柳 柳 王 俊

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

廣花盆地位于廣州市北部,為一個(gè)北高南低、北北東向壟狀丘陵間隔分布的傾斜平原,是我國(guó)典型的覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)。該地區(qū)巖溶具有“上土下可溶巖”的地層組合特征,在地下水、外部載荷等作用下易引發(fā)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害。隨著在覆蓋型巖溶區(qū)工程建設(shè)的推進(jìn),已有學(xué)者通過分析鉆探數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)見洞率、巖溶率、溶洞規(guī)模以及充填物等信息揭示巖溶發(fā)育的強(qiáng)弱程度[1-6];在此基礎(chǔ)上,部分學(xué)者進(jìn)一步研究巖溶發(fā)育地段的巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件,總結(jié)不同因素對(duì)巖溶發(fā)育的影響規(guī)律[7-14]。隨著對(duì)巖溶塌陷機(jī)理研究的深入,羅小杰等建立了不同土層組合的巖溶塌陷類型,為評(píng)價(jià)巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)提供了新的思路[15-16]。另外,也有學(xué)者針對(duì)塌陷與儲(chǔ)運(yùn)條件-巖溶、塌陷物質(zhì)-覆蓋層以及塌陷動(dòng)力-地下水三大巖溶塌陷影響因素分析,評(píng)判巖溶塌陷的易發(fā)性等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后果等級(jí),為巖溶區(qū)工程建設(shè)選擇和塌陷災(zāi)害治理提供依據(jù)[17-19]。

結(jié)合珠三角城際鐵路新塘經(jīng)白云機(jī)場(chǎng)至廣州北項(xiàng)目白云機(jī)場(chǎng)至廣州北段(以下簡(jiǎn)稱新白廣城際白北段)工程建設(shè),通過研究區(qū)域地質(zhì)資料,結(jié)合鉆探和孔內(nèi)攝像等方法,對(duì)覆蓋層和基巖類型、溶洞發(fā)育位置和尺寸等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,總結(jié)巖溶平面和垂直分布特征,并進(jìn)行巖溶風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)價(jià),為隧道設(shè)計(jì)、施工和巖溶加固措施提供建議。

1 工程概況

新白廣城際鐵路自新塘站引入白云機(jī)場(chǎng),通過花都區(qū)平布大道后接入廣清城際廣州北站,其中白云機(jī)場(chǎng)至廣州北站段(白北段)受白云機(jī)場(chǎng)及花都區(qū)建設(shè)規(guī)劃要求,采取隧道形式通過。沿線下穿白云機(jī)場(chǎng)、大廣高速公路、G106國(guó)道、京廣客專、廣清高速公路、京廣鐵路等多處重要建筑物,設(shè)置機(jī)場(chǎng)T3、機(jī)場(chǎng)T1、機(jī)場(chǎng)T2、花山和天貴路5座地下車站,線路平面示意見圖1。

圖1 新白廣城際鐵路平面示意

2 地質(zhì)背景特征

在沉積作用和地質(zhì)構(gòu)造的控制下,廣花盆地呈現(xiàn)獨(dú)特的地形地貌、地層巖性、構(gòu)造體系和水文地質(zhì)特征,尤以東北部地區(qū)最為典型。

2.1 隴狀丘陵平原地貌

廣花盆地以北、東面低山丘陵為界,北東向南西傾斜的平原地貌特征,其間展布碎屑巖構(gòu)成的北北東向隴狀丘陵;沿丘間平原的地表河流自北向南分別匯入盆地邊緣的白坭河和流溪河。新白廣城際白北段整體近東西走向,大角度交替穿越隴狀丘陵、丘間平原及地表水體。

2.2 多重因素控制的第四系沉積作用

廣花盆地的第四系沉積作用受到新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地形地貌和河流的多重控制。在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下,盆地整體表現(xiàn)為北部抬升、南部下降,北向南呈山前沖洪積平原相-盆地中部河流沖積平原相-海沖積三角洲相逐漸過渡的變化特征;北北東向隴狀丘陵控制河流沉積作用向東西兩側(cè)擴(kuò)展的邊界;河流干流的沉積搬運(yùn)作用強(qiáng)于支流。

