遼南丘陵地區鐵路建設中常見的地質災害種類與防治

1 工程概況

本工程位于遼東半島，線路總體走向呈西南～東北向，西起大連市的甘井子區，途經大連市金州區與保稅區，東至普蘭店市的登沙河鎮西側。正線全長47.105km。

1.1自然地理

線路所經地區屬暖溫帶，區內降雨較多，氣候濕潤，冬冷夏熱、少嚴寒、無酷暑，冬春兩季多風，蒸發量大。沿線河流較多，線路經過主要河流有青云河、登沙河等，均單獨入黃海，受季節性控制，平時河水流量不大，雨季流量較大，受季節影響明顯。按對鐵路工程影響的氣候分區，大連市屬于溫暖地區。

1.2地質環境條件

線路位于遼寧南部地區，穿越遼東半島，沿線地貌單元可分為剝蝕殘丘、丘前緩坡及丘間坡殘積平原、中低山及剝蝕丘陵區、低山丘陵、丘陵緩坡及沖洪積平原地貌。地形北高南低，微向海岸傾斜。

1.2.1地層

項目區范圍內地層主要有新生界第四系全新統、古生界奧陶系中統馬家溝組、下統亮甲山組和冶里組、古生界寒武系上統、中統、下統、元古界震旦系上統興民村組、北山組、中統、馬家屯組、十三里臺組、營城子組、甘井子組、南關嶺組、長嶺子組、橋頭組、太古界鞍山群、董家溝組、城子坦組。項目區范圍內巖漿巖主要巖性為花崗斑巖、花崗巖、輝綠巖等。

1.2.2水文

沿線地下水主要有三種類型，即第四系松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。其補給來源主要是大氣降水以及河流的側向補給，埋藏條件隨地貌單元不同而變化。

第四系孔隙水以潛水為主，局部具承壓性，分布于沿線沖洪積平原及丘間洼地，埋藏深度隨地貌單元不同而變化。基巖裂隙水：主要分布于丘陵地帶。埋藏深度一般大于10m，主要受大氣降水補給，動態變幅明顯，年水位變化幅度為2～5m。巖溶水：主要分布于石灰巖發育地帶，含水層為石灰巖的溶蝕裂隙、溶孔及溶洞，地下水的水量、分布及徑流條件隨巖溶發育程度而變化，賦水性極不均勻，地下水位埋深一般為6～15m左右。

2 地質災害種類及誘因

經過對沿線地質環境條件和現場調查，以及通過對收集到的已有相關資料進行綜合分析可知，工程建設中局部路段存在的災害種類有崩(滑)塌、不均勻沉降、巖溶塌陷、砂土液化、隧道坍塌涌水及膨脹土地質災害。詳細敘述如下：

2.1崩(滑)塌

在線路經過區域內，當在丘陵段落內進行鐵路工程建設時，局部需要進行開挖切坡，對山體斜坡產生擾動，致使邊坡穩定性變差，可能導致危巖體崩落而加劇崩塌的產生。有時邊坡開挖過高過陡，巖體懸空，也會導致崩塌的發生。同時，強烈的震動，包括大爆破、列車的反復震動等，也可觸發崩塌落石的產生。路基挖方段落由于開挖，破壞了斜坡的自然穩定狀態，在順層及構造破壞嚴重的地段有引發崩(滑)塌的可能性。

局部路段因工程施工開挖坡腳，切割了外傾的或緩傾的軟弱地層，破壞了上部巖體(土體)的穩定性，常常發生邊坡變形或失穩，進而引發崩(滑)塌。

2.2不均勻沉降

因線路跨越河流，在河流兩側可能存在軟土層，而不均勻沉降主要發生在軟土段。根據現行鐵路工程地質勘察規范規定，具有天然含水率大、天然孔隙比大、壓縮性高及強度低等特點的黍占性土、粉土應按軟土開展工作。

