泰萊盆地巖溶塌陷特征及重載鐵路工程地質選線研究

王延濤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

山西中南部鐵路通道為我國首條30 t軸重的重載鐵路，西起山西瓦塘，東至山東日照港，全長1 260 km，為我國東西部重要的能源通道。

線路自西向東橫穿泰萊盆地，泰萊盆地巖溶及巖溶塌陷發育，具有中國北方巖溶塌陷的典型特點[1-2]。

泰萊巖溶塌陷區，位于泰山、徂徠山山前沖洪積扇上，上覆10～30 m厚的第四系堆積物，下伏的寒武系、奧陶系灰巖巖溶發育，為隱伏巖溶。溶洞或暗河在一定條件下產生塌陷坑、地裂縫、地面沉降等災害，嚴重威脅生命財產安全。

既有津浦鐵路泰安段長期遭受巖溶塌陷威脅，自1979年以來長年限速通過，經濟損失每年達40余萬元，泰安站路基塌陷整治費就達3 000萬元以上，嚴重影響線路運營安全[3-4]。

泰萊盆地巖溶分布特征及巖溶塌陷發育程度，控制線路走向及方案的可行性。為此，系統性地研究泰萊盆地巖溶分布特征及巖溶塌陷形成條件、形成機理，進行平縱結合，對巖溶塌陷進行時空分區[5]，對重載鐵路方案的選擇、運營及整治具有重要的實踐意義。

1 水文地質與工程地質背景

泰山、徂徠山、蒙山圈閉形成泰萊盆地，大汶河穿越其中，泰山、徂徠山巖性為太古界變質巖，泰萊盆地基底為太古界變質巖，沉積寒武、奧陶系地層，表層覆蓋第三、第四系松散地層(圖1)。

圖1 泰萊盆地地質構造

泰萊盆地地質構造復雜，隱伏斷層構造發育，沿構造地下水活躍，在灰巖分布區形成巖溶發育區，溶洞一般發育在灰巖頂板20 m深度內[6-7](圖2)。

圖2 構造綱要

泰萊盆地發育第四系沖洪積層孔隙潛水和基巖巖溶裂隙水。第四系潛水含水層為沙、礫土，埋深2～8 m，年變幅2～3 m，大氣降水補給。巖溶裂隙水，普遍在碳酸鹽巖內發育，具承壓性；近期，隨著地下水開采水位開始下降，形成降落漏斗，局部水位逐漸脫離基巖頂板。山前第四系潛水補給巖溶水，大汶河排泄區巖溶水頂托排泄于第四系孔隙水，在降落漏斗區，第四系潛水垂直滲漏補給巖溶水[8-9]。

2 巖溶塌陷特征

泰萊盆地山前地面高程126～140 m，侵蝕基準面(大汶河)高程90～110 m，侵蝕基準面附近灰巖易溶蝕，根據鉆孔資料，平均線巖溶率6.8%～10%以上，見洞率達80%，受構造影響，巖體破碎，溶蝕裂隙網狀發育構成強徑流帶，連通形成地下暗河(圖3)。

圖3 巖溶發育剖面

泰萊盆地巖溶在平面上分布于寒武、奧陶系沉積區，沿斷裂帶、河道走向分布；剖面上分布侵蝕基準面高程90～110 m附近。發育程度按扇項區、扇中區、扇前緣區依次增強，靠近排泄區巖溶發育程度最強。地下水承壓狀態扇中區強、扇項區和扇前緣區相對減弱。補給方式扇項區第四系潛水補給，扇中區頂托排泄于第四系孔隙水，扇前緣區排泄于大汶河。

泰萊盆地巖溶發育，扇中區、沖積區巖溶侵蝕強，上覆隔水蓋層，地下水開采或礦山疏干排水導致地下水位變化，極易形成塌陷區(圖4)。泰安市由于地下水開采導致41處塌陷，面積達1.2 km2[10]；萊蕪市由于地下水開采及礦山疏干排水導致139處塌陷，面積達6 435 m2[11]。

圖4 易塌陷區分布示意

地面巖溶塌陷，上覆隔水蓋層破壞，地表水直接補給巖溶水，在河流交匯點巖溶排泄區形成巖溶天窗。泰萊盆地巖溶區主要發育泰安—省莊—邱家店天窗、大汶口天窗、樓德天窗、宮里天窗、萊蕪天窗，天窗沿地下暗河串珠狀展布，形態呈長條形或橢圓形，尺寸幾十或上百米，分布如圖5所示。

圖5 易塌陷區分布

巖溶天窗災害程度受控于地下水開采程度、地層巖性及地下水循環程度。泰安城區、泰安舊縣水源地地處斷裂構造發育的扇中區，高強度取水，形成漏斗，巖溶塌陷嚴重，塌陷達21處，其中東羊樓塌陷坑長軸35 m，短軸27 m，深24 m[5-6]。

