山西中南部鐵路通道巖溶路基塌陷性評價(jià)

王 東,王延濤,曾憲明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

山西中南部鐵路通道在山東境內(nèi)從魯西南進(jìn)入，橫貫魯中南，最東到達(dá)日照港。其中鐵路線位途經(jīng)萊蕪、沂源等地，該地被譽(yù)為北方巖溶之鄉(xiāng)，線路所經(jīng)巖溶區(qū)域的塌陷性評價(jià)成為巖溶路基設(shè)計(jì)和施工的重要依據(jù)。

目前鐵路工程中的巖溶路基評價(jià)方法分為半定量經(jīng)驗(yàn)分析法與非確定性分析兩大類。其中半定量經(jīng)驗(yàn)分析法以類比法、普氏崩壞拱法、經(jīng)驗(yàn)公式法及坍塌平衡法為主[1]。巖溶發(fā)育的不確定因素較多，定性分析法又需要積累較多工程經(jīng)驗(yàn)，而公式法計(jì)算參數(shù)選取隨意性較大，且工程設(shè)計(jì)人員對巖溶發(fā)育情況理解不同，往往造成單一定性分析的局限性和單一定量分析法計(jì)算結(jié)果的偏頗。由此筆者借鑒前人研究成果，采用地質(zhì)分析法、指標(biāo)評分法及厚跨比法相結(jié)合，評價(jià)鐵路工程巖溶路基的塌陷性，評價(jià)結(jié)果既符合實(shí)際，又能為路基設(shè)計(jì)提供充分的依據(jù)，具有有較好的推廣和借鑒價(jià)值。

1 巖溶塌陷形成機(jī)理分析[1]

1.1 覆蓋性巖溶塌陷機(jī)理

主要表現(xiàn)為土洞塌陷，如圖1所示。土洞形成的機(jī)制主要有以下幾個(gè)方面：水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、人為活動(dòng)。土洞的形成、擴(kuò)展，直至塌陷，是由多種因素共同作用的結(jié)果。

圖1 土洞發(fā)育過程

1.1.1 水文地質(zhì)條件

地表水浸泡增荷，降雨和灌溉使土體浸潤、軟化，強(qiáng)度大大降低，增加了土體的重量，造成土洞頂板的失穩(wěn)、塌陷；另外，地表水通過覆蓋層向下滲透的過程中，受滲透影響，會(huì)帶走微細(xì)顆粒，破壞土體結(jié)構(gòu)，對基巖面附近土層產(chǎn)生沖刷和淘蝕作用。由于地表水和地下水連通性較好，地下水位的波狀起伏，產(chǎn)生潛蝕、失托加荷、負(fù)壓吸蝕、氣爆等作用，又加劇了地表水的下滲過程。水的循環(huán)過程成為巖溶塌陷的動(dòng)力因素。

1.1.2 工程地質(zhì)條件

主要體現(xiàn)為巖溶發(fā)育情況和覆蓋層的工程性質(zhì)。沿線巖溶發(fā)育程度在很大程度上影響了塌陷的規(guī)模；而地表覆蓋層的厚度直接影響巖溶塌陷的幾率。地表覆蓋層越薄，越容易發(fā)生巖溶地面塌陷，覆蓋層滲透性越強(qiáng)，潛蝕作用越強(qiáng)烈，越易發(fā)生塌陷。

1.1.3 人為活動(dòng)

沿線附近礦山大強(qiáng)度排水，加劇地下水位波動(dòng)并大幅度降低地下水位，加劇巖溶塌陷發(fā)展。人為機(jī)械振動(dòng)效應(yīng)和列車振動(dòng)荷載也會(huì)導(dǎo)致地表巖溶塌陷。

