廣花城際鐵路巖溶區巖土工程勘察探析

刁仁輝

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

1 引言

巖土工程勘察主要是運用各種設備以及技術手段對項目施工區域的地質情況進行勘察，收集地質、水文等相關資料，評估地質條件是否滿足施工要求，并提出合理的建議措施[1]。廣州東至花都天貴城際鐵路（以下簡稱廣花城際）方石站至線路終點段屬巖溶區，受廣花復式向斜影響，區域地質構造較為復雜，加之近年來該區域白云機場、武廣鐵路、地鐵、高速公路等各種大型工程建設，使地質環境變得脆弱，因工程建設引起的巖溶地面塌陷、地面沉降等地質災害頻發。因此，做好廣花城際鐵路項目巖土工程勘察工作必須要重點關注巖溶問題，對場地穩定性以及適宜性做出客觀、準確的判斷，并給出合理的措施建議。

2 項目概況

2.1 概述

廣花城際線路起于廣州東站，止于花城街站，正線全線長約39.6 km，采用地下敷設。新建7座車站，分別為京溪路站、白云東平站、白云城市中心站、方石站、鳳凰南路站、馬鞍山公園站、花城街站。新建應湖線路所1座。線路設計速度160 km/h，與芳村至白云機場城際跨線運營。線路下穿有武廣高鐵、京九鐵路、新白廣城際和地鐵9號線，沿線地表建（構）筑物較多。

2.2 地質條件

項目巖溶區沿線經過地段總體地勢較為平坦，現狀地面高程5.90~17.96 m，地貌類型為廣花沖、洪積平原，基巖以石炭系（C）石灰巖、炭質灰巖、砂巖、泥質粉砂巖為主。區域內斷裂以北東向為主，大部分斷裂被第四系覆蓋。根據區域地質資料及初勘鉆探揭露情況，區域內斷層總共有3條與線路相交：分別為F107（白坭塘斷裂）、F105（蓮塘斷裂）及鳳馬區間新揭露斷裂（F3），均屬于北東向雅吉嶺斷裂組[2]。

2.3 水文條件

場地范圍內地表水發育，沿線下穿多處魚塘、新街河及雅瑤涌；場地地下水包括松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水。松散層類孔隙水賦存于第四系砂卵石層中，屬孔隙潛水，由于地層滲透性的差異，局部具承壓性。基巖裂隙水賦存于基巖風化裂隙和構造裂隙中。巖溶水主要賦存于石炭系灰巖中，以裂隙巖溶水、溶洞水為主。局部砂層和基巖直接接觸，水文地質情況復雜。

3 項目巖土工程勘察任務及勘察方法

3.1 勘察任務

本次初步勘察階段巖土工程勘察的目的是初步查明沿線工程地質條件和水文地質條件，分析、評價沿線區域地質穩定性與適宜性，預測可能出現的巖土工程問題，提出下一階段巖土工程勘察工作的建議。對巖溶區應重點關注以下3點：（1）初步查明巖溶洞隙及其伴生土洞和塌陷的分布、發育程度和發育規律，對擬采取施工方案進行初步分析評價。（2）初步查明巖溶、土洞的分布范圍和特征，重點查明貯水構造、巖體溶蝕程度、填充特征等。（3）評價巖溶的危害及可能帶來的工程風險，提出巖溶處理建議及下階段巖溶發育區勘察建議[3]。

3.2 勘察方法

本次勘察工作采用地質調繪、鉆探與取樣、原位測試（包括標準貫入試驗、動力觸探試驗、波速測試、電阻率測、土壤氡濃度測試等）、水文地質試驗、室內試驗等多種勘探手段相結合的綜合勘察方法。

4 項目巖溶區域地質穩定性與適宜性評價分析

4.1 巖溶發育特征

本次勘察結果顯示：揭露可溶巖鉆孔476個，揭露到溶、土洞的鉆孔有239個；鉆孔見洞隙率為50.2%，整體屬于巖溶強烈發育等級。巖溶發育規律具體如下。

4.1.1 平面發育特征

在本次勘察中，巖溶主要分布區域為里程YCK89+250~YCK90+800、YCK91+900~YCK93+300、YCK95+100~YCK95+900、YCK98+600~YCK99+200、YCK101+400~YCK101+700以及廣清聯絡線YCK4+100~YCK7+600。具體來說表現出3個特點：（1）在褶皺軸部及其周圍區域巖溶強烈發育。本次勘察區域處于廣花復式向斜內，巖石節理裂隙密集，尤其褶皺軸部裂隙更加破碎、開闊，透水性強，有利于溶蝕和巖溶發育。背斜頂部張裂隙寬度較大，分布深，巖溶以垂直形態為主。向斜軸部、下部也有張裂隙，且易積水。因此，在褶皺區巖溶多具沿褶皺走向發育的特點，尤其在軸部部位巖溶更發育。（2）區間流溪河古河道范圍巖溶強烈發育，古河道范圍分布著深厚的砂層，并且與灰巖直接接觸，地表水與地下水豐富且聯系密切，加劇溶蝕破壞。（3）斷裂帶周圍區域巖溶較為發育，斷層周圍區域裂隙密集，是地下水的良好通道，整體環境有利于巖溶發育[4]。

4.1.2 豎向發育特征

本次勘察共揭露溶、土洞456個，巖溶高度0.2~26.7 m，其中洞高＜2 m的占55.9%，洞高2~5 m的占29.7%，洞高5~10 m的占10.7%，洞高＞10 m的占3.7%。揭露到兩層及以上溶、土洞的113個孔，占揭露溶洞鉆孔總數的47.3%。揭露溶洞共430個：全充填溶洞156個，占比36.3%；半充填溶洞92個，占比21.4%；無充填溶洞182個，占比42.3%。揭露土洞共26個，其中，全充填土洞18個，占比69.2%；半充填土洞3個，占比11.6%；無充填土洞5個，占比19.2%。

