廣清城際鐵路巖溶發育成因和工程地質條件

柳 柳

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

廣清城際廣州北至清遠段自廣州北站引出，途徑石陂、獅嶺、銀盞、龍塘，終至清遠站，線路通過區域為廣州市花都區及清遠市。沿線主要地貌類型為沖積平原及剝蝕丘陵，其中平原區主要為花都盆地以及清遠沖積平原。線路所經平原區，廣泛分布著碳酸鹽巖層，主要為石炭系下統和泥盆系上統石灰巖、泥質灰巖，其中發育著覆蓋型巖溶［1］。作為本線最主要的不良地質現象，巖溶對線路工程的安全產生較大的影響。

1 巖溶發育概況

沿線碳酸鹽巖地層下伏于第四系地層或年代較新的基巖地層下，發育的巖溶類型為覆蓋型巖溶，表現形式主要為溶洞。通過鉆探、物探等方法揭露，沿線巖溶發育程度具有明顯的區域性，其中花都區新華鎮、獅嶺鎮以及清遠市大燕河兩岸為巖溶發育強烈地段。

根據現場鉆探揭露統計，全線灰巖段鉆孔的見洞率約為37.9%，線形巖溶率約為13.3%。鉆孔揭露的溶洞一般為單層溶洞，單層溶洞的比例約占72.0%;單孔揭露的最多溶洞個數為6個。鉆探揭露沿線巖溶發育垂向范圍大，溶洞規模變化大，花都段揭露溶洞頂板埋深6.6～68.0 m，底板埋深7.2～75.7 m，溶洞洞徑范圍為0.2～29.1 m;清遠段段揭露鉆孔揭露溶洞頂板埋深7.3～57.2 m，底板埋深9.1～70.9 m，溶洞洞徑范圍為0.3～30.4 m，溶洞發育隨著深度的增加而減弱。溶洞多為全充填，充填物一般為流—硬塑粉質黏土、砂類土、礫石以及全風化巖等，局部鉆孔揭露溶洞為空洞。

2 巖溶發育成因

巖溶是水對可溶性巖石的化學作用和機械作用以及這些地質作用產生的水文現象、地貌現象的綜合［2］。巖溶發育受巖性、水文地質條件、構造運動等因素控制，其中巖性和水文地質條件是巖溶發育必要因素，構造運動起到促進巖溶發育的作用。

2.1 巖性

巖性是巖溶發育的內因，廣清沿線巖溶發育于石炭系下統石磴子段(C1ds)和泥盆系上統天子嶺組(D3t)灰巖，其中石炭系石磴子段主要為灰黑、深灰色中厚層灰巖，炭質灰巖;泥盆系上統天子嶺組主要為淺灰色薄層泥質灰巖、灰黑色厚層狀粉晶灰巖、零星揭露硅質灰巖。根據現場鉆孔揭露情況來看，質純含雜質少的灰巖最易發育巖溶，炭質灰巖發育巖溶程度次之，泥質灰巖巖溶發育程度最弱，沿線僅零星揭露硅質灰巖，未揭露巖溶發育。

質純灰巖一般為粉隱晶質結構，中厚層構造，方解石的含量高，強度大，飽和單軸抗壓強度一般大于40 MPa，達到硬質巖—極硬巖，節理裂隙發育，一般充填方解石脈，巖芯較完整，采取率一般超過70%，通水性好，巖溶易于發育。炭質灰巖隨著泥炭質含量增加顏色變黑且強度減弱，飽和單軸抗壓強度范圍為20～50 MPa，一般為較軟巖—硬質巖，節理裂隙較發育，巖質較脆，巖芯易形成片塊狀，泥炭質含量增加，方解石的含量降低，巖溶發育較弱。泥質灰巖泥質含量進一步增加，強度較低，飽和單軸抗壓強度范圍為20～30 MPa，一般為較軟巖，節理裂隙較發育，但裂隙緊閉延長較短，常有殘留黏土阻塞，使其透水性差，可溶性CaO/MgO的含量進一步降低，可降至為33.15%［3］。硅質灰巖僅在清遠大燕河南岸零星分布，乳白色，硅質含量高，強度大，飽和單軸抗壓強度大于60 MPa，為極硬巖，節理裂隙弱發育，巖芯完整性較好，巖芯采取率超過80%，未揭露巖溶。

