兗石線臨沂某段巖溶路基塌陷勘察與分析

姚其明 郭得令 彭永良

(1.濟(jì)南鐵路局臨沂工務(wù)段, 山東臨沂 276004； 2.濟(jì)南鴻運(yùn)鐵路巖土工程有限責(zé)任公司, 山東濟(jì)南 250022)

我國碳酸鹽系分布面積占領(lǐng)土面積的20%以上,達(dá)到200萬km2,大量在建或規(guī)劃中的鐵路不可避免地穿越巖溶發(fā)育地區(qū)[1]。巖溶塌陷嚴(yán)重影響鐵路建設(shè)和安全運(yùn)營,隨著鐵路行車速度以及載重的不斷提高,列車動(dòng)荷載對既有線巖溶路基穩(wěn)定性的影響變得越來越大[2]。巖溶土洞的發(fā)育是形成巖溶塌陷較普遍的一種形式,土洞是指由于地表水和地下水對土層溶蝕、沖刷產(chǎn)生的空洞。巖溶土洞的發(fā)育在空間上具有隱蔽性特點(diǎn),塌陷的發(fā)生具有突發(fā)性特點(diǎn),使巖溶塌陷防治具有諸多難題[3]。

兗石線臨沂某段為石灰?guī)r巖溶發(fā)育地區(qū),2008年9月在兩線間及路肩、路基邊坡、坡腳、取土坑內(nèi)突然發(fā)生多次塌陷,出現(xiàn)9處陷坑,導(dǎo)致線路下沉并伴有偏水平現(xiàn)象,影響到線路幾何尺寸,對行車安全構(gòu)成直接威脅。急需查明塌陷產(chǎn)生原因、巖溶和土洞發(fā)育及分布情況,并進(jìn)行必要的治理加固。

1 勘察方法

在塌陷現(xiàn)場采用工程地質(zhì)調(diào)繪、工程物探和鉆探相結(jié)合的方法,進(jìn)行巖溶地質(zhì)條件下的鐵路工程地質(zhì)勘察。在收集和分析臨沂地區(qū)有關(guān)氣象、水文、水資源開采、地質(zhì)、地面塌陷等有關(guān)區(qū)域資料的基礎(chǔ)上,對塌陷地區(qū)周圍3 km2區(qū)域進(jìn)行工程地質(zhì)、地面塌陷及巖溶情況的調(diào)查測繪。在地質(zhì)調(diào)繪基礎(chǔ)上開展了工程地質(zhì)物探和鉆探工作。

鉆探是通過直接提取巖芯并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn),直觀而可靠地獲取地下地層信息的勘探方法。但鉆探屬于一種“點(diǎn)測”的勘探方法,單個(gè)鉆孔獲取地質(zhì)信息的代表性不強(qiáng),如果想獲取一個(gè)區(qū)域內(nèi)更加全面的地質(zhì)信息,必須加密鉆孔,這樣會(huì)大大增加勘探費(fèi)用,延長工期。

工程物探是利用地下物質(zhì)的物性差異,如地層的電性差異,通過研究天然或人工的地球物理場,如電場,達(dá)到了解地下介質(zhì)分布的一種方法。其儀器設(shè)備輕便、工作效率高,可以連續(xù)觀測,采集的信息量大,可以了解和確定大范圍內(nèi)的地質(zhì)條件,對查明規(guī)模及埋深變化較大目標(biāo)體的分布情況優(yōu)于鉆探等常規(guī)方法“點(diǎn)測”的結(jié)果,能夠彌補(bǔ)鉆探工作的不足。但工程物探作為一種間接的勘察手段,其勘探成果具有推斷性和不確定性。

結(jié)合鉆探和物探各自的優(yōu)缺點(diǎn),本次采用兩者相結(jié)合的綜合勘察方法(圖1),根據(jù)場地地形條件和地層電性差異情況,采用對稱四極、三極電測深的物探方法,把物探所得數(shù)據(jù)與鉆探所取得的成果進(jìn)行分析對比,建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,對物探資料進(jìn)行定量、半定量解釋,更準(zhǔn)確的揭示整個(gè)勘察區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況[4]。

2 地質(zhì)特征

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)調(diào)查,臨沂市地處魯東南地臺(tái)區(qū),位于著名的郯廬大斷裂(山東地段稱沂沭斷裂帶)西側(cè),受大斷裂影響,塌陷地段次級構(gòu)造大多較發(fā)育,與大斷裂走向接近平行,下伏奧陶系中統(tǒng)馬家溝組石灰?guī)r。斷層的存在對附近巖層的完整性造成極大破壞,且高角度節(jié)理發(fā)育,為地下水的富集、巖溶發(fā)育創(chuàng)造了良好的地質(zhì)環(huán)境。

