1 m的鉆孔數,溶洞所占百分比為14％。由此可得,溶洞累計尺寸主要在1～10 m范圍內,所占的百分比為68％。

3.4 小結

通過對巖溶發育的概率和規模進行分析，可得廣清城際軌項目巖溶發育具有以下特征：

(1)巖溶發育的隨機性。根據詳勘段可得,約70％的地段巖溶發育,而超過30％的地段并未揭露巖溶,而初勘段僅有22.2％的地段揭露巖溶,溶洞發育地段不連續。巖溶發育地段并非墩臺內各孔均揭露溶洞,不同孔揭露溶洞具有隨機性。

(2)巖溶發育規模的集中性。從溶洞發育的規模看,溶洞主要發育在10～40 m范圍內,單個溶洞的尺寸一般小于3 m,溶洞的累積尺寸一般為1～10 m。

4 后續勘探建議

(1)由于溶洞發育的隨機性,在后續勘探過程中,應根據初測鉆探情況決定是否進行詳勘的布孔原則。對于橋梁工點,初測揭露溶洞的墩臺應進行逐樁鉆探,而初測未揭露溶洞的墩臺則根據橋樁布置的情況先進行對角線鉆探,如若未揭露溶洞,可不進行逐樁鉆,若揭露溶洞再安排逐樁鉆探。而對于地下段及路基,應結合物探方法,合理布置鉆探間距。

(2)在后續勘探過程中,物探應該結合溶洞的規模合理布置物探點的間隔,而鉆探則要根據溶洞的規模合理控制鉆探孔深。

(3)溶洞的發育受到灰巖物質組成、強度、地下水活動等因素的影響,在后續的勘探過程中將加強巖樣、水樣的采取,同時對于巖溶強烈發育地段進行穩定性分析,對溶洞的發育規律進行更詳盡的分析。

[1]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1999:369-370

[2]中鐵工程設計咨詢集團公司.廣州至清遠城際軌道交通項目初步設計總說明書[R].北京:中鐵工程設計咨詢集團公司,2009

[3]中鐵工程設計咨詢集團公司.廣州至清遠城際軌道交通項目初步設計第二篇地質[R].北京:中鐵工程設計咨詢集團公司,2009

[4]廣東省地質局.廣東省從化幅F-49-6區域地質礦產調查報告書[R].廣州：廣東省地質局,1969

[5]TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]

[6]TB10027—2001 鐵路工程不良地質勘察規范[S]

[7]GB50307—1999 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范[S]