王延濤

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

山西中南部鐵路通道為我國首條30 t軸重的重載鐵路，西起山西瓦塘，東至山東日照港，全長1 260 km，為我國東西部重要的能源通道。

線路自西向東橫穿泰萊盆地，泰萊盆地巖溶及巖溶塌陷發(fā)育，具有中國北方巖溶塌陷的典型特點[1-2]。

泰萊巖溶塌陷區(qū)，位于泰山、徂徠山山前沖洪積扇上，上覆10～30 m厚的第四系堆積物，下伏的寒武系、奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育，為隱伏巖溶。溶洞或暗河在一定條件下產(chǎn)生塌陷坑、地裂縫、地面沉降等災(zāi)害，嚴重威脅生命財產(chǎn)安全。

既有津浦鐵路泰安段長期遭受巖溶塌陷威脅，自1979年以來長年限速通過，經(jīng)濟損失每年達40余萬元，泰安站路基塌陷整治費就達3 000萬元以上，嚴重影響線路運營安全[3-4]。

泰萊盆地巖溶分布特征及巖溶塌陷發(fā)育程度，控制線路走向及方案的可行性。為此，系統(tǒng)性地研究泰萊盆地巖溶分布特征及巖溶塌陷形成條件、形成機理，進行平縱結(jié)合，對巖溶塌陷進行時空分區(qū)[5]，對重載鐵路方案的選擇、運營及整治具有重要的實踐意義。

1 水文地質(zhì)與工程地質(zhì)背景

泰山、徂徠山、蒙山圈閉形成泰萊盆地，大汶河穿越其中，泰山、徂徠山巖性為太古界變質(zhì)巖，泰萊盆地基底為太古界變質(zhì)巖，沉積寒武、奧陶系地層，表層覆蓋第三、第四系松散地層(圖1)。

圖1 泰萊盆地地質(zhì)構(gòu)造

泰萊盆地地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隱伏斷層構(gòu)造發(fā)育，沿構(gòu)造地下水活躍，在灰?guī)r分布區(qū)形成巖溶發(fā)育區(qū)，溶洞一般發(fā)育在灰?guī)r頂板20 m深度內(nèi)[6-7](圖2)。

圖2 構(gòu)造綱要

泰萊盆地發(fā)育第四系沖洪積層孔隙潛水和基巖巖溶裂隙水。第四系潛水含水層為沙、礫土，埋深2～8 m，年變幅2～3 m，大氣降水補給。巖溶裂隙水，普遍在碳酸鹽巖內(nèi)發(fā)育，具承壓性；近期，隨著地下水開采水位開始下降，形成降落漏斗，局部水位逐漸脫離基巖頂板。山前第四系潛水補給巖溶水，大汶河排泄區(qū)巖溶水頂托排泄于第四系孔隙水，在降落漏斗區(qū)，第四系潛水垂直滲漏補給巖溶水[8-9]。

2 巖溶塌陷特征

泰萊盆地山前地面高程126～140 m，侵蝕基準面(大汶河)高程90～110 m，侵蝕基準面附近灰?guī)r易溶蝕，根據(jù)鉆孔資料，平均線巖溶率6.8%～10%以上，見洞率達80%，受構(gòu)造影響，巖體破碎，溶蝕裂隙網(wǎng)狀發(fā)育構(gòu)成強徑流帶，連通形成地下暗河(圖3)。

圖3 巖溶發(fā)育剖面

泰萊盆地巖溶在平面上分布于寒武、奧陶系沉積區(qū)，沿斷裂帶、河道走向分布；剖面上分布侵蝕基準面高程90～110 m附近。發(fā)育程度按扇項區(qū)、扇中區(qū)、扇前緣區(qū)依次增強，靠近排泄區(qū)巖溶發(fā)育程度最強。地下水承壓狀態(tài)扇中區(qū)強、扇項區(qū)和扇前緣區(qū)相對減弱。補給方式扇項區(qū)第四系潛水補給，扇中區(qū)頂托排泄于第四系孔隙水，扇前緣區(qū)排泄于大汶河。

泰萊盆地巖溶發(fā)育，扇中區(qū)、沖積區(qū)巖溶侵蝕強，上覆隔水蓋層，地下水開采或礦山疏干排水導(dǎo)致地下水位變化，極易形成塌陷區(qū)(圖4)。泰安市由于地下水開采導(dǎo)致41處塌陷，面積達1.2 km2[10]；萊蕪市由于地下水開采及礦山疏干排水導(dǎo)致139處塌陷，面積達6 435 m2[11]。

圖4 易塌陷區(qū)分布示意

地面巖溶塌陷，上覆隔水蓋層破壞，地表水直接補給巖溶水，在河流交匯點巖溶排泄區(qū)形成巖溶天窗。泰萊盆地巖溶區(qū)主要發(fā)育泰安—省莊—邱家店天窗、大汶口天窗、樓德天窗、宮里天窗、萊蕪天窗，天窗沿地下暗河串珠狀展布，形態(tài)呈長條形或橢圓形，尺寸幾十或上百米，分布如圖5所示。

圖5 易塌陷區(qū)分布

巖溶天窗災(zāi)害程度受控于地下水開采程度、地層巖性及地下水循環(huán)程度。泰安城區(qū)、泰安舊縣水源地地處斷裂構(gòu)造發(fā)育的扇中區(qū)，高強度取水，形成漏斗，巖溶塌陷嚴重，塌陷達21處，其中東羊樓塌陷坑長軸35 m，短軸27 m，深24 m[5-6]。

3 巖溶塌陷形成條件及形成機理

20世紀60年代以前，泰萊盆地溶洞水水位高于基巖頂板20 m左右，巖溶水承壓托頂上部基巖，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

