王双树特大桥岩溶土洞塌陷危险性评价研究

杜宪花

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 概况

哈大客运专线沈阳至大连段全长425 km,设计旅客列车运行速度350 km/h。其中王双树特大桥位于辽宁省辽阳市火车站南王双树地区,该桥长约6.7 km,桥梁孔跨24.0～56.0 m。桥址区局部下伏石灰岩,岩溶、土洞发育,设计采用钻孔灌注桩。在过量抽取地下水条件下，存在土洞塌陷的潜在危险,可能会给对沉降要求极为严格的客运专线带来安全风险。

2 工程地质条件

2.1 岩溶发育特征

王双树特大桥上覆第四系冲洪积层,下伏奥陶系灰岩,基岩地层呈北东—南西向的条带状分布,北东向压扭性断裂构造及同期的次一级北西向张扭性断裂构造发育。

从地勘资料分析,在王双树特大桥完成的27个钻孔中,有18个钻孔揭露溶洞、溶隙,岩溶遇洞率67%,并且大部分溶洞充填流塑状粉质黏土。土层厚度多大于40 m,岩溶属于深覆盖型,发育程度属弱至中等发育,具有自上而下逐步减弱的趋势。

2.2 土层结构及不均匀性分析

王双树特大桥主要位于太子河冲洪积扇区,松散堆积层以二元结构(上部由黏性土构成,下部由圆砾土、卵石土构成)、三元结构(上部及下部由黏性土构成,中部由圆砾土、卵石土构成)土层为主(见图1)。

图1 土层结构类型

经对桥址区圆砾土、卵石土颗粒分析资料统计发现,该区土层的不均匀系数(Cu)越大,土层越容易发生渗透变形破坏，进而形成土洞。通常将10作为渗透变形敏感性界限[6],当不均匀系数大于10时,该类土属于易发生渗透变形(潜蚀接触冲刷)的土。而王双树地区圆砾土的不均匀系数一般为15～25；卵石土的不均匀系数一般为20～40,说明容易形成土洞。

图2 岩溶土洞塌陷的形成演化过程

2.3 地下水动力条件及开采情况

桥址区位于辽阳市南部首山水源地的边缘。该水源地1919年就已开发利用,开采规模不断扩大,2004年至2007年开采量稳定在3.1亿m3。过量开采导致地下水水位下降,形成以蛤蜊等村为中心的大型地下水开采漏斗,王双树特大桥岩溶段处于漏斗区边缘。

该桥址区存在双层地下水,即第四系孔隙含水层、岩溶含水层,含水层间局部缺乏隔水层,往往具有相同的地下水位,勘测期间地下水埋深11.0～13.5 m,年升降幅度约2.0～3.0 m。地下水的存在对塌陷的产生有直接影响。研究显示,如果水位一旦下降到基岩面附近,将可能引发较为严重的岩溶(土洞)塌陷问题。

3 岩溶土洞形成及发育机理

3.1 渗透变形效应

由于岩溶水位的下降,第四系土层孔隙水向下渗流补给岩溶水的作用增强,导致作用于上覆土层的水力坡度超过土体发生渗透破坏的临界水力坡度,土体产生渗透变形破坏。

3.2 真空负压效应

由于岩溶水位下降速度快、幅度大,第四系孔隙水(气)补给滞后,导致基岩裂隙中产生负压。负压的出现会提高集中渗流点附近的水力坡度,当水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水力坡度,土体发生渗透变形破坏。因此,真空负压效应诱发塌陷的本质还是土体的渗透变形。

3.3 浮托力丧失

当土洞形成后,水位的下降,作用于土体上的浮托力下降,使土体下塌、破坏,而流塑状黏性土则容易发生流动,从而加速上覆土层的变形或破坏,进而产生土洞或塌陷。

3.4 土体崩解

当岩溶地下水为承压水时,反复抽(排)岩溶水,会使土洞周围土体发生崩解,土洞不断扩展,最后导致塌陷产生。

3.5 岩溶土洞形成演化和塌陷过程分析

(1)“洞顶垮塌→堆积→潜蚀搬运”循环发展模式

在地下水渗流作用比较强的地区,地下水的作用会使土洞逐渐垮塌,垮塌土体被地下水带走,洞顶向上扩展,当其影响区波及地表,或在外荷载作用下土洞失稳下陷，形成地面塌陷(图2)。

