王延濤

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

山西中南部鐵路通道為我國(guó)首條30 t軸重的重載鐵路，西起山西瓦塘，東至山東日照港，全長(zhǎng)1 260 km，為我國(guó)東西部重要的能源通道。

線路自西向東橫穿泰萊盆地，泰萊盆地巖溶及巖溶塌陷發(fā)育，具有中國(guó)北方巖溶塌陷的典型特點(diǎn)[1-2]。

泰萊巖溶塌陷區(qū)，位于泰山、徂徠山山前沖洪積扇上，上覆10～30 m厚的第四系堆積物，下伏的寒武系、奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育，為隱伏巖溶。溶洞或暗河在一定條件下產(chǎn)生塌陷坑、地裂縫、地面沉降等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。

既有津浦鐵路泰安段長(zhǎng)期遭受巖溶塌陷威脅，自1979年以來長(zhǎng)年限速通過，經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)40余萬元，泰安站路基塌陷整治費(fèi)就達(dá)3 000萬元以上，嚴(yán)重影響線路運(yùn)營(yíng)安全[3-4]。

泰萊盆地巖溶分布特征及巖溶塌陷發(fā)育程度，控制線路走向及方案的可行性。為此，系統(tǒng)性地研究泰萊盆地巖溶分布特征及巖溶塌陷形成條件、形成機(jī)理，進(jìn)行平縱結(jié)合，對(duì)巖溶塌陷進(jìn)行時(shí)空分區(qū)[5]，對(duì)重載鐵路方案的選擇、運(yùn)營(yíng)及整治具有重要的實(shí)踐意義。

1 水文地質(zhì)與工程地質(zhì)背景

泰山、徂徠山、蒙山圈閉形成泰萊盆地，大汶河穿越其中，泰山、徂徠山巖性為太古界變質(zhì)巖，泰萊盆地基底為太古界變質(zhì)巖，沉積寒武、奧陶系地層，表層覆蓋第三、第四系松散地層(圖1)。

圖1 泰萊盆地地質(zhì)構(gòu)造

泰萊盆地地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隱伏斷層構(gòu)造發(fā)育，沿構(gòu)造地下水活躍，在灰?guī)r分布區(qū)形成巖溶發(fā)育區(qū)，溶洞一般發(fā)育在灰?guī)r頂板20 m深度內(nèi)[6-7](圖2)。

圖2 構(gòu)造綱要

泰萊盆地發(fā)育第四系沖洪積層孔隙潛水和基巖巖溶裂隙水。第四系潛水含水層為沙、礫土，埋深2～8 m，年變幅2～3 m，大氣降水補(bǔ)給。巖溶裂隙水，普遍在碳酸鹽巖內(nèi)發(fā)育，具承壓性；近期，隨著地下水開采水位開始下降，形成降落漏斗，局部水位逐漸脫離基巖頂板。山前第四系潛水補(bǔ)給巖溶水，大汶河排泄區(qū)巖溶水頂托排泄于第四系孔隙水，在降落漏斗區(qū)，第四系潛水垂直滲漏補(bǔ)給巖溶水[8-9]。

2 巖溶塌陷特征

泰萊盆地山前地面高程126～140 m，侵蝕基準(zhǔn)面(大汶河)高程90～110 m，侵蝕基準(zhǔn)面附近灰?guī)r易溶蝕，根據(jù)鉆孔資料，平均線巖溶率6.8%～10%以上，見洞率達(dá)80%，受構(gòu)造影響，巖體破碎，溶蝕裂隙網(wǎng)狀發(fā)育構(gòu)成強(qiáng)徑流帶，連通形成地下暗河(圖3)。

圖3 巖溶發(fā)育剖面

泰萊盆地巖溶在平面上分布于寒武、奧陶系沉積區(qū)，沿?cái)嗔褞?、河道走向分布；剖面上分布侵蝕基準(zhǔn)面高程90～110 m附近。發(fā)育程度按扇項(xiàng)區(qū)、扇中區(qū)、扇前緣區(qū)依次增強(qiáng)，靠近排泄區(qū)巖溶發(fā)育程度最強(qiáng)。地下水承壓狀態(tài)扇中區(qū)強(qiáng)、扇項(xiàng)區(qū)和扇前緣區(qū)相對(duì)減弱。補(bǔ)給方式扇項(xiàng)區(qū)第四系潛水補(bǔ)給，扇中區(qū)頂托排泄于第四系孔隙水，扇前緣區(qū)排泄于大汶河。