20世紀60年代以后，由于開采地下水，水位逐年下降。1976年以后，水位開始低于基巖頂板，地下水位在基巖頂板附近上下波動，年變幅8～12 m，地面開始出現(xiàn)大量塌陷。

1982年以后，水位逐漸脫離基巖頂板，巖溶水托頂向上往第四系潛水排泄轉(zhuǎn)變?yōu)榈谒南禎撍蛉芏创怪睗B漏，潛蝕作用加強，塌陷頻率有所緩和。

20世紀60年代以來，泰萊盆地地面巖溶塌陷表現(xiàn)強烈，對比泰安城區(qū)、泰安舊縣水源地巖溶水動水位與地面巖溶塌陷關(guān)系(圖6)，地面巖溶塌陷與地下動水位相關(guān)性極強，在一定水位段內(nèi)塌陷強烈。

圖6 巖溶水動水位與地面塌陷關(guān)系

進一步對比巖溶水動水位、地面巖溶塌陷次數(shù)、巖性關(guān)系揭示，巖溶水動水位在基巖面附近波動且潛水向下滲透時地面巖溶塌陷最為嚴重[12-14](圖7)。

圖7 巖溶水動水位、地面塌陷次數(shù)、巖性相關(guān)圖

巖溶塌陷形成條件：地下溶洞發(fā)育，巖溶水動水位在基巖面附近波動，潛水向下滲透。

巖溶塌陷形成機理：上覆第四系堆積層脫水、真空吸蝕、巖溶水潛蝕、巖溶水沖刷等綜合作用所致。

4 工程地質(zhì)選線

山西中南部鐵路通道自西向東橫穿泰萊盆地，泰萊盆地巖溶分布及巖溶塌陷分布，控制著的線路走向及方案的可行性。

4.1 選線原則

泰萊盆地巖溶分布在盆地中心隱伏的寒武、奧陶系地層內(nèi)，線路應(yīng)盡可能繞避。

泰萊盆地巖溶塌陷主要分布在扇中區(qū)、沖積區(qū)，并形成巖溶天窗，線路應(yīng)盡可能繞避。

如線路必須穿越巖溶發(fā)育區(qū)，盡可能采用橋梁通過，當采用路基通過時，需采用回填、蓋板、支頂、注漿等加固措施。

泰萊斷陷盆地為太古界片麻巖地層圈圍，泰萊盆地邊緣地處補給區(qū)，地下水循環(huán)弱，線路存在可以較好地繞避巖溶發(fā)育區(qū)的條件。

4.2 方案研究

(1)可研階段，受巖溶塌陷影響，研究了穿越巖溶塌陷區(qū)方案、繞避巖溶塌陷區(qū)方案(圖8)。

圖8 線路方案示意

穿越巖溶塌陷區(qū)方案：穿越巖溶塌陷嚴重區(qū)邊緣4 km，工程加固措施困難，質(zhì)量不可控，予以放棄。

繞避巖溶塌陷區(qū)方案：沿徂徠山北側(cè)的片麻巖地層走行，少量穿行在裸露的奧陶系灰?guī)r內(nèi)，完全繞避了巖溶天窗，規(guī)避了巖溶塌陷風(fēng)險[15]。

(2)定測階段，受泰山徂徠山國家級森林公園、汶河水系規(guī)劃影響，繞避巖溶塌陷區(qū)方案基礎(chǔ)上進一步研究了徂徠山南側(cè)方案。

徂徠山南側(cè)方案：沿徂徠山南側(cè)的片麻巖地層走行，少量穿行在裸露的奧陶系灰?guī)r內(nèi)，在跨越汶河牛泉附近，線路緊鄰萊蕪天窗，鉆探揭示，溶孔溶隙相對較發(fā)育，大型溶洞不發(fā)育，出現(xiàn)巖溶塌陷可能性不大，采取適當?shù)淖{處理即可保證工程質(zhì)量[16]。

4.3 施工及運營驗證

工程施工揭示，徂徠山南側(cè)方案大部分走行在變質(zhì)片麻巖地層內(nèi)，在牛泉附近發(fā)育溶孔及溶隙，未遇到大的溶洞，基底巖溶探測無溶洞發(fā)育，經(jīng)注漿處理可確保重載鐵路基礎(chǔ)穩(wěn)定安全。

山西中南部鐵路通道2014年12月開通運營以來，該段路基運營平穩(wěn)未出現(xiàn)任何病害，為北方巖溶區(qū)工程地質(zhì)選線提供了成功案例。

5 結(jié)語

(1)泰萊盆地下伏寒武系、奧陶系灰?guī)r地層發(fā)育隱伏巖溶。

(2)泰萊溶塌陷區(qū)具有中國北方巖溶塌陷典型特征；地下溶洞發(fā)育，巖溶水動水位在基巖面附近上下波動，潛水向下滲透是產(chǎn)生巖溶塌陷的條件；上覆第四系堆積層脫水、真空吸蝕、巖溶水潛蝕、巖溶水沖刷等是巖溶塌陷的主要形成原因。

(3)巖溶天窗主要分布在扇中區(qū)、沖積區(qū)河流交匯處的巖溶排泄區(qū)內(nèi)。

(4)泰萊盆地邊緣地層主要為太古界片麻巖地層，地下水循環(huán)弱，線路只要沿山前走行，既可較好地繞避巖溶發(fā)育區(qū)。

(5)山西中南部鐵路通道沿徂徠山南側(cè)走行，大部分走行在變質(zhì)片麻巖地層內(nèi)，施工揭示僅在牛泉附近發(fā)育溶孔及溶隙，基底巖溶探測無溶洞發(fā)育，該段鐵路2014年12月開通運營以來，運營平穩(wěn)，未出現(xiàn)任何病害。

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