南寧—玉林高速鐵路巖溶發(fā)育特征及工程風(fēng)險(xiǎn)分析

張柯宏

1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043；2.陜西省鐵道及地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安710043

1 概述

1.1 工程概況

南寧—玉林高速鐵路是廣西第一條自主投資建設(shè)的設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的高速鐵路，橫跨南寧、貴港、玉林三市，遠(yuǎn)期將向東延伸至深圳，是南寧—深圳高速鐵路的重要組成部分。線路自南寧樞紐南寧東站向東引出，經(jīng)五合設(shè)越行站，隨后跨邕江，經(jīng)伶俐進(jìn)入橫縣境內(nèi)，跨郁江于六景工業(yè)園區(qū)設(shè)站，繼續(xù)東行，在橫縣縣城東北側(cè)設(shè)站，出站后再跨郁江，進(jìn)入貴港市境內(nèi)，經(jīng)木格進(jìn)入玉林市境內(nèi)，在興業(yè)縣城南側(cè)設(shè)站，而后線路取直走行至玉林市高新區(qū)北側(cè)設(shè)玉林北站。正線（左線）長(zhǎng)度193.26 km，其中并行段181.323 km，右線繞行段7.47 km［1-2］，線路走向如圖1所示。

圖1 南寧—玉林鐵路線路走向

1.2 工程地質(zhì)概況

南寧—玉林高速鐵路依次經(jīng)過南寧盆地區(qū)、低山丘陵區(qū)、中低山區(qū)、玉林盆地區(qū)4個(gè)地貌單元。

沿線地層巖性復(fù)雜多變，沉積巖、變質(zhì)巖和巖漿巖均有出露，區(qū)內(nèi)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，并伴有燕山期、加里東期花崗巖、閃長(zhǎng)巖等侵入。

沿線通過區(qū)在大地構(gòu)造單元上屬于華南褶皺系。線路主要通過右江再生地槽、桂中—桂東臺(tái)陷、欽州殘余地槽三個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，歷經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺斷裂發(fā)育。

沿線不良地質(zhì)主要為巖溶，分布段落長(zhǎng)，形態(tài)復(fù)雜，是工程建設(shè)面臨的最主要地質(zhì)問題。其次，橫縣一帶低山丘陵區(qū)溶蝕孤峰零星發(fā)育危巖、落石和崩塌等不良地質(zhì)。玉林盆地低洼地帶粉細(xì)砂層存在地震液化問題。

特殊巖土主要為膨脹巖（土）和軟土。膨脹土在線路沿線分布廣泛，主要為第四系沖洪積、殘坡積黏性土，膨脹等級(jí)以弱為主；膨脹巖主要為第三系、白堊系泥巖；軟土零星分布于沿線魚塘、稻田等低洼淤積地帶。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶類型多樣

南寧—玉林高速鐵路沿線石炭系、泥盆系灰?guī)r、白云巖及白堊系礫巖均為可溶巖，可溶巖段落總長(zhǎng)93.68 km，占線路總長(zhǎng)的48.47%，全線巖溶分布見圖2。根據(jù)TB 10027—2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》［3］附錄E關(guān)于巖溶類型的劃分，沿線巖溶類型多樣，淺覆蓋型、裸露型、深覆蓋型均有分布。

圖2 南寧至玉林鐵路巖溶分布

淺覆蓋型巖溶是全線最主要的巖溶類型，沿線南寧盆地、低山丘陵區(qū)及玉林盆地廣泛發(fā)育。地表被第四系沖洪積、殘坡積層所覆蓋，蓋層厚度一般小于30 m，見圖3（a）。

裸露型巖溶主要分布在橫縣、興業(yè)縣城周邊，地表可見孤峰、峰林、溶洞、石芽等巖溶形態(tài)，呈現(xiàn)較典型的喀斯特地貌［圖3（b）］。

圖3 橫縣隱伏巖溶盆地及溶蝕殘丘裸露溶洞

深覆蓋型巖溶僅在玉林盆地局部有所分布，覆蓋層厚度大于30 m，巖溶埋深大。

2.2 巖溶發(fā)育強(qiáng)度不一

按照GB/T 51238—2018《巖溶地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［4］關(guān)于巖溶發(fā)育程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，鉆孔見洞率大于30%或線巖溶率大于20%為強(qiáng)發(fā)育，見洞率小于10%或線巖溶率小于5%介于弱發(fā)育、中等發(fā)育二者之間。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全線巖溶弱發(fā)育0.53 km，中等發(fā)育17.85 km，強(qiáng)烈發(fā)育75.3 km。其中，見洞率最小約為4%，最大為75%，多為20%～60%；線巖溶率最小為1%，最大為23%，以4%～20%居多（詳見表1）。

表1 巖溶區(qū)見洞率、線巖溶率、發(fā)育深度、發(fā)育高程

由表1可知，南寧—玉林高速鐵路巖溶以強(qiáng)烈發(fā)育為主，占全線可溶巖總長(zhǎng)的80.38%。同時(shí)，不同區(qū)段巖溶強(qiáng)度變化不一，見洞率和線巖溶率往復(fù)變化，且二者無(wú)明顯相關(guān)性。

