魯南某高速鐵路巖溶塌陷風險評估及防治對策

陳興海 王 朋 于翠翠

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2.山東省地質測繪院，濟南 250014）

近年來，巖溶塌陷作為我國發(fā)育較普遍的不良地質現(xiàn)象，已嚴重影響到鐵路建設和運營安全［1］，如武廣高速鐵路花都特大橋、貴廣高速鐵路甘棠江特大橋、鄭萬鐵路漢江特大橋等在施工過程中均發(fā)生過巖溶塌陷［2］。因此，如何在鐵路勘察設計階段就查清巖溶的發(fā)育特征及發(fā)育規(guī)律，并對巖溶塌陷風險進行評估顯得尤為重要。

本文以魯南某高速鐵路某段線路巖溶塌陷為研究對象，通過研究工程區(qū)的地形地貌、巖土特征、構造特征及水文地質條件，分析巖溶分布特征和發(fā)育規(guī)律以及巖溶塌陷的發(fā)育特征和成因機理，最終對巖溶塌陷的風險程度進行評價，并提出相應的防治措施。研究成果可為類似工程地質條件下的鐵路巖溶區(qū)勘察設計和施工提供科學依據(jù)和技術支持。

1 工程地質特征

1.1 地形地貌

某巖溶塌陷段位于泰萊盆地，地處泰山山脈與徂徠山山脈之間的山前傾斜平原地帶，屬剝蝕堆積平原地貌，為大汶河、牟汶河、柴汶河等河流沖積、沖湖積而成。地形平坦開闊，地面略有起伏，地面坡度0～10°，地面高程70～160 m。

1.2 氣象水文

工程區(qū)屬于北暖溫帶季風區(qū)半濕潤過渡性氣候，受大氣環(huán)流及泰山山脈影響明顯，四季分明，雨量集中，降水時空變化大，多年平均降水量為831.7 mm（1961-2019年），降水量隨月份差異明顯，6-10月份降雨量占全年的73.4 %，11月-次年3月僅占全年降水量的10.2 %。

工程區(qū)屬黃河水系，地表河流水系發(fā)育，區(qū)域以南的大汶河為地表主要河流，呈北東至南西流向經(jīng)東平湖后注入黃河，大汶河河床寬度100～ 700 m 不等，坡度呈北緩南陡，主要由牟汶河及瀛汶河兩大干流匯集而成，另發(fā)育有龐河、柴汶河等支流。

1.3 地層巖性

魯南某高速鐵路某巖溶塌陷段里程范圍為DK 0+000～DK 7+290，全長7.29 km。地表均被第四系土層覆蓋，總厚度2～28 m，覆蓋層厚度由北向南逐漸變薄，從上至下連續(xù)分布軟塑～ 硬塑粉質黏土，中細砂及粗砂，局部夾透鏡狀粗圓礫土，下伏基巖主要為奧陶系下統(tǒng)、寒武系上中統(tǒng)灰?guī)r及寒武系下統(tǒng)頁巖、泥灰?guī)r。其中灰?guī)r巖溶發(fā)育，占評估段總長的80.45%，泥灰?guī)r巖溶弱發(fā)育，占評估段總長的9.53%，頁巖夾泥灰?guī)r巖溶不發(fā)育，占評估段總長的10.02%。

1.4 地質構造

工程區(qū)大地構造上處于華北板塊的魯西隆起區(qū)之魯中隆起區(qū)，屬泰萊凹陷分區(qū)。斷裂構造發(fā)育，以NW-NNW 向斷裂為主，如紅廟羊婁斷裂、岱道庵斷裂、龐河斷裂及洪溝斷裂為近似平行的4 條斷層組成的斷裂束，多被第四系覆蓋，僅在南北兩端有出露。斷裂構造以NEE 向斷裂次之，如徂徠山斷裂、萬家莊斷裂及宅子斷裂等。評估段與規(guī)劃鐵路線位直接相交的斷裂共7 條。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶發(fā)育形態(tài)