(2)“洞顶垮塌→空腔填塞→相对稳定” 模式

在地下水渗流作用比较弱的地区，土洞在地下水长期浸泡下发生垮塌,由于地下水作用相对较弱,无法将垮塌土体带走,因此,整个土洞会被填满,土洞进入相对稳定阶段,这种情况下,一般不会在地面产生塌陷坑(图3)。

图3 岩溶土洞演化过程

4 土洞(塌陷)危险性评估及桩基施工对其影响

4.1 危险性评估

在目前变化趋势下,王双树特大桥岩溶段形成土洞塌陷的可能性不大。根据资料[1],从2002年起，首山水源地地下水降落漏斗面积和中心水位降深都在逐年缩小,作用于岩溶发育带上覆土体的渗透力得到进一步降低,有利于土体稳定。

根据对桥址区地下水监测数据分析,该桥址区已有土洞的演化特点为：“洞顶垮塌→空腔填塞→相对稳定”,塌落的高度取决于原土洞的规模。

4.2 桩基施工对土洞的影响

根据经验,桩基施工过程中,会引起岩溶水位的急剧变化,如果岩溶水位在基岩面附近,将极易形成新的土洞,而已有的土洞将以“洞顶垮塌→堆积→潜蚀搬运”的循环模式进一步演化,从而诱发地面沉陷等问题。目前桥址区地下水位远高于基岩面,可以不考虑这种影响。

5 结论和建议

5.1 主要结论

(1)王双树特大桥桥址区发生土洞塌陷的危险性较小,已有土洞的演化也将以“洞顶垮塌→空腔填塞→相对稳定”为特点。

(2)在目前变化趋势下,在工程使用年限内,首山水源地地下水动力条件向有利于土层稳定的方向转化,桥址区岩溶段形成土洞塌陷的可能性较小。

(3)根据《辽宁省地下水保护行动计划》,地下水动力条件也将向有利于土层稳定的方向转化。因此,随着该行动计划逐步落实,将更加有助于土洞向“洞顶垮塌→空腔填塞→相对稳定”模式演化。

(4)桥址区地质勘探、钻孔桩施工诱发土洞塌陷的可能性非常小,可以不考虑。

5.2 建议

(1)对已有土洞,尽管可以达到稳定状态,但由于充填垮塌土洞的黏性土大多处于软塑、流塑状态,强度很低,为确保安全,建议压注水泥浆充填处理。从目前的研究结果看,注浆对环境和地下水的影响不大。

(2)尽管王双树特大桥桥址区目前发生土洞塌陷的可能性不大,由于第四系底部土层在地下水长期渗流作用下,很容易发生渗透破坏,而且这些地区又位于水源地附近,并有横向隐伏断裂通过线路。因此,建议在岩溶段设置必要的监测钻孔,采用现代化的自动监测技术,实时监测诱发岩溶塌陷因素尤其是地下水水位的变化情况。

(3)加强与地方政府主管部门协商,使《辽宁省地下水保护行动计划》落到实处。

[1]宋奎英.辽阳市首山漏斗区调查评价和对策研究[J].水利规划,1998(2)

[2]肖德壮.辽阳市首山漏斗区调查评价及对策[J].东北水利水电,2004(6)

[3]杨绍南.辽阳首山地下水开采漏斗存在问题及治理对策[J].中国地质灾害与防治学报,1998(增刊)

[4]李仁锋.鞍山市区地面沉降的机理分析[J].地质找矿论丛,2003(增刊)

[5]胡国军.辽阳市地下水超采区水资源状况及治理保护[J].辽宁城乡环境科技,2005(2)

[6]常士骠，等.岩土工程手册[M]北京：中国建筑工业出版社,1994