广清城际铁路岩溶发育成因和工程地质条件

柳 柳

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

广清城际广州北至清远段自广州北站引出，途径石陂、狮岭、银盏、龙塘，终至清远站，线路通过区域为广州市花都区及清远市。沿线主要地貌类型为冲积平原及剥蚀丘陵，其中平原区主要为花都盆地以及清远冲积平原。线路所经平原区，广泛分布着碳酸盐岩层，主要为石炭系下统和泥盆系上统石灰岩、泥质灰岩，其中发育着覆盖型岩溶［1］。作为本线最主要的不良地质现象，岩溶对线路工程的安全产生较大的影响。

1 岩溶发育概况

沿线碳酸盐岩地层下伏于第四系地层或年代较新的基岩地层下，发育的岩溶类型为覆盖型岩溶，表现形式主要为溶洞。通过钻探、物探等方法揭露，沿线岩溶发育程度具有明显的区域性，其中花都区新华镇、狮岭镇以及清远市大燕河两岸为岩溶发育强烈地段。

根据现场钻探揭露统计，全线灰岩段钻孔的见洞率约为37.9%，线形岩溶率约为13.3%。钻孔揭露的溶洞一般为单层溶洞，单层溶洞的比例约占72.0%;单孔揭露的最多溶洞个数为6个。钻探揭露沿线岩溶发育垂向范围大，溶洞规模变化大，花都段揭露溶洞顶板埋深6.6～68.0 m，底板埋深7.2～75.7 m，溶洞洞径范围为0.2～29.1 m;清远段段揭露钻孔揭露溶洞顶板埋深7.3～57.2 m，底板埋深9.1～70.9 m，溶洞洞径范围为0.3～30.4 m，溶洞发育随着深度的增加而减弱。溶洞多为全充填，充填物一般为流—硬塑粉质黏土、砂类土、砾石以及全风化岩等，局部钻孔揭露溶洞为空洞。

2 岩溶发育成因

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产生的水文现象、地貌现象的综合［2］。岩溶发育受岩性、水文地质条件、构造运动等因素控制，其中岩性和水文地质条件是岩溶发育必要因素，构造运动起到促进岩溶发育的作用。

2.1 岩性

岩性是岩溶发育的内因，广清沿线岩溶发育于石炭系下统石磴子段(C1ds)和泥盆系上统天子岭组(D3t)灰岩，其中石炭系石磴子段主要为灰黑、深灰色中厚层灰岩，炭质灰岩;泥盆系上统天子岭组主要为浅灰色薄层泥质灰岩、灰黑色厚层状粉晶灰岩、零星揭露硅质灰岩。根据现场钻孔揭露情况来看，质纯含杂质少的灰岩最易发育岩溶，炭质灰岩发育岩溶程度次之，泥质灰岩岩溶发育程度最弱，沿线仅零星揭露硅质灰岩，未揭露岩溶发育。

质纯灰岩一般为粉隐晶质结构，中厚层构造，方解石的含量高，强度大，饱和单轴抗压强度一般大于40 MPa，达到硬质岩—极硬岩，节理裂隙发育，一般充填方解石脉，岩芯较完整，采取率一般超过70%，通水性好，岩溶易于发育。炭质灰岩随着泥炭质含量增加颜色变黑且强度减弱，饱和单轴抗压强度范围为20～50 MPa，一般为较软岩—硬质岩，节理裂隙较发育，岩质较脆，岩芯易形成片块状，泥炭质含量增加，方解石的含量降低，岩溶发育较弱。泥质灰岩泥质含量进一步增加，强度较低，饱和单轴抗压强度范围为20～30 MPa，一般为较软岩，节理裂隙较发育，但裂隙紧闭延长较短，常有残留黏土阻塞，使其透水性差，可溶性CaO/MgO的含量进一步降低，可降至为33.15%［3］。硅质灰岩仅在清远大燕河南岸零星分布，乳白色，硅质含量高，强度大，饱和单轴抗压强度大于60 MPa，为极硬岩，节理裂隙弱发育，岩芯完整性较好，岩芯采取率超过80%，未揭露岩溶。