從巖溶發(fā)育形態(tài)看，工程區(qū)內裸露型巖溶區(qū)地下水接受大氣降水補給后以垂向運動為主，近代巖溶發(fā)育較弱，僅發(fā)育少量的溶隙、溶溝或溶槽。覆蓋型巖溶區(qū)分布于工程區(qū)大部分，巖溶形態(tài)有溶洞、網(wǎng)絡狀溶洞、蜂窩狀溶孔及溶蝕裂隙等。

2.1.1 溶洞

工程區(qū)內屬覆蓋型巖溶，鉆孔揭示溶洞多以串珠狀為主，局部呈多層水平狀，溶洞直徑0.1～12.6 m，統(tǒng)計顯示89%的溶洞高度小于2 m，僅約3.5%的溶洞高度大于4 m，多為半充填～全充填，部分為無充填，填充物為褐黃、黃褐色軟塑～硬塑狀黏土夾灰?guī)r質碎石、角礫。鉆孔揭示段內溶洞發(fā)育情況如表1所示，典型充填溶洞如圖1所示。

圖1 鉆孔揭示典型充填溶洞圖

表1 鉆孔揭示溶洞統(tǒng)計表

2.1.2 溶孔

鉆孔揭示溶孔發(fā)育普遍，常形成于溶蝕破碎帶中，形狀以橢圓形為主，少量呈長條形槽狀、蜂窩狀、網(wǎng)狀及串珠狀，溶孔直徑1～ 25 mm，最大可達50 mm，溶孔發(fā)育段巖芯破碎，巖體完整性差，由于地下水流掏空作用而多無充填物，僅少量半充填褐黃色鈣質沉積物。呈蜂窩狀及串球狀的溶孔貫通性好且富水性強，往往成為孔隙水流的流動通道。鉆孔揭示段內典型溶孔如圖2所示。

圖2 鉆孔揭示典型溶孔圖

2.1.3 溶隙

鉆孔揭示多為層間溶隙，寬度1～4 mm，僅少量＞ 4 mm。溶隙孔壁多呈黃色，局部浸染紅褐色鐵質氧化薄膜，張開型溶隙多充填褐黃色軟塑-硬塑狀黏土，導水及賦水性均較好，閉合型溶隙局部充填黃色鈣質物，膠結程度較好，封閉度較高，但導水能力相對較差。鉆孔揭示段內典型溶隙如圖3所示。

圖3 鉆孔揭示典型溶隙圖

2.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

2.2.1 巖溶發(fā)育的平面規(guī)律

鉆孔揭示工程區(qū)巖溶洞隙多發(fā)育在覆蓋層厚度5～20 m 的岱道庵斷裂、圣元官莊斷裂、紅廟羊婁斷裂等斷裂及其破碎帶附近，其展布方向多呈NWW 向，基本與斷裂方向一致。如岱道庵斷裂附近400 m 范圍內完成的29 個鉆孔，有23 孔揭露溶洞，溶洞數(shù)共45 個，揭露溶洞總高度為48.7 m，溶洞最大高度達5.9 m。

2.2.2 巖溶發(fā)育的垂向規(guī)律

搜集鉆孔揭露，隨著深度增加巖溶發(fā)育呈現(xiàn)由強變弱的趨勢，尤以地表以下10～40 m 范圍內的巖溶最發(fā)育。發(fā)育形態(tài)從淺到深，由以溶孔、溶洞為主逐漸轉變?yōu)橐匀芸?、溶隙為主。淺部巖溶發(fā)育的主要原因是表層巖石長期遭受風化剝蝕作用，裂隙發(fā)育，有利于地表水或第四系孔隙水的淋濾溶蝕，使巖溶自上而下發(fā)展。

