朔黃鐵路龍宮車站路基塌陷病害勘察及機理探究

馬 佳 李勤光

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

朔黃鐵路龍宮車站位于晉北低中山區與山前平原過渡地帶。 2017 年、2018 年雨季,龍宮車站路基出現多處塌陷病害,最大陷坑直徑4 m、深1.5 m,對既有重載線路安全運營造成極大威脅。 在進行病害綜合整治前,需查明路面以下存在病害的具體部位,以及發生路基塌陷的病害原因及破壞機理,并提出合理的整治建議。

對于重載鐵路路基的常見病害,已有許多學者開展相關研究,宋緒國等認為,若路基壓實質量不足或基底松軟,在水和列車荷載作用下易產生下沉[1],但龍宮車站路基塌陷與地基土松軟造成的緩慢下沉性質不同。 近年來,在多個城市由于市政管線滲漏、地鐵施工、抽取地下水等原因,出現過多起路面突然塌陷的問題,分析其原因,多與地下水滲漏和巖土性質較差有關,如天津高新園區路面塌陷與地下暗穴空洞、污水管滲漏存在密切聯系[2]。 陳雨昂等對2014 年～2018 年中國城市路面塌陷時空規律與原因進行分析,認為地下管道破損、降雨和施工是致塌陷頻發最主要的直接原因[3];高明生從城市水文地質條件、地下水開采情況、地下工程對土體的擾動、管線老化、雨季積水等方面對道路塌陷原因進行分析[4]。 以下結合朔黃鐵路黃土地區路基塌陷病害案例,對路基塌陷問題的勘察方法和形成機理進行詳細探討。

1 工程概況

朔黃鐵路為國家I 級雙線電氣化重載鐵路,與神朔鐵路共同組成全長860 km 的西煤東運第二大通道。朔黃鐵路龍宮車站位于山西省原平市,里程范圍K41+116.18～K42+916.18,全長1 800 m。 2017 年、2018 年雨季,龍宮車站內Ⅰ、Ⅱ、3、4 道路基出現塌陷下沉,最大陷坑直徑4 m、深1.5 m,典型病害情況見圖1、圖2。

圖2 2018 年Ⅱ道、4 道K41+457 處陷坑

龍宮車站所在區域為晉北低中山區與山前平原過渡地帶,根據初步地質調查,地層為二疊系砂巖,上覆黃土夾碎石土。 路基以半填、半挖結構為主;部分切坡地段為深挖方,最大挖方深度約50 m;線路經溝谷地段為填方,最大填方高度約12 m。 站場范圍內典型路基橫斷面見圖3。

圖3 龍宮車站典型站場路基橫斷面(單位:m)

2 勘察技術路線

龍宮車站發生病害點位于半填半挖路基段,基底為填土和黃土。 對于黃土路基塌陷,曹升堂等認為主要與黃土濕陷性、崩解性等不良特性相關,常由暗穴發育引起[5];張志清等認為,黃土路基沉陷和路基陷穴是兩種典型破壞形式[6];劉長江等對甘肅天水地區、陜西寶雞市的水害引起的黃土路基坍塌進行整治,積累相關工程處理經驗[7-8];劉軍勇等對黃土地區公路路基勘察設計問題進行總結與分析,對黃土濕陷的機理、壓實困難、處理措施的優化等問題進行深入探討[9];何清立等采用綜合物探方法對公路路基沉陷、塌陷問題進行勘察和研究,分別對礫石含水層積水引起地表淺部塌陷、巖溶區土洞塌陷、地下采空引起的塌陷問題進行分析,認為綜合運用多種物探方法能夠相互印證,并彌補單種物探方法解釋不足等問題[10-12]。

根據類似工程問題的研究成果,擬采用綜合地質調查和綜合物探技術,結合本項目的地質背景,對路基塌陷病害原因進行綜合分析,對病害機理進行探究。擬定勘察技術路線為:采用工程地質及水文地質調查、綜合物探、挖探取樣、室內試驗、車站設備調查、區域氣象資料分析等相結合的綜合勘察方法,勘察中需重點關注路面以下巖土體的密實程度和均勻性、地表水的排泄途徑、地下水的賦存狀態。

3 調查及試驗

3.1 工程地質調查

根據詳細調查,病害段典型地質剖面特征如下。

(1)第四系上更新統新黃土

淡黃色,半干硬-硬塑,土質不均,含少量碎石土,層厚2～20 m,該層普遍分布于坡地表層。

(2)第四系上更新統卵石土

成分以砂巖為主,多呈圓棱狀,一般直徑為20～60 cm,最大90 cm,層厚2～12 m,主要分布于坡地表層,局部在黃土層中呈夾層。

(3)二疊系上統砂巖

紫紅色,強風化-弱風化,夾泥巖薄層,局部為砂頁巖互層。

3.2 水文地質調查

經過現場水文地質調查,車站周邊情況如下。

(1)表層砂質黃土富水性差,接受大氣降水補給,但不易儲存,地下水多以上層滯水形式賦存。 經了解,邊坡抗滑樁施工時,部分樁孔15 m 以下揭露基巖裂隙水,水量較小。