2.2 水文地质条件

水文地质条件是控制岩溶发育的必要因素之一，水量的大小决定溶解可用性物质的能力，水的流动性携带可溶性物质，促进了岩溶的进一步发展。

广清城际所经花都区和清远市属热带季风气候，雨量充沛，地表水和地下水提供丰富的水量补给来源。沿线地表水系发育，河流均属珠江流域，广州市域和清远市河流分属白坭河水系和北江水系。广州市花都区境内主要跨越天马河支流大布河及大迳河，清远市境内主要跨越银盏河、大燕河［4］。地表河流的侵蚀作用，控制着岩溶发育的侵蚀基准面，地表水系发育为地下水的补给和排泄提供场地，促进地下水的流动，加快溶解物质的搬运，进而促进岩溶发育。尤其是古河道地段，第四系地层厚度大，地下水富集且交替强烈，溶蚀发育。

广清平原区沿线地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水，地下水位埋深一般0.5～5.0 m，年变幅1.0～2.0 m，地下水位的变幅以及两类地下水之间的交替，加快了岩溶的发育。钻孔揭露统计，首层溶洞的顶板距离岩土(岩性)分界面小于3 m，钻孔比例约为74.8%，这与岩土(岩性)分界面地下水流动性强，促进岩溶发育密切相关。

2.3 构造运动

构造运动对岩溶发育起到控制和促进作用。构造运动造成岩层变形和破坏，产生构造裂隙，尤其是形成张性裂隙，为地下水的循环和流动提供通道。

广清城际铁路所经区域内主要发育有北东向、北北东向及东西向构造形迹，花都区主要受花都复向斜控制，轴向为北15°～25°东，其中发育多个北北东方向的次级背向斜及多条破碎带;清远范围主要发育轴向北东东的清远向斜和走向北北东的龙塘墟断层;此外在花都区狮岭至清远市龙塘丘陵区分布着燕山期花岗岩［1］。

褶皱轴部地应力集中，裂隙密集，透水性强，有利于碳酸盐岩的溶蚀和岩溶发育。背斜顶部的张裂隙宽度较大，向斜轴部、下部也有张裂隙，透水性强。因此，在褶皱区岩溶多具沿褶皱走向发育的特点，其轴部岩溶更发育。断裂带附近裂隙比较发育而密集，而横切褶皱的断层则错开地层，促进彼此隔离的灰岩条带联通［3］。此外，花岗岩在侵入过程中，造成岩性接触带地段岩性破碎甚至发生变质作用，为地下水的流动和贯通提供了条件。

3 广清岩溶发育类型

岩溶是多种因素综合作用的结果，在去除岩性这一内在因素外，考虑到外因的控制作用，沿线的岩溶有以下几种类型。

3.1 地下水作用型

地下水作为控制岩溶发育的最主要外因，是广清沿线最为普遍的一种岩溶发育类型，其主要特征为:(1)地面上距离地表河流较远，地下水排泄距离长。(2)灰岩上地层一般是非可溶岩或第四系黏性土、砂类土层。(3)溶洞一般发育在岩土(岩性)分界面以下。

岩溶发育类型主要受到地下水活动的影响，地下水以垂直运动为主，尤其在岩土或岩性接触带上，第四系松散岩类孔隙水与裂隙溶洞水交替强烈，促进了岩溶的发育。

3.2 河流侵蚀型

该种岩溶发育类型主要分布于花都区新华镇新都大桥两侧以及清远市大燕河两岸，附近有或曾经有较大河流(古河道)通过。其主要发育特征:(1)灰岩基岩面起伏大，形成以河道为中心向两侧发展的漏斗型;(2)灰岩基岩面上一般为典型的第四系二元结构;(3)溶洞发育的高程与相邻砾砂层高程范围基本一致，溶洞中一般含有充填物。

河流在冲切侵蚀过程中，溶解灰岩，加快了地下水的排泄，为地下水与地表水的交汇提供便利条件，进而促进岩溶的发育。作为二元结构的粗颗粒层，砾砂层一般处于河床底部，直接控制岩溶发育的高程。

3.3 岩体侵入型

这类岩溶发育类型包括大型岩体侵入型和岩脉侵入型两种。

(1)大型岩体侵入型位于花都区狮岭丘前，为燕山期花岗岩侵入泥盆系上统灰岩中，在岩性接触带引起溶蚀岩溶发育。这类岩溶发育类型具备以下特征:(1)岩性分界面成锯齿形，深度上形成灰岩与花岗岩的交替，部分地段勘探深度内未揭露完整灰岩;(2)灰岩中充填物为花岗岩全风化层，接触变质作用，呈绿泥石化;(3)受到花岗岩侵入作用影响，灰岩岩体破碎，同时灰岩发生接触变质，具有明显的大理岩化。