1.2 裸露型巖溶塌陷

當(dāng)潛埋的溶洞洞徑較大且頂板較薄時(shí)，即厚跨比較小時(shí)，在地面荷載作用下導(dǎo)致頂板坍塌而產(chǎn)生地面塌陷。

裸露型巖溶地區(qū)，地下水普遍埋藏較深，巖溶塌陷的機(jī)理以降水入滲形成塌陷為主，即表水沿覆蓋土下滲，當(dāng)入滲水流具有一定的水頭壓力和流速時(shí)，會(huì)攜帶土體顆粒從巖溶通道流失，從而在覆蓋土層中形成空洞發(fā)生塌陷。

2 巖溶塌陷評價(jià)依據(jù)

2.1 巖溶發(fā)育程度分類

巖溶發(fā)育的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，分類的方法也比較多。從工程角度出發(fā)，常采用按埋藏的條件分類和按巖溶發(fā)育強(qiáng)度分級的方法，詳見表1[2]和表2[1，3]。

表1 巖溶按埋藏條件分類

表2 巖溶發(fā)育強(qiáng)度分類

注：參考《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》中巖溶發(fā)育強(qiáng)度分類表與《地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評估理論與實(shí)踐》中碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度分級標(biāo)志而得。

2.2 巖溶塌陷性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

綜合分析巖溶塌陷性的影響因素，將各種因素的影響權(quán)重以指標(biāo)分的形式量化，劃分為極易塌陷區(qū)、易塌陷區(qū)和不易塌陷區(qū)，巖溶塌陷性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3[2]。

3 工程概況

該段巖溶路基位于山東省萊蕪市方下鎮(zhèn)吳小莊和雙泉官莊間，地貌為山前沖積平原區(qū)，地勢起伏較小，地面高程176.3～184.9 m，相對高差約8.4 m，地表植被發(fā)育。

表3 巖溶塌陷性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：1.累計(jì)指標(biāo)分≥90為極易塌陷區(qū)，71～89為易塌陷區(qū)，≤70為不易塌陷區(qū)；2.近期產(chǎn)生過塌陷區(qū)，累計(jì)指標(biāo)分應(yīng)為100；3.地表降水入滲致塌陷區(qū)，水的指標(biāo)分為40。

路基工程地處中緯度區(qū)，屬暖溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候適宜，四季分明，雨量充沛。春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季秋高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均降水量579.3 mm。

根據(jù)勘探資料顯示，地表為第四系上更新統(tǒng)沖積(Q3al)粉質(zhì)黏土層，下伏基巖為奧陶系馬家溝組(O2m)灰?guī)r，勘探孔內(nèi)揭示有溶洞，主要分布在表面以下10～18.5m，溶洞厚度0.4～11.2 m不等，溶洞全充填或半充填黏性土，線性巖溶率為14.6%～34.07%。

該區(qū)地表水為溝渠灌溉地表水。地下水主要為孔隙潛水、碳酸鹽巖類巖溶水。地下水穩(wěn)定水位埋深7～27 m，地下水位高程164～185 m。線位走向如圖2所示。

圖2 線位走向示意

4 巖溶塌陷評價(jià)

4.1 巖溶路基塌陷性評價(jià)——地質(zhì)分析法

線位近南北向通過萊蕪盆地，經(jīng)過低山丘陵區(qū)，山前沖積平原區(qū)。DK1010+290～DK1010+725走行于該向斜構(gòu)造的西南翼，可溶巖為寒武系饅頭組及毛莊組灰?guī)r。萊蕪盆地地下水補(bǔ)徑排條件受構(gòu)造、巖性、地形等因素的控制，太古界變質(zhì)巖系分布在盆地北、東、南周邊地區(qū)構(gòu)成盆地的周邊隔水邊界，是地表水和地下水的分水嶺。天然狀態(tài)下，地下水的總體運(yùn)動(dòng)方向與地表水大體相似，即由周邊地區(qū)向中部匯流，最終由牟汶河向西排泄出境。裂隙巖溶水的含水層主要為寒武-奧陶系地層，由于斷裂的穿插、切割，地層被分為若干斷塊，斷塊之間形成水力聯(lián)系。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，線位西側(cè)匯集為石門水庫，最終流向牟汶河。該段路基位于地下水徑流區(qū)，形成水平及垂直徑流帶?？傮w上判斷為巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖線位附近孔隙水位在枯、豐期在151～158 m，巖溶裂隙水水位在枯、豐期在160～220 m，牟汶河沿岸枯、豐水期的水位高于牟汶河水位，表現(xiàn)為孔隙水向河排泄特點(diǎn)。該區(qū)地下水動(dòng)態(tài)屬降水入滲-徑流型，地下水主要影響因素為降水量，由南而北沿地勢徑流，補(bǔ)給區(qū)水力坡度大，排泄區(qū)水力坡度?。桓鶕?jù)牟汶河河道高程，如果向北排泄高程在151～152 m，如果向西排泄高程比151～152 m還低，因此，在160～220 m高程泥質(zhì)充填的溶洞可能被帶走，淺覆蓋型溶洞存在塌陷可能。地下水等位線示意見圖3，地下水運(yùn)動(dòng)示意見圖4。

