京滬高速鐵路徐州地區巖溶勘察分析

沈偉升

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

徐州是江蘇省重點規劃建設的三大都市圈核心城市和淮海經濟區的中心城市。京滬高速鐵路在徐州東部從北向南穿過,工程類型非常齊全,有橋、隧、路基以及大型車站。橋梁有后八丁特大橋(7.714 km)、陳山特大橋(6.587 km)、京杭運河特大橋(5.396 km)以及濉河特大橋(徐州部分約20 km)；隧道有0.43 km長龍山明洞；共有四段路基4.624 km(含徐州東站)。下伏基巖皆以碳酸鹽巖類可溶巖為主,間夾碎屑巖類(如圖1)。

圖1 徐州地區京滬高速鐵路平面示意

1 區域地質背景

1.1 自然特征

京滬高鐵徐州地段沿線,除徐州東站和東北部存在少數丘崗外,大部皆為平原。丘陵海拔一般在0～150 m,山坡坡度15～35°。平原為黃淮平原的一部分,其中黃河古道地勢較高,海拔高程35～42 m,其余地勢低平,海拔高程32～36 m,總地勢由西北向東南降低。

徐州屬暖溫帶半濕潤季風氣候,四季分明,夏無酷暑,冬無嚴寒，年氣溫14 ℃,年均降水量800～930 mm,雨季降水量占全年的56%。主要氣象災害有旱、澇、風、霜、凍、冰雹等。氣候特點是：四季分明,光照充足,雨量適中,雨熱同期。

徐州市地處古淮河的支流沂、沭、泗諸水的下游,以黃河故道為分水嶺,形成北部的沂、沭、泗水系和南部的濉河、安河水系。境內河流縱橫交錯,湖沼、水庫星羅棋布,廢黃河斜穿東西,京杭大運河橫貫南北,東有沂、沭諸水及駱馬湖,西有復興河、大沙河及微山湖。

1.2 工程地質特征

(1)地層巖性

徐州地區地層屬華北地層區魯西分區,基底為太古界變質巖系(未出露)；上元古界僅見青白口系(紫色、黃綠色頁巖夾鈣質頁巖,厚度大于167 m)、震旦系(淺黃、灰白色石英砂巖、細砂巖夾砂質灰巖,厚約113 m),為一套碎屑巖沉積；古生界寒武系—奧陶系中統以碳酸鹽巖為主,厚約1 300 m,巖性以灰黃、灰、紫灰、淺灰色白云巖，厚層灰巖，白云質灰巖，泥質灰巖為主,下部夾碎屑巖,巖性以紫色頁巖、褐黃色粉砂巖夾灰巖、砂質灰巖為主,厚約90 m；缺失奧陶系上統—石炭系下統；石炭系中上統為碎屑巖、煤層及灰巖互層,厚約245 m；二疊系為碎屑巖夾煤層沉積,厚約1 100 m。

本區第四系地層發育較齊全,丘陵區第四系為中更新世以來的殘坡積、坡沖積黏土，含礫粉質黏土為主。平原區早更新世沉積以河湖相棕黃—褐黃色黏土、粉質黏土為主,含較多的鈣質結核,厚10～30 m；中更新世沉積物以沖洪積相棕紅、黃棕—灰綠色黏土為主,含較多的鐵錳結核,厚5～15 m；晚更新世早期沉積物以湖相褐黃色黏土、粉質黏土為主,厚5～25 m；晚更新世中期,黃河古道內沉積物以中細砂和粉砂為主,含少量礫石,厚2～15 m,其他地段以褐黃色、灰色黏土，粉質黏土為主,厚2～15 m；晚更新世晚期又轉化為湖相沉積,沉積物以灰黃—褐黃色黏土、粉質黏土為主,含少量的鈣質、鐵錳質結核,厚3～10 m；全新世早期以湖沼相灰色—灰黑色黏土、粉質黏土為主,含有機質,厚2～6 m；全新世晚期則以黃河泛濫堆積為主,沿河床兩側形成了寬1～2 km、高5～10 m的高漫灘,高漫灘外堆積了厚2～8 m厚的粉土,形成黃泛沖積平原,而在相對封閉的低洼地段則沉積了厚度不大的黏土、粉質黏土層。

