覆蓋型巖溶區高速鐵路綜合選線研究

王俊冬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

我國巖溶區分布廣泛,其中被第四系堆積層覆蓋的巖溶占70%,尤其在我國云、貴、桂等西南地區廣泛分布,而線性工程的綜合選線不可避免地通過覆蓋型巖溶發育區[1]。巖溶區地下水的交替作用易導致溶洞頂板坍塌和地面塌陷[2],而覆蓋型巖溶通常伴隨具有膨脹性的第四系沖洪積黏性土及可溶巖風化形成的黏性土,因此,覆蓋型巖溶的隱蔽性,以及巖溶區建設環境的復雜性已成為高速鐵路建設的重大風險源。目前,國內對巖溶塌陷機理、覆蓋型巖溶勘察和防治手段、巖溶區減災選線理論、風險評估等方面進行了大量的研究,也積累了豐富的經驗。但以往的研究中普遍缺乏針對性、具體化的工程選線,以及對覆蓋型巖溶區伴隨的膨脹巖(土)、填料缺乏等問題的系統性研究。本文以南玉高鐵為研究對象,系統分析覆蓋型巖溶區的工程環境特征,提出覆蓋型巖溶區工程選線的具體措施,同時解決覆蓋型巖溶區膨脹巖土及填料缺乏的綜合性問題。

1 項目概況

南玉高鐵位于廣西壯族自治區境內,是南寧至深圳高鐵通道的重要組成部分,西起南寧市,向東經貴港市進入玉林市,正線全長193.3 km[3],是廣西自主投資建設的首條350 km/h的高速鐵路,建成后將成為連接北部灣城市群與粵港澳大灣區的快速客運通道,對促進“兩灣聯動”意義重大。

2 工程地質特征

2.1 地形地貌

南玉高鐵沿線地形總體起伏不大,自西向東依次經過南寧盆地區、低山丘陵區、中低山區和玉林盆地區四個地貌單元。其中,南寧盆地區為南寧市區至五合段落,主要由平原、微丘組成;低山丘陵區為五合至百合鎮段落,地面高程約50 m～450 m,地形低緩起伏,橫縣至百合一帶局部分布有峰叢、峰林;中低山區為百合至大塘段,主要為大容山、六萬大山花崗巖分布地區,地面高程一般為500 m～1 000 m;玉林盆地區為大塘至北流段,為廣西最大的盆地,地形相對平坦,局部呈微波狀起伏,地面高程約70 m～80 m。

2.2 地質特征

2.2.1 地層巖性

沿線地層巖性復雜多變,沉積巖、變質巖和巖漿巖均有出露,區內地表多為第四系松散層覆蓋,出露基巖主要有第三系、白堊系、石炭系、泥盆系、寒武系等。

2.2.2 主要不良地質

1)巖溶:沿線石炭系、泥盆系灰巖、白云巖以及白堊系礫巖均屬可溶巖,以覆蓋型巖溶為主,鉆探揭示地下多呈串珠狀分布、大小不一的溶洞,一般5 m～30 m,一般有砂土充填。其中灰巖巖溶為中等—強烈發育,白云質灰巖為弱—中等發育,白堊系礫巖一般為中等發育,局部為強烈發育,白云巖為弱發育。鉆探揭示沿線通過巖溶區總長度97.3 km,占線路總長的50.3%,其中強烈發育區79.2 km,占巖溶區的81.3%。由于地下水的交替作用易導致溶洞頂板坍塌和地面塌陷,巖溶區建設環境的復雜性已成為高速鐵路建設的重大風險源。

2)膨脹巖(土):沿線涉及到的膨脹土主要有三類:a.第三系及白堊系泥巖、砂質泥巖風化形成的殘坡積黏性土,主要分布于丘陵區,多具弱—中等膨脹性;b.可溶巖風化后形成的殘積坡積黏性土,主要分布于沿線可溶巖丘包表層,具弱膨脹性;c.第四系沖洪積黏性土,分布于橫縣、興業、玉林等溶蝕平原區,具弱—中等膨脹性,該類膨脹土在全線分布最廣。沿線通過膨脹土總長度為93.3 km,占線路總長的48.3%。膨脹巖(土)在干濕往復循環的自然條件下,具濕脹干縮、多裂隙性、超固結性等特點,極易造成路基病害。