2.3 巖溶發(fā)育規(guī)律性較差

南寧—玉林高速鐵路沿線巖溶發(fā)育規(guī)律性較差，主要體現(xiàn)在宏觀發(fā)育規(guī)律和局部發(fā)育差異。

一方面，對(duì)全線可溶巖段落溶洞發(fā)育高程及溶洞埋深（初次見洞深度）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，本線溶洞發(fā)育高程為-40～110 m，溶洞埋深為0.3～20.0 m，各區(qū)段巖溶發(fā)育高程和溶洞埋深起伏變化明顯，巖溶發(fā)育的宏觀規(guī)律性較差（參見表1）。

另一方面，巖溶局部發(fā)育差異性非常突出，同一橋梁墩臺(tái)各樁之間相距數(shù)米，但其溶洞發(fā)育高程、溶洞大小等卻差異明顯。以跨黎湛鐵路特大橋49號(hào)墩為例，該墩前期受場(chǎng)地條件限制，僅實(shí)施3孔，其中2孔見洞，溶洞下限分別為84.99、82.93 m，以下均為完整基巖；之后在施工前場(chǎng)地條件允許后補(bǔ)充1孔（孔號(hào)HBKLQZ?050?3），該孔在標(biāo)高82.53 m之下又揭示4層溶洞，最低溶洞高程為56.33 m，最大溶洞凈高為8.4 m，與之前3孔表現(xiàn)出明顯的差異（圖4），以致不得不對(duì)原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整。類似問題在施工補(bǔ)勘期間多次遇到，給勘察和設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度。

圖4 跨黎湛鐵路49號(hào)墩地質(zhì)剖面

2.4 巖溶隱蔽性高

南寧—玉林高速鐵路以覆蓋型巖溶為主，其隱蔽性高，探查難度大，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1）沿線巖溶以強(qiáng)烈發(fā)育為主，但地表很少能夠見到巖溶塌陷、溶坑、溶槽、落水洞、暗河等跡象，與地下錯(cuò)綜復(fù)雜的巖溶系統(tǒng)相去甚遠(yuǎn)。這種極具隱蔽性的地表形態(tài)給巖溶的調(diào)繪和初步判斷帶來(lái)諸多困難。

2）沿線巖溶發(fā)育高程多低于現(xiàn)代侵蝕基準(zhǔn)面，以橫縣一帶為例，該地區(qū)現(xiàn)代侵蝕基準(zhǔn)面為郁江，其侵蝕基準(zhǔn)高程約為40 m，而鉆探揭示該區(qū)域巖溶發(fā)育高程可低至-40 m，可見通過現(xiàn)代大型河流作為侵蝕基準(zhǔn)面判斷地區(qū)巖溶發(fā)育深度尚不可取。

2.5 巖溶發(fā)育規(guī)律

2.5.1 巖溶與地層巖性的關(guān)系

不同巖組因巖性差異其巖溶發(fā)育強(qiáng)度表現(xiàn)出差異性。總體來(lái)看，質(zhì)地單純的灰?guī)r巖溶發(fā)育最為強(qiáng)烈，礫巖、白云巖巖溶發(fā)育程度則相對(duì)較弱；另外，同一巖組厚層可溶巖段落巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，而可溶巖與非可溶巖相間地段巖溶發(fā)育程度則偏弱。

2.5.2 巖溶與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

巖溶發(fā)育受構(gòu)造影響明顯，沿線斷層帶、節(jié)理密集帶及巖性接觸帶附近，巖溶發(fā)育程度要明顯強(qiáng)于其相鄰地段。

2.5.3 巖溶與地形的關(guān)系

巖溶發(fā)育程度與地形具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。線路沿線溶蝕盆地區(qū)地勢(shì)相對(duì)低洼，利于地表、地下水的匯集、入滲，地下徑流強(qiáng)烈是全線覆蓋型巖溶最為發(fā)育的地段；低山丘陵區(qū)地形起伏，山丘與洼地相間，山體受地表徑流沖刷多形成沿豎向發(fā)育的溶蝕裂隙或溶洞，巖溶發(fā)育相對(duì)較弱，而山間洼地則成為地表徑流匯集、存蓄、排泄區(qū)，巖溶發(fā)育更為強(qiáng)烈。

3 巖溶引起的工程風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 勘察風(fēng)險(xiǎn)

3.1.1 探查難度大

通過采用地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等綜合勘察手段，基本查明了全線巖溶發(fā)育特征。但限于目前各種勘察手段的局限性及巖溶本身的復(fù)雜性，整體探查難度依舊較大。

地質(zhì)調(diào)繪方面，該地區(qū)覆蓋型巖溶極具隱蔽性，通過地質(zhì)調(diào)繪很難進(jìn)行精準(zhǔn)的把控。物探是巖溶區(qū)勘察的重要手段之一［5］，對(duì)宏觀把控巖溶發(fā)育特征具有重要的作用。但該區(qū)域覆蓋型巖溶發(fā)育深度多變，溶洞充填類型多樣，給物探解譯帶來(lái)困難。