(2)構造

徐州地處蘇魯豫皖交界中心,大地構造上屬于華北斷塊區南部徐州斷褶束的中部,在地震區劃上則屬于大華北地震區的南緣,東距郯廬深大斷裂帶約100 km。徐州斷褶束由一系列北東—北北東向展布的復式褶皺及大致平行的逆斷層組成,并被北西—北西向的斷裂切割。

京滬高速鐵路經過地段主要受徐州弧形構造控制,徐州弧形構造由以四個震旦系為背斜核部和五個二迭系為向斜核部相間排列的復式褶皺及一系列縱向壓(扭性)斷裂組成,構造線走向北東。復式褶皺的次級褶皺平面上具線性,大體呈北東向,向北西突出呈弧形,樞紐有些起伏,復式向斜核部相對較寬,背斜核部相對較窄,翼部均被縱向壓(壓扭)性斷層破壞,核部相對保存完好(如圖2所示)。

(3)地震動參數

根據京滬高速鐵路全線地震安全性評估之地震小區劃研究結論,京滬高速鐵路徐州地區50年超越概率10%,地震動峰值加速度為0.10g,地震動反應譜特征周期為0.40 s。

1.3 水文地質特征

徐州地區地下水按其賦存的介質巖性條件,分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水和碎屑巖類裂隙水。

松散巖類孔隙水,賦存于第四系全新統粉砂、粉土及上更新世砂層中,屬潛水—弱承壓水,孔隙水含水層分布及厚度變化大,一般4～22 m,富水性不均勻,單井涌水量一般小于500 m3/d。以大氣降水入滲補給為主,黃河古道廢棄黃河河水的滲透補給為輔，以蒸發排泄為主,同時通過越流補給下伏巖溶含水層和向河流側滲排泄。

圖2 徐州地區構造綱要

碳酸鹽巖裂隙溶洞水,賦存于碳酸鹽巖類中,巖性以灰巖、白云質灰巖、白云巖為主,富水性不均勻,受構造、巖性、巖溶發育程度控制,單井涌水量一般1 000～10 000 m3/d,局部大于10 000 m3/d。巖溶含水層在丘陵區裸露地表,平原區隱伏于第四系之下,埋藏深度最大為約80 m。巖溶水補給來源主要為大氣降水入滲補給、孔隙水的越流補給和區外巖溶地下水的側向徑流補給,局部接受地表水的滲透補給；巖溶水的排泄則全為人工開采。

碎屑巖類裂隙水,主要賦存于砂巖、頁巖節理裂隙中,水量小,單井涌水量一般小于10 m3/d。主要靠大氣降水補給,側向排泄(補給)潛水和巖溶水。

1.4 巖溶工程分類

根據巖溶埋藏條件、發育程度、規律以及巖溶的地貌形態等,京滬高速鐵路徐州地區巖溶屬裸露—淺覆蓋型,巖溶弱—中等發育。

2 巖溶地區鐵路工程的主要技術問題

對巖溶地區的鐵路工程建設而言,巖溶環境必須得到準確勘察、科學評價和正確處治,才能確保工程建設的安全及與自然環境的和諧。因此，巖溶地區鐵路工程面臨的主要技術問題體現在對鐵路工程巖溶環境的勘察技術、地基穩定性評價和處治技術等三個方面。

2.1 勘察技術

目前鐵路工程勘察技術主要有工程地質調繪、遙感圖像判釋、綜合物探、鉆孔驗證、巖土測試等,根據不同的勘察階段對應的勘察目的不同,采用適宜的勘察方法、勘察手段,詳細查明巖溶的分布規律、危害程度、處治原則。

2.2 地基穩定性評價

根據巖溶地區鐵路工程勘察成果資料,遵循從面到點、點面結合、先定性后定量的原則,對地基穩定性做出客觀評價。

2.3 處治技術

根據巖溶地區的巖溶發育及分布規律以及地基穩定性評價成果,結合鐵路工程技術條件,正確的處治技術匹配適宜的工程類型,既技術可靠、經濟合理又確保工程安全。

3 徐州地區巖溶勘察

3.1 勘察階段的劃分及勘察方法

根據《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2001)和《京滬高速鐵路工程地質勘察暫行規定》(鐵建設[2003]13號)要求,結合京滬高速鐵路徐州地區工程類型特點,按可溶巖地區工程地質勘察四個階段：區域地質背景資料研究、初步勘察、詳細勘察、施工勘察的思路開展工作,符合由淺入深的認識事物的規律,也分別與鐵路大中型項目決策階段的預可行性研究、可行性研究和設計階段的初步設計、施工圖四個階段相匹配,同時也能滿足相應設計階段的要求。