2.3 工程環境特點

從宏觀區域地質看,巖溶作用時代相對較早、發育時間相對較長的段落,由于巖溶長期作用,已被夷為大片平原,殘留零星孤峰、殘山[4],故沿線巖溶發育程度與地形平坦程度呈正相關關系;同時,沿線地形平坦的橫縣、興業縣及玉林盆地段落也是高標準基本農田分布區;此外,沿線廣泛分布的膨脹巖(土)均無法作為路基填料,棄方利用率低,全線填料分布極不均衡,尤其是巖溶平原區車站范圍的大宗填料難以解決。綜上,南玉高鐵的綜合選線面臨巖溶強烈發育、膨脹巖(土)廣泛發育、高標準基本農田連片分布以及車站大宗填料缺乏四大突出難題。

3 覆蓋型巖溶區地質勘察

覆蓋型巖溶發育具有隱蔽性和不確定性特點,查明地下巖溶發育程度和溶洞形態的空間分布規律對設計、施工至關重要,南玉高鐵地質勘察始終貫徹“設計融合常態化、過程控制遞進化、勘察手段多元化、評價角度立體化”理念,確保地質資料明晰、可靠。

3.1 設計融合常態化

在鐵路建設的全生命周期中,巖溶區的勘察與設計始終相輔相成、高度融合。初測階段的巖溶普查指導線路走向方案選擇;定測階段詳查地勘資料是土建工程設計施工的基礎,直接決定工程設置的形式和規模;施工階段逐樁驗槽,進一步驗證巖溶發育,并通過動態勘察設計確保樁基設置合理、安全。

3.2 過程控制遞進化

巖溶區地質勘察各階段環環相扣、層層遞進,上一階段勘察揭示的巖溶發育規律可指導下一階段巖溶勘察范圍和深度,各階段相互補充驗證,確保巖溶勘察資料的準確性。

南玉高鐵定測前期鉆探揭示沿線溶洞主要分布于地面以下30 m～40 m范圍內,部分段落在40 m以下巖溶仍較發育,其中在40 m～45 m之間居多,深度大于45 m以后巖溶發育程度會迅速減弱,巖溶發育較深地段主要地層為泥盆系下統大樂組及石炭系中統大浦組灰巖,巖溶發育最大深度高達93 m,如圖1所示。故在定測中后期巖溶區平均鉆孔深度多設為45 m～50 m,對于局部巖溶發育規律性較差、深度較大段落對鉆孔進行相應加深;在施工圖階段,橋梁、路基設計平均樁長整體上均穿透覆蓋型巖溶的侵蝕基準面,置于穩定地層中。

3.3 勘察手段多元化

巖溶區勘察綜合采用物探(包括高密度電法、地質雷達、微動探測、跨孔CT法)、鉆探和試驗等多種手段[5-6],相互輔助、綜合驗證,以查明覆蓋型巖溶發育空間分布規律和規模。

3.4 評價角度立體化

對于各階段地勘資料,分別從巖溶平面分布、豎向發育、立體展布等方面還原巖溶空間分布形態,多角度評價巖溶發育情況,并實時融入勘察設計、施工全過程,為工點設計提供精準地質資料。

4 綜合選線研究

4.1 覆蓋型巖溶區線路走向方案選擇

巖溶和巖溶水發育的不均一性決定了工程勘察難以徹查巖溶[7],因此,前期線路走向方案的選擇著重在宏觀區域層面繞避巖溶發育區,從設計源頭控制高速鐵路巖溶風險。

4.1.1 基于區域地質的巖溶區選線

根據區域地質資料和前期巖溶勘察成果,在初步設計階段可基本掌握全線巖溶的整體分布規律和發育程度,而巖溶中等—強烈發育區通常以橋梁或路基樁板結構跨越,端承樁需逐樁穿透溶洞溶蝕面嵌入穩定巖層,成樁需采用拋填片石、注漿、鋼護筒跟進等方式處理巖溶,與非巖溶區相比,巖溶區具有工程規模大、設計施工難、工程投資高等特點,因此,前期選線應大范圍繞避巖溶強烈發育區[8],遵循“短距通過,傍山繞避”的原則,最大限度地減少巖溶對工程設置和投資的影響。