2.3 碎屑巖與碳酸鹽巖間隔分布

基巖地層在濱岸淺海碎屑沉積和淺海碳酸鹽臺(tái)地沉積的交替作用下,形成碎屑巖與碳酸鹽巖基巖地層間隔分布特征,沿線基巖類型及接觸關(guān)系見表1。

表1 沿線基巖分布及接觸關(guān)系

2.4 復(fù)向斜構(gòu)造體系

廣花盆地是由一套元古界地層為建造基底,古生界地層為蓋層,受北北東向構(gòu)造體系控制形成的凹陷區(qū),其中最主要的構(gòu)造體系為廣花復(fù)向斜。廣花復(fù)向斜是以平山向斜為中心,多個(gè)次級(jí)向斜和背斜組成的復(fù)雜褶皺,總軸向?yàn)楸北睎|向,其間發(fā)育多條順褶皺軸向和橫切褶皺軸向的張性斷裂。次級(jí)褶皺類型為寬展的箱狀向斜和梳狀背斜,向斜呈北東向收斂封閉、南西向散開,而背斜則北東端翹起、南西段傾伏。各基巖地層呈與褶皺軸部走向平行的雁行條帶狀分布特征,其中碳酸鹽巖構(gòu)成褶皺寬展的核部地層,而碎屑巖則構(gòu)成褶皺緊密的翼部地層(見圖2、圖3)。線路整體近東西向展布與褶皺構(gòu)造總體成大角度相交,碳酸鹽巖與碎屑巖交互出現(xiàn),碳酸鹽巖地段比例高達(dá)86.2%。

圖2 廣花復(fù)向斜東北部巖性地質(zhì)構(gòu)造綱要

圖3 A-B地質(zhì)剖面

2.5 孔隙水與裂隙溶洞水聯(lián)系密切

盆地北部普遍分布的粗礫砂層為裂隙水的主要儲(chǔ)水層,富水性中等,單位涌水量為0.17～0.43L/s·m;下伏碎屑巖形成相對(duì)隔水層,被其圈閉的碳酸鹽巖巖溶發(fā)育區(qū)賦存豐富的裂隙溶洞水,且差異性明顯,完整基巖地段涌水量小,而溶洞裂隙發(fā)育地段涌水量大,鉆孔抽水試驗(yàn)單位涌水量0.16～21.96L/s·m,線路臨近的新華水源地開采深部巖溶水單井最大出水量可達(dá)6600m3/d[20]。盆地降雨量豐富,地表水網(wǎng)密集,砂層上下均未分布穩(wěn)定的區(qū)域隔水層,為孔隙水接受補(bǔ)給,與裂隙溶洞水的水力聯(lián)系提供便捷通道。

3 巖溶發(fā)育特征

巖溶受到地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等多種因素控制,在盆地地質(zhì)背景條件影響下,表現(xiàn)出相應(yīng)的平面和垂直發(fā)育特征。

3.1 平面分布特征

(1)不同碳酸鹽巖的差異性

碳酸鹽巖的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造是巖溶發(fā)育的內(nèi)在因素,質(zhì)純、層厚的灰?guī)r更容易發(fā)育巖溶。線路所經(jīng)地段的三套碳酸鹽巖,鉆探揭露巖溶發(fā)育程度由強(qiáng)到弱依次為壺天群、石磴子段、棲霞組。各套巖組的巖溶發(fā)育程度見表2。

表2 碳酸鹽巖類型及特征

(2)條帶性分布特征

碳酸鹽巖與碎屑巖平行褶皺軸向呈交替的條帶性分布,碳酸鹽巖構(gòu)成褶皺的核部地層,而碎屑巖構(gòu)成的隔水翼部控制巖溶發(fā)育的邊界(見圖2);褶皺核部、斷層節(jié)理裂隙密集發(fā)育、巖體破碎,地下水活動(dòng)通暢,促進(jìn)了巖溶的發(fā)育,由此形成沿褶皺核部、平行褶皺軸向斷層和碳酸鹽巖與碎屑巖接觸帶等多個(gè)與褶皺軸向相近的北北東向巖溶發(fā)育帶;橫切復(fù)向斜的北西西向與褶皺核部、北北東向斷裂交合部位是巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段。

碳酸鹽巖的物質(zhì)成分是巖溶發(fā)育的基礎(chǔ),而構(gòu)造、地下水則起到促進(jìn)作用,棲霞群巖性為炭質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖,非可溶成分含量較高,雖分布于平山向斜的核部,但巖溶發(fā)育程度微弱(見表2);而位于花山背斜核部的天貴路站穿越石磴子段灰?guī)r見洞率40.4%,巖溶率9.4%,明顯高于本套地層的平均值。

(3)流溪河對(duì)巖溶的控制作用

機(jī)場(chǎng)T3站至機(jī)場(chǎng)T2站穿越流溪河階地,見洞率為36.3%,高于機(jī)場(chǎng)T2站至廣州北站段的30.3%。鄰近流溪河的向山向斜核部壺天群灰?guī)r中,不僅溶洞發(fā)育,且溶溝溶槽密集發(fā)育,分布多個(gè)深度超過20m的深凹溶槽,最深處超過55m。