3 巖溶塌陷風險性評估

3.1 巖溶塌陷影響因素分析

3.1.1 巖溶發(fā)育程度

下伏可溶巖石巖溶發(fā)育是巖溶塌陷形成的必要條件，而巖溶發(fā)育程度受可溶巖的巖石可溶性、構造特征及新構造運動、地形地貌及氣候等因素綜合決定，本區(qū)以巖石可溶性和構造特征最具控制性作用。

（1）巖石可溶性

從工程區(qū)可溶巖地層巖性看，鉆孔顯示巖溶最易發(fā)育為質純厚層均勻分布的鮞狀灰?guī)r，其次為泥晶灰?guī)r和豹斑灰?guī)r，再次為白云質灰?guī)r和白云巖，泥灰?guī)r及泥質灰?guī)r發(fā)育最弱。

（2）構造特征

工程區(qū)巖溶發(fā)育多位于下第三系泥巖與奧陶系灰?guī)r接觸帶以南，奧陶系與寒武系地層接觸帶，岱道庵、圣元官莊及龐河等斷裂破碎帶及其附近位置。巖溶發(fā)育程度受斷裂構造帶控制明顯，斷裂帶往往因巖體破碎而成為地下水循環(huán)交替的良好通道，加之巖溶水排泄基準面對巖溶洞隙的發(fā)育程度起控制作用，故隨著深度增加巖溶發(fā)育明顯減弱，而淺部發(fā)育的溶洞、溶孔及溶隙便成為塌陷物質的儲集空間和運移通道。

3.1.2 覆蓋層

（1）土層類型

工程區(qū)主要分布為細粒的粉質黏土及細砂、中砂及粗砂為主的砂類土，相同條件下，黏土含量越高，越不利于塌陷的產(chǎn)生，即細粒土發(fā)生塌陷相對較難，砂類土則相對容易。

（2）土層結構

土層結構一般分為一元結構（A 或B 型）、二元結構（AB 或BA 型）和多元結構（MA）等3 種類型。一元結構多為坡積殘積成因的黏土，厚度一般較薄。二元結構和多元結構多由黏土層、砂卵石層交互組成，厚度一般較大。相同動力條件下二元結構和多元結構產(chǎn)生塌陷要比一元結構容易。工程區(qū)所處的舊縣—羊婁塌陷區(qū)多以二元結構的土層為主，其分布特征如表2所示。

表2 巖溶塌陷區(qū)覆蓋層特征統(tǒng)計表

（3）土層厚度

工程區(qū)覆蓋層總厚度2～28 m，厚度由北向南逐漸變薄。統(tǒng)計分析顯示，工程區(qū)約4%的塌陷點覆蓋層厚度小于5 m，約26%的塌陷點覆蓋層厚度5～10 m，約68%的塌陷點覆蓋層厚度10～25 m，僅2%的塌陷點覆蓋層厚度大于25 m。上述數(shù)據(jù)表明塌陷形成的臨界條件與土層厚度并無明顯的關系，但卻對塌陷規(guī)模及塌陷的時間點有較大影響。土層厚度越小，塌陷規(guī)模較小，土層厚度越大，孕育塌陷的時間周期越長，但形成的塌陷規(guī)模則顯著變大。

3.1.3 地下水動力條件

地下水是引發(fā)巖溶塌陷最直接的動力條件。首先巖溶空腔中負壓的產(chǎn)生多是由于地下水位的波動引起，其壓力大小與地下水位波動幅度、流動速度及上部覆蓋層性質有關，空腔中的負壓會加快上部地下水的滲流速度，并補給下部巖溶含水層，上部孔隙水及下部巖溶水聯(lián)系顯著加強，提高了在空腔開口附近土層的水力坡度，當水力坡度大于土體臨界水力坡度時，土體發(fā)生滲透變形破壞。另外，人工開采地下水也是影響地下水變幅及其與基巖面關系的關鍵因素，工程區(qū)地下水位受舊縣水源地開采影響明顯，通過對比分析區(qū)內地下水位歷史數(shù)據(jù)，1988-2005年為舊縣水源地人工開采高峰期，平均開采量達4.2～4.8 萬m3／d，地下水位持續(xù)在基巖面上下波動，致使巖溶塌陷從盛發(fā)期經(jīng)歷至持續(xù)發(fā)展期到最后的高發(fā)期。