南玉高鐵巖溶主要分布于南寧五合至伶俐、橫縣校椅至百合和玉林盆地三大段落內,巖溶發育區的線路走向方案在服從宏觀走向,保證線路順直性,滿足橫縣站、興業南站、玉林北站站位條件的前提下,線路均選擇以較短距離通過巖溶發育區,如圖2所示。

4.1.2 基于低山地形的巖溶區選線

覆蓋型巖溶平原通常伴有殘山、孤峰、丘陵間隔分布,根據巖溶發育規律,自地形平坦區至山前,地下巖溶發育程度逐漸減弱,故選線宜盡量靠近山前,降低巖溶發育對工程設置的影響。

以金花小鎮段落線路方案為例,金花小鎮北側為郁江,南側為低山區,區域巖溶強烈發育。選線主要考慮巖溶影響、對金花小鎮的切割及對基本農田的占用等因素,前期勘察設計研究了取直方案和南側山前方案,經綜合比選,由于南側山前方案受巖溶影響范圍相對較小,占用基本農田數量較少,投資較省,故最終按照南側傍山方案實施(見圖3,表1)。

表1 金花小鎮段落線路方案比較表

4.2 巖溶強烈發育區的工程選線

對于確實無法繞避的巖溶強烈發育區,由于其覆蓋層薄、易塌陷,有深溶槽或大規模串珠狀豎向溶洞發育,導致設計樁長較長,施工過程中巖溶處理和成樁難度極大。因此,巖溶強烈發育區宜設橋通過,并遵循“首先縱向跨越,困難時橫向跨越”,即“雙向跨越”的原則避讓深溶槽。

1)縱向跨越深溶槽。縱向跨越深溶槽是巖溶區橋梁孔跨設置的核心指導思想,在前期橋梁跨度方案選擇、后期施工圖動態優化等勘察、設計、施工全過程貫穿始終。以南玉高鐵沖么坡2號大橋為例,可研階段設計采用32 m標準簡支梁,定測階段在6號墩鉆探揭示約110 m深的串珠狀溶洞,初步設計調整橋跨布置,采用(40+80+40)m連續梁有效跨越串珠狀深溶槽,補充鉆探后設計最大樁長為52 m,如圖4所示。南玉高鐵施工圖過程中,根據進一步查明巖溶強烈發育區地下深溶槽發育情況,遵循“縱向跨越深溶槽”原則,對青龍江特大橋88號墩、跨黎湛鐵路106號墩、蔣村特大橋25號墩等多座百米以上深溶槽橋梁的孔跨進行了優化,將樁基長度控制在80 m以內,提升了工程可實施性,降低了成樁風險,進一步節約了工程投資。

2)橫向跨越深溶槽。對于縱向跨度過大或因外界客觀因素無法縱向跨越的深溶槽,考慮技術經濟性,結合溶槽發育走向規律,本文提出“以門式墩橫向跨越”的方式解決。以白花特大橋325號—327號墩為例,326號墩處施工圖鉆探揭示為約120 m深溶槽,同時受西側跨G209國道凈空、東側橫縣站站坪標高的控制,軌面標高無抬升空間,故采用64 m簡支梁縱向跨越已無實施條件。而鉆探揭示326號墩巖溶發育自中心向南、北兩側呈遞減趨勢,因此,此處設計采用非對稱門式墩橫向跨越深溶槽,最大樁長優化至56 m,如圖5,圖6所示。此外,施工圖設計多次采用“橫向跨越”思路跨越深溶槽,同時避免了重大管線遷改,確保工程安全與經濟效益有機統一。

4.3 膨脹巖(土)地區選線

沿線膨脹巖(土)廣泛分布于溶蝕平原和低山丘陵區,多呈弱—中等膨脹性。膨脹巖(土)地段路基工程雖采用“緩坡率、寬平臺、強支護、防排水”的設計原則,但受季節性干濕循環誘發的復雜水土相互作用影響,高速鐵路運營期病害時有發生,危及安全;同時,膨脹巖(土)發育的低山丘陵區,挖方無法有效用于填料;此外,膨脹巖(土)路基通過“緩坡率、寬平臺”的設計,導致用地面積大幅增加。因此,對于膨脹巖(土)發育的巖溶平原區和微丘區,遵循“以橋代路”的選線原則,通過調整縱坡適應地形起伏,以橋梁形式通過;對于膨脹巖(土)發育的低山丘陵區,遵循“以隧代塹”的選線原則,以短隧道(群)形式穿越[9],規避運營期路基病害風險,節約用地。