鐵路工程建設中，由于需要在地面修筑路堤、架設橋梁、修建站房及鋪設軌道，包括運營后列車的動荷載，均對地基土施加了附加荷載，雖然地基土的強度一般能滿足上部荷載的要求，但地基土內部應力狀態發生了變化，為了達到新的平衡，地基要發生固結沉降，包括一定程度的側向變形。同時，由于上部荷載不同及地基土層的差異，不同地段的變形程度有所不同而導致差異變形，這種差異變形會最終導致不均勻沉降地質災害的發生。

2.3巖溶塌陷

巖溶塌陷是人為因素和地質環境條件綜合作用的產物，其形成條件主要有以下四點：

2.3.1巖溶發育程度：可溶巖的巖溶裂隙和巖溶洞穴的發育狀況，直接決定了地下水對潛蝕塌落物的搬運量和運移距離。連通性好的大裂隙、洞穴不僅可容納更多的潛蝕塌落物質，而且可將這些物質隨地下水遷移他處，為上覆松散層空洞的發展和塌陷形成提供條件。

2.3.2松散層厚度：巖溶塌陷首先是從松散層內部形成空洞開始，當其厚度較大時，空洞發展到地表引起塌陷所需時間長，且易達到自然平衡，巖溶塌陷不易發生。反之，當松散層較薄時，巖溶塌陷較易發生。

2.3.3地下水動力條件：當松散層內孔隙水在強烈補給巖溶水的過程中及地下水位在松散巖層底部巖土界面的波動過程中，對松散蓋層產生潛蝕作用，巖溶塌陷越容易發生。

2.3.4上部荷載：當建筑物直接坐落于巖溶空洞之上時，首先對空洞頂板施加靜荷載。鐵路運營期間，當列車經過時，還要施加活載和震動作用。當巖溶空洞原平衡條件被打破時，就會引發巖溶塌陷的發生。

2.4砂土液化

鐵路工程對砂土、粉土液化的影響主要來自于列車的動荷載。當粉、細砂的特征指標滿足一定條件時，即有振動液化的可能。根據勘察資料，線路位于沖洪積平原地區路段的地層有砂土層，在一些路堤高度小、飽和細砂層埋藏淺的路段可能有砂土的臨界振動加速度小于振動加速度的情況。因此，在這些路段內列車的振動有導致砂土液化的可能。

2.5隧道坍塌涌水

隧道工程地質災害的產生主要受工程地質環境條件和施工技術條件兩方面因素的控制，同時也受其它環境因素的影響。地質條件首先決定了施工方法的選擇，而施工技術方法對地質條件的適應程度進而影響到工程引發隧道地質災害的危險程度。

根據隧道設計及施工經驗，評價隧道圍巖坍塌的危險性，首先考察巖性、圍巖結構，其次考察巖溶及地下水情況、與地表水有無水力聯系等。一般以隧道圍巖級別為圍巖穩定性主要判別標準，當隧道圍巖分級為Ⅵ級時預測隧道圍巖坍塌可能性大；圍巖分級為Ⅲ、Ⅳ、V級為坍塌可能性中等；I、Ⅱ級為坍塌可能性小。隧道涌水還需要考慮地下水位、巖溶情況、構造破壞情況、與地表水有無水力聯系等。而巖爆則需考慮地應力條件、圍巖強度及完整性等。

東北東部鐵路通道大連至登沙河段共有隧道3座，長度均大于1km，其中二十里堡隧道最長，其次為郭家嶺隧道，陳家店隧道長度相對較短。其具體長度、地質特征及圍巖分級見下表。

從表中可見，各隧道大部分圍巖條件一般，部分受風化、巖溶等條件影響，部分段落位于地下水位以下，在隧道開挖過程中容易產生隧道圍巖坍塌及隧道涌水等工程地質災害。

2.6膨脹土

項目區內有兩處路段分布有膨脹土，共約4.2公里，土層一般具有弱～中等膨脹性。

膨脹土遇水膨脹，失水收縮。隨著土體含水量的增減，膨脹力也產生相應的變化。由于土中含水量的變化與氣候有關，因此土的膨脹變形是重復進行的，這就可能導致膨脹土上的建筑物開裂破壞。由于往復的干縮濕脹，致使土中的裂隙十分發育，不僅破壞土體的連續性和完整性，使土體強度降低，為漸進破壞提供條件，而且也為地表水的混入形成了通道，水的浸入加速了土體的軟化及裂隙生成，兩者相互促進，形成惡性循環，使土體強度大大降低。在地質歷史上，膨脹土地層曾受過比現在更大的前期固結壓力，使主體處于超固結狀態。超固結不僅使路塹邊坡坡腳產生較大的剪應力，而且還會帶來強度的應變軟化，這對邊坡的穩定性影響較大。

