廣花盆地東北部巖溶地質特征及對城際鐵路隧道影響分析

柳 柳 王 俊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

廣花盆地位于廣州市北部,為一個北高南低、北北東向壟狀丘陵間隔分布的傾斜平原,是我國典型的覆蓋型巖溶發育區。該地區巖溶具有“上土下可溶巖”的地層組合特征,在地下水、外部載荷等作用下易引發巖溶塌陷地質災害。隨著在覆蓋型巖溶區工程建設的推進,已有學者通過分析鉆探數據,統計見洞率、巖溶率、溶洞規模以及充填物等信息揭示巖溶發育的強弱程度[1-6];在此基礎上,部分學者進一步研究巖溶發育地段的巖性、地質構造及水文地質條件,總結不同因素對巖溶發育的影響規律[7-14]。隨著對巖溶塌陷機理研究的深入,羅小杰等建立了不同土層組合的巖溶塌陷類型,為評價巖溶塌陷風險提供了新的思路[15-16]。另外,也有學者針對塌陷與儲運條件-巖溶、塌陷物質-覆蓋層以及塌陷動力-地下水三大巖溶塌陷影響因素分析,評判巖溶塌陷的易發性等級和風險事件發生后果等級,為巖溶區工程建設選擇和塌陷災害治理提供依據[17-19]。

結合珠三角城際鐵路新塘經白云機場至廣州北項目白云機場至廣州北段(以下簡稱新白廣城際白北段)工程建設,通過研究區域地質資料,結合鉆探和孔內攝像等方法,對覆蓋層和基巖類型、溶洞發育位置和尺寸等數據進行統計分析,總結巖溶平面和垂直分布特征,并進行巖溶風險分級評價,為隧道設計、施工和巖溶加固措施提供建議。

1 工程概況

新白廣城際鐵路自新塘站引入白云機場,通過花都區平布大道后接入廣清城際廣州北站,其中白云機場至廣州北站段(白北段)受白云機場及花都區建設規劃要求,采取隧道形式通過。沿線下穿白云機場、大廣高速公路、G106國道、京廣客專、廣清高速公路、京廣鐵路等多處重要建筑物,設置機場T3、機場T1、機場T2、花山和天貴路5座地下車站,線路平面示意見圖1。

圖1 新白廣城際鐵路平面示意

2 地質背景特征

在沉積作用和地質構造的控制下,廣花盆地呈現獨特的地形地貌、地層巖性、構造體系和水文地質特征,尤以東北部地區最為典型。

2.1 隴狀丘陵平原地貌

廣花盆地以北、東面低山丘陵為界,北東向南西傾斜的平原地貌特征,其間展布碎屑巖構成的北北東向隴狀丘陵;沿丘間平原的地表河流自北向南分別匯入盆地邊緣的白坭河和流溪河。新白廣城際白北段整體近東西走向,大角度交替穿越隴狀丘陵、丘間平原及地表水體。

2.2 多重因素控制的第四系沉積作用

廣花盆地的第四系沉積作用受到新構造運動、地形地貌和河流的多重控制。在新構造運動作用下,盆地整體表現為北部抬升、南部下降,北向南呈山前沖洪積平原相-盆地中部河流沖積平原相-海沖積三角洲相逐漸過渡的變化特征;北北東向隴狀丘陵控制河流沉積作用向東西兩側擴展的邊界;河流干流的沉積搬運作用強于支流。

2.3 碎屑巖與碳酸鹽巖間隔分布

基巖地層在濱岸淺海碎屑沉積和淺海碳酸鹽臺地沉積的交替作用下,形成碎屑巖與碳酸鹽巖基巖地層間隔分布特征,沿線基巖類型及接觸關系見表1。

表1 沿線基巖分布及接觸關系

2.4 復向斜構造體系

廣花盆地是由一套元古界地層為建造基底,古生界地層為蓋層,受北北東向構造體系控制形成的凹陷區,其中最主要的構造體系為廣花復向斜。廣花復向斜是以平山向斜為中心,多個次級向斜和背斜組成的復雜褶皺,總軸向為北北東向,其間發育多條順褶皺軸向和橫切褶皺軸向的張性斷裂。次級褶皺類型為寬展的箱狀向斜和梳狀背斜,向斜呈北東向收斂封閉、南西向散開,而背斜則北東端翹起、南西段傾伏。各基巖地層呈與褶皺軸部走向平行的雁行條帶狀分布特征,其中碳酸鹽巖構成褶皺寬展的核部地層,而碎屑巖則構成褶皺緊密的翼部地層(見圖2、圖3)。線路整體近東西向展布與褶皺構造總體成大角度相交,碳酸鹽巖與碎屑巖交互出現,碳酸鹽巖地段比例高達86.2%。

