王雙樹特大橋巖溶土洞塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)研究

杜憲花

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概況

哈大客運(yùn)專線沈陽至大連段全長425 km,設(shè)計(jì)旅客列車運(yùn)行速度350 km/h。其中王雙樹特大橋位于遼寧省遼陽市火車站南王雙樹地區(qū),該橋長約6.7 km,橋梁孔跨24.0～56.0 m。橋址區(qū)局部下伏石灰?guī)r,巖溶、土洞發(fā)育,設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁。在過量抽取地下水條件下，存在土洞塌陷的潛在危險(xiǎn),可能會(huì)給對沉降要求極為嚴(yán)格的客運(yùn)專線帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 巖溶發(fā)育特征

王雙樹特大橋上覆第四系沖洪積層,下伏奧陶系灰?guī)r,基巖地層呈北東—南西向的條帶狀分布,北東向壓扭性斷裂構(gòu)造及同期的次一級北西向張扭性斷裂構(gòu)造發(fā)育。

從地勘資料分析,在王雙樹特大橋完成的27個(gè)鉆孔中,有18個(gè)鉆孔揭露溶洞、溶隙,巖溶遇洞率67%,并且大部分溶洞充填流塑狀粉質(zhì)黏土。土層厚度多大于40 m,巖溶屬于深覆蓋型,發(fā)育程度屬弱至中等發(fā)育,具有自上而下逐步減弱的趨勢。

2.2 土層結(jié)構(gòu)及不均勻性分析

王雙樹特大橋主要位于太子河沖洪積扇區(qū),松散堆積層以二元結(jié)構(gòu)(上部由黏性土構(gòu)成,下部由圓礫土、卵石土構(gòu)成)、三元結(jié)構(gòu)(上部及下部由黏性土構(gòu)成,中部由圓礫土、卵石土構(gòu)成)土層為主(見圖1)。

圖1 土層結(jié)構(gòu)類型

經(jīng)對橋址區(qū)圓礫土、卵石土顆粒分析資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),該區(qū)土層的不均勻系數(shù)(Cu)越大,土層越容易發(fā)生滲透變形破壞，進(jìn)而形成土洞。通常將10作為滲透變形敏感性界限[6],當(dāng)不均勻系數(shù)大于10時(shí),該類土屬于易發(fā)生滲透變形(潛蝕接觸沖刷)的土。而王雙樹地區(qū)圓礫土的不均勻系數(shù)一般為15～25；卵石土的不均勻系數(shù)一般為20～40,說明容易形成土洞。

圖2 巖溶土洞塌陷的形成演化過程

2.3 地下水動(dòng)力條件及開采情況

橋址區(qū)位于遼陽市南部首山水源地的邊緣。該水源地1919年就已開發(fā)利用,開采規(guī)模不斷擴(kuò)大,2004年至2007年開采量穩(wěn)定在3.1億m3。過量開采導(dǎo)致地下水水位下降,形成以蛤蜊等村為中心的大型地下水開采漏斗,王雙樹特大橋巖溶段處于漏斗區(qū)邊緣。

該橋址區(qū)存在雙層地下水,即第四系孔隙含水層、巖溶含水層,含水層間局部缺乏隔水層,往往具有相同的地下水位,勘測期間地下水埋深11.0～13.5 m,年升降幅度約2.0～3.0 m。地下水的存在對塌陷的產(chǎn)生有直接影響。研究顯示,如果水位一旦下降到基巖面附近,將可能引發(fā)較為嚴(yán)重的巖溶(土洞)塌陷問題。

3 巖溶土洞形成及發(fā)育機(jī)理

3.1 滲透變形效應(yīng)

由于巖溶水位的下降,第四系土層孔隙水向下滲流補(bǔ)給巖溶水的作用增強(qiáng),導(dǎo)致作用于上覆土層的水力坡度超過土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡度,土體產(chǎn)生滲透變形破壞。

3.2 真空負(fù)壓效應(yīng)

由于巖溶水位下降速度快、幅度大,第四系孔隙水(氣)補(bǔ)給滯后,導(dǎo)致基巖裂隙中產(chǎn)生負(fù)壓。負(fù)壓的出現(xiàn)會(huì)提高集中滲流點(diǎn)附近的水力坡度,當(dāng)水力坡度超過了土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡度,土體發(fā)生滲透變形破壞。因此,真空負(fù)壓效應(yīng)誘發(fā)塌陷的本質(zhì)還是土體的滲透變形。

3.3 浮托力喪失

當(dāng)土洞形成后,水位的下降,作用于土體上的浮托力下降,使土體下塌、破壞,而流塑狀黏性土則容易發(fā)生流動(dòng),從而加速上覆土層的變形或破壞,進(jìn)而產(chǎn)生土洞或塌陷。

3.4 土體崩解

當(dāng)巖溶地下水為承壓水時(shí),反復(fù)抽(排)巖溶水,會(huì)使土洞周圍土體發(fā)生崩解,土洞不斷擴(kuò)展,最后導(dǎo)致塌陷產(chǎn)生。

