朔黄铁路龙宫车站路基塌陷病害勘察及机理探究

马 佳 李勤光

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

朔黄铁路龙宫车站位于晋北低中山区与山前平原过渡地带。 2017 年、2018 年雨季,龙宫车站路基出现多处塌陷病害,最大陷坑直径4 m、深1.5 m,对既有重载线路安全运营造成极大威胁。 在进行病害综合整治前,需查明路面以下存在病害的具体部位,以及发生路基塌陷的病害原因及破坏机理,并提出合理的整治建议。

对于重载铁路路基的常见病害,已有许多学者开展相关研究,宋绪国等认为,若路基压实质量不足或基底松软,在水和列车荷载作用下易产生下沉[1],但龙宫车站路基塌陷与地基土松软造成的缓慢下沉性质不同。 近年来,在多个城市由于市政管线渗漏、地铁施工、抽取地下水等原因,出现过多起路面突然塌陷的问题,分析其原因,多与地下水渗漏和岩土性质较差有关,如天津高新园区路面塌陷与地下暗穴空洞、污水管渗漏存在密切联系[2]。 陈雨昂等对2014 年～2018 年中国城市路面塌陷时空规律与原因进行分析,认为地下管道破损、降雨和施工是致塌陷频发最主要的直接原因[3];高明生从城市水文地质条件、地下水开采情况、地下工程对土体的扰动、管线老化、雨季积水等方面对道路塌陷原因进行分析[4]。 以下结合朔黄铁路黄土地区路基塌陷病害案例,对路基塌陷问题的勘察方法和形成机理进行详细探讨。

1 工程概况

朔黄铁路为国家I 级双线电气化重载铁路,与神朔铁路共同组成全长860 km 的西煤东运第二大通道。朔黄铁路龙宫车站位于山西省原平市,里程范围K41+116.18～K42+916.18,全长1 800 m。 2017 年、2018 年雨季,龙宫车站内Ⅰ、Ⅱ、3、4 道路基出现塌陷下沉,最大陷坑直径4 m、深1.5 m,典型病害情况见图1、图2。

图2 2018 年Ⅱ道、4 道K41+457 处陷坑

龙宫车站所在区域为晋北低中山区与山前平原过渡地带,根据初步地质调查,地层为二叠系砂岩,上覆黄土夹碎石土。 路基以半填、半挖结构为主;部分切坡地段为深挖方,最大挖方深度约50 m;线路经沟谷地段为填方,最大填方高度约12 m。 站场范围内典型路基横断面见图3。

图3 龙宫车站典型站场路基横断面(单位:m)

2 勘察技术路线

龙宫车站发生病害点位于半填半挖路基段,基底为填土和黄土。 对于黄土路基塌陷,曹升堂等认为主要与黄土湿陷性、崩解性等不良特性相关,常由暗穴发育引起[5];张志清等认为,黄土路基沉陷和路基陷穴是两种典型破坏形式[6];刘长江等对甘肃天水地区、陕西宝鸡市的水害引起的黄土路基坍塌进行整治,积累相关工程处理经验[7-8];刘军勇等对黄土地区公路路基勘察设计问题进行总结与分析,对黄土湿陷的机理、压实困难、处理措施的优化等问题进行深入探讨[9];何清立等采用综合物探方法对公路路基沉陷、塌陷问题进行勘察和研究,分别对砾石含水层积水引起地表浅部塌陷、岩溶区土洞塌陷、地下采空引起的塌陷问题进行分析,认为综合运用多种物探方法能够相互印证,并弥补单种物探方法解释不足等问题[10-12]。

根据类似工程问题的研究成果,拟采用综合地质调查和综合物探技术,结合本项目的地质背景,对路基塌陷病害原因进行综合分析,对病害机理进行探究。拟定勘察技术路线为:采用工程地质及水文地质调查、综合物探、挖探取样、室内试验、车站设备调查、区域气象资料分析等相结合的综合勘察方法,勘察中需重点关注路面以下岩土体的密实程度和均匀性、地表水的排泄途径、地下水的赋存状态。

3 调查及试验

3.1 工程地质调查

根据详细调查,病害段典型地质剖面特征如下。

(1)第四系上更新统新黄土

淡黄色,半干硬-硬塑,土质不均,含少量碎石土,层厚2～20 m,该层普遍分布于坡地表层。

(2)第四系上更新统卵石土

成分以砂岩为主,多呈圆棱状,一般直径为20～60 cm,最大90 cm,层厚2～12 m,主要分布于坡地表层,局部在黄土层中呈夹层。

(3)二叠系上统砂岩

紫红色,强风化-弱风化,夹泥岩薄层,局部为砂页岩互层。

3.2 水文地质调查

经过现场水文地质调查,车站周边情况如下。

(1)表层砂质黄土富水性差,接受大气降水补给,但不易储存,地下水多以上层滞水形式赋存。 经了解,边坡抗滑桩施工时,部分桩孔15 m 以下揭露基岩裂隙水,水量较小。

