蒙發(fā)強(qiáng)，蒙學(xué)禮，李渙森，劉振龍，彭鵬程

(1.廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊(duì)，廣西 南寧 530000；2.廣西第一地質(zhì)工程公司，廣西 南寧 530000)

0 引 言

研究區(qū)于1938年始建站，至今已運(yùn)行80多年，站內(nèi)原有正線2條。2012年開(kāi)始對(duì)研究區(qū)進(jìn)行擴(kuò)能改造工程施工，改造后車(chē)站內(nèi)原有的正線變?yōu)?條，其中有2條線為原正線左側(cè)新建，以填方為主，填方高度為0～4 m。線路兩側(cè)，房屋密集，既有鐵路分布，附近公里路網(wǎng)又縱橫交錯(cuò)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地貌

地貌上該站所處位置為溶蝕侵蝕谷地地貌，谷地狹長(zhǎng)，地勢(shì)總體為北高南低，相對(duì)平緩。自然坡度5°～10°，相對(duì)高差小于10 m。

1.2 地層巖性

出露的地層主要有泥盆系上統(tǒng)(D3)及第四系全新統(tǒng)(Q4)，地層巖性特征從老至新分別為：

泥盆系上統(tǒng)(D3)，巖性主要為灰?guī)r夾白云巖，灰色、灰白色、深灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚-厚層狀，局部夾薄層狀，巖質(zhì)較硬，性較脆。山丘包表面可見(jiàn)有溶蝕凹槽，局部發(fā)育有溶洞。巖體裸露地表，廣為分布。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)構(gòu)造多呈北東南西向，山體基巖裸露，代表性巖層產(chǎn)狀為：N30°E/7°SE，巖層節(jié)理較發(fā)育，主要有：N74°E～E-W/90，N41°W～S-N/90，節(jié)理延伸性較好，呈微張-張開(kāi)型，內(nèi)無(wú)充填物。研究區(qū)東西兩側(cè)發(fā)育斷層有靈川大斷層、太平圩斷層及蘆笛斷層，褶皺有猴山背斜，且靈川大斷層為來(lái)賓—桂林大斷裂之北延伸部分，屬壓性斷裂。斷裂錯(cuò)斷地層有上泥盆統(tǒng)至下石炭統(tǒng)，并多處被第四系掩埋。斷面走向北東40°，傾角為45°～70°，斷面呈微舒緩狀延伸。斷裂垂向位移1～1.2 km，破碎帶中常見(jiàn)碎裂巖、硅化帶和擦痕等，影響帶寬度可達(dá)5 km，研究區(qū)位于靈川打斷層的東南面約2.5 km，位于破碎帶影響范圍內(nèi)。

1.4 巖溶發(fā)育情況

研究區(qū)的地表山丘包表面可見(jiàn)溶蝕凹槽、石芽、溶隙等巖溶現(xiàn)象；下伏基巖為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，中厚層夾薄層狀。巖溶較發(fā)育，主要為裂隙及溶洞，溶洞規(guī)模大小不一，埋深深淺不同，溶洞大多有充填、半充填，少量為空洞。

為查清研究區(qū)巖溶發(fā)育情況，采用2種物探手段對(duì)巖溶發(fā)育情況做勘查。

(1)采用地質(zhì)雷達(dá)與地震映像法對(duì)車(chē)站進(jìn)行物理探測(cè)時(shí)，DK368+280～DK371+195.5段存在隱伏溶洞及巖溶裂隙。根據(jù)鉆孔所揭露巖芯驗(yàn)證，研究區(qū)域最小覆蓋厚度1 m，最大覆蓋層厚度14 m，平均覆蓋層厚度8.62 m，土巖接觸面起伏較大，157個(gè)鉆孔中見(jiàn)溶洞數(shù)為84個(gè)，見(jiàn)洞率53 %，見(jiàn)土洞數(shù)為6個(gè)，見(jiàn)土洞率為6.5 %。

(2)采用多道地震面波以及地質(zhì)雷達(dá)法(400 MHz)進(jìn)行勘探，測(cè)線沿鐵路沿線左右兩側(cè)路肩布置，拉通全部檢測(cè)。根據(jù)物探初步結(jié)果布設(shè)34個(gè)鉆探取芯、注水試驗(yàn)孔進(jìn)行驗(yàn)證：

