柳 柳

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

廣清城際廣州北至清遠(yuǎn)段自廣州北站引出，途徑石陂、獅嶺、銀盞、龍?zhí)?，終至清遠(yuǎn)站，線路通過(guò)區(qū)域?yàn)閺V州市花都區(qū)及清遠(yuǎn)市。沿線主要地貌類型為沖積平原及剝蝕丘陵，其中平原區(qū)主要為花都盆地以及清遠(yuǎn)沖積平原。線路所經(jīng)平原區(qū)，廣泛分布著碳酸鹽巖層，主要為石炭系下統(tǒng)和泥盆系上統(tǒng)石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，其中發(fā)育著覆蓋型巖溶［1］。作為本線最主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象，巖溶對(duì)線路工程的安全產(chǎn)生較大的影響。

1 巖溶發(fā)育概況

沿線碳酸鹽巖地層下伏于第四系地層或年代較新的基巖地層下，發(fā)育的巖溶類型為覆蓋型巖溶，表現(xiàn)形式主要為溶洞。通過(guò)鉆探、物探等方法揭露，沿線巖溶發(fā)育程度具有明顯的區(qū)域性，其中花都區(qū)新華鎮(zhèn)、獅嶺鎮(zhèn)以及清遠(yuǎn)市大燕河兩岸為巖溶發(fā)育強(qiáng)烈地段。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露統(tǒng)計(jì)，全線灰?guī)r段鉆孔的見(jiàn)洞率約為37.9%，線形巖溶率約為13.3%。鉆孔揭露的溶洞一般為單層溶洞，單層溶洞的比例約占72.0%;單孔揭露的最多溶洞個(gè)數(shù)為6個(gè)。鉆探揭露沿線巖溶發(fā)育垂向范圍大，溶洞規(guī)模變化大，花都段揭露溶洞頂板埋深6.6～68.0 m，底板埋深7.2～75.7 m，溶洞洞徑范圍為0.2～29.1 m;清遠(yuǎn)段段揭露鉆孔揭露溶洞頂板埋深7.3～57.2 m，底板埋深9.1～70.9 m，溶洞洞徑范圍為0.3～30.4 m，溶洞發(fā)育隨著深度的增加而減弱。溶洞多為全充填，充填物一般為流—硬塑粉質(zhì)黏土、砂類土、礫石以及全風(fēng)化巖等，局部鉆孔揭露溶洞為空洞。

2 巖溶發(fā)育成因

巖溶是水對(duì)可溶性巖石的化學(xué)作用和機(jī)械作用以及這些地質(zhì)作用產(chǎn)生的水文現(xiàn)象、地貌現(xiàn)象的綜合［2］。巖溶發(fā)育受巖性、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素控制，其中巖性和水文地質(zhì)條件是巖溶發(fā)育必要因素，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)起到促進(jìn)巖溶發(fā)育的作用。

2.1 巖性

巖性是巖溶發(fā)育的內(nèi)因，廣清沿線巖溶發(fā)育于石炭系下統(tǒng)石磴子段(C1ds)和泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)灰?guī)r，其中石炭系石磴子段主要為灰黑、深灰色中厚層灰?guī)r，炭質(zhì)灰?guī)r;泥盆系上統(tǒng)天子嶺組主要為淺灰色薄層泥質(zhì)灰?guī)r、灰黑色厚層狀粉晶灰?guī)r、零星揭露硅質(zhì)灰?guī)r。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔揭露情況來(lái)看，質(zhì)純含雜質(zhì)少的灰?guī)r最易發(fā)育巖溶，炭質(zhì)灰?guī)r發(fā)育巖溶程度次之，泥質(zhì)灰?guī)r巖溶發(fā)育程度最弱，沿線僅零星揭露硅質(zhì)灰?guī)r，未揭露巖溶發(fā)育。