3.1.4 大氣降水

大氣降水到達地表后，部分形成地表徑流，部分蒸發(fā)，部分通過巖層和土層的孔隙或裂隙滲入地下補給地下水。若大氣降雨長期入滲，滲流強度及潛蝕作用相應增大，快速加重土壤濕度及重力，同時水流使土體摩擦力變低導致土層失衡。另外極端降雨易導致地表水位快速上升，地表水流同步加速巖溶水的地下流動，表水入滲使地下水位快速升降，由此產(chǎn)生的一系列壓力效應誘發(fā)塌陷的產(chǎn)生。工程區(qū)內已發(fā)生的巖溶塌陷80%均出現(xiàn)在汛期，尤其是在大型暴雨之后。

3.2 巖溶塌陷風險性評估指標

本文擬選取巖溶發(fā)育程度、地下水動力條件、覆蓋層特征和歷史條件4 項一級因子，再對各一級因子進行細化、篩選，最終選取基巖巖性（K1）、地質構造（K2），土層結構（Q1）、土層厚度（Q2），地下水年變幅（W1）、地下水位與基巖面的關系（W2）、地下水開采模數(shù)（W3）及與已知塌陷點距離（D1）等8 項二級指標因子作為本次評價工作的參評因子。巖溶塌陷風險性評估層次結構模型如圖4所示。

圖4 巖溶塌陷風險性評估層次結構模型圖

3.3 計算評價指標權重

在本文構建的巖溶塌陷風險性評估模型中，通過對影響巖溶塌陷風險性評估的關鍵影響因子進行層次劃分，確定相應的目標層、準則層和子準則層，如圖4所示。采用Saaty 提出的9 級標度法［3］，根據(jù)巖溶塌陷發(fā)育的時間和空間規(guī)律，將各層次中的評價因素分析對比，得到判斷矩陣，計算確定評價指標的權重系數(shù)，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。

一致性指標CI 公式如下：

式中：λmax——判斷矩陣的最大特征根；

n——判斷矩陣的階數(shù)。

當判斷矩陣的隨機一致性比例CR 小于0.1 時，認為層次分析法確定巖溶風險性評估指標的主觀權重系數(shù)是合理的。否則需調整判斷矩陣的評價因子，重新計算，直至滿足一致性標準［4-5］。隨機一致性比例CR 公式為：

式中：RI——判斷矩陣的平均隨機一致性指標，RI 取值根據(jù)查表確定［6-7］。

通過計算，各指標權重取值如表3所示。

表3 巖溶塌陷風險評價指標權重表

3.4 巖溶塌陷風險性評估分區(qū)

基于李海良等［8］、陳學軍和羅元華［9］對巖溶塌陷風險性評估的研究成果，運用GIS 技術，通過室內遙感解譯、INSAR 變形監(jiān)測、LiDAR 微地貌識別等手段，在地面調查、鉆探及物探等野外工作基礎上，通過數(shù)值模擬分析不同來源數(shù)據(jù)并進行綜合處理，將巖溶塌陷的影響因素的8 項二級指標因子進行定量化打分，最大值取7，最小值取1，分別表示巖溶塌陷的高易發(fā)程度和低易發(fā)程度，各二級因子評價指標取值如表4所示。

表4 巖溶塌陷影響因素二級指標因子取值表

建立層次分析模型，對研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)程度進行評價分區(qū)，計算得到風險性指數(shù)F 值，并根據(jù)風險性指數(shù)F 值的大小確定巖溶塌陷風險性等級，劃分標準如表5所示。