物探結(jié)果顯示：K353+170～K354+360巖溶較發(fā)育，取芯揭示巖溶發(fā)育范圍大，均為半充填、充填型溶，局部存在空洞及土洞，并且與路基軟弱土體存在一定連通性，仍存在易塌陷區(qū)異常。K354+360-K355+160段巖發(fā)育深度以及規(guī)模相對(duì)較小，K355+160-K356+200巖溶不發(fā)育。

施工34個(gè)鉆孔驗(yàn)證，其中17個(gè)鉆孔遇溶洞(其中1個(gè)為土洞)，見(jiàn)洞率為47 %，處于30 %～60 %之間，據(jù)DBJ∕T45-066—2018規(guī)范劃分研究區(qū)巖溶發(fā)育程度為中等發(fā)育。

此外，對(duì)該區(qū)段檢測(cè)孔進(jìn)行了注水試驗(yàn)，強(qiáng)透水(滲透系數(shù)>10 m/d)的孔有3個(gè)，中透水(滲透系數(shù)1 m/d

2 巖溶塌陷發(fā)育特征及孕育條件

2.1 研究區(qū)塌陷史

根據(jù)歷次塌陷記錄表顯示，自1996年至2016年11月，約20年間共發(fā)生28次塌陷，塌陷規(guī)模大小不一，最小平面尺寸規(guī)模為0.5 m×0.1 m，最大為規(guī)模為4 m×3 m×4 m，塌陷主要分布在鐵路中間或者兩側(cè)。

2.2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

2.2.1 研究區(qū)水文地質(zhì)單元及特征

研究區(qū)周?chē)粠У孛簿坝^為大型巖溶谷地，分水嶺橫穿谷地，地形微起伏，地表分水嶺不太明顯，基巖構(gòu)造裂隙發(fā)育較密，尤其是背斜軸部，縱張裂隙的線裂隙率可達(dá)7～10條/m，共軛節(jié)理的線裂隙率可達(dá)3～6條/m。鉆探揭示，地面下100 m裂隙仍然發(fā)育。分水嶺地帶巖溶較發(fā)育，地下溶洞高1～2 m，鉆孔涌水量達(dá)980 t/d，地下水豐富。

研究區(qū)分水嶺地帶水力梯度比其它巖溶區(qū)更為平緩0.001?？菟?，漓江流域水利坡度為0.000 7～0.000 8，柳江流域水利坡度為0.000 8～0.000 9；豐水期，漓江流域水利坡度為0.000 4左右，柳江流域水利坡度為0.000 4～0.000 5。區(qū)域分水嶺迫近漓江的原因是柳江支流洛清江朔源侵蝕造成的，上更新世以來(lái)，羅錦一帶比桂林一帶下降幅度達(dá)10 m左右，由此推論，研究區(qū)原來(lái)可能是屬于漓江水系的一個(gè)水文地質(zhì)單元，研究區(qū)以東為巖溶山地補(bǔ)給區(qū)，西側(cè)為碎屑巖補(bǔ)給區(qū)，只是由于后來(lái)分水嶺由南向北變遷而造成區(qū)域分水嶺地帶水力梯度極平緩，而當(dāng)今區(qū)域分水嶺地下巖溶較發(fā)育，是由于繼承和發(fā)展過(guò)去研究區(qū)附近一帶補(bǔ)給、徑流區(qū)的地下巖溶發(fā)育特征。研究區(qū)一帶地貌具有利的匯水條件，水力梯度平緩，加上地表水的補(bǔ)給，故地下水水量豐富。

2.2.2 研究區(qū)地表水、地下水補(bǔ)逕排分析

研究區(qū)地處巖溶侵蝕谷地，地勢(shì)東北高西南低，沿廟頭—黃村—馬面坡一線為碳酸鹽巖巖溶水的分水嶺，西側(cè)地下水向西南方向徑流，排泄至運(yùn)貴河；東側(cè)地下水向東北方向徑流，排泄至漓江。研究區(qū)分水嶺地面高程約156 m，運(yùn)貴河最低排泄基準(zhǔn)面地面高程約151.9 m，相對(duì)高差較小，故研究區(qū)無(wú)論是線路縱向方向還是線路橫斷面方向，地下水徑流的水力坡度都較緩，總體流向?yàn)橛删€路小里程向大里程徑流(地下水向南西方向徑流)，排泄至運(yùn)貴河。此外，區(qū)域工程人類(lèi)活動(dòng)中存在較多的地下水抽排點(diǎn)，人工開(kāi)采方式排泄。