揭露埋深淺于20 m的溶、土洞共89個，占19.02%，埋深在20~40 m的溶、土洞共310個，占66.24%，埋深＞40 m的溶、土洞共69個，占14.74%。溶、土洞數量與埋深關系如圖1所示。

圖1 溶、土洞數量隨埋深分布圖

從本次勘察結果來看，溶洞充填情況主要與溶洞的埋深和高度有關，若溶洞的高度較高，則其充填率也高；若溶洞的高度較低，則其充填率也較小。規模較大的溶洞中，地下水過水斷面較大，流速較緩，導致水中攜帶的物質大量沉淀，因此，其充填率較高；而規模較小的溶洞則充填率偏低。影響溶洞富水性的決定性因素是溶洞充填物的類型以及充填率。通常情況下，若充填物為黏土則富水性較小，充填物為砂性土次之，無充填物或者充填物少的溶洞富水性較高。巖溶發育受地下水動力影響較大，通常情況下，埋深＜45 m的區域地下水活動的特征為垂直運動，因此，巖溶發育特征也以垂直為主；埋深＞45 m的區域地下水活動的特征為水平運動，因此，巖溶發育特征也以水平為主。在本次勘察活動中，靠近地表的區域水動力較大，因此，該區域內巖溶強烈發育；而地表深處水動力較小，因此，巖溶較為發育。

4.2 巖溶地面塌陷

本次勘察工作發現，巖溶地面塌陷災害主要集中在淺覆蓋型巖溶區。造成塌陷的主要因素是工程施工活動抽排水導致地下水位變化，水力坡度增加，打破了原有的徑流平衡以及巖溶水的狀態，對土層結構造成了一定影響，進而導致地下水滲透率增加，加劇了潛蝕、吸蝕以及沖刷作用，造成水土流失，最終導致地面塌陷[5]。從勘察結果來看，項目沿線巖溶區域溶洞、溶溝、基巖裂隙、土洞以及溶槽等相互連通，地質條件、水文條件復雜，若后續施工過程中處理不當，出現地面塌陷災害的風險性較高，比如，鉆孔施工、機械振動等均可能引發地面塌陷。

需要注意的是，在本項目后續施工中在穿越土洞、溶洞以及溶溝等巖溶發育地段前，必須要提前做好加固措施，可采用注漿填充、攪拌樁加固、冷凍法等方式，否則可能會造成地面塌陷、基坑突涌、盾構機栽頭等安全事故。

4.3 場地穩定性、適宜性評價

本次勘察揭示項目沿線區域巖溶、土洞分布較為廣泛，部分區域分布有深厚的砂層，初步評估項目沿線區域為巖溶地面塌陷地質災害高發區。巖溶塌陷的主要是淺部巖溶、土洞發育導致。巖溶區受人為施工活動影響，原本脆弱的水土平衡被破壞，加之機械振動等外部因素擾動影響，造成巖溶地面塌陷。

經過綜合評估認為，沿線巖溶區整體屬于易塌陷區域，穩定性較差，施工過程中造成經濟損失的風險性高，并且一旦發生塌陷會對附近區域的建（構）筑物、既有鐵路、市政道路、管線以及車輛行人造成嚴重威脅，巖溶地面塌陷對于本項目潛在的危險性以及危害性較大。除此之外，巖溶地面塌陷事故還可能威脅到后續勘察、施工作業人員人身及設備安全。總體而言，巖溶區場地適宜性差，后續應在進一步查明巖溶的分布范圍、發育特征的基礎上，采取針對性強、經濟合理有效的措施預防巖溶地面塌陷等地質災害。場地屬穩定性差場地，但經治理后仍可作為建設用地。

5 關于項目后續地質勘察工作的建議

1）綜合本次勘察結果，為了確保后續勘察、施工活動的順利進行，建議針對巖溶區域進行專項勘察。具體可以采用鉆探、物探、原位測試等手段，對巖溶區域進行綜合勘探，尤其對明挖基坑、暗挖聯絡通道的位置及其下穿道路、建筑物以及鐵路區域等風險較大的區域。

2）詳勘鉆孔布置間距建議為15~20 m，車站沿圍護結構及立柱樁布置，區間沿隧道兩側梅花形交錯布置[6]。

3）施工勘察中，建議根據各工點見洞率布置不同密度的施工勘察鉆孔；基坑工程建議按面積密度控制呈方格網布置；隧道工程建議按長度布置在隧道中心線。施工補勘鉆孔布置應結合既有初勘、詳勘鉆孔進行綜合考慮。斷裂和地層分界線附近巖溶一般較為發育，可在施工勘察過程中根據鉆探揭示巖溶發育情況進行適當加密。施工勘察鉆孔布置建議見表1。

表1 施工勘察鉆孔布置建議

4）施工前應綜合考慮各類風險防范措施，制訂巖溶地面塌陷專項應急預案。

6 結語

巖溶對于地質穩定性的影響較大，可引發地面塌陷、地面沉降等多種地質災害，對于勘察工作以及建設施工活動會產生較大不良影響。廣花城際鐵路沿線區域巖溶分布廣泛，并且巖溶發育強烈，尤其在褶皺軸部及其周圍區域、流溪河古河道區域以及斷裂帶周圍區域，整體上穩定性較差，屬于易塌陷區域，因此，后續地質勘察工作仍需對巖溶區域開展進一步的加密勘察和專項勘察，同時，在項目后續施工活動中，針對巖溶區域必須采取針對性的處理措施，最大限度降低巖溶塌陷的風險，保障施工活動安全、順利進行。