广西某车站路基岩溶塌陷机制分析

蒙发强，蒙学礼，李涣森，刘振龙，彭鹏程

(1.广西壮族自治区第四地质队，广西 南宁 530000；2.广西第一地质工程公司，广西 南宁 530000)

0 引 言

研究区于1938年始建站，至今已运行80多年，站内原有正线2条。2012年开始对研究区进行扩能改造工程施工，改造后车站内原有的正线变为4条，其中有2条线为原正线左侧新建，以填方为主，填方高度为0～4 m。线路两侧，房屋密集，既有铁路分布，附近公里路网又纵横交错。

1 研究区地质环境条件

1.1 地貌

地貌上该站所处位置为溶蚀侵蚀谷地地貌，谷地狭长，地势总体为北高南低，相对平缓。自然坡度5°～10°，相对高差小于10 m。

1.2 地层岩性

出露的地层主要有泥盆系上统(D3)及第四系全新统(Q4)，地层岩性特征从老至新分别为：

泥盆系上统(D3)，岩性主要为灰岩夹白云岩，灰色、灰白色、深灰色，隐晶质结构，中厚-厚层状，局部夹薄层状，岩质较硬，性较脆。山丘包表面可见有溶蚀凹槽，局部发育有溶洞。岩体裸露地表，广为分布。

1.3 地质构造

研究区构造多呈北东南西向，山体基岩裸露，代表性岩层产状为：N30°E/7°SE，岩层节理较发育，主要有：N74°E～E-W/90，N41°W～S-N/90，节理延伸性较好，呈微张-张开型，内无充填物。研究区东西两侧发育断层有灵川大断层、太平圩断层及芦笛断层，褶皱有猴山背斜，且灵川大断层为来宾—桂林大断裂之北延伸部分，属压性断裂。断裂错断地层有上泥盆统至下石炭统，并多处被第四系掩埋。断面走向北东40°，倾角为45°～70°，断面呈微舒缓状延伸。断裂垂向位移1～1.2 km，破碎带中常见碎裂岩、硅化带和擦痕等，影响带宽度可达5 km，研究区位于灵川打断层的东南面约2.5 km，位于破碎带影响范围内。

1.4 岩溶发育情况

研究区的地表山丘包表面可见溶蚀凹槽、石芽、溶隙等岩溶现象；下伏基岩为灰岩夹白云质灰岩，中厚层夹薄层状。岩溶较发育，主要为裂隙及溶洞，溶洞规模大小不一，埋深深浅不同，溶洞大多有充填、半充填，少量为空洞。

为查清研究区岩溶发育情况，采用2种物探手段对岩溶发育情况做勘查。

(1)采用地质雷达与地震映像法对车站进行物理探测时，DK368+280～DK371+195.5段存在隐伏溶洞及岩溶裂隙。根据钻孔所揭露岩芯验证，研究区域最小覆盖厚度1 m，最大覆盖层厚度14 m，平均覆盖层厚度8.62 m，土岩接触面起伏较大，157个钻孔中见溶洞数为84个，见洞率53 %，见土洞数为6个，见土洞率为6.5 %。

(2)采用多道地震面波以及地质雷达法(400 MHz)进行勘探，测线沿铁路沿线左右两侧路肩布置，拉通全部检测。根据物探初步结果布设34个钻探取芯、注水试验孔进行验证：

物探结果显示：K353+170～K354+360岩溶较发育，取芯揭示岩溶发育范围大，均为半充填、充填型溶，局部存在空洞及土洞，并且与路基软弱土体存在一定连通性，仍存在易塌陷区异常。K354+360-K355+160段岩发育深度以及规模相对较小，K355+160-K356+200岩溶不发育。

施工34个钻孔验证，其中17个钻孔遇溶洞(其中1个为土洞)，见洞率为47 %，处于30 %～60 %之间，据DBJ∕T45-066—2018规范划分研究区岩溶发育程度为中等发育。

此外，对该区段检测孔进行了注水试验，强透水(渗透系数>10 m/d)的孔有3个，中透水(渗透系数1 m/d

2 岩溶塌陷发育特征及孕育条件

2.1 研究区塌陷史

根据历次塌陷记录表显示，自1996年至2016年11月，约20年间共发生28次塌陷，塌陷规模大小不一，最小平面尺寸规模为0.5 m×0.1 m，最大为规模为4 m×3 m×4 m，塌陷主要分布在铁路中间或者两侧。