2.2 水文地質條件

水文地質條件是控制巖溶發育的必要因素之一，水量的大小決定溶解可用性物質的能力，水的流動性攜帶可溶性物質，促進了巖溶的進一步發展。

廣清城際所經花都區和清遠市屬熱帶季風氣候，雨量充沛，地表水和地下水提供豐富的水量補給來源。沿線地表水系發育，河流均屬珠江流域，廣州市域和清遠市河流分屬白坭河水系和北江水系。廣州市花都區境內主要跨越天馬河支流大布河及大逕河，清遠市境內主要跨越銀盞河、大燕河［4］。地表河流的侵蝕作用，控制著巖溶發育的侵蝕基準面，地表水系發育為地下水的補給和排泄提供場地，促進地下水的流動，加快溶解物質的搬運，進而促進巖溶發育。尤其是古河道地段，第四系地層厚度大，地下水富集且交替強烈，溶蝕發育。

廣清平原區沿線地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水，地下水位埋深一般0.5～5.0 m，年變幅1.0～2.0 m，地下水位的變幅以及兩類地下水之間的交替，加快了巖溶的發育。鉆孔揭露統計，首層溶洞的頂板距離巖土(巖性)分界面小于3 m，鉆孔比例約為74.8%，這與巖土(巖性)分界面地下水流動性強，促進巖溶發育密切相關。

2.3 構造運動

構造運動對巖溶發育起到控制和促進作用。構造運動造成巖層變形和破壞，產生構造裂隙，尤其是形成張性裂隙，為地下水的循環和流動提供通道。

廣清城際鐵路所經區域內主要發育有北東向、北北東向及東西向構造形跡，花都區主要受花都復向斜控制，軸向為北15°～25°東，其中發育多個北北東方向的次級背向斜及多條破碎帶;清遠范圍主要發育軸向北東東的清遠向斜和走向北北東的龍塘墟斷層;此外在花都區獅嶺至清遠市龍塘丘陵區分布著燕山期花崗巖［1］。

褶皺軸部地應力集中，裂隙密集，透水性強，有利于碳酸鹽巖的溶蝕和巖溶發育。背斜頂部的張裂隙寬度較大，向斜軸部、下部也有張裂隙，透水性強。因此，在褶皺區巖溶多具沿褶皺走向發育的特點，其軸部巖溶更發育。斷裂帶附近裂隙比較發育而密集，而橫切褶皺的斷層則錯開地層，促進彼此隔離的灰巖條帶聯通［3］。此外，花崗巖在侵入過程中，造成巖性接觸帶地段巖性破碎甚至發生變質作用，為地下水的流動和貫通提供了條件。

3 廣清巖溶發育類型

巖溶是多種因素綜合作用的結果，在去除巖性這一內在因素外，考慮到外因的控制作用，沿線的巖溶有以下幾種類型。

3.1 地下水作用型

地下水作為控制巖溶發育的最主要外因，是廣清沿線最為普遍的一種巖溶發育類型，其主要特征為:(1)地面上距離地表河流較遠，地下水排泄距離長。(2)灰巖上地層一般是非可溶巖或第四系黏性土、砂類土層。(3)溶洞一般發育在巖土(巖性)分界面以下。

巖溶發育類型主要受到地下水活動的影響，地下水以垂直運動為主，尤其在巖土或巖性接觸帶上，第四系松散巖類孔隙水與裂隙溶洞水交替強烈，促進了巖溶的發育。

3.2 河流侵蝕型

該種巖溶發育類型主要分布于花都區新華鎮新都大橋兩側以及清遠市大燕河兩岸，附近有或曾經有較大河流(古河道)通過。其主要發育特征:(1)灰巖基巖面起伏大，形成以河道為中心向兩側發展的漏斗型;(2)灰巖基巖面上一般為典型的第四系二元結構;(3)溶洞發育的高程與相鄰礫砂層高程范圍基本一致，溶洞中一般含有充填物。

河流在沖切侵蝕過程中，溶解灰巖，加快了地下水的排泄，為地下水與地表水的交匯提供便利條件，進而促進巖溶的發育。作為二元結構的粗顆粒層，礫砂層一般處于河床底部，直接控制巖溶發育的高程。

3.3 巖體侵入型

這類巖溶發育類型包括大型巖體侵入型和巖脈侵入型兩種。

(1)大型巖體侵入型位于花都區獅嶺丘前，為燕山期花崗巖侵入泥盆系上統灰巖中，在巖性接觸帶引起溶蝕巖溶發育。這類巖溶發育類型具備以下特征:(1)巖性分界面成鋸齒形，深度上形成灰巖與花崗巖的交替，部分地段勘探深度內未揭露完整灰巖;(2)灰巖中充填物為花崗巖全風化層，接觸變質作用，呈綠泥石化;(3)受到花崗巖侵入作用影響，灰巖巖體破碎，同時灰巖發生接觸變質，具有明顯的大理巖化。

