廣花城際鐵路巖溶區(qū)巖土工程勘察探析

刁仁輝

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 引言

巖土工程勘察主要是運(yùn)用各種設(shè)備以及技術(shù)手段對(duì)項(xiàng)目施工區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，收集地質(zhì)、水文等相關(guān)資料，評(píng)估地質(zhì)條件是否滿足施工要求，并提出合理的建議措施[1]。廣州東至花都天貴城際鐵路（以下簡(jiǎn)稱廣花城際）方石站至線路終點(diǎn)段屬巖溶區(qū)，受廣花復(fù)式向斜影響，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，加之近年來該區(qū)域白云機(jī)場(chǎng)、武廣鐵路、地鐵、高速公路等各種大型工程建設(shè)，使地質(zhì)環(huán)境變得脆弱，因工程建設(shè)引起的巖溶地面塌陷、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。因此，做好廣花城際鐵路項(xiàng)目巖土工程勘察工作必須要重點(diǎn)關(guān)注巖溶問題，對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性以及適宜性做出客觀、準(zhǔn)確的判斷，并給出合理的措施建議。

2 項(xiàng)目概況

2.1 概述

廣花城際線路起于廣州東站，止于花城街站，正線全線長約39.6 km，采用地下敷設(shè)。新建7座車站，分別為京溪路站、白云東平站、白云城市中心站、方石站、鳳凰南路站、馬鞍山公園站、花城街站。新建應(yīng)湖線路所1座。線路設(shè)計(jì)速度160 km/h，與芳村至白云機(jī)場(chǎng)城際跨線運(yùn)營。線路下穿有武廣高鐵、京九鐵路、新白廣城際和地鐵9號(hào)線，沿線地表建（構(gòu)）筑物較多。

2.2 地質(zhì)條件

項(xiàng)目巖溶區(qū)沿線經(jīng)過地段總體地勢(shì)較為平坦，現(xiàn)狀地面高程5.90~17.96 m，地貌類型為廣花沖、洪積平原，基巖以石炭系（C）石灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主。區(qū)域內(nèi)斷裂以北東向?yàn)橹?，大部分?jǐn)嗔驯坏谒南蹈采w。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及初勘鉆探揭露情況，區(qū)域內(nèi)斷層總共有3條與線路相交：分別為F107（白坭塘斷裂）、F105（蓮塘斷裂）及鳳馬區(qū)間新揭露斷裂（F3），均屬于北東向雅吉嶺斷裂組[2]。

2.3 水文條件

場(chǎng)地范圍內(nèi)地表水發(fā)育，沿線下穿多處魚塘、新街河及雅瑤涌；場(chǎng)地地下水包括松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水。松散層類孔隙水賦存于第四系砂卵石層中，屬孔隙潛水，由于地層滲透性的差異，局部具承壓性?；鶐r裂隙水賦存于基巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中。巖溶水主要賦存于石炭系灰?guī)r中，以裂隙巖溶水、溶洞水為主。局部砂層和基巖直接接觸，水文地質(zhì)情況復(fù)雜。

3 項(xiàng)目巖土工程勘察任務(wù)及勘察方法

3.1 勘察任務(wù)

本次初步勘察階段巖土工程勘察的目的是初步查明沿線工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，分析、評(píng)價(jià)沿線區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性與適宜性，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的巖土工程問題，提出下一階段巖土工程勘察工作的建議。對(duì)巖溶區(qū)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3點(diǎn)：（1）初步查明巖溶洞隙及其伴生土洞和塌陷的分布、發(fā)育程度和發(fā)育規(guī)律，對(duì)擬采取施工方案進(jìn)行初步分析評(píng)價(jià)。（2）初步查明巖溶、土洞的分布范圍和特征，重點(diǎn)查明貯水構(gòu)造、巖體溶蝕程度、填充特征等。（3）評(píng)價(jià)巖溶的危害及可能帶來的工程風(fēng)險(xiǎn)，提出巖溶處理建議及下階段巖溶發(fā)育區(qū)勘察建議[3]。

3.2 勘察方法

本次勘察工作采用地質(zhì)調(diào)繪、鉆探與取樣、原位測(cè)試（包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、波速測(cè)試、電阻率測(cè)、土壤氡濃度測(cè)試等）、水文地質(zhì)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)等多種勘探手段相結(jié)合的綜合勘察方法。

4 項(xiàng)目巖溶區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性與適宜性評(píng)價(jià)分析

4.1 巖溶發(fā)育特征

本次勘察結(jié)果顯示：揭露可溶巖鉆孔476個(gè)，揭露到溶、土洞的鉆孔有239個(gè)；鉆孔見洞隙率為50.2%，整體屬于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育等級(jí)。巖溶發(fā)育規(guī)律具體如下。