膨脹土的危害主要為膨脹土地基變形導致的不均勻沉降和建筑物變形開裂。由于膨脹土主要分布在平原區及丘陵區，且沿線工程項目為路基和橋梁。因此，除局部由膨脹土引起邊坡滑塌、坍塌外，工程可能遭受的危害主要來源于膨脹土地基不均勻沉降。

3 地質災害防治措施

為減輕或避免地質災害對工程安全的危害性及周邊環境的影響，需對其進行防治，按照《地質災害防治條例》(國務院第394號令)采取預防為主，避讓與治理相結合的方針，同時對工程施工人員和維護人員進行地質災害知識的教育，提高其防治地質災害的能力，制定出突發性情況下的應急措施。依據地質災害類型，在建設過程中進行防治管理。具體防治措施如下：

3.1崩(滑)塌的防治措施

3.1.1對巖體節理裂隙發育的地區，施工時要清除不穩定巖石，高邊坡宜分級開挖，必要時掛網噴錨防護。

3.1.2對預測工程建設中可能崩塌的地段采取必要的防護措施，主要包括以下幾種：

遮擋：即遮擋斜坡上部的崩塌落石。這種措施主要用于中、小型崩塌或人工邊坡崩塌的防治中，可采用修建明硐、棚硐等工程進行。

攔截：對于僅在雨季才有墜石、剝落和小型崩塌的地段，可在坡腳或半坡上設置攔截構筑物，如設置落石平臺和落石槽以停積崩塌物質；修建擋石墻以攔墜石；利用廢鋼軌、鋼釬及鋼絲等編制綱軌或鋼釬柵欄來擋截落石。

護墻、護坡：在易風化剝落的邊坡地段，修建護墻，對緩坡進行水泥護坡等。一般邊坡均可采用。

刷坡(削坡)：在危石、孤石突出的山嘴以及坡體風化破碎的地段，采用刷坡來放緩邊坡。

排水：在有水活動的地段，布置排水構筑物，以進行攔截疏導。

3.1.3在人工路塹邊坡坡面設置格構，拱形骨架或六邊形空心塊，其間種植紫穗槐等灌木或播撒草籽以固定表層松散土石，穩定邊坡的同時可以防止水土流失。

3.1.4加強邊坡設計檢算及防護工作，對邊坡較高的地段進行必要的邊坡穩定性檢算，根據檢算結果在順層、破碎、易滑地段設擋墻及護墻，在不穩定的高邊坡地段可設置抗滑錨索及抗滑樁等。同時，也可適當降低邊坡坡度。在坡頂及坡面采取合理的防排水措施，以防表水及地下水侵入邊坡巖土體而降低邊坡的穩定性。

對于局部崩塌危險性大的地段，建議將方案進行調整，以隧道的形式通過該地段或改線。

3.2砂土液化的防治措施

3.2.1路基：當路堤以下有可液化土層時采取加固地基土或設置反壓護道等措施。客運專線地基加固措施主要采用CFG樁。

有碎石振沖、夯實、爆炸、砂樁擠密，旋噴等措施，提高砂土密度或者排水降低砂土孔隙水壓力。

3.2.2橋涵：位于可液化土地基上的特大橋、大中橋應適當增加橋長；橋墩、橋臺應采用樁基或沉井等深基礎，且樁尖及沉井底應進入穩定土層不小于1～2m；對臺尾15m范圍內的路堤基底下的液化土采取振密、碎石樁或換填等加固措施。

