馬 佳 李勤光

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

朔黃鐵路龍宮車站位于晉北低中山區(qū)與山前平原過渡地帶。 2017 年、2018 年雨季,龍宮車站路基出現(xiàn)多處塌陷病害,最大陷坑直徑4 m、深1.5 m,對既有重載線路安全運(yùn)營造成極大威脅。 在進(jìn)行病害綜合整治前,需查明路面以下存在病害的具體部位,以及發(fā)生路基塌陷的病害原因及破壞機(jī)理,并提出合理的整治建議。

對于重載鐵路路基的常見病害,已有許多學(xué)者開展相關(guān)研究,宋緒國等認(rèn)為,若路基壓實(shí)質(zhì)量不足或基底松軟,在水和列車荷載作用下易產(chǎn)生下沉[1],但龍宮車站路基塌陷與地基土松軟造成的緩慢下沉性質(zhì)不同。 近年來,在多個(gè)城市由于市政管線滲漏、地鐵施工、抽取地下水等原因,出現(xiàn)過多起路面突然塌陷的問題,分析其原因,多與地下水滲漏和巖土性質(zhì)較差有關(guān),如天津高新園區(qū)路面塌陷與地下暗穴空洞、污水管滲漏存在密切聯(lián)系[2]。 陳雨昂等對2014 年～2018 年中國城市路面塌陷時(shí)空規(guī)律與原因進(jìn)行分析,認(rèn)為地下管道破損、降雨和施工是致塌陷頻發(fā)最主要的直接原因[3];高明生從城市水文地質(zhì)條件、地下水開采情況、地下工程對土體的擾動、管線老化、雨季積水等方面對道路塌陷原因進(jìn)行分析[4]。 以下結(jié)合朔黃鐵路黃土地區(qū)路基塌陷病害案例,對路基塌陷問題的勘察方法和形成機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 工程概況

朔黃鐵路為國家I 級雙線電氣化重載鐵路,與神朔鐵路共同組成全長860 km 的西煤東運(yùn)第二大通道。朔黃鐵路龍宮車站位于山西省原平市,里程范圍K41+116.18～K42+916.18,全長1 800 m。 2017 年、2018 年雨季,龍宮車站內(nèi)Ⅰ、Ⅱ、3、4 道路基出現(xiàn)塌陷下沉,最大陷坑直徑4 m、深1.5 m,典型病害情況見圖1、圖2。

圖2 2018 年Ⅱ道、4 道K41+457 處陷坑

龍宮車站所在區(qū)域?yàn)闀x北低中山區(qū)與山前平原過渡地帶,根據(jù)初步地質(zhì)調(diào)查,地層為二疊系砂巖,上覆黃土夾碎石土。 路基以半填、半挖結(jié)構(gòu)為主;部分切坡地段為深挖方,最大挖方深度約50 m;線路經(jīng)溝谷地段為填方,最大填方高度約12 m。 站場范圍內(nèi)典型路基橫斷面見圖3。

圖3 龍宮車站典型站場路基橫斷面(單位:m)

2 勘察技術(shù)路線

龍宮車站發(fā)生病害點(diǎn)位于半填半挖路基段,基底為填土和黃土。 對于黃土路基塌陷,曹升堂等認(rèn)為主要與黃土濕陷性、崩解性等不良特性相關(guān),常由暗穴發(fā)育引起[5];張志清等認(rèn)為,黃土路基沉陷和路基陷穴是兩種典型破壞形式[6];劉長江等對甘肅天水地區(qū)、陜西寶雞市的水害引起的黃土路基坍塌進(jìn)行整治,積累相關(guān)工程處理經(jīng)驗(yàn)[7-8];劉軍勇等對黃土地區(qū)公路路基勘察設(shè)計(jì)問題進(jìn)行總結(jié)與分析,對黃土濕陷的機(jī)理、壓實(shí)困難、處理措施的優(yōu)化等問題進(jìn)行深入探討[9];何清立等采用綜合物探方法對公路路基沉陷、塌陷問題進(jìn)行勘察和研究,分別對礫石含水層積水引起地表淺部塌陷、巖溶區(qū)土洞塌陷、地下采空引起的塌陷問題進(jìn)行分析,認(rèn)為綜合運(yùn)用多種物探方法能夠相互印證,并彌補(bǔ)單種物探方法解釋不足等問題[10-12]。