勘察方法根據巖溶發育程度、地形條件、勘察階段要求的內容和深度以及工程類型的不同加以選擇和布置。在巖溶地區勘察時,重點強調了以下幾點：

①重視工程地質調繪。在充分分析既有資料的基礎上,注重和加強對巖溶發育規律的工程地質分析,在工作的程序上堅持以工程地質調查和測繪為先導。

②勘探工作量的布置,應遵循從面到點、先地表后地下、先定性后定量、先控制后一般以及先疏后密的工作準則。

③有針對性的選擇勘探手段,既要保證勘察質量,獲取正確的巖土參數,又能大幅降低勘察成本。

④采用綜合物探,用多種方法印證,并結合勘探綜合分析,最終確定物探成果資料作為施工圖設計和處理的依據。

(1)可行性研究勘察階段

詳盡收集既有背景資料是鐵路工程地質勘察的重要環節。充分搜集、分析既有資料即可了解區域地質情況,明確工作重點,又是節約勘察成本的重要手段。京滬高速鐵路外業勘察前通過對1∶20萬徐州幅地質普查及水文地質普查報告、1∶5萬徐州地區地質普查報告、徐州巖溶地面塌陷災害地質勘查報告、沿線徐州市有關城鎮建設中廠礦企業工勘報告、徐州地方志、史料中有關巖溶災情記錄，以及徐州相關高速公路、既有鐵路等工程的施工設計資料等的詳細分析和認真研究,對徐州地區的區域地質背景、巖溶發育條件、分布規律以及對鐵路的影響都已了然于胸,對下步開展現場工程地質勘察做到了心中有數,工作重點明確。

本階段勘察方法主要采用小比例尺地質測繪(現場踏勘)和遙感圖像解譯的勘察方法。

(2)初步勘察階段

在充分分析既有資料的基礎上,在勘察范圍內查明巖溶的分布范圍、發育程度、發育規律以及地層組合類型等,并按場地的穩定性和適宜性進行分區,查明與評價各種工程類型的工程地質條件及工程措施意見。

本階段勘察方法主要采用工程地質調繪、綜合物探為主,輔助以少量的鉆探。

(3)詳細勘察階段

在初步勘察階段的基礎上,查明擬建工程范圍及有影響地段的各種巖溶特征、巖溶充填物和地下水特征,對地基基礎設計和巖溶的治理提出建議,詳細查明與評價巖溶地區場地穩定性和適宜性相關的各種工程類型的工程地質條件。

針對本段巖溶發育情況,對橋基勘察采取了追蹤勘探原則。在初步勘察的基礎上,先進行控制性勘探(采用跳墩或大跨度墩臺或巖性復雜地段),并與物探相配合,提供橋式布置；在確定橋式布置的基礎上,第二次在墩、臺位置勘探(采用柱狀地區勘探孔位應在樁位上),每墩、臺布置1～2孔,提供準確的基礎設計勘測資料；若在第二次勘探過程中發現溶洞,根據溶洞的大小、發育深度、充填情況以及地下水發育狀況,應進行第三次勘探,每墩臺勘探孔達到2孔直至逐樁,一般每墩臺勘探孔達到4～5孔(四角布置,采用8根樁墩臺4孔,10～12根樁墩臺5孔),若該墩臺巖溶非常發育,應采取逐樁勘探；墩臺位置或基礎類型發生改變,還應進行第四次勘探。