圖2 廣花復向斜東北部巖性地質構造綱要

圖3 A-B地質剖面

2.5 孔隙水與裂隙溶洞水聯系密切

盆地北部普遍分布的粗礫砂層為裂隙水的主要儲水層,富水性中等,單位涌水量為0.17～0.43L/s·m;下伏碎屑巖形成相對隔水層,被其圈閉的碳酸鹽巖巖溶發育區賦存豐富的裂隙溶洞水,且差異性明顯,完整基巖地段涌水量小,而溶洞裂隙發育地段涌水量大,鉆孔抽水試驗單位涌水量0.16～21.96L/s·m,線路臨近的新華水源地開采深部巖溶水單井最大出水量可達6600m3/d[20]。盆地降雨量豐富,地表水網密集,砂層上下均未分布穩定的區域隔水層,為孔隙水接受補給,與裂隙溶洞水的水力聯系提供便捷通道。

3 巖溶發育特征

巖溶受到地貌、地層巖性、地質構造、水文地質等多種因素控制,在盆地地質背景條件影響下,表現出相應的平面和垂直發育特征。

3.1 平面分布特征

(1)不同碳酸鹽巖的差異性

碳酸鹽巖的化學成分、結構構造是巖溶發育的內在因素,質純、層厚的灰巖更容易發育巖溶。線路所經地段的三套碳酸鹽巖,鉆探揭露巖溶發育程度由強到弱依次為壺天群、石磴子段、棲霞組。各套巖組的巖溶發育程度見表2。

表2 碳酸鹽巖類型及特征

(2)條帶性分布特征

碳酸鹽巖與碎屑巖平行褶皺軸向呈交替的條帶性分布,碳酸鹽巖構成褶皺的核部地層,而碎屑巖構成的隔水翼部控制巖溶發育的邊界(見圖2);褶皺核部、斷層節理裂隙密集發育、巖體破碎,地下水活動通暢,促進了巖溶的發育,由此形成沿褶皺核部、平行褶皺軸向斷層和碳酸鹽巖與碎屑巖接觸帶等多個與褶皺軸向相近的北北東向巖溶發育帶;橫切復向斜的北西西向與褶皺核部、北北東向斷裂交合部位是巖溶強烈發育地段。

碳酸鹽巖的物質成分是巖溶發育的基礎,而構造、地下水則起到促進作用,棲霞群巖性為炭質灰巖夾炭質頁巖,非可溶成分含量較高,雖分布于平山向斜的核部,但巖溶發育程度微弱(見表2);而位于花山背斜核部的天貴路站穿越石磴子段灰巖見洞率40.4%,巖溶率9.4%,明顯高于本套地層的平均值。

(3)流溪河對巖溶的控制作用

機場T3站至機場T2站穿越流溪河階地,見洞率為36.3%,高于機場T2站至廣州北站段的30.3%。鄰近流溪河的向山向斜核部壺天群灰巖中,不僅溶洞發育,且溶溝溶槽密集發育,分布多個深度超過20m的深凹溶槽,最深處超過55m。

3.2 垂直分布特征

(1)覆蓋層特征

①覆蓋層厚度特征。在地形地貌和沉積作用下,第四系覆蓋層厚度呈自北向南、自隴狀丘陵向丘間平原、自支流向干流增厚的趨勢。受到流溪河沉積作用控制,機場T3站至機場T2站段覆蓋層平均厚度達28.9m,厚度大于20m地段比例近92%;而受到山前支流和散流沉積控制,機場T2站至廣州北站地段覆蓋層平均厚度16.9m,厚度在 20m以內的段落達到78%。不同覆蓋層厚度分布比例見表3。

表3 覆蓋層厚度分布段落比例

②覆蓋層結構特征。羅小杰巖溶塌陷地質災害的研究過程中,按照覆蓋層結構劃分為單層(一元)結構、雙層(二元)結構和多層(多元)結構三種形式[15]。機場T3站至機場T2站段距離流溪河由近及遠呈粉質黏土-粗砂-含礫粉質黏土的多層結構過渡為粉質黏土-粗砂的雙層結構;機場T2站至廣州北站段自丘陵向平原呈粉質黏土的單層結構向粗砂-粉質黏土的雙層結構再到粗砂的單層結構變化趨勢;局部砂層中夾粉質黏土或巖面分布殘積層形成多層結構。