(2)为查明路基塌陷是否由地基中贯通的暗穴导致,对路基右侧边坡进行调查,未见异常;通过调查及走访塌陷点附近的路基边坡、山体未见渗水或泉水出露。

3.3 路基结构调查

K41+393、K41+395 到发线路肩边缘开挖的探坑揭露,车站路堤填料成分为黄土夹少量碎石,开挖路堑基底为原状黄土,无基底封闭或换填处理措施。

3.4 排水系统调查

龙宫车站发生塌陷病害的Ⅱ道与4 道、Ⅰ道与3 道间之间均设置线间排水沟,净宽0.6 m、净高0.8 m,里程范围为K41+060～K43+120,顺线路方向长度达2060 m,排水方向自小里程向大里程,排水坡度为1‰～2‰。 路堤涵洞两侧可见横穿站场路基的排水暗沟出口与路堤边坡排水槽连接。 车站排水径路见图4。

图4 车站排水径路

2017 年8 月开挖过I 道、3 道间的纵向排水沟,发现纵向排水沟伸缩缝连接处的勾缝脱落,排水沟以下存在暗坑。 分析车站排水系统,认为其纵横向排水坡度均较小,局部渗漏极易导致出现集中水害点。 根据路基塌陷发生季节(8 月下旬雨季末)、线间沟渗漏状况,初步推测地面塌陷原因与雨季线间沟内排水不畅及渗漏相关。

3.5 区域气象

龙宫车站所在山西省原平市年平均降雨量较小(441.8 mm),根据气象站资料,2017 年7 月初至8 月22 日,原平市降雨量合计181.2 mm,约占全年降水量的40%,2017 年8 月22 日24h 降雨量达37.9 mm;2018 年7 月初至8 月22 日,原平市降雨量合计287.0 mm,约占全年降水量的65%,2018 年8 月22 日24h 降雨量为24.5 mm。

3.6 取样及试验

原状样挖探点1 布置于K41+540 左侧边坡,距离塌陷点约100 m,该处砂质黄土与碎石土呈多层交错状分布。 该处黄土试样含砂量较高,试验室加工过程中样品出现崩解,未能完成湿陷性试验。 而后采用了湿化试验,黄土试样浸入水中,15～20 min 后,试样完全崩解。 试验表明,该处黄土水稳定性极差,具有强烈易崩解性。

原状样挖探点2 布置于K41+640 右侧边坡,距离塌陷点约200 m,取样为黏质黄土。 湿陷性试验得湿陷系数δs=0.024＞0.015,根据规范判定为湿陷性黄土[13],湿陷起始压力为123 kPa。

4 物探勘察

病害地段位于既有重载运营车站内,不具备开展工程地质钻探的条件。 从可实施性方面考虑,应优先选用无损伤的地球物理勘探方法。

4.1 高密度电法

在路基病害段落,土体松动、含水率增多,电阻率值一般会明显降低。 2018 年8 月下旬发生路基塌陷后,在塌陷区附近小范围开展此项测试[14],测区内典型视电阻率剖面见图5。

图5 高密度电法典型视电阻率剖面

由图5 可知,该段路基整体上上部视电阻率较小,下部视电阻率较大,表明路基上部填料中含水率较高,下部路基填料含水率较小。 此外,高密度电法视电阻率剖面存在漏斗状低阻异常,推测为渗水通道,较清晰地反映出雨季路基土体内部的渗流特征:当渗透水力梯度较大时,黄土中含量较大的易溶盐被溶解、水流将黄土中的黏土粒和粉土粒等细颗粒带走后,扩大了黄土的裂隙或大孔管道,使黄土固结强度下降,土质出现疏松。 由于黄土地基含碎石土,更容易发生这种土中细颗粒冲蚀。 高密度电法揭露,地表水呈多条带状渗入地下,渗水漏斗间距2～5 m,渗流影响深度4～7 m。

高密度电法需要通过电极向地下供电,受道砟覆盖等原因,现场操作难度大;加之勘察时为冬季枯水季节,此时开展高密度电法难以准确反映路基在雨季由于土体含水量升高引起病害的机理,故此项勘察工作未大范围展开。

4.2 地质雷达法

地质雷达是一种采用超高频短脉冲电磁波对地下目标体或分界面进行定位或判别的物探方法。 该方法较为适应本工程的探测要求和现场条件,故在车站内大范围使用。 测线总长6 120 m,顺线路覆盖范围包含深路堑、浅挖方、低填方、高填方等不同类型路基。 采用SIR-4000 型便携式地质雷达,满足检测深度的基础上兼顾目标体的尺寸精度要求,屏蔽天线中心频率为100 MHz;根据地层岩土类别,检测场地介电常数取9,探测深度为10 m,时窗为450 ns,天线采样点数为1 024。