3 巖溶塌陷形成條件及形成機理

20世紀60年代以前，泰萊盆地溶洞水水位高于基巖頂板20 m左右，巖溶水承壓托頂上部基巖，處于穩定狀態。

20世紀60年代以后，由于開采地下水，水位逐年下降。1976年以后，水位開始低于基巖頂板，地下水位在基巖頂板附近上下波動，年變幅8～12 m，地面開始出現大量塌陷。

1982年以后，水位逐漸脫離基巖頂板，巖溶水托頂向上往第四系潛水排泄轉變為第四系潛水向溶洞垂直滲漏，潛蝕作用加強，塌陷頻率有所緩和。

20世紀60年代以來，泰萊盆地地面巖溶塌陷表現強烈，對比泰安城區、泰安舊縣水源地巖溶水動水位與地面巖溶塌陷關系(圖6)，地面巖溶塌陷與地下動水位相關性極強，在一定水位段內塌陷強烈。

圖6 巖溶水動水位與地面塌陷關系

進一步對比巖溶水動水位、地面巖溶塌陷次數、巖性關系揭示，巖溶水動水位在基巖面附近波動且潛水向下滲透時地面巖溶塌陷最為嚴重[12-14](圖7)。

圖7 巖溶水動水位、地面塌陷次數、巖性相關圖

巖溶塌陷形成條件：地下溶洞發育，巖溶水動水位在基巖面附近波動，潛水向下滲透。

巖溶塌陷形成機理：上覆第四系堆積層脫水、真空吸蝕、巖溶水潛蝕、巖溶水沖刷等綜合作用所致。

4 工程地質選線

山西中南部鐵路通道自西向東橫穿泰萊盆地，泰萊盆地巖溶分布及巖溶塌陷分布，控制著的線路走向及方案的可行性。

4.1 選線原則

泰萊盆地巖溶分布在盆地中心隱伏的寒武、奧陶系地層內，線路應盡可能繞避。

泰萊盆地巖溶塌陷主要分布在扇中區、沖積區，并形成巖溶天窗，線路應盡可能繞避。

如線路必須穿越巖溶發育區，盡可能采用橋梁通過，當采用路基通過時，需采用回填、蓋板、支頂、注漿等加固措施。

泰萊斷陷盆地為太古界片麻巖地層圈圍，泰萊盆地邊緣地處補給區，地下水循環弱，線路存在可以較好地繞避巖溶發育區的條件。

4.2 方案研究

(1)可研階段，受巖溶塌陷影響，研究了穿越巖溶塌陷區方案、繞避巖溶塌陷區方案(圖8)。

圖8 線路方案示意

穿越巖溶塌陷區方案：穿越巖溶塌陷嚴重區邊緣4 km，工程加固措施困難，質量不可控，予以放棄。

繞避巖溶塌陷區方案：沿徂徠山北側的片麻巖地層走行，少量穿行在裸露的奧陶系灰巖內，完全繞避了巖溶天窗，規避了巖溶塌陷風險[15]。

(2)定測階段，受泰山徂徠山國家級森林公園、汶河水系規劃影響，繞避巖溶塌陷區方案基礎上進一步研究了徂徠山南側方案。

徂徠山南側方案：沿徂徠山南側的片麻巖地層走行，少量穿行在裸露的奧陶系灰巖內，在跨越汶河牛泉附近，線路緊鄰萊蕪天窗，鉆探揭示，溶孔溶隙相對較發育，大型溶洞不發育，出現巖溶塌陷可能性不大，采取適當的注漿處理即可保證工程質量[16]。

4.3 施工及運營驗證

工程施工揭示，徂徠山南側方案大部分走行在變質片麻巖地層內，在牛泉附近發育溶孔及溶隙，未遇到大的溶洞，基底巖溶探測無溶洞發育，經注漿處理可確保重載鐵路基礎穩定安全。

山西中南部鐵路通道2014年12月開通運營以來，該段路基運營平穩未出現任何病害，為北方巖溶區工程地質選線提供了成功案例。

5 結語

(1)泰萊盆地下伏寒武系、奧陶系灰巖地層發育隱伏巖溶。

(2)泰萊溶塌陷區具有中國北方巖溶塌陷典型特征；地下溶洞發育，巖溶水動水位在基巖面附近上下波動，潛水向下滲透是產生巖溶塌陷的條件；上覆第四系堆積層脫水、真空吸蝕、巖溶水潛蝕、巖溶水沖刷等是巖溶塌陷的主要形成原因。

(3)巖溶天窗主要分布在扇中區、沖積區河流交匯處的巖溶排泄區內。

(4)泰萊盆地邊緣地層主要為太古界片麻巖地層，地下水循環弱，線路只要沿山前走行，既可較好地繞避巖溶發育區。

(5)山西中南部鐵路通道沿徂徠山南側走行，大部分走行在變質片麻巖地層內，施工揭示僅在牛泉附近發育溶孔及溶隙，基底巖溶探測無溶洞發育，該段鐵路2014年12月開通運營以來，運營平穩，未出現任何病害。

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