(2) 巖溶分帶特征

在廣花盆地中按照地下水活動性將巖溶垂直發育分為三帶:高程-80m以上的地下水強烈循環帶,-80～-200m的地下水弱循環帶和-200m以下的地下水滯流帶;其中地下水強烈循環帶按地下水的運動方向分為地下水垂直循環帶(-35m以上)和地下水水平循環帶(-35～-80m),巖溶發育程度呈由淺入深逐漸減弱的趨勢[20],對工程建設影響最大的是地下水垂直循環帶。

地下水垂直循環帶受到地下水垂向運動控制,豐富的孔隙水與裂隙溶洞水聯系密切,同時在流溪河階地還受到古河網控制,巖溶表現為溶孔溶隙、溶溝溶槽和溶洞多種形態特征。溶孔溶隙為巖溶發育的初期形態,溶孔分布于接近巖面或者裂隙面的淺層,具點狀特征(見圖4(a)),而溶隙沿結構面發育,有一定的寬度和平面延伸(見圖4(b))。溶溝溶槽為巖溶發育的表層特征,直觀表現為碳酸鹽巖基巖面的起伏(見圖4(c))。

圖4 巖溶形態特征

溶洞是巖溶發育的主要形態特征,鉆孔揭露溶洞高從幾十厘米到十幾米,最大洞高達18.02m。溶洞規模以中小型溶洞(洞高≤3m)為主,占比達64%,大于10m的特大型溶洞僅3.3%。溶洞自巖面起開始發育,溶洞頂板埋深位于巖面以下1m以內的比例為43%,5m以內近82%,10m以內近95%。統計計算不同深度的巖溶率, 巖面以下5m內巖溶率為13.8%,5～10m為11.5%,10m以下巖溶率有明顯降低,不同深度巖溶率統計數據見圖5。巖溶起始發育深度和巖溶率反映臨近巖土界面地段巖溶發育強烈,且隨著深度的增加逐漸減弱的趨勢。

圖5 巖溶率隨深度變化分布

(3)土洞

土洞是覆蓋型巖溶的特定衍生物,也是巖溶塌陷災害形成直接因素。廣花盆地地下水水位季節性變動明顯,巖土界面交流密切,尤其臨近流溪河階地受到流溪河地表水季節性變化加速地下水的徑流的影響,促進土洞的發育。沿線揭露土洞67個,洞高0.8～27.7m,普遍分布于溶槽溶溝上部,基巖面是土洞發育的底部邊界。從分布區域上看,機場T3站至機場T2站段揭露土洞54個,占比80.6%,也反映出流溪河對巖溶發育的控制作用。

4 巖溶風險分級評價

4.1 巖溶風險分級方法

已經形成的溶(土)洞填充物性質軟弱,受周邊環境的變化以及地下水活動的影響,容易出現洞體坍塌,進而引起地層塌陷;而巖面上土體受到界面地下水交流密切影響導致土體軟弱,易形成新的土洞,繼續發展形成新的塌陷,因此巖溶塌陷是本線巖溶風險,危及隧道和環境安全。參考《鐵路建設工程風險管理技術規范》中“鐵路建設工程風險分級應根據風險事件發生概率的等級、風險事件發生后果的等級,評定相應風險的等級”的方法,將風險事件發生概率具化為巖溶塌陷易發性。巖溶塌陷易發性等級劃分以《鐵路工程不良地質勘察規程》中巖溶塌陷區調查評分為依據,改進其中巖溶發育程度因素與巖溶發育強度分級匹配差的不足。以巖溶發育強度分級為基礎,結合覆蓋層和地下水的特征將沿線巖溶塌陷的易發性定為高(指標分≥90)、中(71≤指標分≤89)、低(60≤指標分≤70)和不(指標分≤59)4個等級;將巖溶塌陷引起的后果嚴重程度劃分為災難性、很嚴重、嚴重、較大和輕微5個等級,根據上述兩個指標為將巖溶風險等級定為極高、高度、中度和低度4個等級(見表4)。

4.2 巖溶風險分級結果

根據上述風險評估方法,將沿線巖溶風險等級評價劃分為13個區域,各區域巖溶易發性等級、風險后果嚴重程度以及風險等級見表5,風險等級分區示意見圖6。

表5 巖溶風險分級結果

圖6 巖溶風險分級示意

從巖溶塌陷易發性分區來看,沿線高易發區3段,均位于機場T2站至廣州北站線路范圍內;從巖溶風險分區來看,沿線極高風險1段,位于機場航站樓及交通區域,高風險5段,位于機場物流及辦公區和花都區密集房屋區,高風險以上區域占全線巖溶發育地段的比例約43.5%。