泰萊盆地巖溶發(fā)育，扇中區(qū)、沖積區(qū)巖溶侵蝕強(qiáng)，上覆隔水蓋層，地下水開采或礦山疏干排水導(dǎo)致地下水位變化，極易形成塌陷區(qū)(圖4)。泰安市由于地下水開采導(dǎo)致41處塌陷，面積達(dá)1.2 km2[10]；萊蕪市由于地下水開采及礦山疏干排水導(dǎo)致139處塌陷，面積達(dá)6 435 m2[11]。

圖4 易塌陷區(qū)分布示意

地面巖溶塌陷，上覆隔水蓋層破壞，地表水直接補(bǔ)給巖溶水，在河流交匯點(diǎn)巖溶排泄區(qū)形成巖溶天窗。泰萊盆地巖溶區(qū)主要發(fā)育泰安—省莊—邱家店天窗、大汶口天窗、樓德天窗、宮里天窗、萊蕪天窗，天窗沿地下暗河串珠狀展布，形態(tài)呈長(zhǎng)條形或橢圓形，尺寸幾十或上百米，分布如圖5所示。

圖5 易塌陷區(qū)分布

巖溶天窗災(zāi)害程度受控于地下水開采程度、地層巖性及地下水循環(huán)程度。泰安城區(qū)、泰安舊縣水源地地處斷裂構(gòu)造發(fā)育的扇中區(qū)，高強(qiáng)度取水，形成漏斗，巖溶塌陷嚴(yán)重，塌陷達(dá)21處，其中東羊樓塌陷坑長(zhǎng)軸35 m，短軸27 m，深24 m[5-6]。

3 巖溶塌陷形成條件及形成機(jī)理

20世紀(jì)60年代以前，泰萊盆地溶洞水水位高于基巖頂板20 m左右，巖溶水承壓托頂上部基巖，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

20世紀(jì)60年代以后，由于開采地下水，水位逐年下降。1976年以后，水位開始低于基巖頂板，地下水位在基巖頂板附近上下波動(dòng)，年變幅8～12 m，地面開始出現(xiàn)大量塌陷。

1982年以后，水位逐漸脫離基巖頂板，巖溶水托頂向上往第四系潛水排泄轉(zhuǎn)變?yōu)榈谒南禎撍蛉芏创怪睗B漏，潛蝕作用加強(qiáng)，塌陷頻率有所緩和。

20世紀(jì)60年代以來，泰萊盆地地面巖溶塌陷表現(xiàn)強(qiáng)烈，對(duì)比泰安城區(qū)、泰安舊縣水源地巖溶水動(dòng)水位與地面巖溶塌陷關(guān)系(圖6)，地面巖溶塌陷與地下動(dòng)水位相關(guān)性極強(qiáng)，在一定水位段內(nèi)塌陷強(qiáng)烈。

圖6 巖溶水動(dòng)水位與地面塌陷關(guān)系

進(jìn)一步對(duì)比巖溶水動(dòng)水位、地面巖溶塌陷次數(shù)、巖性關(guān)系揭示，巖溶水動(dòng)水位在基巖面附近波動(dòng)且潛水向下滲透時(shí)地面巖溶塌陷最為嚴(yán)重[12-14](圖7)。