(2)為查明路基塌陷是否由地基中貫通的暗穴導致,對路基右側邊坡進行調查,未見異常;通過調查及走訪塌陷點附近的路基邊坡、山體未見滲水或泉水出露。

3.3 路基結構調查

K41+393、K41+395 到發線路肩邊緣開挖的探坑揭露,車站路堤填料成分為黃土夾少量碎石,開挖路塹基底為原狀黃土,無基底封閉或換填處理措施。

3.4 排水系統調查

龍宮車站發生塌陷病害的Ⅱ道與4 道、Ⅰ道與3 道間之間均設置線間排水溝,凈寬0.6 m、凈高0.8 m,里程范圍為K41+060～K43+120,順線路方向長度達2060 m,排水方向自小里程向大里程,排水坡度為1‰～2‰。 路堤涵洞兩側可見橫穿站場路基的排水暗溝出口與路堤邊坡排水槽連接。 車站排水徑路見圖4。

圖4 車站排水徑路

2017 年8 月開挖過I 道、3 道間的縱向排水溝,發現縱向排水溝伸縮縫連接處的勾縫脫落,排水溝以下存在暗坑。 分析車站排水系統,認為其縱橫向排水坡度均較小,局部滲漏極易導致出現集中水害點。 根據路基塌陷發生季節(8 月下旬雨季末)、線間溝滲漏狀況,初步推測地面塌陷原因與雨季線間溝內排水不暢及滲漏相關。

3.5 區域氣象

龍宮車站所在山西省原平市年平均降雨量較小(441.8 mm),根據氣象站資料,2017 年7 月初至8 月22 日,原平市降雨量合計181.2 mm,約占全年降水量的40%,2017 年8 月22 日24h 降雨量達37.9 mm;2018 年7 月初至8 月22 日,原平市降雨量合計287.0 mm,約占全年降水量的65%,2018 年8 月22 日24h 降雨量為24.5 mm。

3.6 取樣及試驗

原狀樣挖探點1 布置于K41+540 左側邊坡,距離塌陷點約100 m,該處砂質黃土與碎石土呈多層交錯狀分布。 該處黃土試樣含砂量較高,試驗室加工過程中樣品出現崩解,未能完成濕陷性試驗。 而后采用了濕化試驗,黃土試樣浸入水中,15～20 min 后,試樣完全崩解。 試驗表明,該處黃土水穩定性極差,具有強烈易崩解性。

原狀樣挖探點2 布置于K41+640 右側邊坡,距離塌陷點約200 m,取樣為黏質黃土。 濕陷性試驗得濕陷系數δs=0.024＞0.015,根據規范判定為濕陷性黃土[13],濕陷起始壓力為123 kPa。

4 物探勘察

病害地段位于既有重載運營車站內,不具備開展工程地質鉆探的條件。 從可實施性方面考慮,應優先選用無損傷的地球物理勘探方法。

4.1 高密度電法

在路基病害段落,土體松動、含水率增多,電阻率值一般會明顯降低。 2018 年8 月下旬發生路基塌陷后,在塌陷區附近小范圍開展此項測試[14],測區內典型視電阻率剖面見圖5。

圖5 高密度電法典型視電阻率剖面

由圖5 可知,該段路基整體上上部視電阻率較小,下部視電阻率較大,表明路基上部填料中含水率較高,下部路基填料含水率較小。 此外,高密度電法視電阻率剖面存在漏斗狀低阻異常,推測為滲水通道,較清晰地反映出雨季路基土體內部的滲流特征:當滲透水力梯度較大時,黃土中含量較大的易溶鹽被溶解、水流將黃土中的黏土粒和粉土粒等細顆粒帶走后,擴大了黃土的裂隙或大孔管道,使黃土固結強度下降,土質出現疏松。 由于黃土地基含碎石土,更容易發生這種土中細顆粒沖蝕。 高密度電法揭露,地表水呈多條帶狀滲入地下,滲水漏斗間距2～5 m,滲流影響深度4～7 m。

高密度電法需要通過電極向地下供電,受道砟覆蓋等原因,現場操作難度大;加之勘察時為冬季枯水季節,此時開展高密度電法難以準確反映路基在雨季由于土體含水量升高引起病害的機理,故此項勘察工作未大范圍展開。

4.2 地質雷達法

地質雷達是一種采用超高頻短脈沖電磁波對地下目標體或分界面進行定位或判別的物探方法。 該方法較為適應本工程的探測要求和現場條件,故在車站內大范圍使用。 測線總長6 120 m,順線路覆蓋范圍包含深路塹、淺挖方、低填方、高填方等不同類型路基。 采用SIR-4000 型便攜式地質雷達,滿足檢測深度的基礎上兼顧目標體的尺寸精度要求,屏蔽天線中心頻率為100 MHz;根據地層巖土類別,檢測場地介電常數取9,探測深度為10 m,時窗為450 ns,天線采樣點數為1 024。