3.5 巖溶土洞形成演化和塌陷過程分析

(1)“洞頂垮塌→堆積→潛蝕搬運(yùn)”循環(huán)發(fā)展模式

在地下水滲流作用比較強(qiáng)的地區(qū),地下水的作用會(huì)使土洞逐漸垮塌,垮塌土體被地下水帶走,洞頂向上擴(kuò)展,當(dāng)其影響區(qū)波及地表,或在外荷載作用下土洞失穩(wěn)下陷，形成地面塌陷(圖2)。

(2)“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩(wěn)定” 模式

在地下水滲流作用比較弱的地區(qū)，土洞在地下水長期浸泡下發(fā)生垮塌,由于地下水作用相對較弱,無法將垮塌土體帶走,因此,整個(gè)土洞會(huì)被填滿,土洞進(jìn)入相對穩(wěn)定階段,這種情況下,一般不會(huì)在地面產(chǎn)生塌陷坑(圖3)。

圖3 巖溶土洞演化過程

4 土洞(塌陷)危險(xiǎn)性評估及樁基施工對其影響

4.1 危險(xiǎn)性評估

在目前變化趨勢下,王雙樹特大橋巖溶段形成土洞塌陷的可能性不大。根據(jù)資料[1],從2002年起，首山水源地地下水降落漏斗面積和中心水位降深都在逐年縮小,作用于巖溶發(fā)育帶上覆土體的滲透力得到進(jìn)一步降低,有利于土體穩(wěn)定。

根據(jù)對橋址區(qū)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,該橋址區(qū)已有土洞的演化特點(diǎn)為：“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩(wěn)定”,塌落的高度取決于原土洞的規(guī)模。

4.2 樁基施工對土洞的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),樁基施工過程中,會(huì)引起巖溶水位的急劇變化,如果巖溶水位在基巖面附近,將極易形成新的土洞,而已有的土洞將以“洞頂垮塌→堆積→潛蝕搬運(yùn)”的循環(huán)模式進(jìn)一步演化,從而誘發(fā)地面沉陷等問題。目前橋址區(qū)地下水位遠(yuǎn)高于基巖面,可以不考慮這種影響。

5 結(jié)論和建議

5.1 主要結(jié)論

(1)王雙樹特大橋橋址區(qū)發(fā)生土洞塌陷的危險(xiǎn)性較小,已有土洞的演化也將以“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩(wěn)定”為特點(diǎn)。

(2)在目前變化趨勢下,在工程使用年限內(nèi),首山水源地地下水動(dòng)力條件向有利于土層穩(wěn)定的方向轉(zhuǎn)化,橋址區(qū)巖溶段形成土洞塌陷的可能性較小。

(3)根據(jù)《遼寧省地下水保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃》,地下水動(dòng)力條件也將向有利于土層穩(wěn)定的方向轉(zhuǎn)化。因此,隨著該行動(dòng)計(jì)劃逐步落實(shí),將更加有助于土洞向“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩(wěn)定”模式演化。

(4)橋址區(qū)地質(zhì)勘探、鉆孔樁施工誘發(fā)土洞塌陷的可能性非常小,可以不考慮。

5.2 建議

(1)對已有土洞,盡管可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),但由于充填垮塌土洞的黏性土大多處于軟塑、流塑狀態(tài),強(qiáng)度很低,為確保安全,建議壓注水泥漿充填處理。從目前的研究結(jié)果看,注漿對環(huán)境和地下水的影響不大。

(2)盡管王雙樹特大橋橋址區(qū)目前發(fā)生土洞塌陷的可能性不大,由于第四系底部土層在地下水長期滲流作用下,很容易發(fā)生滲透破壞,而且這些地區(qū)又位于水源地附近,并有橫向隱伏斷裂通過線路。因此,建議在巖溶段設(shè)置必要的監(jiān)測鉆孔,采用現(xiàn)代化的自動(dòng)監(jiān)測技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測誘發(fā)巖溶塌陷因素尤其是地下水水位的變化情況。

(3)加強(qiáng)與地方政府主管部門協(xié)商,使《遼寧省地下水保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃》落到實(shí)處。

[1]宋奎英.遼陽市首山漏斗區(qū)調(diào)查評價(jià)和對策研究[J].水利規(guī)劃,1998(2)

[2]肖德壯.遼陽市首山漏斗區(qū)調(diào)查評價(jià)及對策[J].東北水利水電,2004(6)

[3]楊紹南.遼陽首山地下水開采漏斗存在問題及治理對策[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1998(增刊)

[4]李仁鋒.鞍山市區(qū)地面沉降的機(jī)理分析[J].地質(zhì)找礦論叢,2003(增刊)

[5]胡國軍.遼陽市地下水超采區(qū)水資源狀況及治理保護(hù)[J].遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技,2005(2)

[6]常士驃，等.巖土工程手冊[M]北京：中國建筑工業(yè)出版社,1994