表5 巖溶塌陷風險性分級標準表

魯南某高速鐵路某巖溶塌陷段里程范圍為DK 0+000～DK 7+290，根據(jù)巖溶塌陷風險性綜合評估得分，將評價區(qū)劃分為巖溶塌陷高風險區(qū)、中等風險區(qū)和低風險區(qū)，巖溶塌陷風險性預測評價結果如表6所示。

表6 巖溶塌陷風險性預測評價結果表

巖溶塌陷風險性等級劃分長度及占比如圖5所示。從圖5可以看出，巖溶塌陷段全長7.29 km，高風險區(qū)長度約3.44 km，占段落總長的47.2%；中等風險區(qū)線路長度約1.88 km，占段落總長的25.8%；低風險區(qū)線路長度約1.97 km，占段落總長的27.0%。

圖5 評估段巖溶塌陷風險等級長度及占比圖

4 巖溶塌陷防治對策

根據(jù)工程區(qū)內巖溶塌陷的特征、地質環(huán)境條件，本著經(jīng)濟合理、高效實用的原則，提出以下具體治理措施：

（1）工程區(qū)多位于巖溶塌陷高-中等風險區(qū)，因路基結構抵抗沉降變形的能力弱，建議線路采用樁基結構的橋梁通過。

（2）橋梁樁基布置應盡量避開已有土洞、塌陷坑及溶洞發(fā)育段，無法避免時應采取清除填堵、跨越、灌漿充填、深基礎等相應的治理工程措施。

（3）設計應適當加大橋梁樁徑，并植入完整基巖內一定深度，巖溶塌陷高風險區(qū)應對橋梁樁基進行抗傾覆能力檢算。

（4）巖溶地下水不合理開采，引發(fā)地下水位劇烈變化是誘發(fā)研究區(qū)巖溶塌陷的主要原因。應開展線路附近水源地及分散自備井等巖溶地下水安全開采的防控研究，制定地下水臨界水位，提出巖溶地下水限采或禁采措施，為線路工程的建設、安全運營提供地質依據(jù)。

（5）建立“高速鐵路運營期間監(jiān)測預警系統(tǒng)”，對巖溶塌陷、地下水位動態(tài)、路基沉降變形等進行監(jiān)測并及時預警。

5 結論

本文以魯南某高速鐵路某段線路巖溶塌陷為研究對象，研究分析工程區(qū)巖溶的發(fā)育形態(tài)及發(fā)育規(guī)律，基于GIS 技術，采用風險性指數(shù)法對工程區(qū)段的巖溶塌陷風險性進行了評估，并提出了巖溶塌陷防治對策，得出主要結論如下：

（1）此段線路巖溶塌陷的形成和分布主要受地層巖性、地質構造、覆蓋層結構及厚度、地下水、大氣降水、距已知塌陷點距離等因素的影響和控制，在綜合分析影響巖溶塌陷的巖溶發(fā)育程度、覆蓋層特征、地下水動力條件和歷史條件等基礎上，構建了完善的巖溶塌陷風險性評估層次結構模型，具有較高的可靠性和準確性，對魯南巖溶地區(qū)鐵路勘察設計和施工具有重要參考價值。

（2）工程區(qū)溶巖段全長7.29 km，高風險區(qū)長度約3.44 km，占段落總長的47.2 %；中等風險區(qū)線路長度約1.88 km，占段落總長的25.8 %；低風險區(qū)線路長度約1.97 km，占段落總長的27.0 %。

（3）此段線路多位于中等和高風險巖溶塌陷區(qū)，因路基結構抵抗沉降變形的能力弱，建議采用樁基結構的橋梁通過。規(guī)劃線路工程橋梁樁基應盡量避開已有土洞、塌陷坑及溶洞發(fā)育段，無法避免時應采取清除填堵、跨越、灌漿充填、深基礎等相應的治理工程措施。