3.2 垂直分布特征

(1)覆蓋層特征

①覆蓋層厚度特征。在地形地貌和沉積作用下,第四系覆蓋層厚度呈自北向南、自隴狀丘陵向丘間平原、自支流向干流增厚的趨勢(shì)。受到流溪河沉積作用控制,機(jī)場(chǎng)T3站至機(jī)場(chǎng)T2站段覆蓋層平均厚度達(dá)28.9m,厚度大于20m地段比例近92%;而受到山前支流和散流沉積控制,機(jī)場(chǎng)T2站至廣州北站地段覆蓋層平均厚度16.9m,厚度在 20m以內(nèi)的段落達(dá)到78%。不同覆蓋層厚度分布比例見表3。

表3 覆蓋層厚度分布段落比例

②覆蓋層結(jié)構(gòu)特征。羅小杰巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的研究過程中,按照覆蓋層結(jié)構(gòu)劃分為單層(一元)結(jié)構(gòu)、雙層(二元)結(jié)構(gòu)和多層(多元)結(jié)構(gòu)三種形式[15]。機(jī)場(chǎng)T3站至機(jī)場(chǎng)T2站段距離流溪河由近及遠(yuǎn)呈粉質(zhì)黏土-粗砂-含礫粉質(zhì)黏土的多層結(jié)構(gòu)過渡為粉質(zhì)黏土-粗砂的雙層結(jié)構(gòu);機(jī)場(chǎng)T2站至廣州北站段自丘陵向平原呈粉質(zhì)黏土的單層結(jié)構(gòu)向粗砂-粉質(zhì)黏土的雙層結(jié)構(gòu)再到粗砂的單層結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì);局部砂層中夾粉質(zhì)黏土或巖面分布?xì)埛e層形成多層結(jié)構(gòu)。

(2) 巖溶分帶特征

在廣花盆地中按照地下水活動(dòng)性將巖溶垂直發(fā)育分為三帶:高程-80m以上的地下水強(qiáng)烈循環(huán)帶,-80～-200m的地下水弱循環(huán)帶和-200m以下的地下水滯流帶;其中地下水強(qiáng)烈循環(huán)帶按地下水的運(yùn)動(dòng)方向分為地下水垂直循環(huán)帶(-35m以上)和地下水水平循環(huán)帶(-35～-80m),巖溶發(fā)育程度呈由淺入深逐漸減弱的趨勢(shì)[20],對(duì)工程建設(shè)影響最大的是地下水垂直循環(huán)帶。

地下水垂直循環(huán)帶受到地下水垂向運(yùn)動(dòng)控制,豐富的孔隙水與裂隙溶洞水聯(lián)系密切,同時(shí)在流溪河階地還受到古河網(wǎng)控制,巖溶表現(xiàn)為溶孔溶隙、溶溝溶槽和溶洞多種形態(tài)特征。溶孔溶隙為巖溶發(fā)育的初期形態(tài),溶孔分布于接近巖面或者裂隙面的淺層,具點(diǎn)狀特征(見圖4(a)),而溶隙沿結(jié)構(gòu)面發(fā)育,有一定的寬度和平面延伸(見圖4(b))。溶溝溶槽為巖溶發(fā)育的表層特征,直觀表現(xiàn)為碳酸鹽巖基巖面的起伏(見圖4(c))。

圖4 巖溶形態(tài)特征

溶洞是巖溶發(fā)育的主要形態(tài)特征,鉆孔揭露溶洞高從幾十厘米到十幾米,最大洞高達(dá)18.02m。溶洞規(guī)模以中小型溶洞(洞高≤3m)為主,占比達(dá)64%,大于10m的特大型溶洞僅3.3%。溶洞自巖面起開始發(fā)育,溶洞頂板埋深位于巖面以下1m以內(nèi)的比例為43%,5m以內(nèi)近82%,10m以內(nèi)近95%。統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同深度的巖溶率, 巖面以下5m內(nèi)巖溶率為13.8%,5～10m為11.5%,10m以下巖溶率有明顯降低,不同深度巖溶率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見圖5。巖溶起始發(fā)育深度和巖溶率反映臨近巖土界面地段巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,且隨著深度的增加逐漸減弱的趨勢(shì)。