2.2.3 地表抽排水點(diǎn)調(diào)查

2014年9月26日—28日，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)附近基坑排水、工業(yè)抽水井位置及抽水量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。2016年5月，在原調(diào)查基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)充調(diào)查。根據(jù)歷年塌陷分布位置及抽水點(diǎn)，2011年4月—8月時(shí)間段發(fā)生3處塌陷、2012年2月—11月時(shí)間段發(fā)生7處塌陷、2014年6月—12月時(shí)間段發(fā)生3處塌陷和2018年11月發(fā)生1處塌陷，附近有多個(gè)地下水抽排點(diǎn)，地下水水位變化幅度較大。

2.2.4 相關(guān)參數(shù)

(1)土層厚度

根據(jù)歷次注漿鉆孔分析可得，本站覆蓋層上部為0～4 m人工填土，最厚達(dá)8.5 m；下部由于基巖面起伏不定，黏土層一般厚4～13 m，最薄處2 m，局部溶槽最厚達(dá)20.5 m。

(2)地下水位

測(cè)區(qū)地下水類(lèi)型主要為第四系孔隙水及巖溶水。孔隙水主要賦存于上部黏土層中，水量較??；巖溶水主要賦存于灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r巖溶裂隙、溶洞間，含水巖組儲(chǔ)水能力強(qiáng)，富水性好，水量較大。地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，徑流途徑好，主要以人工開(kāi)采方式排泄及向運(yùn)貴河排泄。根據(jù)檢測(cè)，5月下旬地下水位在0.9～1.9 m，地下水水位埋藏深度較淺，水位隨季節(jié)性變化波動(dòng)。

(3)滲透系數(shù)

研究區(qū)2017年共完成取芯及注水試驗(yàn)孔34個(gè)，強(qiáng)透水(滲透系數(shù)K>10 m/d)的孔有3個(gè)，中透水(滲透系數(shù)1 m/d

以最大影響結(jié)果計(jì)算，該次根據(jù)3個(gè)強(qiáng)透水孔的平均滲透系數(shù)(K平=13.76 m/d)計(jì)算抽水產(chǎn)生的影響半徑，見(jiàn)表1。外部工程施工抽水，水位降深5～20 m，地下水影響半徑128～514 m，降深越大影響半徑越大，且研究區(qū)基本在影響半徑范圍內(nèi)，說(shuō)明抽水活動(dòng)對(duì)研究區(qū)的地下水水位起伏變化影響大，起到控制水位升降及改變地下水徑流條件作用。

表1 外部施工抽水對(duì)鐵路路基的影響半徑Tab.1 Ranges of the railway subgrade affected by external construction pumping

2.2.5抽水致巖溶塌陷致塌機(jī)理分析

分析本次巖溶塌陷主要原因是地方抽排水引起土巖界面溶隙潛蝕作用強(qiáng)烈，溶隙不斷擴(kuò)大并向上發(fā)展造成覆蓋土層失穩(wěn)，地面塌陷。主要表現(xiàn)過(guò)程如下：

(1)由于研究區(qū)周邊近幾年大面積房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)，尤其是附近的房建基坑和立交橋施工，施工中的集中長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)抽地下水打破了本區(qū)原有地下水平衡條件，改變了地下水徑流條件，頻繁的抽停活動(dòng)導(dǎo)致地下水水位頻繁的升降，使得其在土石界面附近頻繁波動(dòng)。

(2)地下水徑流條件改變后，當(dāng)遭遇連續(xù)強(qiáng)降雨或人為集中強(qiáng)力抽排地下水時(shí)，地下水的坡降和流速增大，對(duì)土石界面裂隙通道中的松散物質(zhì)發(fā)生潛蝕作用，且近幾年降雨超過(guò)歷史記錄，地下水的潛蝕作用更加強(qiáng)烈。潛蝕作用使巖溶裂隙中的充填物被地下水不斷掏蝕帶走，開(kāi)始在覆蓋層底部的巖溶裂隙開(kāi)口處形成土洞，隨著覆蓋層中的地下水、地表水下滲的水流，不斷對(duì)土體進(jìn)行潛蝕作用，土洞不斷向上演展，當(dāng)?shù)叵滤谕潦缑娓浇黝l繁升降時(shí)，潛蝕作用更為強(qiáng)烈，土洞頂板支撐力不足以支撐土體自重時(shí)，造成土體失穩(wěn)，地表開(kāi)裂，頂板塌落，最終下沉或塌陷。