3.3巖溶塌陷的防治措施

3.3.1巖溶區進行詳細的勘探

對巖溶區要進一步加深調查和勘探，查清巖溶路段地下巖溶的發育情況，尤其對橋址區要詳細查明巖溶分布狀態及穩定程度，查明巖溶發育強烈地段。鐵路盡可能避讓這些路段，若無法繞避時要采取切實可行的工程措施。

3.3.2合理選擇基礎形式

對巖溶發育強烈路段，以橋梁方式通過時，樁基礎嵌入完整基巖一定深度內，加強施工過程控制，對巖溶空洞進行灌砂注漿等加固處理措施。橋梁基礎類型及橋式類型的選擇應結合巖石的完整性及溶洞的大小和頂板厚度確定。采用明挖基礎時應注漿加固；巖溶路基需注漿加固。

3.3.3巖溶空洞充填加固

對于鐵路安全范圍內的地表塌陷土洞，當覆土較薄時，宜回填夯實并作好地表水的引排封閉措施；當覆土較厚時，宜采用注漿加固。對于埋藏較深，但基巖頂板較薄的溶洞或溶蝕發育帶，宜采用注漿充填加固。

3.3.4在鐵路工程建設中，加強巖溶區基坑開挖的驗槽和施工監理工作。必要時補充勘探，詳細查明巖溶發育狀態和地基穩定程度。

3.4不均勻沉降的防治措施

3.4.1對于埋深淺的軟土和雜填土，將軟弱土層全部或局部挖除，然后換填素土、灰土或砂石等材料；對于表覆的素填土一般進行夯實處理；

3.4.2采用輕質路堤，以減輕路堤自重、減少沉降并增大穩定安全系數；在路堤底部設排水砂墊層，加速土層固結；鋪設土工織物，增加路堤強度及穩定性。

3.4.3降低路堤高度，邊坡放緩一級，在路堤兩側設置反壓護道，寬度應根據穩定計算確定；

3.4.4采用碎石樁、CFG樁或攪拌樁等方法進行處理。

在路基設計時，經過檢算后可采取上述其中一種措施或多種工程措施相結合。此外，還可采用沉井、樁基礎等深基礎工程處理措施。

3.5隧道坍塌涌水

3.5.1隧道通過的斷裂部位、構造變形強烈及裂隙發育地段是隧道圍巖變形坍塌、隧道涌水的多發地段，設計及施工中應注意其影響，超前采取防御措施。同時，隧道通過的斷裂、侵入接觸帶、角度不整合帶等段落圍巖條件一般也較差，施工時也應注意防止掉塊及坍塌。

3.5.2盡量將隧道進出口置于相對穩定的斜坡部位。對處于高陡斜坡上的隧道進出口宜選擇適宜的仰坡坡率，并進行必要的穩定性檢算，采取合理的防護措施。對可能發生崩塌及邊坡變形滑動的地段要進行擋護及加固。宜早進洞，晚出洞，必要時可按長明硐。

3.5.3隧道施工時需及時支護襯砌，避免圍巖長期暴露，注意使用合理的施工方法。對長隧道及特長隧道有必要進行超前地質預報工作。

3.5.4采用超前鉆，對隧道涌水災害提前做好預報和防范。尤其隧道掘進臨近斷裂構造帶、節理斷層面時，做好提前預防大的涌水災害發生。加強隧道內排水設施建設，對于平日正常滲出的基巖裂隙水等及時排出洞身。

3.6膨脹土的防治措施

路塹應放緩邊坡并防護，塹頂外設天溝，做好截排水工作；膨脹土路基基床需換填處理。

4 結語

綜上，沿線地質災害種類主要有崩(滑)塌、不均勻沉降、巖溶塌陷、砂土液化、隧道坍塌涌水及膨脹土地質災害。通過本次工作，為鐵路在建設與運營中，對地質災害的防治與治理提供了一定的科學依據，對于加快和促進地方經濟建設，防止地質災害造成損失和保護生態環境都將具有指導意義。工程建設過程中和竣工后，應加強對周邊地質環境、災害的預防與治理，杜絕各類污染源或污染因素對環境可能造成的危害，必要地段應超前進行治理，確保線路安全運營。