本階段勘察方法主要采用工程地質調繪、鉆孔勘探為主,綜合物探為輔助性勘探手段。

(4)施工勘察階段

施工階段巖溶勘察應針對某一地段或尚未查明的專門問題進行補充勘察,主要在路基成型以后的路塹和隧道路基面進行,或者因橋梁墩臺基礎類型發生變化進行補充勘察。

本階段主要采用綜合物探為主、鉆探為輔的勘察方法。

3.2 地基穩定性評價

徐州地區巖溶多為裸露—淺覆蓋—深覆蓋型,對鋪設無砟軌道的高速鐵路,由巖溶引起鐵路工程病害可分為兩個方面：①由于巖溶塌陷導致鐵路工程地基承載力喪失或達到承載力極限狀態,使工程結構破壞；②由于巖溶地基塌陷或變形,引起鐵路工程變形,在設計使用年限內達到正常使用極限狀態,使結構物不能正常使用。以上兩種情況對于京滬高速鐵路都是不允許的,其中第二方面也是在巖溶勘設中按變形控制的體現,是與變形控制不嚴的普通鐵路的區別。

本線導致地面塌陷和變形有以下三種情形：①淺覆蓋型覆蓋層中土洞坍塌導致地面塌陷和變形；②裸露—淺覆蓋型因洞穴頂板坍塌導致地面塌陷及變形；③裸露、淺埋型地下水運移過程中因長期潛蝕和真空吸蝕作用攜帶部分細顆粒后引起路基、橋梁工程的變形。第一、三種情況是土體在滲流作用下的破壞即滲透變形問題,第二種情況為地下空洞受水流溶蝕擴大,或因上部填土荷載、列車振動作用使洞穴頂部巖體所承受的壓力超過了巖體的極限強度,造成頂板坍塌,由下而上引起地面塌陷或變形。

由以上分析可知,形成地面塌陷變形的基本條件是：可溶巖、地層結構、地下水動力條件、外部影響因素(填土荷載、列車振動、低矮路堤),結合本線巖溶路基的工程地質條件,分析影響因素包括以下內容。

(1)地形地貌的影響

徐州地區鐵路工程分布于剝蝕丘陵區及黃泛平原區。其中剝蝕丘陵區兩側地勢有明顯差異,一側高一側低,其橫向坡度多在10%～30%之間,地面橫坡引起地表、地下水由高向低處排泄,地下水水力坡度較大,一般大于3%,尤其雨季其水位隨降雨量驟升驟降的變化,影響地下水位的變化,從而加速促使上覆土層潛蝕,造成細顆粒土流失,易形成空洞或引起地面變形,為巖溶發育提供了基本條件。

(2)第四系覆蓋層厚度的影響

第四系覆蓋層越薄,特別是黏性土層越薄,巖溶地面塌陷及變形越容易發生。覆蓋層薄一方面有利于地表水和覆蓋層中的孔隙水下滲,當地下水動力條件改變時,地下水活動加速了覆蓋層的潛蝕作用,在土體中形成土洞,隨著壓力拱不斷向上發展,直至破壞而形成地面塌陷。另一方面覆蓋層薄,壓力拱難以形成,因此地面變形也越容易發生。徐州地區沿線巖溶地基,鉆孔揭示的覆蓋層厚度多在3～15 m,是發生巖溶病害的有利條件。

(3)地質構造影響

地質構造不僅控制著巖溶發育的方向,而且還影響著巖溶發育的規模和大小。灰巖產狀平緩且間夾頁巖、泥巖等碎屑巖地段,則由于頁巖、泥巖等為不透水或弱透水層的阻隔,灰巖巖溶水的貫通性大大降低,因此巖溶一般弱發育；陡傾或直立產狀的灰巖,盡管間夾不透水的巖層,兩者的接觸帶是巖溶水動力現象最活躍的場所,巖溶作用強烈,如徐州東站。斷裂構造、向斜核部、背斜兩翼地段使巖層產生大量裂隙,為巖溶水活動和溶巖作用提供了極為有利的條件。

(4)工程建設及運營的影響

歷史上徐州地區曾發生過巖溶塌陷。目前徐州地區沿線巖溶地基附近尚未發現巖溶塌陷現象。但在施工期間,勢必破壞巖溶區的既有平衡狀態,如樁基等基礎工程施工,形成了眾多的豎向通道,極大加強了各含水層(或溶洞)間的水力聯系,增加了地下水水力坡度,而上覆荷載的增加,更易造成塌陷現象；在運營期間,受動荷載的長期作用,也會進一步破壞巖溶平衡條件；同時因工程建設引起地下水補給、徑流、排泄系統的破壞,有時也會加劇巖溶的發育。