(2)巖脈侵入型位于清遠市龍塘站，為一輝綠巖脈侵入泥盆系上統灰巖引起的巖溶發育(典型剖面見圖1)，具有以下特征:(1)巖脈侵入位置形成以全強風化輝綠巖為充填物的溶洞;(2)侵入巖脈上部灰巖巖體破碎，巖溶發育;(3)侵入巖脈下部可揭露完整灰巖。

圖1 巖脈侵入型巖溶剖面

該巖溶發育類型成因為侵入巖體(脈)侵入灰巖地層，破壞灰巖巖體的完整性，在不同巖性接觸帶引起巖體破碎，甚至發生變質作用，在巖性接觸帶范圍內地下水富集，進而促進巖溶發育。

4 巖溶工程地質條件及工程措施建議

4.1 巖溶工程地質條件

(1)沿線巖溶的主要表現形式為覆蓋型溶洞，鉆探揭露沿線巖溶發育深度范圍大，溶洞規模變化大，溶洞主要為全—半充填溶洞，局部為無充填溶洞，大部分地段巖溶對場地穩定性影響不大。

(2)巖溶地區主要的地質災害為巖溶塌陷，對于淺部發育的巖溶，基巖與第四系之間水力聯系十分密切，當強烈抽取巖溶孔洞裂隙水時，引起地下水位下降。上覆土層及巖溶裂隙通道中的充填物受到水流的沖刷疏通和潛蝕淘空作用，就會在第四系土層底部或土層中形成隱伏的溶洞，隨著溶洞逐漸向上擴展，洞頂土體失去了重力平衡而下墜，地表發生開裂，繼而產生下沉、塌陷等［1］。廣清沿線巖溶地面塌陷穩定性屬于“較不穩定”(易塌陷)，巖溶地面塌陷危險性為“大”［5］。

(3)巖溶強烈發育地段基巖面起伏大，部分地段發育土洞，上覆第四系地層中砂層厚度大，在鉆探過程中由于泥漿的循環作用，易引起砂層的流失，進而引起孔壁的坍塌掉塊，嚴重時可能會引起地表塌陷，在橋梁鉆孔樁施工過程中可能出現孔壁穩塌陷、泥漿漏失等現象，可導致場地失穩，進而引起地表塌陷，存在施工安全風險，并破壞土層承載能力。

(4)部分巖溶強烈發育地段，灰巖基巖面起伏大，巖面傾斜，對橋梁工程樁基持力層的確定以及施工過程鉆孔灌注樁的成孔影響較大。

4.2 工程措施建議

(1)高架工程應采取樁基礎，樁基穿透溶洞發育層，樁端置于厚度大于10 m的完整弱風化灰巖層中。地面和地下工程，應根據溶洞發育情況進行溶洞注漿處理。

(2)施工過程中，橋梁樁基施工應注意漏漿引起的鉆孔孔壁失穩進而引起場地失穩的情況，及時采用拋填黏土、片石或者鋼護筒等必要措施阻止漿液漏失，確保場地穩定。

(3)對于基巖面起伏較大的樁基設計施工，應確定合理的嵌巖深度，并在施工中及時進行鉆孔修正，避免因為基巖面傾斜造成鉆孔傾斜過大，影響成樁質量。

(4)線路施工和建成后，應嚴格控制線路沿線地下水抽取，避免發生巖溶塌陷對線路工程產生的影響。

［1］ 中鐵工程設計咨詢集團有限公司．廣州至清遠城際軌道交通項目廣州北至清遠段初步設計第四篇:地質［R］．北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2012

［2］ 鐵道部第一勘測設計院．鐵路工程地質手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，1999:369-370

［3］ 董娜．花都地區巖溶發育規律及影響和控制因素調查研究［J］．研究探討，2011，16(1)

［4］ 中鐵工程設計咨詢集團有限公司．廣州至清遠城際軌道交通項目廣州北至清遠段初步設計第九篇:橋涵［R］．北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2012

［5］ 中鐵工程設計咨詢集團有限公司，廣東省地質建設工程集團公司．廣東省廣州至清遠城際軌道交通項目廣州北至清遠段地質災害危險性評估報告［R］．廣州:廣東省地質建設工程集團公司，2012