勘察目標為探測路基體內是否有空洞、塌陷、填筑不密實、不均勻等情況;數據解釋的原則是通過雷達剖面的縱橫向比較,確定異常位置,再根據異常區域的雷達波同相軸的形態、連續性、能量以及頻率等屬性推測異常體的性質,地質雷達圖像的解釋推斷見表1,典型雷達圖像見圖6～圖8。

圖8 路基填筑不均典型雷達圖像

表1 地質雷達路基異常解釋推斷

圖6 路基不密實區典型雷達圖像

地質雷達測試共檢測出60 處異常,其中不密實異常55 處,路基沉陷異常2 處,填筑不均異常3 處;其中圖5 與圖6 為同一位置處高密度電法視電阻率圖像與地質雷達圖像,均顯示出豎向梳狀分布特征,推測為不密實區。 按照工點類型統計,結果如下。

(1)填方路基總長480 m,填高0～12 m;道床以下上部為路基填筑土,其下為天然地面新黃土,共提示有44 處異常,其中不密實異常39 處,路基沉陷異常2處,填筑不均異常3 處。

圖7 路基沉陷典型雷達圖像

(2)半填半挖路基總長170 m,左幅路基最大挖深約27 m、右幅最大填高約6 m,路基左幅基底地層以砂巖為主,淺挖方段基底為新黃土夾碎石土,右幅路基地層為路基填筑土和天然地基新黃土,提示有16 處異常,主要位于低填淺挖段,均提示為路基不密實異常。

(3)深挖方路基長480 m,路基左側最大挖深約50 m,道床以下地層為砂巖,局部夾泥巖,未提示有異常。

根據對不同類型工點的物探異常段落進行統計并結合地質條件分析,結果表明:低填淺挖路基和填方路基是路基土質疏松、塌陷易發地段,說明天然黃土地基和壓實黃土路基多年運營后易發生土質疏松從而引起塌陷,而深挖方段砂巖地基受雨水浸泡、凍融循環等環境作用影響較小。

按照股道進行統計,臨近線間排水溝的Ⅰ道、Ⅱ道、4 道右側、3 道左側共檢測出55 處存在異常,作為整治的重點段落,占檢出異?？倲档?1.6%。 統計結果也印證路基塌陷病害與線間排水溝滲漏的相關性。

物探顯示,土體的疏松、不密實、基床下沉主要發生在路基面以下5 m 深度范圍內(此深度值受場地介電常數取值影響,有一定誤差),5 m 以下較均勻,表明高路堤下部填土和5 m 深度以下天然地基受環境影響較小。 制定工程處理措施時,主要參考物探解譯的異常深度進行治理。

物探勘察并未發現地基中有尺寸較大或貫通發育的暗穴,與調查情況基本一致,說明地基土質疏松主要發生在表層,尚未發育成嚴重的掏空現象。 由于滲水并未從側方邊坡和基底排出,故推測滲水仍以滯水形式賦存于上部土體大孔隙中。

5 病害機理分析

(1)滲流造成松散土體中形成大孔隙骨架結構并以臨界穩定狀態潛于地下,在地面荷載、振動等外界干擾作用下,造成臨界穩定狀態破壞而突然失穩,這是形成地表塌陷的主要原因。 此種情況與侯超群[15]等對土體松散型地面塌陷的原因分析一致。

(2)站場排水系統因運行不暢、年久失修存在滲漏問題,雨季路面表層匯水來不及通過線間排水溝全部排走,部分從排水溝接縫和破碎處下滲至基底;至8 月下旬,道床以下土體含水量達到一年中最大值,2017 年、2018 年路基塌陷均發生于此時,故降雨是造成路面塌陷的重要誘因。

(3)天然黃土在浸水條件下具有強烈易崩解性和濕陷性,路堤填料壓實黃土存在填筑不均勻、局部基床下沉等問題;這些因素對路基塌陷也具有一定的不利作用。 黃土的濕陷性機理較復雜,目前存在多種理論和假說[16],根據黃土取樣試驗的情況,其遇水崩解性造成結構強度迅速喪失,是造成路基突然塌陷的重要原因。

6 結語

本項目為運營線路,不具備鉆探驗證條件,故在病害治理施工階段,需加強地質情況核對。 最終確定病害治理方案為采用袖閥管注漿加固,并對車站排水溝進行全面疏通、整修。 注漿孔施工過程中,發現部分鉆孔4～7 m 存在過濕土層,與分析推測的地基土體滲水賦存狀態基本一致。 注漿完成后,對部分病害段落進行地質雷達復檢。 注漿后雷達圖像較均勻,表明注漿加固后原地基松散土體大孔隙得到充填,密實程度得到提高。 經整治,2019 年～2021 年雨季龍宮車站未出現路基塌陷。

通過多種勘察方法綜合應用、相互印證,揭示黃土及黃土質填土在地表水滲漏作用下的疏松、軟化是產生路基塌陷病害的主要原因,綜合分析龍宮車站路基塌陷的病害為排水不暢與特殊地基土質條件共同作用下形成,提出淺挖方路塹和排水不暢的填方路基段應作為重點整治段落。 經工程實踐檢驗,勘察與研究結論較為準確。