圖5 巖溶率隨深度變化分布

(3)土洞

土洞是覆蓋型巖溶的特定衍生物,也是巖溶塌陷災(zāi)害形成直接因素。廣花盆地地下水水位季節(jié)性變動(dòng)明顯,巖土界面交流密切,尤其臨近流溪河階地受到流溪河地表水季節(jié)性變化加速地下水的徑流的影響,促進(jìn)土洞的發(fā)育。沿線揭露土洞67個(gè),洞高0.8～27.7m,普遍分布于溶槽溶溝上部,基巖面是土洞發(fā)育的底部邊界。從分布區(qū)域上看,機(jī)場(chǎng)T3站至機(jī)場(chǎng)T2站段揭露土洞54個(gè),占比80.6%,也反映出流溪河對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用。

4 巖溶風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)價(jià)

4.1 巖溶風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法

已經(jīng)形成的溶(土)洞填充物性質(zhì)軟弱,受周邊環(huán)境的變化以及地下水活動(dòng)的影響,容易出現(xiàn)洞體坍塌,進(jìn)而引起地層塌陷;而巖面上土體受到界面地下水交流密切影響導(dǎo)致土體軟弱,易形成新的土洞,繼續(xù)發(fā)展形成新的塌陷,因此巖溶塌陷是本線巖溶風(fēng)險(xiǎn),危及隧道和環(huán)境安全。參考《鐵路建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》中“鐵路建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)應(yīng)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率的等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后果的等級(jí),評(píng)定相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)”的方法,將風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率具化為巖溶塌陷易發(fā)性。巖溶塌陷易發(fā)性等級(jí)劃分以《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》中巖溶塌陷區(qū)調(diào)查評(píng)分為依據(jù),改進(jìn)其中巖溶發(fā)育程度因素與巖溶發(fā)育強(qiáng)度分級(jí)匹配差的不足。以巖溶發(fā)育強(qiáng)度分級(jí)為基礎(chǔ),結(jié)合覆蓋層和地下水的特征將沿線巖溶塌陷的易發(fā)性定為高(指標(biāo)分≥90)、中(71≤指標(biāo)分≤89)、低(60≤指標(biāo)分≤70)和不(指標(biāo)分≤59)4個(gè)等級(jí);將巖溶塌陷引起的后果嚴(yán)重程度劃分為災(zāi)難性、很嚴(yán)重、嚴(yán)重、較大和輕微5個(gè)等級(jí),根據(jù)上述兩個(gè)指標(biāo)為將巖溶風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)定為極高、高度、中度和低度4個(gè)等級(jí)(見表4)。

4.2 巖溶風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)結(jié)果

根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,將沿線巖溶風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)劃分為13個(gè)區(qū)域,各區(qū)域巖溶易發(fā)性等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重程度以及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見表5,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)示意見圖6。

表5 巖溶風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)結(jié)果

圖6 巖溶風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)示意

從巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)來看,沿線高易發(fā)區(qū)3段,均位于機(jī)場(chǎng)T2站至廣州北站線路范圍內(nèi);從巖溶風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)來看,沿線極高風(fēng)險(xiǎn)1段,位于機(jī)場(chǎng)航站樓及交通區(qū)域,高風(fēng)險(xiǎn)5段,位于機(jī)場(chǎng)物流及辦公區(qū)和花都區(qū)密集房屋區(qū),高風(fēng)險(xiǎn)以上區(qū)域占全線巖溶發(fā)育地段的比例約43.5%。

5 對(duì)城際鐵路隧道工程的影響

新白廣城際白北段沿線巖溶具有平面沿構(gòu)造線展布、垂向臨近巖土界面強(qiáng)烈發(fā)育特征,線路整體與構(gòu)造線呈大角度相交無法從平面上繞避巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。因此,需通過合理的走行高程和施工工法,并采取加固措施,以確保施工和運(yùn)營(yíng)安全。

5.1 線路高程和工法選擇

珠三角城際鐵路隧道施工工法主要有盾構(gòu)法、明挖法和礦山法,根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn),覆蓋型巖溶區(qū)礦山法施工中發(fā)生突水涌砂、巖溶塌陷等風(fēng)險(xiǎn)大,且加固效果難以有效保證施工安全的風(fēng)險(xiǎn),除局部受限或連接通道等短距離其他工法難以實(shí)施的段落外,原則不采用礦山法。

