新建鐵路路基巖溶洞穴的勘察與處理

［關(guān)鍵詞］鐵路路基；巖溶洞穴；勘察

1. 設(shè)計(jì)路基工程概況

南昌至黃山鐵路DK180+314.23-DK181+610.76段路基工點(diǎn)前接富林特大橋，后接林頭畈特大橋，雙線、無(wú)砟軌道，工點(diǎn)長(zhǎng)度1296.53 m（圖1）。該工點(diǎn)位于河流高階地區(qū)，地形平坦開(kāi)闊，地面標(biāo)高15～29 m，自然坡度小于5°，多辟為農(nóng)田、水塘、房屋，交通便利。路基中心最大挖深6.43 m，右側(cè)路塹邊坡最大高度10.14 m；路基中心最大填高6.34 m，右側(cè)路堤邊坡最大高度6.64 m。

2. 設(shè)計(jì)路段地質(zhì)情況

2.1地層情況

在河流階地，表層為第四系沖洪積層粉質(zhì)黏土，呈褐紅色、褐黃色，硬塑，土質(zhì)較均勻，局部夾少量礫石，具弱膨脹性。下部為沖洪積層含礫粉質(zhì)黏土，為褐黃色，硬塑，土質(zhì)不均一，含圓礫，礫石含量約占10% ～45%，粒徑5～20 mm，余為細(xì)砂、黏性土充填，局部夾有薄層細(xì)圓礫[1，2]，厚度4.7～17.0 m。在大里程，局部分布礫砂，為褐黃色，稍密，礫石成分主要為砂巖，多呈圓棱狀，一般粒徑5～20 mm，含量約50%，細(xì)砂，黏土填充。下伏基巖主要為砂巖、灰?guī)r。

DK180+314.23-DK181+560 段為砂巖，全風(fēng)化，棕紅色，巖芯呈土狀?yuàn)A強(qiáng)風(fēng)化碎塊，層厚3～12 m。

DK181+560至大里程路橋過(guò)渡段為灰?guī)r，強(qiáng)-弱風(fēng)化，可溶巖區(qū)沿節(jié)理裂隙溶蝕嚴(yán)重，局部呈串珠狀溶洞。

該段路基定測(cè)已實(shí)施的21 個(gè)鉆探孔均未揭示有洞穴。

2.2水文情況

地表水主要為水塘水，較發(fā)育。地下水主要為孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水，較發(fā)育，地下水水量受大氣降雨影響較大，水位埋深1.60～12.1 m。

勘探期間采集鉆孔附近水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，根據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10005J1167-2011）判斷：其中DK180+300-DK181+000段地表水具酸性侵蝕性，具二氧化碳侵蝕性，化學(xué)環(huán)境作用等級(jí)為H1，無(wú)鹽類結(jié)晶破壞作用，僅根據(jù)氯離子含量判定，水樣無(wú)氯鹽侵蝕性；地下水無(wú)侵蝕性，無(wú)鹽類結(jié)晶破壞作用，僅根據(jù)氯離子含量判定，水樣無(wú)氯鹽侵蝕性。其中DK181+000-DK181+600段地表水無(wú)化學(xué)侵蝕性，無(wú)鹽類結(jié)晶破壞作用，僅根據(jù)氯離子含量判定，水樣無(wú)氯鹽侵蝕性；地下水無(wú)侵蝕性，無(wú)鹽類結(jié)晶破壞作用，僅根據(jù)氯離子含量判定[3]，水樣無(wú)氯鹽侵蝕性。

3. 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭示及地質(zhì)補(bǔ)勘情況

3.1現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭示情況

2020年5月7日在路基DK180+314.23-DK180+840段現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)挖至基底后，發(fā)現(xiàn)有洞穴，且局部地段存在塌陷現(xiàn)象，共發(fā)現(xiàn)5個(gè)洞穴（圖2）。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，洞穴均發(fā)育于含礫粉質(zhì)黏土層，且局部圓礫層已膠結(jié)成半成巖，因連續(xù)降雨，導(dǎo)致一塌陷洞內(nèi)積水嚴(yán)重，附近積水均流向該塌陷洞，故推測(cè)該圓礫層滲透性好。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，洞穴一般長(zhǎng)寬1～2 m，高0.5～1 m，洞內(nèi)無(wú)充填，有過(guò)水痕跡。因受雨季連續(xù)強(qiáng)降雨影響，現(xiàn)場(chǎng)顯現(xiàn)的洞穴因施工臨時(shí)排水及回填已被破壞[4]。

在DK180+840-DK181+DK181+610.67區(qū)段，8月開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)洞穴發(fā)育，且局部地段存在塌陷現(xiàn)象，共發(fā)現(xiàn)3處洞穴。

其中，DK181+125段：右偏5.4 m，高程36.1 m，洞深約1.7 m；DK181+250段：坡腳偏距-9.7m，高程35.26m，洞口1 m左右見(jiàn)方；DK181+280段：右偏4.8 m，高程36.2 m，洞深約1.2m。

3.2地質(zhì)補(bǔ)勘情況

為查明洞穴分布范圍及深度，以便為設(shè)計(jì)提供專業(yè)明確的處理措施，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況，采用物探探測(cè)結(jié)合鉆探驗(yàn)證的綜合勘探手段進(jìn)行地質(zhì)勘察工作。針對(duì)地形地質(zhì)條件及洞穴的特點(diǎn)，物探采用瞬變電磁法（TEM）、電磁波反射法開(kāi)展工作，然后對(duì)物探異常進(jìn)行代表性地質(zhì)鉆探驗(yàn)證[5]。