質(zhì)純灰?guī)r一般為粉隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，方解石的含量高，強(qiáng)度大，飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般大于40 MPa，達(dá)到硬質(zhì)巖—極硬巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，一般充填方解石脈，巖芯較完整，采取率一般超過(guò)70%，通水性好，巖溶易于發(fā)育。炭質(zhì)灰?guī)r隨著泥炭質(zhì)含量增加顏色變黑且強(qiáng)度減弱，飽和單軸抗壓強(qiáng)度范圍為20～50 MPa，一般為較軟巖—硬質(zhì)巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較脆，巖芯易形成片塊狀，泥炭質(zhì)含量增加，方解石的含量降低，巖溶發(fā)育較弱。泥質(zhì)灰?guī)r泥質(zhì)含量進(jìn)一步增加，強(qiáng)度較低，飽和單軸抗壓強(qiáng)度范圍為20～30 MPa，一般為較軟巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，但裂隙緊閉延長(zhǎng)較短，常有殘留黏土阻塞，使其透水性差，可溶性CaO/MgO的含量進(jìn)一步降低，可降至為33.15%［3］。硅質(zhì)灰?guī)r僅在清遠(yuǎn)大燕河南岸零星分布，乳白色，硅質(zhì)含量高，強(qiáng)度大，飽和單軸抗壓強(qiáng)度大于60 MPa，為極硬巖，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，巖芯完整性較好，巖芯采取率超過(guò)80%，未揭露巖溶。

2.2 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件是控制巖溶發(fā)育的必要因素之一，水量的大小決定溶解可用性物質(zhì)的能力，水的流動(dòng)性攜帶可溶性物質(zhì)，促進(jìn)了巖溶的進(jìn)一步發(fā)展。

廣清城際所經(jīng)花都區(qū)和清遠(yuǎn)市屬熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，地表水和地下水提供豐富的水量補(bǔ)給來(lái)源。沿線地表水系發(fā)育，河流均屬珠江流域，廣州市域和清遠(yuǎn)市河流分屬白坭河水系和北江水系。廣州市花都區(qū)境內(nèi)主要跨越天馬河支流大布河及大逕河，清遠(yuǎn)市境內(nèi)主要跨越銀盞河、大燕河［4］。地表河流的侵蝕作用，控制著巖溶發(fā)育的侵蝕基準(zhǔn)面，地表水系發(fā)育為地下水的補(bǔ)給和排泄提供場(chǎng)地，促進(jìn)地下水的流動(dòng)，加快溶解物質(zhì)的搬運(yùn)，進(jìn)而促進(jìn)巖溶發(fā)育。尤其是古河道地段，第四系地層厚度大，地下水富集且交替強(qiáng)烈，溶蝕發(fā)育。

廣清平原區(qū)沿線地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水，地下水位埋深一般0.5～5.0 m，年變幅1.0～2.0 m，地下水位的變幅以及兩類地下水之間的交替，加快了巖溶的發(fā)育。鉆孔揭露統(tǒng)計(jì)，首層溶洞的頂板距離巖土(巖性)分界面小于3 m，鉆孔比例約為74.8%，這與巖土(巖性)分界面地下水流動(dòng)性強(qiáng)，促進(jìn)巖溶發(fā)育密切相關(guān)。

2.3 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)巖溶發(fā)育起到控制和促進(jìn)作用。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成巖層變形和破壞，產(chǎn)生構(gòu)造裂隙，尤其是形成張性裂隙，為地下水的循環(huán)和流動(dòng)提供通道。

廣清城際鐵路所經(jīng)區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育有北東向、北北東向及東西向構(gòu)造形跡，花都區(qū)主要受花都復(fù)向斜控制，軸向?yàn)楸?5°～25°東，其中發(fā)育多個(gè)北北東方向的次級(jí)背向斜及多條破碎帶;清遠(yuǎn)范圍主要發(fā)育軸向北東東的清遠(yuǎn)向斜和走向北北東的龍?zhí)列鏀鄬?此外在花都區(qū)獅嶺至清遠(yuǎn)市龍?zhí)燎鹆陞^(qū)分布著燕山期花崗巖［1］。

褶皺軸部地應(yīng)力集中，裂隙密集，透水性強(qiáng)，有利于碳酸鹽巖的溶蝕和巖溶發(fā)育。背斜頂部的張裂隙寬度較大，向斜軸部、下部也有張裂隙，透水性強(qiáng)。因此，在褶皺區(qū)巖溶多具沿褶皺走向發(fā)育的特點(diǎn)，其軸部巖溶更發(fā)育。斷裂帶附近裂隙比較發(fā)育而密集，而橫切褶皺的斷層則錯(cuò)開地層，促進(jìn)彼此隔離的灰?guī)r條帶聯(lián)通［3］。此外，花崗巖在侵入過(guò)程中，造成巖性接觸帶地段巖性破碎甚至發(fā)生變質(zhì)作用，為地下水的流動(dòng)和貫通提供了條件。