根據(jù)類似工程問題的研究成果,擬采用綜合地質(zhì)調(diào)查和綜合物探技術(shù),結(jié)合本項(xiàng)目的地質(zhì)背景,對路基塌陷病害原因進(jìn)行綜合分析,對病害機(jī)理進(jìn)行探究。擬定勘察技術(shù)路線為:采用工程地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查、綜合物探、挖探取樣、室內(nèi)試驗(yàn)、車站設(shè)備調(diào)查、區(qū)域氣象資料分析等相結(jié)合的綜合勘察方法,勘察中需重點(diǎn)關(guān)注路面以下巖土體的密實(shí)程度和均勻性、地表水的排泄途徑、地下水的賦存狀態(tài)。

3 調(diào)查及試驗(yàn)

3.1 工程地質(zhì)調(diào)查

根據(jù)詳細(xì)調(diào)查,病害段典型地質(zhì)剖面特征如下。

(1)第四系上更新統(tǒng)新黃土

淡黃色,半干硬-硬塑,土質(zhì)不均,含少量碎石土,層厚2～20 m,該層普遍分布于坡地表層。

(2)第四系上更新統(tǒng)卵石土

成分以砂巖為主,多呈圓棱狀,一般直徑為20～60 cm,最大90 cm,層厚2～12 m,主要分布于坡地表層,局部在黃土層中呈夾層。

(3)二疊系上統(tǒng)砂巖

紫紅色,強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化,夾泥巖薄層,局部為砂頁巖互層。

3.2 水文地質(zhì)調(diào)查

經(jīng)過現(xiàn)場水文地質(zhì)調(diào)查,車站周邊情況如下。

(1)表層砂質(zhì)黃土富水性差,接受大氣降水補(bǔ)給,但不易儲存,地下水多以上層滯水形式賦存。 經(jīng)了解,邊坡抗滑樁施工時(shí),部分樁孔15 m 以下揭露基巖裂隙水,水量較小。

(2)為查明路基塌陷是否由地基中貫通的暗穴導(dǎo)致,對路基右側(cè)邊坡進(jìn)行調(diào)查,未見異常;通過調(diào)查及走訪塌陷點(diǎn)附近的路基邊坡、山體未見滲水或泉水出露。

3.3 路基結(jié)構(gòu)調(diào)查

K41+393、K41+395 到發(fā)線路肩邊緣開挖的探坑揭露,車站路堤填料成分為黃土夾少量碎石,開挖路塹基底為原狀黃土,無基底封閉或換填處理措施。

3.4 排水系統(tǒng)調(diào)查

龍宮車站發(fā)生塌陷病害的Ⅱ道與4 道、Ⅰ道與3 道間之間均設(shè)置線間排水溝,凈寬0.6 m、凈高0.8 m,里程范圍為K41+060～K43+120,順線路方向長度達(dá)2060 m,排水方向自小里程向大里程,排水坡度為1‰～2‰。 路堤涵洞兩側(cè)可見橫穿站場路基的排水暗溝出口與路堤邊坡排水槽連接。 車站排水徑路見圖4。

圖4 車站排水徑路

2017 年8 月開挖過I 道、3 道間的縱向排水溝,發(fā)現(xiàn)縱向排水溝伸縮縫連接處的勾縫脫落,排水溝以下存在暗坑。 分析車站排水系統(tǒng),認(rèn)為其縱橫向排水坡度均較小,局部滲漏極易導(dǎo)致出現(xiàn)集中水害點(diǎn)。 根據(jù)路基塌陷發(fā)生季節(jié)(8 月下旬雨季末)、線間溝滲漏狀況,初步推測地面塌陷原因與雨季線間溝內(nèi)排水不暢及滲漏相關(guān)。

3.5 區(qū)域氣象

龍宮車站所在山西省原平市年平均降雨量較小(441.8 mm),根據(jù)氣象站資料,2017 年7 月初至8 月22 日,原平市降雨量合計(jì)181.2 mm,約占全年降水量的40%,2017 年8 月22 日24h 降雨量達(dá)37.9 mm;2018 年7 月初至8 月22 日,原平市降雨量合計(jì)287.0 mm,約占全年降水量的65%,2018 年8 月22 日24h 降雨量為24.5 mm。

3.6 取樣及試驗(yàn)

原狀樣挖探點(diǎn)1 布置于K41+540 左側(cè)邊坡,距離塌陷點(diǎn)約100 m,該處砂質(zhì)黃土與碎石土呈多層交錯狀分布。 該處黃土試樣含砂量較高,試驗(yàn)室加工過程中樣品出現(xiàn)崩解,未能完成濕陷性試驗(yàn)。 而后采用了濕化試驗(yàn),黃土試樣浸入水中,15～20 min 后,試樣完全崩解。 試驗(yàn)表明,該處黃土水穩(wěn)定性極差,具有強(qiáng)烈易崩解性。