圖3 地下水等水位線示意

圖4 地下水運(yùn)動(dòng)示意

4.2 巖溶路基塌陷性評價(jià)——評分法

評分標(biāo)準(zhǔn)中，DK1 010+290～DK1 010+725，地下水穩(wěn)定水位埋深7～27 m，地下水位高程164～185 m。故DK1 010+290～DK1 010+725段地下水在土石界面上下浮動(dòng)，地下水指標(biāo)為40分。土的性質(zhì)與土層結(jié)構(gòu)按照黏性土考慮，按10分考慮；土層厚度、地貌、巖溶發(fā)育程度分別按照標(biāo)準(zhǔn)給出相應(yīng)指標(biāo)。詳細(xì)評分指標(biāo)見表4。

根據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評判出巖溶地面塌陷分析指標(biāo)分為82，DK1 010+095～DK1 010+725段路基為易塌陷區(qū)。

表4 指標(biāo)評分法

4.3 巖溶路基塌陷性評價(jià)——厚跨比法

根據(jù)勘探孔揭示，工點(diǎn)內(nèi)覆蓋層平均厚度12 m，多為粉質(zhì)黏土；下伏寒武系灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，溶蝕裂隙、溶溝、溶槽及溶洞等較發(fā)育，線巖溶率16.4%～34.07%。巖溶路基塌陷性厚跨比評價(jià)見表5。

表5 厚跨比法

完整頂板安全厚跨比為0.5～0.87[1]，該段巖溶路基厚跨比遠(yuǎn)小于安全值。

綜合3種評價(jià)方法，該段路基工程地下為巖溶易塌陷區(qū)，需考慮注漿充填巖溶裂隙通道、洞穴，加固土石界面土層，消除巖溶塌陷隱患，確保鐵路運(yùn)營安全。

5 結(jié)論

以山西中南部鐵路通道萊蕪地區(qū)DK1010附近巖溶路基為例，分別采用地質(zhì)分析法、評分法及厚跨比法，對該段路基的巖溶塌陷性進(jìn)行定性和半定量分析，得到如下結(jié)論。

(1)多種分析方法均判斷出該段路基范圍內(nèi)的巖溶空洞易塌陷，需要采取相應(yīng)的注漿封堵處理措施。

(2)利用工程地質(zhì)勘探資料，水文地質(zhì)調(diào)查資料，可以有效且準(zhǔn)確地分析地區(qū)巖溶發(fā)育程度，并確定巖溶塌陷影響范圍。

(3)應(yīng)用地質(zhì)分析法、評分法及厚跨比法相結(jié)合的綜合分析法，以鐵路工程不良地質(zhì)規(guī)程為評分參考依據(jù)，能夠很好的將經(jīng)驗(yàn)分析法與半定量分析法有機(jī)結(jié)合，保證了經(jīng)驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性，又符合鐵路工程規(guī)范要求。

(4)利用多種方法綜合評價(jià)巖溶路基塌陷性，對巖溶路基的設(shè)計(jì)及施工具有一定的指導(dǎo)意義；但是該方法需要在日后的工作中進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

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