3 廣清巖溶發(fā)育類型

巖溶是多種因素綜合作用的結(jié)果，在去除巖性這一內(nèi)在因素外，考慮到外因的控制作用，沿線的巖溶有以下幾種類型。

3.1 地下水作用型

地下水作為控制巖溶發(fā)育的最主要外因，是廣清沿線最為普遍的一種巖溶發(fā)育類型，其主要特征為:(1)地面上距離地表河流較遠(yuǎn)，地下水排泄距離長(zhǎng)。(2)灰?guī)r上地層一般是非可溶巖或第四系黏性土、砂類土層。(3)溶洞一般發(fā)育在巖土(巖性)分界面以下。

巖溶發(fā)育類型主要受到地下水活動(dòng)的影響，地下水以垂直運(yùn)動(dòng)為主，尤其在巖土或巖性接觸帶上，第四系松散巖類孔隙水與裂隙溶洞水交替強(qiáng)烈，促進(jìn)了巖溶的發(fā)育。

3.2 河流侵蝕型

該種巖溶發(fā)育類型主要分布于花都區(qū)新華鎮(zhèn)新都大橋兩側(cè)以及清遠(yuǎn)市大燕河兩岸，附近有或曾經(jīng)有較大河流(古河道)通過(guò)。其主要發(fā)育特征:(1)灰?guī)r基巖面起伏大，形成以河道為中心向兩側(cè)發(fā)展的漏斗型;(2)灰?guī)r基巖面上一般為典型的第四系二元結(jié)構(gòu);(3)溶洞發(fā)育的高程與相鄰礫砂層高程范圍基本一致，溶洞中一般含有充填物。

河流在沖切侵蝕過(guò)程中，溶解灰?guī)r，加快了地下水的排泄，為地下水與地表水的交匯提供便利條件，進(jìn)而促進(jìn)巖溶的發(fā)育。作為二元結(jié)構(gòu)的粗顆粒層，礫砂層一般處于河床底部，直接控制巖溶發(fā)育的高程。

3.3 巖體侵入型

這類巖溶發(fā)育類型包括大型巖體侵入型和巖脈侵入型兩種。

(1)大型巖體侵入型位于花都區(qū)獅嶺丘前，為燕山期花崗巖侵入泥盆系上統(tǒng)灰?guī)r中，在巖性接觸帶引起溶蝕巖溶發(fā)育。這類巖溶發(fā)育類型具備以下特征:(1)巖性分界面成鋸齒形，深度上形成灰?guī)r與花崗巖的交替，部分地段勘探深度內(nèi)未揭露完整灰?guī)r;(2)灰?guī)r中充填物為花崗巖全風(fēng)化層，接觸變質(zhì)作用，呈綠泥石化;(3)受到花崗巖侵入作用影響，灰?guī)r巖體破碎，同時(shí)灰?guī)r發(fā)生接觸變質(zhì)，具有明顯的大理巖化。

(2)巖脈侵入型位于清遠(yuǎn)市龍?zhí)琳?，為一輝綠巖脈侵入泥盆系上統(tǒng)灰?guī)r引起的巖溶發(fā)育(典型剖面見(jiàn)圖1)，具有以下特征:(1)巖脈侵入位置形成以全強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖為充填物的溶洞;(2)侵入巖脈上部灰?guī)r巖體破碎，巖溶發(fā)育;(3)侵入巖脈下部可揭露完整灰?guī)r。

圖1 巖脈侵入型巖溶剖面

該巖溶發(fā)育類型成因?yàn)榍秩霂r體(脈)侵入灰?guī)r地層，破壞灰?guī)r巖體的完整性，在不同巖性接觸帶引起巖體破碎，甚至發(fā)生變質(zhì)作用，在巖性接觸帶范圍內(nèi)地下水富集，進(jìn)而促進(jìn)巖溶發(fā)育。

