广清城际轨道交通项目岩溶发育特征浅析

柳 柳 乔艳红

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 10055； 2.廊坊师范学院， 河北廊坊 065000)

岩溶是水对可溶性岩石的化学作用和机械作用以及这些地质作用所产生的水文现象、地貌现象的综合[1],根据埋藏的条件,可分为裸露型岩溶、覆盖型岩溶和埋藏型岩溶等。岩溶作为铁路工程中较为常见的不良地质之一,是影响铁路工程质量的关键因素。

1 工程概况

广清城际轨道交通项目包含机场北至清远飞来湖段和广州北至汽车学院段两段线路,正线全长68.338 km。

其中,机场北至飞来湖段自广州市白云机场起,途径花都区花山镇、狮岭镇,清远市银盏、龙塘镇、清远城区至终点飞来湖站,全长59.389 km；广州北至汽车学院段起于广州北站,终于汽车学院站,全长8.499 km[2](如图1)。

图1 广清城际轨道交通项目线路示意

2 地质概况

2.1 地形地貌

广清城际交通项目线路主要经过广州市花都区和清远市两个辖区。广州市花都区地势北高南低,北部丘陵绵亘,中部浅丘台地,南部为广花平原,形成东北向西南斜置的长方形；清远地处广东中部和西北部,一半以上地域是山区,地势自西北向东南倾斜,以山地、丘陵为主,平原分布于北江两岸的南部地区。

线路所经区域主要地貌类型为冲积平原及剥蚀丘陵。丘陵区,地形起伏较大,高程一般为11～381 m,相对高差50～330 m,丘陵上植被发育,林木茂密；平原区地形平坦、开阔,河流、道路纵横交错,经济发达,城镇密布,多农田及鱼塘,零星分布有剥蚀残丘,海拔高程一般为3～37 m,相对高差小于27 m[3]。

2.2 地层岩性

线路所经区域表层主要为第四系全新统(Q4)，局部零星分布有下第三系(E)地层。下伏基岩主要为石炭系下统(C1)、泥盆系上统(D3)地层以及燕山期侵入岩(γ)[4],线路所经区域地层情况见图2。

图2 广清城际轨道交通项目全线工程地质示意

石炭系下统(C1)地层分布于花都区,主要岩性为灰白色厚层状粗砂岩,紫灰色中厚层状粉砂岩,灰、灰黑、紫灰色砂岩,泥质页岩,砂质页岩夹砂砾岩,炭质页岩夹无烟煤层等；其中,石磴子段(C1ds)地层中主要岩性为灰岩。

泥盆系上统(D3)地层分布于花都区长岗—狮岭,清远市龙塘、清远市区至飞来湖一带。主要岩性为天子岭组(D3t)灰岩,局部夹有粉砂岩、页岩等岩性。

燕山期侵入岩(γ)地层分布于花都区狮岭至清远市银盏,主要岩性为中粗粒二长花岗岩。

全线范围内岩溶发育在石炭系下统石磴子段(C1ds)和泥盆系上统天子岭组(D3t)两套地层的灰岩中。

3 岩溶发育特征

3.1 钻探概况

现场完成的钻探含两个部分：清远段范围进行详细勘察,灰岩时代为泥盆系上统天子岭组(D3t),灰岩区的结构形式主要为桥梁及高架车站。按照详勘要求,采用逐桩布置原则；花都段范围进行初步勘察,灰岩时代为石炭系下统石磴子段(C1ds)和泥盆系上统天子岭组(D3t),灰岩区的主要结构形式为桥梁、城市隧道以及地下车站,按照初勘要求,桥工点采取逐墩布置钻孔原则,地下段钻孔布置间距为30 m[5-8]。

3.2 岩溶发育概率

全线灰岩区共完成灰岩区钻孔3075个,其中初勘钻孔504个,详勘钻孔2571个,揭露溶洞的钻孔为1081个,总的见洞率为35.2％。

(1)初勘段与详勘段岩溶发育概率对比情况见表1。

表1 初勘段与详勘段岩溶发育概率对比

从表1可以看出,详勘段的溶洞见洞率大于初勘段的溶洞见洞率。

(2)初勘段包含石炭系下统石磴子段(C1ds)和泥盆系上统天子岭组(D3t)两套灰岩地层,二者岩溶发育概率对比情况见表2．

表2 石炭系灰岩与泥盆系灰岩溶洞发育概率对比

从表2可以看出,石炭系下统石磴子段(C1ds)灰岩的见洞率大于泥盆系上统天子岭组(D3t)灰岩的见洞率,这反映了前者比后者溶洞发育更强烈。

(3)详勘段灰岩区共完成429个墩台的钻探,按照墩台统计的溶洞发育情况见表3。

表3 详勘段墩台溶洞概率统计

表3反映的是详勘段岩溶发育的整体情况,揭露溶洞的墩台占所有完成钻探的墩台数近70％,反映了详勘段灰岩区岩溶发育地段约占整个灰岩区详勘段的70％。揭露溶洞的墩台数占完成钻探墩台总数的百分比还反映各墩台同时施工第一个钻孔时揭露溶洞的百分比。当429个墩台同时施钻各墩台第一个钻孔时,最少有55个墩台第一个钻孔揭露溶洞,百分比为12.8％；最多有299个墩台第一个钻孔揭露溶洞,这个百分比为69.7％。在详勘墩台中,共有130个墩台未揭露溶洞,这些地段并不需要实施柱状勘探。

