濟南地區巖溶發育規律探討

韓興廣

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 概述

巖溶(又稱喀斯特)是指水(地表水、地下水)對可溶性巖層的化學作用和物理作用,以及這些地質作用所產生地質現象的總稱。可溶性巖石按化學成分和礦物成分可分為三種類型：碳酸鹽類巖石(石灰巖、白云巖等)、硫酸鹽類巖石(石膏、芒硝等)、鹵鹽類巖石(石鹽、鉀鹽等)，在鐵路工程中比較常見的是碳酸鹽類巖石。本文以濟南地區地質勘察和施工過程中的一些工程實例,敘述了本地區巖溶發育的特點,對今后加深巖溶形態以及發育規律的認識都有很大幫助。

2 巖溶勘察

2.1 玉符河特大橋地質勘察

濟南市區南部玉符河特大橋(中心里程DK418+458.12),小里程為羅而莊特大橋,大里程為路基,接西渴馬1號隧道。玉符河特大橋工程地質縱斷面(局部)如圖1所示。

橋址區鉆探深度內灰巖發育大量溶洞、溶隙及溶槽,溶洞直徑溶槽寬度一般在0.1～8.4 m之間。大部分溶洞及溶槽為全充填式,充填物為棕黃色、棕紅色黏土,堅硬—軟塑,含灰巖碎塊及半壁狀灰巖；少量溶洞充填碎石土,棕紅色,中密,潮濕,碎石成分為灰巖,充填黏土；其余溶洞無填充或部分填充,空洞最大豎向發育深度為9.9 m。巖溶發育深度為基巖面以下30～40 m,層底高程25～30 m,DK417+920～DK418+200段灰巖溶蝕較深,溶蝕面層底高程10 m左右。溶蝕面以下巖石完整堅硬,少見溶蝕現象。部分溶洞通過溶孔、溶隙連通或直接連通,整體上看橋址區巖溶中等發育。按照鐵路工程地質勘察規范要求,對大部分橋墩均進行了逐樁鉆探。

典型墩臺工程地質剖面如圖2所示。

2.2 巖溶發育強度分級

巖溶的發育主要受巖性、構造(裂隙)及地下水等因素的控制。從勘探資料分析,巖溶主要沿裂面及層面發育,不同地段或同一墩臺巖溶的發育強度都有較大差異，總體上看巖溶發育分布不均,規律性較差，石灰巖,尤其是泥質條帶灰巖地段巖溶發育強度比白云質灰巖強烈,溶隙、溶洞、串珠狀溶洞多分布在含泥質條帶灰巖段；淺部巖溶橫向溶洞連通較好,垂向上則發育不均,連通性差。巖溶發育強度分級標準見表1。

圖1 玉符河特大橋工程地質縱斷面(局部)

圖2 橋墩地質剖面

3 巖溶發育規律的再認識

3.1 路基、隧道施工開挖情況

大里程DK419+245～DK420+395段巖溶路基位于玉符河高階地,采用灌砂注漿處理。DK420+000～西渴馬1號隧道進口為路塹邊坡防護段,現場開挖揭示的溶溝溶槽如圖3所示。

地層巖性為寒武系中統(∈2)灰巖,青灰色,隱晶質結構,層狀構造,巖體呈中厚層—巨厚層狀,弱風化(W2),局部夾薄層泥灰巖,溶蝕現象發育。原有鉆探資料揭示灰巖中多溶洞,豎向發育深度1～2.52 m。實際開挖所揭示的溶洞多以溶隙和溶溝溶槽為主,沿豎向和垂向呈樹根狀發育。橫向延伸規模并不大,裂隙面見淋濾凹槽,充填棕紅色黏土,溶溝內巖石表面受侵染顏色為暗紅色。

表1 巖溶發育強度分級

圖3 路塹邊坡開挖揭示的溶溝溶槽

與路塹相連的為西渴馬1號隧道,隨著線路進入丘陵區,洞身范圍內揭示的溶蝕現象逐漸減少,出露的巖溶形態也多以緊閉型溶蝕裂隙為主,裂隙寬度小于3 cm,全充填褐紅色硬塑狀黏土,手感細膩,黏性很強。

3.2 水動力作用控制巖溶發育程度

玉符河特大橋通過的地層為寒武系中統(∈2)灰巖,產狀平緩,為一單斜構造,巖石以石灰巖為主。通過對物探資料以及鉆探資料的詳細分析,物探異常點(帶)、溶洞充填物的標貫、動探擊數等進行研究,未充填以及半充填的溶洞(溶隙)多發生在地下水水動力作用較強的河流附近的可溶巖地層中。如棗莊荊河特大橋地下巖溶發育,溶洞多為空洞或半充填,充填物為黏土夾碎石及粗砂、礫砂等,部分勘探孔發現有土洞發育,局部砂層變得松散,表現為鉆具自由下沉、塌孔情況,巖溶強烈發育。而濟南地區玉符河特大橋沉積物多為圓礫土,未發現土洞存在,巖溶中等發育。

在丘陵山坡,覆蓋層薄,主要為溶蝕破碎帶以及有充填物的體積較小的溶洞為主,溶蝕主要沿節理裂隙縱向發育為主,表現為淺表發育的充填有黏性土(部分夾碎石、姜石等)溶溝、溶槽以及溶隙,充填的黏性土絕大部分為堅硬—硬塑狀態,個別為軟塑及流塑狀態,淺表性溶蝕主要發育在可溶巖5～15 m范圍內,巖溶弱發育。

3.3 巖溶發育強度與微地貌的關系

玉符河特大橋的巖溶特征主要表現為河道和階地巖溶發育強度更強,淺部溶蝕現象強于深部的特點,與微地貌關系相吻合。隨著山體抬升形成階地,隧道、路基至玉符河特大橋方向的覆蓋層逐漸變厚,基巖埋深增加,巖溶總體發育強度從弱發育增強為中等發育。

3.4 巖溶發育特征

結合物探孔透試驗,證明溶洞、溶隙連通性一般,溶洞主要是沿著裂隙面溶蝕擴大為而成,存在橫向發育大溶洞的可能性較小；鉆探揭示的7～9 m溶洞大部分就是豎向的溶蝕裂隙,這一點可從鉆探中多見的半邊柱狀巖芯得到印證。該橋址區巖溶總體上表現為中等發育,具有自上而下逐漸變弱的特點,巖溶主要形態為溶隙、溶槽和小溶洞,橫向規模小,個別橫向發育達到大溶洞,沒有出現廊道、大廳。

4 結論

(1)通過鉆探和物探手段,說明玉符河特大橋巖石性質相近,巖溶發育強度與水動力作用直接相關,反映出不同地貌的巖溶發育強度差異大。

(2)通過路基施工開挖,反映出灰巖的巖溶形態以裂隙巖溶為主,結合勘察成果重新認識溶洞的發育規模,表現為溶隙、溶槽和小溶洞為主,個別橫向發育達到大溶洞,沒有出現廊道、大廳,發育強度為中等發育。地質橫斷面判釋的溶洞規模和形態與實際情況差別較大。

(3)巖溶地區應加強地質調繪,分析認識巖溶的發育規律,充分利用物探手段開展綜合勘察,才能查明橋基巖溶的地質條件。

[1]TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]

[2]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1999

[3]鐵道部第二勘測設計院.巖溶工程地質[M].北京:中國鐵道出版社,1984

[4]劉湛省.巖溶地區鐵路工程地質勘察淺探[J].西部探礦工程，2010(7)