廣清城際軌道交通項(xiàng)目巖溶發(fā)育特征淺析

柳 柳 喬艷紅

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 10055； 2.廊坊師范學(xué)院， 河北廊坊 065000)

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)作用所產(chǎn)生的水文現(xiàn)象、地貌現(xiàn)象的綜合[1],根據(jù)埋藏的條件,可分為裸露型巖溶、覆蓋型巖溶和埋藏型巖溶等。巖溶作為鐵路工程中較為常見(jiàn)的不良地質(zhì)之一,是影響鐵路工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

1 工程概況

廣清城際軌道交通項(xiàng)目包含機(jī)場(chǎng)北至清遠(yuǎn)飛來(lái)湖段和廣州北至汽車學(xué)院段兩段線路,正線全長(zhǎng)68.338 km。

其中,機(jī)場(chǎng)北至飛來(lái)湖段自廣州市白云機(jī)場(chǎng)起,途徑花都區(qū)花山鎮(zhèn)、獅嶺鎮(zhèn),清遠(yuǎn)市銀盞、龍?zhí)伶?zhèn)、清遠(yuǎn)城區(qū)至終點(diǎn)飛來(lái)湖站,全長(zhǎng)59.389 km；廣州北至汽車學(xué)院段起于廣州北站,終于汽車學(xué)院站,全長(zhǎng)8.499 km[2](如圖1)。

圖1 廣清城際軌道交通項(xiàng)目線路示意

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

廣清城際交通項(xiàng)目線路主要經(jīng)過(guò)廣州市花都區(qū)和清遠(yuǎn)市兩個(gè)轄區(qū)。廣州市花都區(qū)地勢(shì)北高南低,北部丘陵綿亙,中部淺丘臺(tái)地,南部為廣花平原,形成東北向西南斜置的長(zhǎng)方形；清遠(yuǎn)地處廣東中部和西北部,一半以上地域是山區(qū),地勢(shì)自西北向東南傾斜,以山地、丘陵為主,平原分布于北江兩岸的南部地區(qū)。

線路所經(jīng)區(qū)域主要地貌類型為沖積平原及剝蝕丘陵。丘陵區(qū),地形起伏較大,高程一般為11～381 m,相對(duì)高差50～330 m,丘陵上植被發(fā)育,林木茂密；平原區(qū)地形平坦、開(kāi)闊,河流、道路縱橫交錯(cuò),經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),城鎮(zhèn)密布,多農(nóng)田及魚(yú)塘,零星分布有剝蝕殘丘,海拔高程一般為3～37 m,相對(duì)高差小于27 m[3]。

2.2 地層巖性

線路所經(jīng)區(qū)域表層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)，局部零星分布有下第三系(E)地層。下伏基巖主要為石炭系下統(tǒng)(C1)、泥盆系上統(tǒng)(D3)地層以及燕山期侵入巖(γ)[4],線路所經(jīng)區(qū)域地層情況見(jiàn)圖2。

圖2 廣清城際軌道交通項(xiàng)目全線工程地質(zhì)示意

石炭系下統(tǒng)(C1)地層分布于花都區(qū),主要巖性為灰白色厚層狀粗砂巖,紫灰色中厚層狀粉砂巖,灰、灰黑、紫灰色砂巖,泥質(zhì)頁(yè)巖,砂質(zhì)頁(yè)巖夾砂礫巖,炭質(zhì)頁(yè)巖夾無(wú)煙煤層等；其中,石磴子段(C1ds)地層中主要巖性為灰?guī)r。

泥盆系上統(tǒng)(D3)地層分布于花都區(qū)長(zhǎng)崗—獅嶺,清遠(yuǎn)市龍?zhí)?、清遠(yuǎn)市區(qū)至飛來(lái)湖一帶。主要巖性為天子嶺組(D3t)灰?guī)r,局部夾有粉砂巖、頁(yè)巖等巖性。

燕山期侵入巖(γ)地層分布于花都區(qū)獅嶺至清遠(yuǎn)市銀盞,主要巖性為中粗粒二長(zhǎng)花崗巖。

全線范圍內(nèi)巖溶發(fā)育在石炭系下統(tǒng)石磴子段(C1ds)和泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)兩套地層的灰?guī)r中。

3 巖溶發(fā)育特征

3.1 鉆探概況

現(xiàn)場(chǎng)完成的鉆探含兩個(gè)部分：清遠(yuǎn)段范圍進(jìn)行詳細(xì)勘察,灰?guī)r時(shí)代為泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t),灰?guī)r區(qū)的結(jié)構(gòu)形式主要為橋梁及高架車站。按照詳勘要求,采用逐樁布置原則；花都段范圍進(jìn)行初步勘察,灰?guī)r時(shí)代為石炭系下統(tǒng)石磴子段(C1ds)和泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t),灰?guī)r區(qū)的主要結(jié)構(gòu)形式為橋梁、城市隧道以及地下車站,按照初勘要求,橋工點(diǎn)采取逐墩布置鉆孔原則,地下段鉆孔布置間距為30 m[5-8]。