（1）物探

沿線路布置測(cè)線11條，測(cè)點(diǎn)采用RTK放樣，點(diǎn)位誤差小于0.2 m。瞬變電磁法共計(jì)布置并完成測(cè)線6條，總長(zhǎng)度2620 m，共計(jì)完成有效測(cè)點(diǎn)數(shù)535個(gè)，檢查點(diǎn)30個(gè)，典型物探成果如圖3所示；探地雷達(dá)電磁波反射法共計(jì)布置并完成測(cè)線5條，總長(zhǎng)度1600 m，檢查線長(zhǎng)度100 m。

（2）地質(zhì)鉆探

針對(duì)DK180+345-DK180+840段路基基底物探異常點(diǎn)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，共布置9孔，鉆探工作于2020年7月13日開(kāi)始，2020年8月2日結(jié)束，完成9孔124.0 m。為進(jìn)一步驗(yàn)證下部基巖巖性，對(duì)其中3孔加深至65m，地層巖性為砂巖及板巖，為非可溶巖[6]。

針對(duì)DK180+840-DK181+610.76 段路基基底物探異常點(diǎn)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，共布置16孔，鉆探工作于2020年8月9日開(kāi)始，2020年8月14日結(jié)束，完成16孔270.00m。揭示地層與原地質(zhì)資料基本相符，水位高程36.3～37.5 m。

鉆探過(guò)程中無(wú)掉鉆情況發(fā)生，但在同一地層鉆探時(shí)存在軟硬不均，局部進(jìn)尺較快現(xiàn)象。

4. 地質(zhì)分析及結(jié)論建議

4.1分析

綜合現(xiàn)場(chǎng)踏勘、調(diào)查訪問(wèn)，該段路基范圍內(nèi)未有礦產(chǎn)開(kāi)采及人工開(kāi)挖情況，且當(dāng)?shù)?0歲以上的老人均稱該高階地為“老鼠洞”（即該路基范圍內(nèi)洞穴）。根據(jù)洞穴發(fā)育情況，主要為含礫粉質(zhì)黏土中細(xì)顆粒在地下水作用下流失后形成；此外，因部分圓礫為灰?guī)r（現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)部分礫石及礫石間充填物滴鹽酸后起泡劇烈），礫石溶蝕后亦會(huì)形成少量小洞穴加劇洞穴發(fā)育。

綜合分析物探成果剖面及現(xiàn)場(chǎng)已揭示空腔發(fā)育位置推斷，基底空腔主要分布在含礫粉質(zhì)黏土層中或其與基巖分界線以上。該段路基基底洞穴延展范圍較小，充填物的物性特征與周圍地層差異較小。

根據(jù)物探異常，對(duì)其中25處進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證。鉆孔揭示地層巖性主要為上部為含礫粉質(zhì)黏土，下部為砂巖風(fēng)化層?？碧竭^(guò)程中無(wú)掉鉆情況發(fā)生，但在同一地層鉆探時(shí)存在軟硬不均，局部進(jìn)尺較快現(xiàn)象[7]。

鉆探結(jié)合物探分析和物探異常范圍，為進(jìn)一步查明地質(zhì)鉆孔中鉆進(jìn)較快地段是否為洞穴，又在其埋深較淺的地方采用現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的方式進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)較快處確實(shí)為洞穴，有泥和水從洞中涌出，洞頂并伴有輕微塌落及掉塊現(xiàn)象。由于大多數(shù)鉆探異常埋深較大，不可能全部開(kāi)挖驗(yàn)證，故將鉆進(jìn)較快地段視作洞穴區(qū)域。

4.2結(jié)論及建議

（1）DK180+314.23-DK181+610.67段路基地下洞穴具有規(guī)模小、分布、延伸方向無(wú)規(guī)律等特點(diǎn)。

（2）根據(jù)調(diào)查、物探、鉆探及機(jī)械開(kāi)挖情況分析，洞穴分布在上部含礫粉質(zhì)黏土中。含礫粉質(zhì)黏土層在地下水循環(huán)作用下，其中的細(xì)顆粒被流動(dòng)的地下水帶出形成洞穴，隨著時(shí)間推移仍存在發(fā)育的可能。

（3）含礫粉質(zhì)黏土普遍具膨脹性，不宜做路基填料。

（4）建議對(duì)含礫粉質(zhì)黏土層采取穩(wěn)妥的加固處理措施。

鑒于地下洞穴屬于疑難不良地質(zhì)，具有洞穴大小、分布、延伸方向等無(wú)規(guī)律的特點(diǎn)，建議路基基底地下洞穴處理方案主要采用高樁板結(jié)構(gòu)加固方案結(jié)合開(kāi)挖換填。

（5）為獲得鐵路運(yùn)營(yíng)期間沉降變形情況，實(shí)時(shí)掌握變形狀態(tài)，建議增加沉降變形自動(dòng)觀測(cè)，起到安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警的作用[8]。

（6）施工開(kāi)挖過(guò)程中加強(qiáng)地質(zhì)核查，尤其是洞穴發(fā)育情況、土石界面情況等，根據(jù)核查情況動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)。