鉆探是巖溶勘察最有效的手段之一，但因勘探鉆機(jī)口徑有限，鉆探所顯示地層情況僅為“一孔之見”，并不能完全準(zhǔn)確代表地下真實(shí)地質(zhì)情況。在勘察期間，就曾多次出現(xiàn)橋基鉆孔因孔內(nèi)事故等原因移孔20～30 cm后，地層情況與原孔位地層出現(xiàn)重大變化的情況。

3.1.2 鉆探誘發(fā)塌陷風(fēng)險(xiǎn)突出

地面塌陷是隱伏巖溶地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害類型，外部荷載及振動(dòng)力是其重要的外部誘發(fā)因素［7-10］。

南寧—玉林高速鐵路在勘察期間，發(fā)生數(shù)起地面塌陷事故。興業(yè)縣城附近一處橋梁地表覆蓋黏性土和砂類土，施鉆過程中，砂土順鉆孔漏入下部溶腔引起地表變形，最終導(dǎo)致鉆機(jī)墜落（見圖5）；興業(yè)縣龍安鎮(zhèn)附近一橋梁一處墩臺(tái)覆蓋層厚度小，下伏溶洞頂板厚度較薄，施鉆過程中受鉆機(jī)振動(dòng)影響導(dǎo)致溶洞頂板破壞，地面發(fā)生變形塌陷，鉆機(jī)被迫緊急撤離。

圖5 鉆探引起的巖溶塌陷

這種外力誘發(fā)巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)在巖溶區(qū)勘察中較為常見，且很難避免，給鉆探施工造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 施工風(fēng)險(xiǎn)

3.2.1 橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)

1）該線隱伏巖溶隱蔽性強(qiáng)、規(guī)律性差、發(fā)育強(qiáng)度參差不齊，巖溶形態(tài)復(fù)雜、溶洞大小多變、溶洞充填各異，樁基施工中易發(fā)生掉鉆、卡鉆、漏漿、穿孔、鉆機(jī)傾翻、偏孔、斷樁等現(xiàn)象。

2）樁基施工機(jī)械自重較大，施工中振動(dòng)頻繁，誘發(fā)地面塌陷的風(fēng)險(xiǎn)較高，覆蓋層厚度小、下部溶腔大、頂板較薄的地段風(fēng)險(xiǎn)更為突出。

3）該線橋梁勘察根據(jù)巖溶發(fā)育程度布置鉆孔，巖溶發(fā)育輕微的區(qū)段未進(jìn)行逐樁鉆探。雖然通過綜合勘察手段基本揭示了墩臺(tái)的巖溶發(fā)育特征，但巖溶本身有其多變性、復(fù)雜性，對(duì)于無(wú)鉆孔控制的部分樁基可能因巖溶局部特殊發(fā)育而造成潛在的工程安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)

1）巖溶區(qū)隧道施工突水、突泥等風(fēng)險(xiǎn)較大，可能淹沒坑道、毀壞機(jī)具、中斷施工、延誤工期、增加造價(jià)，甚至造成人員傷亡。

2）隧道基底大型洞穴的存在，可能在施工中誘發(fā)塌陷，連通性較好的巖溶系統(tǒng)會(huì)給注漿帶來(lái)困難。

3）洞穴堆積物大多松軟易變形外擠，施工中易造成支護(hù)體系擠壓變形，或充填物外擠流動(dòng)引發(fā)坍塌風(fēng)險(xiǎn)，影響隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，危及施工安全。

4）沿線分布大量長(zhǎng)度短、埋深淺的巖溶隧道，施工揭穿巖溶通道，會(huì)改變地下水徑流途徑，造成周邊環(huán)境水疏干，或造成隧頂?shù)孛孀冃?，引起環(huán)境地質(zhì)問題。

3.2.3 路基施工風(fēng)險(xiǎn)

1）鉆孔注漿是巖溶路基治理的主要手段之一，但由于探查鉆孔密度有限，對(duì)于連通性較差的巖溶段落，可能會(huì)形成孔間孤立溶洞注漿遺漏的問題，形成潛在的工程安全風(fēng)險(xiǎn)。

2）采用樁基跨越巖溶地段，樁基施工擾動(dòng)可能誘發(fā)地面塌陷，帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1）巖溶是南寧—玉林高速鐵路最為突出的工程地質(zhì)問題。巖溶段落長(zhǎng)、類型多樣、發(fā)育強(qiáng)度不同、規(guī)律性差、隱蔽性高是該線巖溶發(fā)育的主要特點(diǎn)。

2）巖性、構(gòu)造及地形等是影響沿線巖溶發(fā)育的主要因素，質(zhì)地純凈的灰?guī)r區(qū)段、構(gòu)造密集發(fā)育區(qū)、地勢(shì)低洼的盆地、洼地等區(qū)域是沿線巖溶最為發(fā)育的地段。

3）巖溶發(fā)育造成工程勘察探查難度大、鉆探誘發(fā)塌陷風(fēng)險(xiǎn)突出，給橋梁、隧道、路基的施工帶來(lái)直接的施工安全風(fēng)險(xiǎn)和潛在的工程安全影響。