2.2 研究区水文地质条件

2.2.1 研究区水文地质单元及特征

研究区周围一带地貌景观为大型岩溶谷地，分水岭横穿谷地，地形微起伏，地表分水岭不太明显，基岩构造裂隙发育较密，尤其是背斜轴部，纵张裂隙的线裂隙率可达7～10条/m，共轭节理的线裂隙率可达3～6条/m。钻探揭示，地面下100 m裂隙仍然发育。分水岭地带岩溶较发育，地下溶洞高1～2 m，钻孔涌水量达980 t/d，地下水丰富。

研究区分水岭地带水力梯度比其它岩溶区更为平缓0.001。枯水期，漓江流域水利坡度为0.000 7～0.000 8，柳江流域水利坡度为0.000 8～0.000 9；丰水期，漓江流域水利坡度为0.000 4左右，柳江流域水利坡度为0.000 4～0.000 5。区域分水岭迫近漓江的原因是柳江支流洛清江朔源侵蚀造成的，上更新世以来，罗锦一带比桂林一带下降幅度达10 m左右，由此推论，研究区原来可能是属于漓江水系的一个水文地质单元，研究区以东为岩溶山地补给区，西侧为碎屑岩补给区，只是由于后来分水岭由南向北变迁而造成区域分水岭地带水力梯度极平缓，而当今区域分水岭地下岩溶较发育，是由于继承和发展过去研究区附近一带补给、径流区的地下岩溶发育特征。研究区一带地貌具有利的汇水条件，水力梯度平缓，加上地表水的补给，故地下水水量丰富。

2.2.2 研究区地表水、地下水补迳排分析

研究区地处岩溶侵蚀谷地，地势东北高西南低，沿庙头—黄村—马面坡一线为碳酸盐岩岩溶水的分水岭，西侧地下水向西南方向径流，排泄至运贵河；东侧地下水向东北方向径流，排泄至漓江。研究区分水岭地面高程约156 m，运贵河最低排泄基准面地面高程约151.9 m，相对高差较小，故研究区无论是线路纵向方向还是线路横断面方向，地下水径流的水力坡度都较缓，总体流向为由线路小里程向大里程径流(地下水向南西方向径流)，排泄至运贵河。此外，区域工程人类活动中存在较多的地下水抽排点，人工开采方式排泄。

2.2.3 地表抽排水点调查

2014年9月26日—28日，对现场附近基坑排水、工业抽水井位置及抽水量进行了现场调查。2016年5月，在原调查基础上进行了补充调查。根据历年塌陷分布位置及抽水点，2011年4月—8月时间段发生3处塌陷、2012年2月—11月时间段发生7处塌陷、2014年6月—12月时间段发生3处塌陷和2018年11月发生1处塌陷，附近有多个地下水抽排点，地下水水位变化幅度较大。

2.2.4 相关参数

(1)土层厚度

根据历次注浆钻孔分析可得，本站覆盖层上部为0～4 m人工填土，最厚达8.5 m；下部由于基岩面起伏不定，黏土层一般厚4～13 m，最薄处2 m，局部溶槽最厚达20.5 m。

(2)地下水位

测区地下水类型主要为第四系孔隙水及岩溶水。孔隙水主要赋存于上部黏土层中，水量较小；岩溶水主要赋存于灰岩、白云质灰岩岩溶裂隙、溶洞间，含水岩组储水能力强，富水性好，水量较大。地下水主要受大气降水补给，径流途径好，主要以人工开采方式排泄及向运贵河排泄。根据检测，5月下旬地下水位在0.9～1.9 m，地下水水位埋藏深度较浅，水位随季节性变化波动。

(3)渗透系数

研究区2017年共完成取芯及注水试验孔34个，强透水(渗透系数K>10 m/d)的孔有3个，中透水(渗透系数1 m/d

以最大影响结果计算，该次根据3个强透水孔的平均渗透系数(K平=13.76 m/d)计算抽水产生的影响半径，见表1。外部工程施工抽水，水位降深5～20 m，地下水影响半径128～514 m，降深越大影响半径越大，且研究区基本在影响半径范围内，说明抽水活动对研究区的地下水水位起伏变化影响大，起到控制水位升降及改变地下水径流条件作用。

表1 外部施工抽水对铁路路基的影响半径Tab.1 Ranges of the railway subgrade affected by external construction pumping