(2)岩脉侵入型位于清远市龙塘站，为一辉绿岩脉侵入泥盆系上统灰岩引起的岩溶发育(典型剖面见图1)，具有以下特征:(1)岩脉侵入位置形成以全强风化辉绿岩为充填物的溶洞;(2)侵入岩脉上部灰岩岩体破碎，岩溶发育;(3)侵入岩脉下部可揭露完整灰岩。

图1 岩脉侵入型岩溶剖面

该岩溶发育类型成因为侵入岩体(脉)侵入灰岩地层，破坏灰岩岩体的完整性，在不同岩性接触带引起岩体破碎，甚至发生变质作用，在岩性接触带范围内地下水富集，进而促进岩溶发育。

4 岩溶工程地质条件及工程措施建议

4.1 岩溶工程地质条件

(1)沿线岩溶的主要表现形式为覆盖型溶洞，钻探揭露沿线岩溶发育深度范围大，溶洞规模变化大，溶洞主要为全—半充填溶洞，局部为无充填溶洞，大部分地段岩溶对场地稳定性影响不大。

(2)岩溶地区主要的地质灾害为岩溶塌陷，对于浅部发育的岩溶，基岩与第四系之间水力联系十分密切，当强烈抽取岩溶孔洞裂隙水时，引起地下水位下降。上覆土层及岩溶裂隙通道中的充填物受到水流的冲刷疏通和潜蚀淘空作用，就会在第四系土层底部或土层中形成隐伏的溶洞，随着溶洞逐渐向上扩展，洞顶土体失去了重力平衡而下坠，地表发生开裂，继而产生下沉、塌陷等［1］。广清沿线岩溶地面塌陷稳定性属于“较不稳定”(易塌陷)，岩溶地面塌陷危险性为“大”［5］。

(3)岩溶强烈发育地段基岩面起伏大，部分地段发育土洞，上覆第四系地层中砂层厚度大，在钻探过程中由于泥浆的循环作用，易引起砂层的流失，进而引起孔壁的坍塌掉块，严重时可能会引起地表塌陷，在桥梁钻孔桩施工过程中可能出现孔壁稳塌陷、泥浆漏失等现象，可导致场地失稳，进而引起地表塌陷，存在施工安全风险，并破坏土层承载能力。

(4)部分岩溶强烈发育地段，灰岩基岩面起伏大，岩面倾斜，对桥梁工程桩基持力层的确定以及施工过程钻孔灌注桩的成孔影响较大。

4.2 工程措施建议

(1)高架工程应采取桩基础，桩基穿透溶洞发育层，桩端置于厚度大于10 m的完整弱风化灰岩层中。地面和地下工程，应根据溶洞发育情况进行溶洞注浆处理。

(2)施工过程中，桥梁桩基施工应注意漏浆引起的钻孔孔壁失稳进而引起场地失稳的情况，及时采用抛填黏土、片石或者钢护筒等必要措施阻止浆液漏失，确保场地稳定。

(3)对于基岩面起伏较大的桩基设计施工，应确定合理的嵌岩深度，并在施工中及时进行钻孔修正，避免因为基岩面倾斜造成钻孔倾斜过大，影响成桩质量。

(4)线路施工和建成后，应严格控制线路沿线地下水抽取，避免发生岩溶塌陷对线路工程产生的影响。

［1］ 中铁工程设计咨询集团有限公司．广州至清远城际轨道交通项目广州北至清远段初步设计第四篇:地质［R］．北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2012

［2］ 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

［3］ 董娜．花都地区岩溶发育规律及影响和控制因素调查研究［J］．研究探讨，2011，16(1)

［4］ 中铁工程设计咨询集团有限公司．广州至清远城际轨道交通项目广州北至清远段初步设计第九篇:桥涵［R］．北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2012

［5］ 中铁工程设计咨询集团有限公司，广东省地质建设工程集团公司．广东省广州至清远城际轨道交通项目广州北至清远段地质灾害危险性评估报告［R］．广州:广东省地质建设工程集团公司，2012