勘察目标为探测路基体内是否有空洞、塌陷、填筑不密实、不均匀等情况;数据解释的原则是通过雷达剖面的纵横向比较,确定异常位置,再根据异常区域的雷达波同相轴的形态、连续性、能量以及频率等属性推测异常体的性质,地质雷达图像的解释推断见表1,典型雷达图像见图6～图8。

图8 路基填筑不均典型雷达图像

表1 地质雷达路基异常解释推断

图6 路基不密实区典型雷达图像

地质雷达测试共检测出60 处异常,其中不密实异常55 处,路基沉陷异常2 处,填筑不均异常3 处;其中图5 与图6 为同一位置处高密度电法视电阻率图像与地质雷达图像,均显示出竖向梳状分布特征,推测为不密实区。 按照工点类型统计,结果如下。

(1)填方路基总长480 m,填高0～12 m;道床以下上部为路基填筑土,其下为天然地面新黄土,共提示有44 处异常,其中不密实异常39 处,路基沉陷异常2处,填筑不均异常3 处。

图7 路基沉陷典型雷达图像

(2)半填半挖路基总长170 m,左幅路基最大挖深约27 m、右幅最大填高约6 m,路基左幅基底地层以砂岩为主,浅挖方段基底为新黄土夹碎石土,右幅路基地层为路基填筑土和天然地基新黄土,提示有16 处异常,主要位于低填浅挖段,均提示为路基不密实异常。

(3)深挖方路基长480 m,路基左侧最大挖深约50 m,道床以下地层为砂岩,局部夹泥岩,未提示有异常。

根据对不同类型工点的物探异常段落进行统计并结合地质条件分析,结果表明:低填浅挖路基和填方路基是路基土质疏松、塌陷易发地段,说明天然黄土地基和压实黄土路基多年运营后易发生土质疏松从而引起塌陷,而深挖方段砂岩地基受雨水浸泡、冻融循环等环境作用影响较小。

按照股道进行统计,临近线间排水沟的Ⅰ道、Ⅱ道、4 道右侧、3 道左侧共检测出55 处存在异常,作为整治的重点段落,占检出异常总数的91.6%。 统计结果也印证路基塌陷病害与线间排水沟渗漏的相关性。

物探显示,土体的疏松、不密实、基床下沉主要发生在路基面以下5 m 深度范围内(此深度值受场地介电常数取值影响,有一定误差),5 m 以下较均匀,表明高路堤下部填土和5 m 深度以下天然地基受环境影响较小。 制定工程处理措施时,主要参考物探解译的异常深度进行治理。

物探勘察并未发现地基中有尺寸较大或贯通发育的暗穴,与调查情况基本一致,说明地基土质疏松主要发生在表层,尚未发育成严重的掏空现象。 由于渗水并未从侧方边坡和基底排出,故推测渗水仍以滞水形式赋存于上部土体大孔隙中。

5 病害机理分析

(1)渗流造成松散土体中形成大孔隙骨架结构并以临界稳定状态潜于地下,在地面荷载、振动等外界干扰作用下,造成临界稳定状态破坏而突然失稳,这是形成地表塌陷的主要原因。 此种情况与侯超群[15]等对土体松散型地面塌陷的原因分析一致。

(2)站场排水系统因运行不畅、年久失修存在渗漏问题,雨季路面表层汇水来不及通过线间排水沟全部排走,部分从排水沟接缝和破碎处下渗至基底;至8 月下旬,道床以下土体含水量达到一年中最大值,2017 年、2018 年路基塌陷均发生于此时,故降雨是造成路面塌陷的重要诱因。

(3)天然黄土在浸水条件下具有强烈易崩解性和湿陷性,路堤填料压实黄土存在填筑不均匀、局部基床下沉等问题;这些因素对路基塌陷也具有一定的不利作用。 黄土的湿陷性机理较复杂,目前存在多种理论和假说[16],根据黄土取样试验的情况,其遇水崩解性造成结构强度迅速丧失,是造成路基突然塌陷的重要原因。

6 结语

本项目为运营线路,不具备钻探验证条件,故在病害治理施工阶段,需加强地质情况核对。 最终确定病害治理方案为采用袖阀管注浆加固,并对车站排水沟进行全面疏通、整修。 注浆孔施工过程中,发现部分钻孔4～7 m 存在过湿土层,与分析推测的地基土体渗水赋存状态基本一致。 注浆完成后,对部分病害段落进行地质雷达复检。 注浆后雷达图像较均匀,表明注浆加固后原地基松散土体大孔隙得到充填,密实程度得到提高。 经整治,2019 年～2021 年雨季龙宫车站未出现路基塌陷。

通过多种勘察方法综合应用、相互印证,揭示黄土及黄土质填土在地表水渗漏作用下的疏松、软化是产生路基塌陷病害的主要原因,综合分析龙宫车站路基塌陷的病害为排水不畅与特殊地基土质条件共同作用下形成,提出浅挖方路堑和排水不畅的填方路基段应作为重点整治段落。 经工程实践检验,勘察与研究结论较为准确。