3.2 巖溶發(fā)育概率

全線灰?guī)r區(qū)共完成灰?guī)r區(qū)鉆孔3075個(gè),其中初勘鉆孔504個(gè),詳勘鉆孔2571個(gè),揭露溶洞的鉆孔為1081個(gè),總的見(jiàn)洞率為35.2％。

(1)初勘段與詳勘段巖溶發(fā)育概率對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 初勘段與詳勘段巖溶發(fā)育概率對(duì)比

從表1可以看出,詳勘段的溶洞見(jiàn)洞率大于初勘段的溶洞見(jiàn)洞率。

(2)初勘段包含石炭系下統(tǒng)石磴子段(C1ds)和泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)兩套灰?guī)r地層,二者巖溶發(fā)育概率對(duì)比情況見(jiàn)表2．

表2 石炭系灰?guī)r與泥盆系灰?guī)r溶洞發(fā)育概率對(duì)比

從表2可以看出,石炭系下統(tǒng)石磴子段(C1ds)灰?guī)r的見(jiàn)洞率大于泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)灰?guī)r的見(jiàn)洞率,這反映了前者比后者溶洞發(fā)育更強(qiáng)烈。

(3)詳勘段灰?guī)r區(qū)共完成429個(gè)墩臺(tái)的鉆探,按照墩臺(tái)統(tǒng)計(jì)的溶洞發(fā)育情況見(jiàn)表3。

表3 詳勘段墩臺(tái)溶洞概率統(tǒng)計(jì)

表3反映的是詳勘段巖溶發(fā)育的整體情況,揭露溶洞的墩臺(tái)占所有完成鉆探的墩臺(tái)數(shù)近70％,反映了詳勘段灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)育地段約占整個(gè)灰?guī)r區(qū)詳勘段的70％。揭露溶洞的墩臺(tái)數(shù)占完成鉆探墩臺(tái)總數(shù)的百分比還反映各墩臺(tái)同時(shí)施工第一個(gè)鉆孔時(shí)揭露溶洞的百分比。當(dāng)429個(gè)墩臺(tái)同時(shí)施鉆各墩臺(tái)第一個(gè)鉆孔時(shí),最少有55個(gè)墩臺(tái)第一個(gè)鉆孔揭露溶洞,百分比為12.8％；最多有299個(gè)墩臺(tái)第一個(gè)鉆孔揭露溶洞,這個(gè)百分比為69.7％。在詳勘墩臺(tái)中,共有130個(gè)墩臺(tái)未揭露溶洞,這些地段并不需要實(shí)施柱狀勘探。

對(duì)比表1和表3,根據(jù)初勘段的布孔原則,初勘段的見(jiàn)洞率實(shí)際上反映的是各墩臺(tái)施鉆過(guò)程中第一個(gè)鉆孔揭露巖溶的百分比,并不能真實(shí)的反映初勘段的巖溶的發(fā)育情況。

3.3 巖溶發(fā)育規(guī)模

巖溶發(fā)育規(guī)模反映在溶洞的發(fā)育的形式、溶洞埋深的范圍以及溶洞的尺寸等方面。

(1)溶洞發(fā)育的形式

巖溶發(fā)育的形式指的鉆孔揭露的溶洞為單層溶洞或是多層溶洞(溶洞個(gè)數(shù)≥2)。根據(jù)對(duì)揭露溶洞的鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì),共計(jì)584個(gè)鉆孔揭露單層溶洞,占揭露溶洞的鉆孔總數(shù)的54％；而揭露多層的鉆孔共計(jì)497個(gè),占揭露溶洞的鉆孔總數(shù)46％,單孔揭露最多的9層溶洞。由此可以看出,單層溶洞與多層溶洞的發(fā)育概率較為接近,發(fā)育成單層溶洞的概率略高于發(fā)育成多層溶洞的概率。

(2)溶洞頂板埋深

溶洞頂板埋深反映的溶洞開(kāi)始發(fā)育的位置,是反映溶洞發(fā)育規(guī)模的前提。溶洞頂板埋深范圍情況見(jiàn)表4和圖3。

表4 溶洞頂板埋深對(duì)比

從表4和圖3可以看出,最容易發(fā)育溶洞的位置在埋深20～30 m的范圍內(nèi),在這個(gè)范圍內(nèi)的溶洞發(fā)育概率為42％,其次為頂板埋深在10～20 m和30～40 m范圍內(nèi)的溶洞,概率分別為28％和19％,由以上三項(xiàng)可得溶洞在埋深10～40 m范圍內(nèi)開(kāi)始發(fā)育的概率高達(dá)89％。而溶洞在淺層(5～10 m)和深層(>40 m)的發(fā)育概率較小,分別僅為2％和9％。

圖3 溶洞頂板埋深比例

(3)溶洞尺寸

溶洞的尺寸包含兩個(gè)方面的含義：?jiǎn)蝹€(gè)溶洞的尺寸和各鉆孔溶洞累計(jì)的尺寸。前者統(tǒng)計(jì)的對(duì)象為單層溶洞及多層溶洞中的單個(gè)溶洞,反映的是單個(gè)溶洞的發(fā)育規(guī)模；后者統(tǒng)計(jì)的對(duì)象為各鉆孔所揭露的所有溶洞尺寸之和,反映的是鉆孔揭露溶洞的總體規(guī)模。