4.4 工程環境選線

1)基本農田區選線。沿線永久基本農田連片區位于南寧市青秀區東部、橫縣縣城北部、興業縣城南部和玉林市北部,尤其是南寧金花小鎮、良圻農場、橫縣朝陽大垌等均屬國家級現代農業示范區,標準高、分布廣、補劃難度大,前期選線過程中將占用基本農田數量作為衡量線路方案優劣的重要指標,一是線路選擇自連片高標準基本農田區邊緣通過,減少對其切割影響;二是堅決貫徹基本農田區“以橋代路”的選線原則,最大限度地減少對基本農田的占用;三是站后設施選址避讓永久基本農田。按以上原則,正線用地指標優化至3.6 hm2/km,遠小于6.8 hm2/km的國家標準,基本農田占總用地比例優化至33%。

2)基于移挖作填的站位選線。巖溶平原的地貌特點決定了沿線主要經濟據點均分布于地形平坦的巖溶強烈發育區,其地表第四系沖洪積黏性土,以及周邊丘陵區第三系及白堊系泥巖、砂質泥巖均無法作為車站填料,而根據自然資源部門規定,紅線外簽訂的協議取土場需采用招、拍、掛市場競爭方式獲得石料資源采礦權,并在取得環、水保批復后方可使用,以簽訂取土場協議獲取免費填料的傳統模式已無法滿足覆蓋型巖溶區車站大宗填料的需求,有效解決車站大宗填料、控制站場工程投資,已成為覆蓋型巖溶區站位選線的重要因素。因此,在符合城市總體規劃、便捷客流出行等前提下,巖溶區的站位選擇應遵循“壓低軌面,紅線內移挖作填,主動解決”的思路,一方面,優化縱斷面設計以控制車站填方規模,另一方面,力求在紅線內以路基形式主動穿越小型殘山、孤峰,在紅線內實現填挖平衡。以橫縣站、興業南站的站位選線為例,選線過程中線路主動靠近并以深路塹形式穿越了站位東側的灰巖孤峰,通過紅線內的移挖作填,實現了社會效益和經濟效益的高度統一。

5 結論

南玉高鐵沿線具有典型覆蓋型巖溶區地質特征,巖溶多為強烈發育,膨脹巖(土)廣泛分布,由此帶來地面塌陷、路基失穩、設計樁基過長、填料極不均衡等系列問題,采取針對性勘察方法和綜合選線原則,可確保覆蓋型巖溶區高速鐵路工程安全可靠、經濟合理。

1)覆蓋型巖溶具有隱蔽性特點,摸清地下巖溶發育規律,逐樁查明溶洞發育情況是勘察設計和工程實施的必要條件。全過程貫徹“設計融合常態化、過程控制遞進化、勘察手段多元化、評價角度立體化”原則,可有效解決覆蓋型巖溶發育區的勘察難題。2)前期線路走向方案研究過程中,依據區域地質資料和前期地勘成果,提出“短距通過,傍山繞避”的選線原則,可從宏觀線路走向方案選擇上做好巖溶風險的源頭控制。3)針對確實無法繞避的巖溶強烈發育區,首次提出以橋梁“雙向跨越”思路,即首先考慮“縱向跨越”深溶槽,當受客觀因素控制或縱向跨度過大時采用“橫向跨越”方式,有效解決因深溶槽發育不規律、控制因素復雜帶來的工程設置難題。4)覆蓋型巖溶平原區同時也是連片高標準基本農田區,其地表覆蓋為膨脹性第四系沖洪積黏性土,低山丘陵區地表多以第三系及白堊系泥巖、砂質泥巖等膨脹巖(土)形式存在,遵循平原區“以橋代路”,低山丘陵區“以隧代塹”的選線原則,可節約土地資源,避免膨脹巖(土)路基病害。5)膨脹巖(土)的廣泛分布導致全線填料分布極不均衡,為有效解決站場大宗填料問題,車站附近的選線在契合城市發展方向、便捷旅客乘降的前提下,提出紅線內“移挖作填,主動解決”的思路,實現社會效益和經濟效益最大化。