王雙樹特大橋巖溶土洞塌陷危險性評價研究

杜憲花

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 概況

哈大客運專線沈陽至大連段全長425 km,設計旅客列車運行速度350 km/h。其中王雙樹特大橋位于遼寧省遼陽市火車站南王雙樹地區,該橋長約6.7 km,橋梁孔跨24.0～56.0 m。橋址區局部下伏石灰巖,巖溶、土洞發育,設計采用鉆孔灌注樁。在過量抽取地下水條件下，存在土洞塌陷的潛在危險,可能會給對沉降要求極為嚴格的客運專線帶來安全風險。

2 工程地質條件

2.1 巖溶發育特征

王雙樹特大橋上覆第四系沖洪積層,下伏奧陶系灰巖,基巖地層呈北東—南西向的條帶狀分布,北東向壓扭性斷裂構造及同期的次一級北西向張扭性斷裂構造發育。

從地勘資料分析,在王雙樹特大橋完成的27個鉆孔中,有18個鉆孔揭露溶洞、溶隙,巖溶遇洞率67%,并且大部分溶洞充填流塑狀粉質黏土。土層厚度多大于40 m,巖溶屬于深覆蓋型,發育程度屬弱至中等發育,具有自上而下逐步減弱的趨勢。

2.2 土層結構及不均勻性分析

王雙樹特大橋主要位于太子河沖洪積扇區,松散堆積層以二元結構(上部由黏性土構成,下部由圓礫土、卵石土構成)、三元結構(上部及下部由黏性土構成,中部由圓礫土、卵石土構成)土層為主(見圖1)。

圖1 土層結構類型

經對橋址區圓礫土、卵石土顆粒分析資料統計發現,該區土層的不均勻系數(Cu)越大,土層越容易發生滲透變形破壞，進而形成土洞。通常將10作為滲透變形敏感性界限[6],當不均勻系數大于10時,該類土屬于易發生滲透變形(潛蝕接觸沖刷)的土。而王雙樹地區圓礫土的不均勻系數一般為15～25；卵石土的不均勻系數一般為20～40,說明容易形成土洞。

圖2 巖溶土洞塌陷的形成演化過程

2.3 地下水動力條件及開采情況

橋址區位于遼陽市南部首山水源地的邊緣。該水源地1919年就已開發利用,開采規模不斷擴大,2004年至2007年開采量穩定在3.1億m3。過量開采導致地下水水位下降,形成以蛤蜊等村為中心的大型地下水開采漏斗,王雙樹特大橋巖溶段處于漏斗區邊緣。

該橋址區存在雙層地下水,即第四系孔隙含水層、巖溶含水層,含水層間局部缺乏隔水層,往往具有相同的地下水位,勘測期間地下水埋深11.0～13.5 m,年升降幅度約2.0～3.0 m。地下水的存在對塌陷的產生有直接影響。研究顯示,如果水位一旦下降到基巖面附近,將可能引發較為嚴重的巖溶(土洞)塌陷問題。

3 巖溶土洞形成及發育機理

3.1 滲透變形效應

由于巖溶水位的下降,第四系土層孔隙水向下滲流補給巖溶水的作用增強,導致作用于上覆土層的水力坡度超過土體發生滲透破壞的臨界水力坡度,土體產生滲透變形破壞。

3.2 真空負壓效應

由于巖溶水位下降速度快、幅度大,第四系孔隙水(氣)補給滯后,導致基巖裂隙中產生負壓。負壓的出現會提高集中滲流點附近的水力坡度,當水力坡度超過了土體發生滲透破壞的臨界水力坡度,土體發生滲透變形破壞。因此,真空負壓效應誘發塌陷的本質還是土體的滲透變形。

