山西中南部铁路通道岩溶路基塌陷性评价

2013-01-17王延涛曾宪明

铁道标准设计 2013年6期

王东,王延涛,曾宪明

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

山西中南部铁路通道在山东境内从鲁西南进入，横贯鲁中南，最东到达日照港。其中铁路线位途经莱芜、沂源等地，该地被誉为北方岩溶之乡，线路所经岩溶区域的塌陷性评价成为岩溶路基设计和施工的重要依据。

目前铁路工程中的岩溶路基评价方法分为半定量经验分析法与非确定性分析两大类。其中半定量经验分析法以类比法、普氏崩坏拱法、经验公式法及坍塌平衡法为主[1]。岩溶发育的不确定因素较多，定性分析法又需要积累较多工程经验，而公式法计算参数选取随意性较大，且工程设计人员对岩溶发育情况理解不同，往往造成单一定性分析的局限性和单一定量分析法计算结果的偏颇。由此笔者借鉴前人研究成果，采用地质分析法、指标评分法及厚跨比法相结合，评价铁路工程岩溶路基的塌陷性，评价结果既符合实际，又能为路基设计提供充分的依据，具有有较好的推广和借鉴价值。

1 岩溶塌陷形成机理分析[1]

1.1 覆盖性岩溶塌陷机理

主要表现为土洞塌陷，如图1所示。土洞形成的机制主要有以下几个方面：水文地质条件、工程地质条件、人为活动。土洞的形成、扩展，直至塌陷，是由多种因素共同作用的结果。

图1 土洞发育过程

1.1.1 水文地质条件

地表水浸泡增荷，降雨和灌溉使土体浸润、软化，强度大大降低，增加了土体的重量，造成土洞顶板的失稳、塌陷；另外，地表水通过覆盖层向下渗透的过程中，受渗透影响，会带走微细颗粒，破坏土体结构，对基岩面附近土层产生冲刷和淘蚀作用。由于地表水和地下水连通性较好，地下水位的波状起伏，产生潜蚀、失托加荷、负压吸蚀、气爆等作用，又加剧了地表水的下渗过程。水的循环过程成为岩溶塌陷的动力因素。

1.1.2 工程地质条件

主要体现为岩溶发育情况和覆盖层的工程性质。沿线岩溶发育程度在很大程度上影响了塌陷的规模；而地表覆盖层的厚度直接影响岩溶塌陷的几率。地表覆盖层越薄，越容易发生岩溶地面塌陷，覆盖层渗透性越强，潜蚀作用越强烈，越易发生塌陷。

1.1.3 人为活动

沿线附近矿山大强度排水，加剧地下水位波动并大幅度降低地下水位，加剧岩溶塌陷发展。人为机械振动效应和列车振动荷载也会导致地表岩溶塌陷。

1.2 裸露型岩溶塌陷

当潜埋的溶洞洞径较大且顶板较薄时，即厚跨比较小时，在地面荷载作用下导致顶板坍塌而产生地面塌陷。

裸露型岩溶地区，地下水普遍埋藏较深，岩溶塌陷的机理以降水入渗形成塌陷为主，即表水沿覆盖土下渗，当入渗水流具有一定的水头压力和流速时，会携带土体颗粒从岩溶通道流失，从而在覆盖土层中形成空洞发生塌陷。

2 岩溶塌陷评价依据

2.1 岩溶发育程度分类

岩溶发育的因素错综复杂，分类的方法也比较多。从工程角度出发，常采用按埋藏的条件分类和按岩溶发育强度分级的方法，详见表1[2]和表2[1，3]。

表1 岩溶按埋藏条件分类

表2 岩溶发育强度分类

注：参考《铁路工程不良地质勘察规程》中岩溶发育强度分类表与《地质灾害灾情评估理论与实践》中碳酸盐岩岩溶发育程度分级标志而得。

2.2 岩溶塌陷性评价标准

综合分析岩溶塌陷性的影响因素，将各种因素的影响权重以指标分的形式量化，划分为极易塌陷区、易塌陷区和不易塌陷区，岩溶塌陷性评价标准见表3[2]。

3 工程概况

该段岩溶路基位于山东省莱芜市方下镇吴小庄和双泉官庄间，地貌为山前冲积平原区，地势起伏较小，地面高程176.3～184.9 m，相对高差约8.4 m，地表植被发育。