鉆探過(guò)程中共有1 081個(gè)鉆孔揭露溶洞,累計(jì)揭露溶洞的各個(gè)數(shù)為1 937個(gè),單個(gè)溶洞的尺寸范圍分布情況和多層溶洞累計(jì)尺寸范圍分布情況分別見(jiàn)表5和表6；各尺寸范圍內(nèi)溶洞的比例分別見(jiàn)圖4和圖5。

表5 單個(gè)溶洞尺寸分布對(duì)比

表6 溶洞累計(jì)尺寸分布對(duì)比

圖4 單個(gè)溶洞尺寸分布比例

圖5 溶洞累計(jì)尺寸分布比例

根據(jù)表5和圖4可以看出,單個(gè)溶洞尺寸范圍在1～2 m,0.5～1 m和2～3 m的溶洞所占的比例最大,所占的比例分別為25％、17％和14％,由此三項(xiàng)相加可得0.5～3 m范圍內(nèi)的溶洞所占的比例為56％；而單個(gè)溶洞尺寸范圍在3～4 m,4～5 m和大于10 m的溶洞所占的比例最小,依次為7％、6％和6％。溶洞尺寸小于3 m的溶洞所占的比例為69％,而尺寸大于3 m的溶洞所占的比例為31％。

根據(jù)表6和圖5可以看出,溶洞累計(jì)尺寸在1～5 m的鉆孔最多,所占的百分比為45％,其次為溶洞累計(jì)尺寸在5～10 m范圍內(nèi)的鉆孔數(shù),所占的百分比為23％；再次為溶洞累計(jì)尺寸>10 m的鉆孔數(shù),所占百分比為18％,最少為溶洞累計(jì)尺寸<1 m的鉆孔數(shù),溶洞所占百分比為14％。由此可得,溶洞累計(jì)尺寸主要在1～10 m范圍內(nèi),所占的百分比為68％。

3.4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)巖溶發(fā)育的概率和規(guī)模進(jìn)行分析，可得廣清城際軌項(xiàng)目巖溶發(fā)育具有以下特征：

(1)巖溶發(fā)育的隨機(jī)性。根據(jù)詳勘段可得,約70％的地段巖溶發(fā)育,而超過(guò)30％的地段并未揭露巖溶,而初勘段僅有22.2％的地段揭露巖溶,溶洞發(fā)育地段不連續(xù)。巖溶發(fā)育地段并非墩臺(tái)內(nèi)各孔均揭露溶洞,不同孔揭露溶洞具有隨機(jī)性。

(2)巖溶發(fā)育規(guī)模的集中性。從溶洞發(fā)育的規(guī)?？?溶洞主要發(fā)育在10～40 m范圍內(nèi),單個(gè)溶洞的尺寸一般小于3 m,溶洞的累積尺寸一般為1～10 m。

4 后續(xù)勘探建議

(1)由于溶洞發(fā)育的隨機(jī)性,在后續(xù)勘探過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)初測(cè)鉆探情況決定是否進(jìn)行詳勘的布孔原則。對(duì)于橋梁工點(diǎn),初測(cè)揭露溶洞的墩臺(tái)應(yīng)進(jìn)行逐樁鉆探,而初測(cè)未揭露溶洞的墩臺(tái)則根據(jù)橋樁布置的情況先進(jìn)行對(duì)角線鉆探,如若未揭露溶洞,可不進(jìn)行逐樁鉆,若揭露溶洞再安排逐樁鉆探。而對(duì)于地下段及路基,應(yīng)結(jié)合物探方法,合理布置鉆探間距。

(2)在后續(xù)勘探過(guò)程中,物探應(yīng)該結(jié)合溶洞的規(guī)模合理布置物探點(diǎn)的間隔,而鉆探則要根據(jù)溶洞的規(guī)模合理控制鉆探孔深。

(3)溶洞的發(fā)育受到灰?guī)r物質(zhì)組成、強(qiáng)度、地下水活動(dòng)等因素的影響,在后續(xù)的勘探過(guò)程中將加強(qiáng)巖樣、水樣的采取,同時(shí)對(duì)于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段進(jìn)行穩(wěn)定性分析,對(duì)溶洞的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行更詳盡的分析。

[1]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

[2]中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)公司.廣州至清遠(yuǎn)城際軌道交通項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)總說(shuō)明書(shū)[R].北京:中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)公司,2009

[3]中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)公司.廣州至清遠(yuǎn)城際軌道交通項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)第二篇地質(zhì)[R].北京:中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)公司,2009

[4]廣東省地質(zhì)局.廣東省從化幅F-49-6區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查報(bào)告書(shū)[R].廣州：廣東省地質(zhì)局,1969

[5]TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[6]TB10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[7]GB50307—1999 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范[S]