2.3 巖溶塌陷綜合成因分析

1)特殊巖溶水文環(huán)境及形成機(jī)制分析

研究區(qū)地區(qū)具有獨(dú)特的巖溶水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，極有利于巖溶塌陷發(fā)育，主要表現(xiàn)在：

(1)受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，網(wǎng)絡(luò)狀巖溶管道發(fā)育：屬?gòu)V西山字型構(gòu)造前弧東翼桂林弧形斷褶帶北段，為北東向靈川大斷裂和南北向良豐大斷裂所形成的斷陷區(qū)，這兩條斷裂是桂林地區(qū)著名的大型斷裂，斷陷地塊巖溶發(fā)育特色明顯：①是地下巖溶管道呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化；②是深部巖溶發(fā)育，巖溶發(fā)育深度達(dá)百米。

(2)灰?guī)r質(zhì)純層厚，有利巖溶發(fā)育：下伏地層為泥盆系融縣組(D3r)中厚層灰?guī)r，桂林地區(qū)絕大部分溶洞都分布在這套地層中，地下巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。為裂隙溶洞水含水層，地下水補(bǔ)給、儲(chǔ)存條件好，鉆孔通水量一般在1 000～4 000 m3/d。

(3)土層厚度薄、易潛蝕，有利塌陷形成：第四系松散堆積層主要為殘積層，以紅粘土為主，厚3～8 m，遇水易軟化，抗剪強(qiáng)度低，抵抗?jié)B透變形及塌陷的能力低，容易發(fā)生潛蝕，形成土洞與塌陷。

(4)研究區(qū)位于分水嶺附近，地下水位埋深淺，易受工程活動(dòng)影響：位于柳江水系和漓江水系分界處，屬柳江水系，為孤峰平原地貌區(qū)，水位埋深淺，一般1～7 m。

(5)工程活動(dòng)強(qiáng)烈：研究區(qū)周?chē)ㄔO(shè)發(fā)展迅猛，基坑和樁基施工點(diǎn)多面廣，受其影響，巖溶地下水位的急劇變化，容易誘發(fā)巖溶塌陷；鐵路橋涵施工震動(dòng)及強(qiáng)降水是導(dǎo)致施工期間局部發(fā)生塌陷的重要原因?；疖?chē)行駛過(guò)程中的振動(dòng)頻率和土體的自身的頻率一致時(shí)，可形成共振，增大土體的振幅，使得土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂隙，形成振動(dòng)。

2)房建基坑開(kāi)挖抽排地下水導(dǎo)致路基段地下水頻繁波動(dòng)，并沿下伏巖溶通道潛蝕上覆土層中細(xì)粒物質(zhì)，是導(dǎo)致巖溶塌陷的主要原因；此外抽水使得地下水疏干，水位下降，對(duì)上覆土洞形成真空吸食，增加垂向作用力，是導(dǎo)致巖溶塌陷的重要原因。

3)地下水在旱季、雨季發(fā)生周期性波動(dòng)，土石界面起伏較大，并沿下伏巖溶裂隙通道潛蝕上覆土層中細(xì)粒物質(zhì)，也是導(dǎo)致巖溶塌陷的重要原因。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，鐵路站位于強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)，地下水豐富，埋深淺，流動(dòng)性強(qiáng)，上覆黏土層較薄，地下水水位位于土層中，地下水年際變幅1～3 m，周?chē)こ淌┕ゎl繁，地下水抽排活動(dòng)強(qiáng)烈，列車(chē)通行長(zhǎng)期對(duì)地基土產(chǎn)生共振，使得土體振幅增大結(jié)構(gòu)受損，導(dǎo)致巖溶塌陷頻繁發(fā)生。通過(guò)對(duì)研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)單元及鐵路沿線兩側(cè)的地下水開(kāi)采情況調(diào)查，結(jié)合水文地質(zhì)鉆探、物探等手段進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該鐵路站的巖溶塌陷影響因素主要受地質(zhì)巖性、地質(zhì)構(gòu)造、列車(chē)振動(dòng)、沿線地下水抽排綜合影響，巖溶塌陷的機(jī)制總結(jié)為上覆土體受到鐵路振動(dòng)力使得土體結(jié)構(gòu)松動(dòng)裂隙擴(kuò)張；地下水抽排為地下水滲流潛蝕提供水動(dòng)力作用，起到削土失托增荷；地下水升降產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)綜合作用產(chǎn)生振動(dòng)致塌、重力致塌、潛蝕致塌、真空吸蝕致塌。