表3 岩溶塌陷性评价标准

注：1.累计指标分≥90为极易塌陷区，71～89为易塌陷区，≤70为不易塌陷区；2.近期产生过塌陷区，累计指标分应为100；3.地表降水入渗致塌陷区，水的指标分为40。

路基工程地处中纬度区，属暖温带湿润、半湿润大陆性季风气候区，气候适宜，四季分明，雨量充沛。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季秋高气爽，冬季寒冷干燥。年平均降水量579.3 mm。

根据勘探资料显示，地表为第四系上更新统冲积(Q3al)粉质黏土层，下伏基岩为奥陶系马家沟组(O2m)灰岩，勘探孔内揭示有溶洞，主要分布在表面以下10～18.5m，溶洞厚度0.4～11.2 m不等，溶洞全充填或半充填黏性土，线性岩溶率为14.6%～34.07%。

该区地表水为沟渠灌溉地表水。地下水主要为孔隙潜水、碳酸盐岩类岩溶水。地下水稳定水位埋深7～27 m，地下水位高程164～185 m。线位走向如图2所示。

图2 线位走向示意

4 岩溶塌陷评价

4.1 岩溶路基塌陷性评价——地质分析法

线位近南北向通过莱芜盆地，经过低山丘陵区，山前冲积平原区。DK1010+290～DK1010+725走行于该向斜构造的西南翼，可溶岩为寒武系馒头组及毛庄组灰岩。莱芜盆地地下水补径排条件受构造、岩性、地形等因素的控制，太古界变质岩系分布在盆地北、东、南周边地区构成盆地的周边隔水边界，是地表水和地下水的分水岭。天然状态下，地下水的总体运动方向与地表水大体相似，即由周边地区向中部汇流，最终由牟汶河向西排泄出境。裂隙岩溶水的含水层主要为寒武-奥陶系地层，由于断裂的穿插、切割，地层被分为若干断块，断块之间形成水力联系。据区域水文地质资料，线位西侧汇集为石门水库，最终流向牟汶河。该段路基位于地下水径流区，形成水平及垂直径流带。总体上判断为岩溶中等～强烈发育区。

根据区域地质图线位附近孔隙水位在枯、丰期在151～158 m，岩溶裂隙水水位在枯、丰期在160～220 m，牟汶河沿岸枯、丰水期的水位高于牟汶河水位，表现为孔隙水向河排泄特点。该区地下水动态属降水入渗-径流型，地下水主要影响因素为降水量，由南而北沿地势径流，补给区水力坡度大，排泄区水力坡度小；根据牟汶河河道高程，如果向北排泄高程在151～152 m，如果向西排泄高程比151～152 m还低，因此，在160～220 m高程泥质充填的溶洞可能被带走，浅覆盖型溶洞存在塌陷可能。地下水等位线示意见图3，地下水运动示意见图4。

图3 地下水等水位线示意

图4 地下水运动示意

4.2 岩溶路基塌陷性评价——评分法

评分标准中，DK1 010+290～DK1 010+725，地下水稳定水位埋深7～27 m，地下水位高程164～185 m。故DK1 010+290～DK1 010+725段地下水在土石界面上下浮动，地下水指标为40分。土的性质与土层结构按照黏性土考虑，按10分考虑；土层厚度、地貌、岩溶发育程度分别按照标准给出相应指标。详细评分指标见表4。

根据评价标准评判出岩溶地面塌陷分析指标分为82，DK1 010+095～DK1 010+725段路基为易塌陷区。