根據前期歷次勘察資料以及京滬高速鐵路工程重要性等級和上述影響覆蓋型巖溶區地面塌陷發生的因素分析,依據地形地貌、第四系覆蓋層的特征、巖溶發育特征、地下水動力條件、地質構造、結合工程建設及運營的影響等,對巖溶區穩定性進行了綜合評價,穩定性可分三種類型：

①不穩定區：巖溶區一旦外部環境發生重大改變、惡化,可能會產生較大的地面變形甚至地面塌陷。

②欠穩定區：該區在外部影響因素不發生重大變化的情況下,發生地面塌陷的幾率較小,但存在引起地面變形的可能性。

③相對穩定區：在外部影響因素不發生重大變化的情況下,一般不會發生地面塌陷和地面變形。

3.3 京滬高速鐵路陳山特大橋勘察

陳山特大橋位于江蘇省徐州市銅山縣大黃山鎮，橋址區內有公路與外界相連,交通便利。橋址里程：DK675+283.82～DK681+870.88,全長6 587.06 m。橋址南北兩端橋臺分別位于兩個丘坡上,其間跨越黃淮沖積平原,多辟為旱地、村舍。橋梁孔跨布置：106-32 m+3-24 m+8-32+(32+48+32) m連續梁+2-24 m+27-32 m+2-24 m+6-32 m+2-24 m+38-32 m+1-24 m+5-32 m,共204個墩臺。

(1)初測(2006年3月之前)

本橋根據當時線位現狀、路基填高等工程類型劃分為兩座橋(總長2 555.50 m)、三段路基(總長4 031.76 m),兩座橋分別為陳山中橋(DK676+181.05～DK676+212.05,長31.00 m)、梅花樁特大橋(DK677+596.20～DK680+120.50,長2524.30 m)。

勘察方法：在系統分析徐州地區既有資料的基礎上,主要采用工程地質調繪,結合綜合物探,在勘察范圍內初步查明了巖溶的分布范圍、發育程度、發育規律以及地層組合類型等,并按場地的穩定性和適宜性進行了分區,初步評價了各種工程類型的工程地質條件及提出了工程措施意見或建議,滿足初步設計需要。

勘察布置：①首先在詳細分析既有區域資料的基礎上,進行了地質調繪,初步查明了可溶巖類的分布范圍及地層組合類型,即表層第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)及第四系殘坡積層(Qel+dl),厚0～4 m；下伏基巖為寒武系上、中、下統(ε)灰巖、泥灰巖、砂質灰巖。②在地調基礎上,對路基巖溶發育地段有針對性布置了物探測線,進一步查明巖溶的發育程度、規律以及地質構造情況,并布置了4孔64 m機動鉆探進行了驗證,孔深鉆至完整基巖10～15 m；對橋梁基礎而言,結合地調情況,進行控制性勘探,間隔300 m左右布置了機動鉆探9孔186.4 m,孔深鉆至完整基巖15 m控制,以查明橋址區地層結構、地質構造、巖溶發育程度、規律等。

主要完成的實物工程數量：帶狀工程地質調繪6.6 km,物探(電測深法)1.43 km,機動鉆探13孔250.4 m。

(2)定測(2006年3月至2007年12月)

根據初步設計審查和國際咨詢意見,梅花樁特大橋向兩側延伸并更名為陳山特大橋,具體里程為DK675+283.82～DK681+930.39,全長6 646.57 m,孔跨布置為106-32 m+3-24 m+8-32+(32+48+32) m連續梁+2-24 m+27-32 m+2-24 m+6-32 m+2-24 m+38-32 m+1-24 m+7-32 m,共206個墩臺。

勘察方法：在初步勘察階段的基礎上,采用工程地質調繪、鉆孔勘探的勘探手段,同時根據巖溶發育情況,采用追蹤勘探原則,查明了擬建工程范圍及有影響地段的各種巖溶特征、巖溶充填物和地下水特征,對地基基礎設計和巖溶的治理提出建議,詳細查明與評價了巖溶地區場地穩定性和適宜性相關的工程地質條件。

①第一次勘探(2006年3月至7月)