4 巖溶工程地質(zhì)條件及工程措施建議

4.1 巖溶工程地質(zhì)條件

(1)沿線巖溶的主要表現(xiàn)形式為覆蓋型溶洞，鉆探揭露沿線巖溶發(fā)育深度范圍大，溶洞規(guī)模變化大，溶洞主要為全—半充填溶洞，局部為無(wú)充填溶洞，大部分地段巖溶對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性影響不大。

(2)巖溶地區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害為巖溶塌陷，對(duì)于淺部發(fā)育的巖溶，基巖與第四系之間水力聯(lián)系十分密切，當(dāng)強(qiáng)烈抽取巖溶孔洞裂隙水時(shí)，引起地下水位下降。上覆土層及巖溶裂隙通道中的充填物受到水流的沖刷疏通和潛蝕淘空作用，就會(huì)在第四系土層底部或土層中形成隱伏的溶洞，隨著溶洞逐漸向上擴(kuò)展，洞頂土體失去了重力平衡而下墜，地表發(fā)生開裂，繼而產(chǎn)生下沉、塌陷等［1］。廣清沿線巖溶地面塌陷穩(wěn)定性屬于“較不穩(wěn)定”(易塌陷)，巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性為“大”［5］。

(3)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段基巖面起伏大，部分地段發(fā)育土洞，上覆第四系地層中砂層厚度大，在鉆探過(guò)程中由于泥漿的循環(huán)作用，易引起砂層的流失，進(jìn)而引起孔壁的坍塌掉塊，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引起地表塌陷，在橋梁鉆孔樁施工過(guò)程中可能出現(xiàn)孔壁穩(wěn)塌陷、泥漿漏失等現(xiàn)象，可導(dǎo)致場(chǎng)地失穩(wěn)，進(jìn)而引起地表塌陷，存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)，并破壞土層承載能力。

(4)部分巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段，灰?guī)r基巖面起伏大，巖面傾斜，對(duì)橋梁工程樁基持力層的確定以及施工過(guò)程鉆孔灌注樁的成孔影響較大。

4.2 工程措施建議

(1)高架工程應(yīng)采取樁基礎(chǔ)，樁基穿透溶洞發(fā)育層，樁端置于厚度大于10 m的完整弱風(fēng)化灰?guī)r層中。地面和地下工程，應(yīng)根據(jù)溶洞發(fā)育情況進(jìn)行溶洞注漿處理。

(2)施工過(guò)程中，橋梁樁基施工應(yīng)注意漏漿引起的鉆孔孔壁失穩(wěn)進(jìn)而引起場(chǎng)地失穩(wěn)的情況，及時(shí)采用拋填黏土、片石或者鋼護(hù)筒等必要措施阻止?jié){液漏失，確保場(chǎng)地穩(wěn)定。

(3)對(duì)于基巖面起伏較大的樁基設(shè)計(jì)施工，應(yīng)確定合理的嵌巖深度，并在施工中及時(shí)進(jìn)行鉆孔修正，避免因?yàn)榛鶐r面傾斜造成鉆孔傾斜過(guò)大，影響成樁質(zhì)量。

(4)線路施工和建成后，應(yīng)嚴(yán)格控制線路沿線地下水抽取，避免發(fā)生巖溶塌陷對(duì)線路工程產(chǎn)生的影響。

［1］ 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司．廣州至清遠(yuǎn)城際軌道交通項(xiàng)目廣州北至清遠(yuǎn)段初步設(shè)計(jì)第四篇:地質(zhì)［R］．北京:中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2012

［2］ 鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院．鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1999:369-370

［3］ 董娜．花都地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律及影響和控制因素調(diào)查研究［J］．研究探討，2011，16(1)

［4］ 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司．廣州至清遠(yuǎn)城際軌道交通項(xiàng)目廣州北至清遠(yuǎn)段初步設(shè)計(jì)第九篇:橋涵［R］．北京:中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2012

［5］ 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，廣東省地質(zhì)建設(shè)工程集團(tuán)公司．廣東省廣州至清遠(yuǎn)城際軌道交通項(xiàng)目廣州北至清遠(yuǎn)段地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告［R］．廣州:廣東省地質(zhì)建設(shè)工程集團(tuán)公司，2012