4.1.1 平面發(fā)育特征

在本次勘察中，巖溶主要分布區(qū)域?yàn)槔锍蘗CK89+250~YCK90+800、YCK91+900~YCK93+300、YCK95+100~YCK95+900、YCK98+600~YCK99+200、YCK101+400~YCK101+700以及廣清聯(lián)絡(luò)線YCK4+100~YCK7+600。具體來說表現(xiàn)出3個(gè)特點(diǎn)：（1）在褶皺軸部及其周圍區(qū)域巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。本次勘察區(qū)域處于廣花復(fù)式向斜內(nèi)，巖石節(jié)理裂隙密集，尤其褶皺軸部裂隙更加破碎、開闊，透水性強(qiáng)，有利于溶蝕和巖溶發(fā)育。背斜頂部張裂隙寬度較大，分布深，巖溶以垂直形態(tài)為主。向斜軸部、下部也有張裂隙，且易積水。因此，在褶皺區(qū)巖溶多具沿褶皺走向發(fā)育的特點(diǎn)，尤其在軸部部位巖溶更發(fā)育。（2）區(qū)間流溪河古河道范圍巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，古河道范圍分布著深厚的砂層，并且與灰?guī)r直接接觸，地表水與地下水豐富且聯(lián)系密切，加劇溶蝕破壞。（3）斷裂帶周圍區(qū)域巖溶較為發(fā)育，斷層周圍區(qū)域裂隙密集，是地下水的良好通道，整體環(huán)境有利于巖溶發(fā)育[4]。

4.1.2 豎向發(fā)育特征

本次勘察共揭露溶、土洞456個(gè)，巖溶高度0.2~26.7 m，其中洞高＜2 m的占55.9%，洞高2~5 m的占29.7%，洞高5~10 m的占10.7%，洞高＞10 m的占3.7%。揭露到兩層及以上溶、土洞的113個(gè)孔，占揭露溶洞鉆孔總數(shù)的47.3%。揭露溶洞共430個(gè)：全充填溶洞156個(gè)，占比36.3%；半充填溶洞92個(gè)，占比21.4%；無充填溶洞182個(gè)，占比42.3%。揭露土洞共26個(gè)，其中，全充填土洞18個(gè)，占比69.2%；半充填土洞3個(gè)，占比11.6%；無充填土洞5個(gè)，占比19.2%。

揭露埋深淺于20 m的溶、土洞共89個(gè)，占19.02%，埋深在20~40 m的溶、土洞共310個(gè)，占66.24%，埋深＞40 m的溶、土洞共69個(gè)，占14.74%。溶、土洞數(shù)量與埋深關(guān)系如圖1所示。

圖1 溶、土洞數(shù)量隨埋深分布圖

從本次勘察結(jié)果來看，溶洞充填情況主要與溶洞的埋深和高度有關(guān)，若溶洞的高度較高，則其充填率也高；若溶洞的高度較低，則其充填率也較小。規(guī)模較大的溶洞中，地下水過水?dāng)嗝孑^大，流速較緩，導(dǎo)致水中攜帶的物質(zhì)大量沉淀，因此，其充填率較高；而規(guī)模較小的溶洞則充填率偏低。影響溶洞富水性的決定性因素是溶洞充填物的類型以及充填率。通常情況下，若充填物為黏土則富水性較小，充填物為砂性土次之，無充填物或者充填物少的溶洞富水性較高。巖溶發(fā)育受地下水動(dòng)力影響較大，通常情況下，埋深＜45 m的區(qū)域地下水活動(dòng)的特征為垂直運(yùn)動(dòng)，因此，巖溶發(fā)育特征也以垂直為主；埋深＞45 m的區(qū)域地下水活動(dòng)的特征為水平運(yùn)動(dòng)，因此，巖溶發(fā)育特征也以水平為主。在本次勘察活動(dòng)中，靠近地表的區(qū)域水動(dòng)力較大，因此，該區(qū)域內(nèi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育；而地表深處水動(dòng)力較小，因此，巖溶較為發(fā)育。

4.2 巖溶地面塌陷

本次勘察工作發(fā)現(xiàn)，巖溶地面塌陷災(zāi)害主要集中在淺覆蓋型巖溶區(qū)。造成塌陷的主要因素是工程施工活動(dòng)抽排水導(dǎo)致地下水位變化，水力坡度增加，打破了原有的徑流平衡以及巖溶水的狀態(tài)，對(duì)土層結(jié)構(gòu)造成了一定影響，進(jìn)而導(dǎo)致地下水滲透率增加，加劇了潛蝕、吸蝕以及沖刷作用，造成水土流失，最終導(dǎo)致地面塌陷[5]。從勘察結(jié)果來看，項(xiàng)目沿線巖溶區(qū)域溶洞、溶溝、基巖裂隙、土洞以及溶槽等相互連通，地質(zhì)條件、水文條件復(fù)雜，若后續(xù)施工過程中處理不當(dāng)，出現(xiàn)地面塌陷災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性較高，比如，鉆孔施工、機(jī)械振動(dòng)等均可能引發(fā)地面塌陷。