2.2 地層特征

通過勘察揭示,塌陷區(qū)域上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積黏性土和砂層,厚度6～13.5 m。下伏基巖埋深較淺,巖溶裂隙和溶洞極其發(fā)育(圖2)?？辈旆秶鷥?nèi)52個(gè)鉆孔中,有42個(gè)鉆孔揭示溶洞共69次(個(gè))。根據(jù)勘探結(jié)果,把塌陷區(qū)域分為巖溶弱發(fā)育區(qū)(Ⅰ)、巖溶中等發(fā)育區(qū)(Ⅱ)和巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)(Ⅲ)三類區(qū)域(圖1)。巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)和中等發(fā)育區(qū)線巖溶率平均值為22.3%,最大為67.6%。巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)(Ⅲ)蓋層以砂類土為主,本區(qū)有7個(gè)鉆孔揭示第四系蓋層與基巖接觸面處為地下水潛蝕作用形成的第四系疏松帶(不密實(shí)的土洞),最大揭示厚度為3.50 m,以流塑狀粉質(zhì)黏土為主,夾少量砂礫。下伏石灰?guī)r巖體破碎,巖溶溶蝕裂隙發(fā)育,溶蝕孔洞大,多為充填粉質(zhì)黏土夾粗砂溶洞,揭示最大充填洞高為4.00 m,最大空洞高為1.00 m,基巖中的溶蝕多呈溶孔狀、蜂窩狀,主要分布在埋深9.00～21.00 m以上,對線路穩(wěn)定性影響很大。巖溶中等發(fā)育區(qū)(Ⅱ)局部地段由于地下水的潛蝕作用形成第四系蓋層疏松帶,為流塑狀粉質(zhì)黏土夾少量砂礫。下伏石灰?guī)r巖體較破碎,巖溶溶蝕裂隙較發(fā)育,溶蝕孔洞大,多為充填粉質(zhì)黏土夾粗砂溶洞,最大揭示的充填洞為1.70 m,部分為空洞,空洞一般為0.30～0.50 m,基巖中的溶蝕多呈溶孔狀、蜂窩狀,主要分布在埋深10.00～22.00 m以上,對線路穩(wěn)定性影響較大。巖溶弱發(fā)育區(qū)(Ⅰ)下伏巖體較完整,巖溶弱發(fā)育,存在小的裂隙型溶洞,對線路穩(wěn)定性影響較小。

圖1 地質(zhì)平面(部分)

圖2 5-5′地質(zhì)剖面(部分)

2.3 水文地質(zhì)條件

臨沂地區(qū)受地形、地層的影響,水文地質(zhì)方面表現(xiàn)明顯的平面分帶規(guī)律,地下水運(yùn)動(dòng)的總流向是北西向東,西部山區(qū)為地下水的主要補(bǔ)給徑流區(qū),東至沂河之間為地下水徑流排泄區(qū),流向沂河,沂河為地下水排泄口。由于對地下巖溶裂隙水的過度開采,形成巨大的北西向近橢圓形的地下水降落漏斗[5]。塌陷區(qū)位于西部山區(qū)與沂河之間的地下水徑流排泄區(qū),受第四系砂層影響,塌陷區(qū)早期壤中潛水非常豐富,下伏巖層巖溶發(fā)育,是良好的巖溶塌陷物存儲(chǔ)、運(yùn)輸通道。其水位變化受大氣降水及人工開采控制[6],枯水季節(jié),由于地下水的過度開采,水位突然大幅度的下降,致使巖溶裂隙水水位埋深一般為20.00～40.00 m,豐水期,地下水位又上升到第四系砂層中,地下水頻繁在基巖面上下波動(dòng),為第四系壤中潛水及地表水下滲潛蝕蓋層土體顆粒形成了良好的水文地質(zhì)條件。地下水與地表降水聯(lián)系密切,據(jù)調(diào)查了解,塌陷地段線路右側(cè)取土坑在雨后,坑內(nèi)積水瞬間漏入地面以下。

3 路基塌陷原因分析

巖溶塌陷的產(chǎn)生一般有其特定的地形地質(zhì)環(huán)境和水文地質(zhì)條件：水是塌陷的主要?jiǎng)恿?水位能否在土、巖界面上下波動(dòng)是形成塌陷的主要因素；上覆第四系蓋層為塌陷物質(zhì)土層,其厚度及土層性質(zhì)、結(jié)構(gòu)是巖溶塌陷的主要影響因素,一般蓋層為多元結(jié)構(gòu)或以砂類土為主、石灰?guī)r埋深淺易形成地面塌陷；塌陷產(chǎn)生一般還應(yīng)具備巖溶儲(chǔ)運(yùn)條件,在巖溶發(fā)育的平原、谷地、溶蝕洼地易形成地面塌陷。