盾構(gòu)法主要施工風(fēng)險(xiǎn)是走行在“上軟下硬”地層結(jié)構(gòu)界面時(shí)引起的地面沉降和巖溶發(fā)育地段的盾構(gòu)“栽頭”事故,覆蓋層厚度成為盾構(gòu)選擇的主要控制因素。盾構(gòu)法要求覆土厚度一般不宜小于外輪廓直徑,珠三角城際鐵路盾構(gòu)尺寸8.8m,上覆土層不小于9m,按此控制要求隧道結(jié)構(gòu)底板以上一般應(yīng)具有約20m相對(duì)均質(zhì)地層。機(jī)場(chǎng)T3站至機(jī)場(chǎng)T2站段覆蓋層厚度普遍大于20m,盾構(gòu)基本上都可走行于第四系地層,避免穿越“上軟下硬”地層界面和溶洞發(fā)育區(qū)域,安全風(fēng)險(xiǎn)可控。機(jī)場(chǎng)T2站至廣州北站段巖土界面分布于10～20m的段落所占比例達(dá)72%以上,采用盾構(gòu)工法淺埋大段落穿越“上軟下硬”地層結(jié)構(gòu),走行高程下壓使盾構(gòu)整體走行在基巖又穿越巖溶強(qiáng)烈發(fā)育帶,均存在極高的安全風(fēng)險(xiǎn),因此該段推薦采用明挖法。

5.2 巖溶風(fēng)險(xiǎn)和加固措施

雖然在線路縱斷面和工法選擇可有效降低施工中安全風(fēng)險(xiǎn),但盾構(gòu)推進(jìn)過程中可能遭遇土洞、巖面起伏引起盾構(gòu)“栽頭”、地面沉降事故;明挖基坑工程施工中揭露溶洞引起突泥涌水、地面塌陷事故,而基底的未處理的溶洞在運(yùn)營(yíng)期間引起的塌陷可能危及隧道運(yùn)營(yíng)安全。

根據(jù)巖溶風(fēng)險(xiǎn),需對(duì)影響盾構(gòu)、基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工以及隧底影響隧道穩(wěn)定的溶洞采取超前加固處理;為阻止新生土洞發(fā)展,對(duì)隧道底板位于土層地段土體采用間隔分段加固措施。

溶洞的處理措施是以揭示溶洞的超前鉆孔為基準(zhǔn),分別沿平行和垂直于盾構(gòu)或圍護(hù)結(jié)構(gòu)向兩側(cè)方向間隔2.0m施做探邊鉆孔,以探測(cè)到溶洞邊界為止,垂直方向探測(cè)到結(jié)構(gòu)外3m仍未探至洞體邊界時(shí)終止,然后以最外側(cè)未探測(cè)到溶洞的鉆孔內(nèi)相鄰的鉆孔為處理邊界進(jìn)行加固處理(見圖7)。全充填溶洞采用壓密注漿;洞徑不大于3m的無填充和半填充溶洞直接注漿填充,洞徑大于3m小于5m的無填充溶洞和半填充溶洞,先灌注水泥砂漿充填后再壓注水泥漿;對(duì)大于等于5m的無填充溶洞和半填充溶洞,先采用C15素混凝土進(jìn)行填充后再壓注水泥漿。周邊孔采用水玻璃雙液漿,注漿壓力0.4～0.8MPa,中央孔采用普通水泥漿,注漿壓力0.6～1.0MPa,每孔注漿3～4次,速度30～70L/min,每次持續(xù)10～20min。

圖7 巖溶注漿加固平面示意(單位:m)

6 結(jié)論

(1)在地形地貌、巖性結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造和地下水控制作用下,廣花盆地東北部巖溶平面上呈與褶皺走向平行的條帶狀分布特征,構(gòu)造發(fā)育地段巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,鄰近巖土界面的地下水垂直循環(huán)帶內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

(2)在地形地貌和河流沉積作用控制下,研究區(qū)第四系覆蓋層自北向南至流溪河階地呈逐漸增厚的趨勢(shì),且臨近流溪河地段土洞、溶溝溶槽密集發(fā)育。

(3)沿線分布1段巖溶極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和5段高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),工程設(shè)置和巖溶加固處理需重點(diǎn)關(guān)注。

(4)根據(jù)覆蓋層厚度和巖溶發(fā)育特征,機(jī)場(chǎng)T3站至機(jī)場(chǎng)T2站段建議走行于第四系覆蓋層(采用盾構(gòu)工法),機(jī)場(chǎng)T2站至廣州北站段建議采用明挖法。

(5)鑒于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性,宜按不同階段逐漸加深勘察精度,勘察設(shè)計(jì)階段應(yīng)查明巖溶發(fā)育特征,選擇合理施工工法,制定巖溶加固處理原則規(guī)避重大巖溶風(fēng)險(xiǎn);施工階段采取 “探灌結(jié)合”的加固方案,以保證覆蓋型巖溶區(qū)城際鐵路隧道的施工和運(yùn)營(yíng)安全。