2.2.5抽水致岩溶塌陷致塌机理分析

分析本次岩溶塌陷主要原因是地方抽排水引起土岩界面溶隙潜蚀作用强烈，溶隙不断扩大并向上发展造成覆盖土层失稳，地面塌陷。主要表现过程如下：

(1)由于研究区周边近几年大面积房地产开发，尤其是附近的房建基坑和立交桥施工，施工中的集中长时间强抽地下水打破了本区原有地下水平衡条件，改变了地下水径流条件，频繁的抽停活动导致地下水水位频繁的升降，使得其在土石界面附近频繁波动。

(2)地下水径流条件改变后，当遭遇连续强降雨或人为集中强力抽排地下水时，地下水的坡降和流速增大，对土石界面裂隙通道中的松散物质发生潜蚀作用，且近几年降雨超过历史记录，地下水的潜蚀作用更加强烈。潜蚀作用使岩溶裂隙中的充填物被地下水不断掏蚀带走，开始在覆盖层底部的岩溶裂隙开口处形成土洞，随着覆盖层中的地下水、地表水下渗的水流，不断对土体进行潜蚀作用，土洞不断向上演展，当地下水在土石界面附近作频繁升降时，潜蚀作用更为强烈，土洞顶板支撑力不足以支撑土体自重时，造成土体失稳，地表开裂，顶板塌落，最终下沉或塌陷。

2.3 岩溶塌陷综合成因分析

1)特殊岩溶水文环境及形成机制分析

研究区地区具有独特的岩溶水文地质工程地质条件，极有利于岩溶塌陷发育，主要表现在：

(1)受构造影响强烈，网络状岩溶管道发育：属广西山字型构造前弧东翼桂林弧形断褶带北段，为北东向灵川大断裂和南北向良丰大断裂所形成的断陷区，这两条断裂是桂林地区著名的大型断裂，断陷地块岩溶发育特色明显：①是地下岩溶管道呈现网络化；②是深部岩溶发育，岩溶发育深度达百米。

(2)灰岩质纯层厚，有利岩溶发育：下伏地层为泥盆系融县组(D3r)中厚层灰岩，桂林地区绝大部分溶洞都分布在这套地层中，地下岩溶发育强烈。为裂隙溶洞水含水层，地下水补给、储存条件好，钻孔通水量一般在1 000～4 000 m3/d。

(3)土层厚度薄、易潜蚀，有利塌陷形成：第四系松散堆积层主要为残积层，以红粘土为主，厚3～8 m，遇水易软化，抗剪强度低，抵抗渗透变形及塌陷的能力低，容易发生潜蚀，形成土洞与塌陷。

(4)研究区位于分水岭附近，地下水位埋深浅，易受工程活动影响：位于柳江水系和漓江水系分界处，属柳江水系，为孤峰平原地貌区，水位埋深浅，一般1～7 m。

(5)工程活动强烈：研究区周围建设发展迅猛，基坑和桩基施工点多面广，受其影响，岩溶地下水位的急剧变化，容易诱发岩溶塌陷；铁路桥涵施工震动及强降水是导致施工期间局部发生塌陷的重要原因。火车行驶过程中的振动频率和土体的自身的频率一致时，可形成共振，增大土体的振幅，使得土体结构发生破坏，产生裂隙，形成振动。

2)房建基坑开挖抽排地下水导致路基段地下水频繁波动，并沿下伏岩溶通道潜蚀上覆土层中细粒物质，是导致岩溶塌陷的主要原因；此外抽水使得地下水疏干，水位下降，对上覆土洞形成真空吸食，增加垂向作用力，是导致岩溶塌陷的重要原因。

3)地下水在旱季、雨季发生周期性波动，土石界面起伏较大，并沿下伏岩溶裂隙通道潜蚀上覆土层中细粒物质，也是导致岩溶塌陷的重要原因。

3 结 语

综上所述，铁路站位于强岩溶发育区，地下水丰富，埋深浅，流动性强，上覆黏土层较薄，地下水水位位于土层中，地下水年际变幅1～3 m，周围工程施工频繁，地下水抽排活动强烈，列车通行长期对地基土产生共振，使得土体振幅增大结构受损，导致岩溶塌陷频繁发生。通过对研究区的区域地质构造、水文地质单元及铁路沿线两侧的地下水开采情况调查，结合水文地质钻探、物探等手段进行分析，结果表明，该铁路站的岩溶塌陷影响因素主要受地质岩性、地质构造、列车振动、沿线地下水抽排综合影响，岩溶塌陷的机制总结为上覆土体受到铁路振动力使得土体结构松动裂隙扩张；地下水抽排为地下水渗流潜蚀提供水动力作用，起到削土失托增荷；地下水升降产生负压效应综合作用产生振动致塌、重力致塌、潜蚀致塌、真空吸蚀致塌。