需要注意的是，在本項(xiàng)目后續(xù)施工中在穿越土洞、溶洞以及溶溝等巖溶發(fā)育地段前，必須要提前做好加固措施，可采用注漿填充、攪拌樁加固、冷凍法等方式，否則可能會(huì)造成地面塌陷、基坑突涌、盾構(gòu)機(jī)栽頭等安全事故。

4.3 場(chǎng)地穩(wěn)定性、適宜性評(píng)價(jià)

本次勘察揭示項(xiàng)目沿線區(qū)域巖溶、土洞分布較為廣泛，部分區(qū)域分布有深厚的砂層，初步評(píng)估項(xiàng)目沿線區(qū)域?yàn)閹r溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)。巖溶塌陷的主要是淺部巖溶、土洞發(fā)育導(dǎo)致。巖溶區(qū)受人為施工活動(dòng)影響，原本脆弱的水土平衡被破壞，加之機(jī)械振動(dòng)等外部因素?cái)_動(dòng)影響，造成巖溶地面塌陷。

經(jīng)過綜合評(píng)估認(rèn)為，沿線巖溶區(qū)整體屬于易塌陷區(qū)域，穩(wěn)定性較差，施工過程中造成經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)性高，并且一旦發(fā)生塌陷會(huì)對(duì)附近區(qū)域的建（構(gòu)）筑物、既有鐵路、市政道路、管線以及車輛行人造成嚴(yán)重威脅，巖溶地面塌陷對(duì)于本項(xiàng)目潛在的危險(xiǎn)性以及危害性較大。除此之外，巖溶地面塌陷事故還可能威脅到后續(xù)勘察、施工作業(yè)人員人身及設(shè)備安全?？傮w而言，巖溶區(qū)場(chǎng)地適宜性差，后續(xù)應(yīng)在進(jìn)一步查明巖溶的分布范圍、發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，采取針對(duì)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理有效的措施預(yù)防巖溶地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。場(chǎng)地屬穩(wěn)定性差場(chǎng)地，但經(jīng)治理后仍可作為建設(shè)用地。

5 關(guān)于項(xiàng)目后續(xù)地質(zhì)勘察工作的建議

1）綜合本次勘察結(jié)果，為了確保后續(xù)勘察、施工活動(dòng)的順利進(jìn)行，建議針對(duì)巖溶區(qū)域進(jìn)行專項(xiàng)勘察。具體可以采用鉆探、物探、原位測(cè)試等手段，對(duì)巖溶區(qū)域進(jìn)行綜合勘探，尤其對(duì)明挖基坑、暗挖聯(lián)絡(luò)通道的位置及其下穿道路、建筑物以及鐵路區(qū)域等風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域。

2）詳勘鉆孔布置間距建議為15~20 m，車站沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)及立柱樁布置，區(qū)間沿隧道兩側(cè)梅花形交錯(cuò)布置[6]。

3）施工勘察中，建議根據(jù)各工點(diǎn)見洞率布置不同密度的施工勘察鉆孔；基坑工程建議按面積密度控制呈方格網(wǎng)布置；隧道工程建議按長度布置在隧道中心線。施工補(bǔ)勘鉆孔布置應(yīng)結(jié)合既有初勘、詳勘鉆孔進(jìn)行綜合考慮。斷裂和地層分界線附近巖溶一般較為發(fā)育，可在施工勘察過程中根據(jù)鉆探揭示巖溶發(fā)育情況進(jìn)行適當(dāng)加密。施工勘察鉆孔布置建議見表1。

表1 施工勘察鉆孔布置建議

4）施工前應(yīng)綜合考慮各類風(fēng)險(xiǎn)防范措施，制訂巖溶地面塌陷專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案。

6 結(jié)語

巖溶對(duì)于地質(zhì)穩(wěn)定性的影響較大，可引發(fā)地面塌陷、地面沉降等多種地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)于勘察工作以及建設(shè)施工活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大不良影響。廣花城際鐵路沿線區(qū)域巖溶分布廣泛，并且?guī)r溶發(fā)育強(qiáng)烈，尤其在褶皺軸部及其周圍區(qū)域、流溪河古河道區(qū)域以及斷裂帶周圍區(qū)域，整體上穩(wěn)定性較差，屬于易塌陷區(qū)域，因此，后續(xù)地質(zhì)勘察工作仍需對(duì)巖溶區(qū)域開展進(jìn)一步的加密勘察和專項(xiàng)勘察，同時(shí)，在項(xiàng)目后續(xù)施工活動(dòng)中，針對(duì)巖溶區(qū)域必須采取針對(duì)性的處理措施，最大限度降低巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，保障施工活動(dòng)安全、順利進(jìn)行。