圖7 巖溶水動(dòng)水位、地面塌陷次數(shù)、巖性相關(guān)圖

巖溶塌陷形成條件：地下溶洞發(fā)育，巖溶水動(dòng)水位在基巖面附近波動(dòng)，潛水向下滲透。

巖溶塌陷形成機(jī)理：上覆第四系堆積層脫水、真空吸蝕、巖溶水潛蝕、巖溶水沖刷等綜合作用所致。

4 工程地質(zhì)選線

山西中南部鐵路通道自西向東橫穿泰萊盆地，泰萊盆地巖溶分布及巖溶塌陷分布，控制著的線路走向及方案的可行性。

4.1 選線原則

泰萊盆地巖溶分布在盆地中心隱伏的寒武、奧陶系地層內(nèi)，線路應(yīng)盡可能繞避。

泰萊盆地巖溶塌陷主要分布在扇中區(qū)、沖積區(qū)，并形成巖溶天窗，線路應(yīng)盡可能繞避。

如線路必須穿越巖溶發(fā)育區(qū)，盡可能采用橋梁通過，當(dāng)采用路基通過時(shí)，需采用回填、蓋板、支頂、注漿等加固措施。

泰萊斷陷盆地為太古界片麻巖地層圈圍，泰萊盆地邊緣地處補(bǔ)給區(qū)，地下水循環(huán)弱，線路存在可以較好地繞避巖溶發(fā)育區(qū)的條件。

4.2 方案研究

(1)可研階段，受巖溶塌陷影響，研究了穿越巖溶塌陷區(qū)方案、繞避巖溶塌陷區(qū)方案(圖8)。

圖8 線路方案示意

穿越巖溶塌陷區(qū)方案：穿越巖溶塌陷嚴(yán)重區(qū)邊緣4 km，工程加固措施困難，質(zhì)量不可控，予以放棄。

繞避巖溶塌陷區(qū)方案：沿徂徠山北側(cè)的片麻巖地層走行，少量穿行在裸露的奧陶系灰?guī)r內(nèi)，完全繞避了巖溶天窗，規(guī)避了巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)[15]。

(2)定測(cè)階段，受泰山徂徠山國(guó)家級(jí)森林公園、汶河水系規(guī)劃影響，繞避巖溶塌陷區(qū)方案基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了徂徠山南側(cè)方案。

徂徠山南側(cè)方案：沿徂徠山南側(cè)的片麻巖地層走行，少量穿行在裸露的奧陶系灰?guī)r內(nèi)，在跨越汶河牛泉附近，線路緊鄰萊蕪天窗，鉆探揭示，溶孔溶隙相對(duì)較發(fā)育，大型溶洞不發(fā)育，出現(xiàn)巖溶塌陷可能性不大，采取適當(dāng)?shù)淖{處理即可保證工程質(zhì)量[16]。

4.3 施工及運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證

工程施工揭示，徂徠山南側(cè)方案大部分走行在變質(zhì)片麻巖地層內(nèi)，在牛泉附近發(fā)育溶孔及溶隙，未遇到大的溶洞，基底巖溶探測(cè)無溶洞發(fā)育，經(jīng)注漿處理可確保重載鐵路基礎(chǔ)穩(wěn)定安全。

山西中南部鐵路通道2014年12月開通運(yùn)營(yíng)以來，該段路基運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)未出現(xiàn)任何病害，為北方巖溶區(qū)工程地質(zhì)選線提供了成功案例。

5 結(jié)語

(1)泰萊盆地下伏寒武系、奧陶系灰?guī)r地層發(fā)育隱伏巖溶。

(2)泰萊溶塌陷區(qū)具有中國(guó)北方巖溶塌陷典型特征；地下溶洞發(fā)育，巖溶水動(dòng)水位在基巖面附近上下波動(dòng)，潛水向下滲透是產(chǎn)生巖溶塌陷的條件；上覆第四系堆積層脫水、真空吸蝕、巖溶水潛蝕、巖溶水沖刷等是巖溶塌陷的主要形成原因。

(3)巖溶天窗主要分布在扇中區(qū)、沖積區(qū)河流交匯處的巖溶排泄區(qū)內(nèi)。

(4)泰萊盆地邊緣地層主要為太古界片麻巖地層，地下水循環(huán)弱，線路只要沿山前走行，既可較好地繞避巖溶發(fā)育區(qū)。

(5)山西中南部鐵路通道沿徂徠山南側(cè)走行，大部分走行在變質(zhì)片麻巖地層內(nèi)，施工揭示僅在牛泉附近發(fā)育溶孔及溶隙，基底巖溶探測(cè)無溶洞發(fā)育，該段鐵路2014年12月開通運(yùn)營(yíng)以來，運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)，未出現(xiàn)任何病害。

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