3.3 浮托力喪失

當土洞形成后,水位的下降,作用于土體上的浮托力下降,使土體下塌、破壞,而流塑狀黏性土則容易發生流動,從而加速上覆土層的變形或破壞,進而產生土洞或塌陷。

3.4 土體崩解

當巖溶地下水為承壓水時,反復抽(排)巖溶水,會使土洞周圍土體發生崩解,土洞不斷擴展,最后導致塌陷產生。

3.5 巖溶土洞形成演化和塌陷過程分析

(1)“洞頂垮塌→堆積→潛蝕搬運”循環發展模式

在地下水滲流作用比較強的地區,地下水的作用會使土洞逐漸垮塌,垮塌土體被地下水帶走,洞頂向上擴展,當其影響區波及地表,或在外荷載作用下土洞失穩下陷，形成地面塌陷(圖2)。

(2)“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩定” 模式

在地下水滲流作用比較弱的地區，土洞在地下水長期浸泡下發生垮塌,由于地下水作用相對較弱,無法將垮塌土體帶走,因此,整個土洞會被填滿,土洞進入相對穩定階段,這種情況下,一般不會在地面產生塌陷坑(圖3)。

圖3 巖溶土洞演化過程

4 土洞(塌陷)危險性評估及樁基施工對其影響

4.1 危險性評估

在目前變化趨勢下,王雙樹特大橋巖溶段形成土洞塌陷的可能性不大。根據資料[1],從2002年起，首山水源地地下水降落漏斗面積和中心水位降深都在逐年縮小,作用于巖溶發育帶上覆土體的滲透力得到進一步降低,有利于土體穩定。

根據對橋址區地下水監測數據分析,該橋址區已有土洞的演化特點為：“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩定”,塌落的高度取決于原土洞的規模。

4.2 樁基施工對土洞的影響

根據經驗,樁基施工過程中,會引起巖溶水位的急劇變化,如果巖溶水位在基巖面附近,將極易形成新的土洞,而已有的土洞將以“洞頂垮塌→堆積→潛蝕搬運”的循環模式進一步演化,從而誘發地面沉陷等問題。目前橋址區地下水位遠高于基巖面,可以不考慮這種影響。

5 結論和建議

5.1 主要結論

(1)王雙樹特大橋橋址區發生土洞塌陷的危險性較小,已有土洞的演化也將以“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩定”為特點。

(2)在目前變化趨勢下,在工程使用年限內,首山水源地地下水動力條件向有利于土層穩定的方向轉化,橋址區巖溶段形成土洞塌陷的可能性較小。

(3)根據《遼寧省地下水保護行動計劃》,地下水動力條件也將向有利于土層穩定的方向轉化。因此,隨著該行動計劃逐步落實,將更加有助于土洞向“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩定”模式演化。

(4)橋址區地質勘探、鉆孔樁施工誘發土洞塌陷的可能性非常小,可以不考慮。

5.2 建議

(1)對已有土洞,盡管可以達到穩定狀態,但由于充填垮塌土洞的黏性土大多處于軟塑、流塑狀態,強度很低,為確保安全,建議壓注水泥漿充填處理。從目前的研究結果看,注漿對環境和地下水的影響不大。

(2)盡管王雙樹特大橋橋址區目前發生土洞塌陷的可能性不大,由于第四系底部土層在地下水長期滲流作用下,很容易發生滲透破壞,而且這些地區又位于水源地附近,并有橫向隱伏斷裂通過線路。因此,建議在巖溶段設置必要的監測鉆孔,采用現代化的自動監測技術,實時監測誘發巖溶塌陷因素尤其是地下水水位的變化情況。

(3)加強與地方政府主管部門協商,使《遼寧省地下水保護行動計劃》落到實處。

[1]宋奎英.遼陽市首山漏斗區調查評價和對策研究[J].水利規劃,1998(2)

[2]肖德壯.遼陽市首山漏斗區調查評價及對策[J].東北水利水電,2004(6)

[3]楊紹南.遼陽首山地下水開采漏斗存在問題及治理對策[J].中國地質災害與防治學報,1998(增刊)

[4]李仁鋒.鞍山市區地面沉降的機理分析[J].地質找礦論叢,2003(增刊)

[5]胡國軍.遼陽市地下水超采區水資源狀況及治理保護[J].遼寧城鄉環境科技,2005(2)

[6]常士驃，等.巖土工程手冊[M]北京：中國建筑工業出版社,1994