該塌陷區(qū)域受地下水開采和季節(jié)影響,水位在土、巖界面頻繁上下波動(dòng)。下伏石灰?guī)r巖溶極其發(fā)育,巖溶裂隙帶形成規(guī)模大小不一、連通情況復(fù)雜的溶洞,對接受上部土層的潛蝕物質(zhì)有了充足的空間。

圖3 負(fù)壓吸蝕效應(yīng)下地面塌陷形成過程示意

塌陷地段基巖面上覆土層為砂類土或帶有膨脹性質(zhì)的黏性土層。砂類土顆粒間聯(lián)結(jié)力小,當(dāng)?shù)叵滤诨鶐r面上下波動(dòng)及地表水下滲過程中極易被帶入溶洞；具有膨脹性質(zhì)的黏性土遇水軟化崩解后也容易被帶入溶洞,在失水收縮開裂后,形成地下水通道?；鶐r面上方蓋層土體開始形成土洞,并逐漸發(fā)展。當(dāng)?shù)叵滤辉诨鶐r面以下快速下降時(shí),在巖溶裂隙發(fā)育地段,尤其是淺部巖溶發(fā)育地段,較易形成局部的負(fù)壓作用,負(fù)壓吸蝕效應(yīng)容易使更大規(guī)模的蓋層土體塌落到溶洞中。土洞在地下水的潛蝕效應(yīng)、負(fù)壓吸蝕效應(yīng)、垂直滲壓效應(yīng)的作用下不斷擴(kuò)大(圖3)[6][7],在一定條件下,土洞上方的土拱保持其穩(wěn)定的自然平衡狀態(tài)。由于上覆土層的含水量增多,其凝聚力降低,內(nèi)摩擦角減小,自重壓力增大。列車動(dòng)荷載對土拱的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響,在其他因素的共同作用下,當(dāng)致塌力大于抗塌力,即P致>P抗時(shí),土拱塌落,導(dǎo)致地面塌陷,此種類型的塌陷比較普遍,危害性很大[8]。

4 整治措施

巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)(Ⅲ)和中等發(fā)育區(qū)(Ⅱ)溶蝕嚴(yán)重,已經(jīng)影響線路穩(wěn)定性,對行車安全構(gòu)成威脅,雨季時(shí)下滲侵蝕強(qiáng)烈,對土體的穩(wěn)定性影響較大,容易發(fā)生更大的地面坍塌、下沉,屬于易失穩(wěn)土體,直接威脅鐵路行車安全。建議本次對巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)(Ⅲ)和巖溶中等發(fā)育區(qū)(Ⅱ)進(jìn)行加固處理,永久根治路基塌陷病害,確保行車安全。巖溶弱發(fā)育區(qū)(Ⅰ)為基本穩(wěn)定區(qū),巖溶弱發(fā)育,對線路穩(wěn)定性影響較小,建議在保證(Ⅲ)和(Ⅱ)區(qū)域加固效果的基礎(chǔ)上兼顧處理(Ⅰ)區(qū)。處理方法可采用地表封閉防滲,地面下注漿加固的措施。

5 結(jié)論

通過采用工程地質(zhì)調(diào)繪、工程鉆探和物探相結(jié)合的綜合勘察方法,基本查清了兗石線臨沂某塌陷地段的地質(zhì)特征和巖溶、土洞發(fā)育及分布情況,分析了產(chǎn)生路基塌陷的原因。該塌陷地段下伏巖層溶蝕裂隙和溶洞極其發(fā)育,同時(shí)具備塌陷動(dòng)力、塌陷物質(zhì)和儲(chǔ)運(yùn)條件等產(chǎn)生巖溶塌陷的基本條件。伴隨地下水下滲以及在土、巖交界面頻繁上下波動(dòng),基巖面以上軟化的黏性土和砂層一起被潛蝕,跟隨水流滲入或塌落到溶蝕孔隙或溶洞中,基巖面上方形成土洞。在地下水的潛蝕效應(yīng)、負(fù)壓吸蝕效應(yīng)、垂直滲壓效應(yīng)的作用下不斷擴(kuò)大。由于土拱土體力學(xué)性能下降,在列車動(dòng)荷載及其他因素的共同作用下,當(dāng)致塌力大于抗塌力時(shí),土洞上方的土拱發(fā)生坍塌,地表便出現(xiàn)塌陷病害。建議本次對巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)和中等發(fā)育區(qū)進(jìn)行加固處理,永久根治路基塌陷病害,加固處理可采用地表封閉防滲,地下注漿加固的方法。

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