泰莱盆地岩溶塌陷特征及重载铁路工程地质选线研究

王延涛

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

山西中南部铁路通道为我国首条30 t轴重的重载铁路，西起山西瓦塘，东至山东日照港，全长1 260 km，为我国东西部重要的能源通道。

线路自西向东横穿泰莱盆地，泰莱盆地岩溶及岩溶塌陷发育，具有中国北方岩溶塌陷的典型特点[1-2]。

泰莱岩溶塌陷区，位于泰山、徂徕山山前冲洪积扇上，上覆10～30 m厚的第四系堆积物，下伏的寒武系、奥陶系灰岩岩溶发育，为隐伏岩溶。溶洞或暗河在一定条件下产生塌陷坑、地裂缝、地面沉降等灾害，严重威胁生命财产安全。

既有津浦铁路泰安段长期遭受岩溶塌陷威胁，自1979年以来长年限速通过，经济损失每年达40余万元，泰安站路基塌陷整治费就达3 000万元以上，严重影响线路运营安全[3-4]。

泰莱盆地岩溶分布特征及岩溶塌陷发育程度，控制线路走向及方案的可行性。为此，系统性地研究泰莱盆地岩溶分布特征及岩溶塌陷形成条件、形成机理，进行平纵结合，对岩溶塌陷进行时空分区[5]，对重载铁路方案的选择、运营及整治具有重要的实践意义。

1 水文地质与工程地质背景

泰山、徂徕山、蒙山圈闭形成泰莱盆地，大汶河穿越其中，泰山、徂徕山岩性为太古界变质岩，泰莱盆地基底为太古界变质岩，沉积寒武、奥陶系地层，表层覆盖第三、第四系松散地层(图1)。

图1 泰莱盆地地质构造

泰莱盆地地质构造复杂，隐伏断层构造发育，沿构造地下水活跃，在灰岩分布区形成岩溶发育区，溶洞一般发育在灰岩顶板20 m深度内[6-7](图2)。

图2 构造纲要

泰莱盆地发育第四系冲洪积层孔隙潜水和基岩岩溶裂隙水。第四系潜水含水层为沙、砾土，埋深2～8 m，年变幅2～3 m，大气降水补给。岩溶裂隙水，普遍在碳酸盐岩内发育，具承压性；近期，随着地下水开采水位开始下降，形成降落漏斗，局部水位逐渐脱离基岩顶板。山前第四系潜水补给岩溶水，大汶河排泄区岩溶水顶托排泄于第四系孔隙水，在降落漏斗区，第四系潜水垂直渗漏补给岩溶水[8-9]。

2 岩溶塌陷特征

泰莱盆地山前地面高程126～140 m，侵蚀基准面(大汶河)高程90～110 m，侵蚀基准面附近灰岩易溶蚀，根据钻孔资料，平均线岩溶率6.8%～10%以上，见洞率达80%，受构造影响，岩体破碎，溶蚀裂隙网状发育构成强径流带，连通形成地下暗河(图3)。

图3 岩溶发育剖面

泰莱盆地岩溶在平面上分布于寒武、奥陶系沉积区，沿断裂带、河道走向分布；剖面上分布侵蚀基准面高程90～110 m附近。发育程度按扇项区、扇中区、扇前缘区依次增强，靠近排泄区岩溶发育程度最强。地下水承压状态扇中区强、扇项区和扇前缘区相对减弱。补给方式扇项区第四系潜水补给，扇中区顶托排泄于第四系孔隙水，扇前缘区排泄于大汶河。

泰莱盆地岩溶发育，扇中区、冲积区岩溶侵蚀强，上覆隔水盖层，地下水开采或矿山疏干排水导致地下水位变化，极易形成塌陷区(图4)。泰安市由于地下水开采导致41处塌陷，面积达1.2 km2[10]；莱芜市由于地下水开采及矿山疏干排水导致139处塌陷，面积达6 435 m2[11]。