該橋共205跨共206個墩臺,橋梁基礎初步皆采用樁基礎,樁基布置形式除兩端橋臺為12根樁外,其他地段橋墩以10根樁為主,少數采用8根樁。根據橋梁孔跨及樁基布置形式、本線勘察大綱要求及初步設計審查意見,采用每墩臺對角線布置機動鉆探4孔、中間布置1孔勘探原則,其中8根樁橋墩布置4孔,孔深鉆至完整灰巖10 m控制。本期主要完成實物工作量：機動鉆探967孔23585.27 m,平均孔深24.39 m,每墩臺平均4.69孔。

②第二次勘探(2006年11月至12月)

橋梁專業根據第一次勘探提供準確的基礎勘測資料進行了設計,對橋梁基礎形式及樁基布置進行了調整。其中橋基有122墩采用樁基礎,樁基布置形式以8根樁為主,有82個墩采用擴大基礎。根據調整后的橋式布置并結合地質咨詢意見,按照各墩臺巖溶發育的情況(溶洞大小、充填情況以及地下水發育情況),采用樁基的墩臺勘探孔數達到4個至逐樁。對因樁基布置形式調整影響的墩臺,具體根據巖溶發育情況,進行補鉆。本期主要完成的實物工作量,機動鉆探125孔2782.89 m,平均孔深22.26 m。

③第三次勘探(2007年10月至12月)

根據初步設計鑒修意見,本橋滬端縮短兩跨,陳山特大橋具體里程變化為DK675+283.82～DK681+870.88,全長6 587.06 m,203跨共204個墩臺。本次勘探主要是針對部分墩臺因位于養殖水塘、果園中無勘察資料地段以及根據橋梁基礎設計圖相鄰樁長差別較大地段進行了補充勘察,主要實物完成工作量為機動鉆探291孔5 528.62 m,平均孔深19.00 m。表1為三次勘察鉆孔揭露巖溶現象統計。

表1 鉆孔揭露巖溶現象統計

(3)施工補勘

施工期間補勘主要是針對前期受征地拆遷影響的房屋、高壓線、墳地墩臺孔,其次由于原來采用擴大基礎的82個墩中有27墩在施工開挖基坑期間,淺層巖溶較發育或間夾軟弱夾層而部分采用樁基礎(增加1～4孔),主要完成的工作量為162孔3 603.13 m,平均孔深22.24 m。

(4)施工驗證

根據相關規范、規定要求,對該橋82個擴大基礎、122個墩臺樁基與施工、監理單位一起進行了現場核查,核查地質情況與設計地質資料吻合度較好。

4 結論及建議

(1)高度重視從宏觀上進行巖溶發育規律和特性的研究。認真做好基礎地質工作,包括詳盡搜集勘察區域內既有地質資料、工程治理經驗、地災歷史等,在一個較大范圍內查明巖溶發育的各種地質背景條件和發育歷史。

(2)合理運用多種勘察方法和探測技術進行綜合勘察研究。在地質測繪、物探、鉆探“三結合”的綜合勘察方法中,地調是基礎,據此指導物探,物探又可以指導鉆探。在鉆探布置時,勘探線垂直構造線(即巖溶發育帶)布置,并沿地質測繪和物探所示異常分布帶進行布孔。

(3)追蹤勘探是巖溶勘察的良好工作方法。在鐵路各種工程類型巖溶評價、初期和詳勘以及施工勘察過程中及時整理資料,及時反饋信息,分析、研究、總結,及時修正并指導下一步工作,做到了實踐—認識—再實踐—再認識的反復循環,因此收到了良好的效果。

(4)加強勘探過程中質量控制,確保勘探反映實際地質情況。

(5)高度重視施工驗槽驗樁,確保各項工程地基地質符合實際工程地質條件。

[1]江蘇省第五地質大隊.江蘇省徐州市巖溶地面塌陷災害地質勘查報告[R].徐州：江蘇省第五地質大隊，1996

[2]TB10027—2001 鐵路工程不良地質勘察規程[S]

[3]TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]

[4]GB50021—2001 巖土工程勘察規范[S]

[5]工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2007

[6]康厚榮，羅 強，凌建明，等.巖溶地區公路修筑理論與實踐[M].北京：人民交通出版社,2008