5 對城際鐵路隧道工程的影響

新白廣城際白北段沿線巖溶具有平面沿構造線展布、垂向臨近巖土界面強烈發育特征,線路整體與構造線呈大角度相交無法從平面上繞避巖溶強烈發育區。因此,需通過合理的走行高程和施工工法,并采取加固措施,以確保施工和運營安全。

5.1 線路高程和工法選擇

珠三角城際鐵路隧道施工工法主要有盾構法、明挖法和礦山法,根據地區經驗,覆蓋型巖溶區礦山法施工中發生突水涌砂、巖溶塌陷等風險大,且加固效果難以有效保證施工安全的風險,除局部受限或連接通道等短距離其他工法難以實施的段落外,原則不采用礦山法。

盾構法主要施工風險是走行在“上軟下硬”地層結構界面時引起的地面沉降和巖溶發育地段的盾構“栽頭”事故,覆蓋層厚度成為盾構選擇的主要控制因素。盾構法要求覆土厚度一般不宜小于外輪廓直徑,珠三角城際鐵路盾構尺寸8.8m,上覆土層不小于9m,按此控制要求隧道結構底板以上一般應具有約20m相對均質地層。機場T3站至機場T2站段覆蓋層厚度普遍大于20m,盾構基本上都可走行于第四系地層,避免穿越“上軟下硬”地層界面和溶洞發育區域,安全風險可控。機場T2站至廣州北站段巖土界面分布于10～20m的段落所占比例達72%以上,采用盾構工法淺埋大段落穿越“上軟下硬”地層結構,走行高程下壓使盾構整體走行在基巖又穿越巖溶強烈發育帶,均存在極高的安全風險,因此該段推薦采用明挖法。

5.2 巖溶風險和加固措施

雖然在線路縱斷面和工法選擇可有效降低施工中安全風險,但盾構推進過程中可能遭遇土洞、巖面起伏引起盾構“栽頭”、地面沉降事故;明挖基坑工程施工中揭露溶洞引起突泥涌水、地面塌陷事故,而基底的未處理的溶洞在運營期間引起的塌陷可能危及隧道運營安全。

根據巖溶風險,需對影響盾構、基坑及圍護結構施工以及隧底影響隧道穩定的溶洞采取超前加固處理;為阻止新生土洞發展,對隧道底板位于土層地段土體采用間隔分段加固措施。

溶洞的處理措施是以揭示溶洞的超前鉆孔為基準,分別沿平行和垂直于盾構或圍護結構向兩側方向間隔2.0m施做探邊鉆孔,以探測到溶洞邊界為止,垂直方向探測到結構外3m仍未探至洞體邊界時終止,然后以最外側未探測到溶洞的鉆孔內相鄰的鉆孔為處理邊界進行加固處理(見圖7)。全充填溶洞采用壓密注漿;洞徑不大于3m的無填充和半填充溶洞直接注漿填充,洞徑大于3m小于5m的無填充溶洞和半填充溶洞,先灌注水泥砂漿充填后再壓注水泥漿;對大于等于5m的無填充溶洞和半填充溶洞,先采用C15素混凝土進行填充后再壓注水泥漿。周邊孔采用水玻璃雙液漿,注漿壓力0.4～0.8MPa,中央孔采用普通水泥漿,注漿壓力0.6～1.0MPa,每孔注漿3～4次,速度30～70L/min,每次持續10～20min。

圖7 巖溶注漿加固平面示意(單位:m)

6 結論

(1)在地形地貌、巖性結構、地質構造和地下水控制作用下,廣花盆地東北部巖溶平面上呈與褶皺走向平行的條帶狀分布特征,構造發育地段巖溶發育強烈,鄰近巖土界面的地下水垂直循環帶內巖溶發育強烈。

(2)在地形地貌和河流沉積作用控制下,研究區第四系覆蓋層自北向南至流溪河階地呈逐漸增厚的趨勢,且臨近流溪河地段土洞、溶溝溶槽密集發育。

(3)沿線分布1段巖溶極高風險區和5段高風險區,工程設置和巖溶加固處理需重點關注。

(4)根據覆蓋層厚度和巖溶發育特征,機場T3站至機場T2站段建議走行于第四系覆蓋層(采用盾構工法),機場T2站至廣州北站段建議采用明挖法。

(5)鑒于巖溶發育的復雜性,宜按不同階段逐漸加深勘察精度,勘察設計階段應查明巖溶發育特征,選擇合理施工工法,制定巖溶加固處理原則規避重大巖溶風險;施工階段采取 “探灌結合”的加固方案,以保證覆蓋型巖溶區城際鐵路隧道的施工和運營安全。