图4 易塌陷区分布示意

地面岩溶塌陷，上覆隔水盖层破坏，地表水直接补给岩溶水，在河流交汇点岩溶排泄区形成岩溶天窗。泰莱盆地岩溶区主要发育泰安—省庄—邱家店天窗、大汶口天窗、楼德天窗、宫里天窗、莱芜天窗，天窗沿地下暗河串珠状展布，形态呈长条形或椭圆形，尺寸几十或上百米，分布如图5所示。

图5 易塌陷区分布

岩溶天窗灾害程度受控于地下水开采程度、地层岩性及地下水循环程度。泰安城区、泰安旧县水源地地处断裂构造发育的扇中区，高强度取水，形成漏斗，岩溶塌陷严重，塌陷达21处，其中东羊楼塌陷坑长轴35 m，短轴27 m，深24 m[5-6]。

3 岩溶塌陷形成条件及形成机理

20世纪60年代以前，泰莱盆地溶洞水水位高于基岩顶板20 m左右，岩溶水承压托顶上部基岩，处于稳定状态。

20世纪60年代以后，由于开采地下水，水位逐年下降。1976年以后，水位开始低于基岩顶板，地下水位在基岩顶板附近上下波动，年变幅8～12 m，地面开始出现大量塌陷。

1982年以后，水位逐渐脱离基岩顶板，岩溶水托顶向上往第四系潜水排泄转变为第四系潜水向溶洞垂直渗漏，潜蚀作用加强，塌陷频率有所缓和。

20世纪60年代以来，泰莱盆地地面岩溶塌陷表现强烈，对比泰安城区、泰安旧县水源地岩溶水动水位与地面岩溶塌陷关系(图6)，地面岩溶塌陷与地下动水位相关性极强，在一定水位段内塌陷强烈。

图6 岩溶水动水位与地面塌陷关系

进一步对比岩溶水动水位、地面岩溶塌陷次数、岩性关系揭示，岩溶水动水位在基岩面附近波动且潜水向下渗透时地面岩溶塌陷最为严重[12-14](图7)。

图7 岩溶水动水位、地面塌陷次数、岩性相关图

岩溶塌陷形成条件：地下溶洞发育，岩溶水动水位在基岩面附近波动，潜水向下渗透。

岩溶塌陷形成机理：上覆第四系堆积层脱水、真空吸蚀、岩溶水潜蚀、岩溶水冲刷等综合作用所致。

4 工程地质选线

山西中南部铁路通道自西向东横穿泰莱盆地，泰莱盆地岩溶分布及岩溶塌陷分布，控制着的线路走向及方案的可行性。

4.1 选线原则

泰莱盆地岩溶分布在盆地中心隐伏的寒武、奥陶系地层内，线路应尽可能绕避。

泰莱盆地岩溶塌陷主要分布在扇中区、冲积区，并形成岩溶天窗，线路应尽可能绕避。

如线路必须穿越岩溶发育区，尽可能采用桥梁通过，当采用路基通过时，需采用回填、盖板、支顶、注浆等加固措施。

泰莱断陷盆地为太古界片麻岩地层圈围，泰莱盆地边缘地处补给区，地下水循环弱，线路存在可以较好地绕避岩溶发育区的条件。

4.2 方案研究

(1)可研阶段，受岩溶塌陷影响，研究了穿越岩溶塌陷区方案、绕避岩溶塌陷区方案(图8)。

图8 线路方案示意

穿越岩溶塌陷区方案：穿越岩溶塌陷严重区边缘4 km，工程加固措施困难，质量不可控，予以放弃。

绕避岩溶塌陷区方案：沿徂徕山北侧的片麻岩地层走行，少量穿行在裸露的奥陶系灰岩内，完全绕避了岩溶天窗，规避了岩溶塌陷风险[15]。

(2)定测阶段，受泰山徂徕山国家级森林公园、汶河水系规划影响，绕避岩溶塌陷区方案基础上进一步研究了徂徕山南侧方案。

徂徕山南侧方案：沿徂徕山南侧的片麻岩地层走行，少量穿行在裸露的奥陶系灰岩内，在跨越汶河牛泉附近，线路紧邻莱芜天窗，钻探揭示，溶孔溶隙相对较发育，大型溶洞不发育，出现岩溶塌陷可能性不大，采取适当的注浆处理即可保证工程质量[16]。