对比表1和表3,根据初勘段的布孔原则,初勘段的见洞率实际上反映的是各墩台施钻过程中第一个钻孔揭露岩溶的百分比,并不能真实的反映初勘段的岩溶的发育情况。

3.3 岩溶发育规模

岩溶发育规模反映在溶洞的发育的形式、溶洞埋深的范围以及溶洞的尺寸等方面。

(1)溶洞发育的形式

岩溶发育的形式指的钻孔揭露的溶洞为单层溶洞或是多层溶洞(溶洞个数≥2)。根据对揭露溶洞的钻孔进行统计,共计584个钻孔揭露单层溶洞,占揭露溶洞的钻孔总数的54％；而揭露多层的钻孔共计497个,占揭露溶洞的钻孔总数46％,单孔揭露最多的9层溶洞。由此可以看出,单层溶洞与多层溶洞的发育概率较为接近,发育成单层溶洞的概率略高于发育成多层溶洞的概率。

(2)溶洞顶板埋深

溶洞顶板埋深反映的溶洞开始发育的位置,是反映溶洞发育规模的前提。溶洞顶板埋深范围情况见表4和图3。

表4 溶洞顶板埋深对比

从表4和图3可以看出,最容易发育溶洞的位置在埋深20～30 m的范围内,在这个范围内的溶洞发育概率为42％,其次为顶板埋深在10～20 m和30～40 m范围内的溶洞,概率分别为28％和19％,由以上三项可得溶洞在埋深10～40 m范围内开始发育的概率高达89％。而溶洞在浅层(5～10 m)和深层(>40 m)的发育概率较小,分别仅为2％和9％。

图3 溶洞顶板埋深比例

(3)溶洞尺寸

溶洞的尺寸包含两个方面的含义：单个溶洞的尺寸和各钻孔溶洞累计的尺寸。前者统计的对象为单层溶洞及多层溶洞中的单个溶洞,反映的是单个溶洞的发育规模；后者统计的对象为各钻孔所揭露的所有溶洞尺寸之和,反映的是钻孔揭露溶洞的总体规模。

钻探过程中共有1 081个钻孔揭露溶洞,累计揭露溶洞的各个数为1 937个,单个溶洞的尺寸范围分布情况和多层溶洞累计尺寸范围分布情况分别见表5和表6；各尺寸范围内溶洞的比例分别见图4和图5。

表5 单个溶洞尺寸分布对比

表6 溶洞累计尺寸分布对比

图4 单个溶洞尺寸分布比例

图5 溶洞累计尺寸分布比例

根据表5和图4可以看出,单个溶洞尺寸范围在1～2 m,0.5～1 m和2～3 m的溶洞所占的比例最大,所占的比例分别为25％、17％和14％,由此三项相加可得0.5～3 m范围内的溶洞所占的比例为56％；而单个溶洞尺寸范围在3～4 m,4～5 m和大于10 m的溶洞所占的比例最小,依次为7％、6％和6％。溶洞尺寸小于3 m的溶洞所占的比例为69％,而尺寸大于3 m的溶洞所占的比例为31％。

根据表6和图5可以看出,溶洞累计尺寸在1～5 m的钻孔最多,所占的百分比为45％,其次为溶洞累计尺寸在5～10 m范围内的钻孔数,所占的百分比为23％；再次为溶洞累计尺寸>10 m的钻孔数,所占百分比为18％,最少为溶洞累计尺寸<1 m的钻孔数,溶洞所占百分比为14％。由此可得,溶洞累计尺寸主要在1～10 m范围内,所占的百分比为68％。

3.4 小结

通过对岩溶发育的概率和规模进行分析，可得广清城际轨项目岩溶发育具有以下特征：

(1)岩溶发育的随机性。根据详勘段可得,约70％的地段岩溶发育,而超过30％的地段并未揭露岩溶,而初勘段仅有22.2％的地段揭露岩溶,溶洞发育地段不连续。岩溶发育地段并非墩台内各孔均揭露溶洞,不同孔揭露溶洞具有随机性。

(2)岩溶发育规模的集中性。从溶洞发育的规模看,溶洞主要发育在10～40 m范围内,单个溶洞的尺寸一般小于3 m,溶洞的累积尺寸一般为1～10 m。

4 后续勘探建议

(1)由于溶洞发育的随机性,在后续勘探过程中,应根据初测钻探情况决定是否进行详勘的布孔原则。对于桥梁工点,初测揭露溶洞的墩台应进行逐桩钻探,而初测未揭露溶洞的墩台则根据桥桩布置的情况先进行对角线钻探,如若未揭露溶洞,可不进行逐桩钻,若揭露溶洞再安排逐桩钻探。而对于地下段及路基,应结合物探方法,合理布置钻探间距。

(2)在后续勘探过程中,物探应该结合溶洞的规模合理布置物探点的间隔,而钻探则要根据溶洞的规模合理控制钻探孔深。

(3)溶洞的发育受到灰岩物质组成、强度、地下水活动等因素的影响,在后续的勘探过程中将加强岩样、水样的采取,同时对于岩溶强烈发育地段进行稳定性分析,对溶洞的发育规律进行更详尽的分析。

[1]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1999:369-370

[2]中铁工程设计咨询集团公司.广州至清远城际轨道交通项目初步设计总说明书[R].北京:中铁工程设计咨询集团公司,2009

[3]中铁工程设计咨询集团公司.广州至清远城际轨道交通项目初步设计第二篇地质[R].北京:中铁工程设计咨询集团公司,2009

[4]广东省地质局.广东省从化幅F-49-6区域地质矿产调查报告书[R].广州：广东省地质局,1969

[5]TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[6]TB10027—2001 铁路工程不良地质勘察规范[S]

[7]GB50307—1999 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范[S]