4.3 施工及运营验证

工程施工揭示，徂徕山南侧方案大部分走行在变质片麻岩地层内，在牛泉附近发育溶孔及溶隙，未遇到大的溶洞，基底岩溶探测无溶洞发育，经注浆处理可确保重载铁路基础稳定安全。

山西中南部铁路通道2014年12月开通运营以来，该段路基运营平稳未出现任何病害，为北方岩溶区工程地质选线提供了成功案例。

5 结语

(1)泰莱盆地下伏寒武系、奥陶系灰岩地层发育隐伏岩溶。

(2)泰莱溶塌陷区具有中国北方岩溶塌陷典型特征；地下溶洞发育，岩溶水动水位在基岩面附近上下波动，潜水向下渗透是产生岩溶塌陷的条件；上覆第四系堆积层脱水、真空吸蚀、岩溶水潜蚀、岩溶水冲刷等是岩溶塌陷的主要形成原因。

(3)岩溶天窗主要分布在扇中区、冲积区河流交汇处的岩溶排泄区内。

(4)泰莱盆地边缘地层主要为太古界片麻岩地层，地下水循环弱，线路只要沿山前走行，既可较好地绕避岩溶发育区。

(5)山西中南部铁路通道沿徂徕山南侧走行，大部分走行在变质片麻岩地层内，施工揭示仅在牛泉附近发育溶孔及溶隙，基底岩溶探测无溶洞发育，该段铁路2014年12月开通运营以来，运营平稳，未出现任何病害。

[1] 贺可强，王滨，杜汝霖，等.中国北方岩溶塌陷[M].北京：地质出版社，2005.

[2] 袁道先.我国北方岩溶研究的形势和任务[J].中国岩溶，2010，29(3)：219-221.

[3] 涂国强.铁路沿线岩溶塌陷预测研究及其应用[D].成都：西南交通大学，2001.

[4] 王明媚.泰安市岩溶塌陷机理及监测预报研究[D].泰安：山东农业大学，2006.

[5] 王滨，贺可强，高宗军.岩溶塌陷发育的时空阶段性分析[J].水文地质与工程地质，2001，28(5)：24-27.

[6] 高宗军.泰安岩溶地面塌陷形成机理与防治对策[J].中国地质灾害与防治学报，2001，12(3)：73-76.

[7] 高宗军，张富中，鲁峰.山东泰安岩溶地面塌陷前兆及其预报预测[J].中国地质灾害与防治学报，2004，15(3)：149-150.

[8] 刘善军.隐伏岩溶区岩溶易发程度评价-以泰安为例[J].中国地质灾害与防治学报，2004，9(3)：87-88.

[9] 卢耀如，张凤娥，刘长礼，等.中国典型地区岩溶水资源及其生态水文特性[J].地球学报，2006，27(5)：393-402.

[10] 泰安市国土资源局.泰安市地质灾害防治规划(2004～2020)[R].山东泰安：泰安市国土资源局，2003.

[11] 莱芜市国土资源局.莱芜市地质灾害防治规划(2005～2020)[R].山东莱芜：莱芜市国土资源局，2004.

[12] 王建秀，何静.铁路岩溶塌陷典型概念模型研究及实例分析[J].铁道工程学报，1999(4)：75-79.

[13] 王建秀，杨立中，刘丹.覆盖型岩溶区土体塌陷典型数学模型的研究[J].中国地质灾害与防治学报，1998，9(3)：54-59.

[14] 马振民，陈鸿汉，刘立才.泰安市第四系水文地质结构对浅层地下水污染敏感性控制作用研究[J].地球科学，2000，25(5)：472-476.

[15] 中铁工程设计咨询集团有限公司.山西中南部铁路通道洪洞北至日照南段可研报告第四篇[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2009.

[16] 中铁工程设计咨询集团有限公司.山西中南部铁路通道汤阴东至日照南段初步设计报告第四篇[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2010.