原狀樣挖探點(diǎn)2 布置于K41+640 右側(cè)邊坡,距離塌陷點(diǎn)約200 m,取樣為黏質(zhì)黃土。 濕陷性試驗(yàn)得濕陷系數(shù)δs=0.024＞0.015,根據(jù)規(guī)范判定為濕陷性黃土[13],濕陷起始壓力為123 kPa。

4 物探勘察

病害地段位于既有重載運(yùn)營車站內(nèi),不具備開展工程地質(zhì)鉆探的條件。 從可實(shí)施性方面考慮,應(yīng)優(yōu)先選用無損傷的地球物理勘探方法。

4.1 高密度電法

在路基病害段落,土體松動、含水率增多,電阻率值一般會明顯降低。 2018 年8 月下旬發(fā)生路基塌陷后,在塌陷區(qū)附近小范圍開展此項(xiàng)測試[14],測區(qū)內(nèi)典型視電阻率剖面見圖5。

圖5 高密度電法典型視電阻率剖面

由圖5 可知,該段路基整體上上部視電阻率較小,下部視電阻率較大,表明路基上部填料中含水率較高,下部路基填料含水率較小。 此外,高密度電法視電阻率剖面存在漏斗狀低阻異常,推測為滲水通道,較清晰地反映出雨季路基土體內(nèi)部的滲流特征:當(dāng)滲透水力梯度較大時(shí),黃土中含量較大的易溶鹽被溶解、水流將黃土中的黏土粒和粉土粒等細(xì)顆粒帶走后,擴(kuò)大了黃土的裂隙或大孔管道,使黃土固結(jié)強(qiáng)度下降,土質(zhì)出現(xiàn)疏松。 由于黃土地基含碎石土,更容易發(fā)生這種土中細(xì)顆粒沖蝕。 高密度電法揭露,地表水呈多條帶狀滲入地下,滲水漏斗間距2～5 m,滲流影響深度4～7 m。

高密度電法需要通過電極向地下供電,受道砟覆蓋等原因,現(xiàn)場操作難度大;加之勘察時(shí)為冬季枯水季節(jié),此時(shí)開展高密度電法難以準(zhǔn)確反映路基在雨季由于土體含水量升高引起病害的機(jī)理,故此項(xiàng)勘察工作未大范圍展開。

4.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)是一種采用超高頻短脈沖電磁波對地下目標(biāo)體或分界面進(jìn)行定位或判別的物探方法。 該方法較為適應(yīng)本工程的探測要求和現(xiàn)場條件,故在車站內(nèi)大范圍使用。 測線總長6 120 m,順線路覆蓋范圍包含深路塹、淺挖方、低填方、高填方等不同類型路基。 采用SIR-4000 型便攜式地質(zhì)雷達(dá),滿足檢測深度的基礎(chǔ)上兼顧目標(biāo)體的尺寸精度要求,屏蔽天線中心頻率為100 MHz;根據(jù)地層巖土類別,檢測場地介電常數(shù)取9,探測深度為10 m,時(shí)窗為450 ns,天線采樣點(diǎn)數(shù)為1 024。

勘察目標(biāo)為探測路基體內(nèi)是否有空洞、塌陷、填筑不密實(shí)、不均勻等情況;數(shù)據(jù)解釋的原則是通過雷達(dá)剖面的縱橫向比較,確定異常位置,再根據(jù)異常區(qū)域的雷達(dá)波同相軸的形態(tài)、連續(xù)性、能量以及頻率等屬性推測異常體的性質(zhì),地質(zhì)雷達(dá)圖像的解釋推斷見表1,典型雷達(dá)圖像見圖6～圖8。

圖8 路基填筑不均典型雷達(dá)圖像

表1 地質(zhì)雷達(dá)路基異常解釋推斷

圖6 路基不密實(shí)區(qū)典型雷達(dá)圖像

地質(zhì)雷達(dá)測試共檢測出60 處異常,其中不密實(shí)異常55 處,路基沉陷異常2 處,填筑不均異常3 處;其中圖5 與圖6 為同一位置處高密度電法視電阻率圖像與地質(zhì)雷達(dá)圖像,均顯示出豎向梳狀分布特征,推測為不密實(shí)區(qū)。 按照工點(diǎn)類型統(tǒng)計(jì),結(jié)果如下。

(1)填方路基總長480 m,填高0～12 m;道床以下上部為路基填筑土,其下為天然地面新黃土,共提示有44 處異常,其中不密實(shí)異常39 處,路基沉陷異常2處,填筑不均異常3 處。

圖7 路基沉陷典型雷達(dá)圖像

(2)半填半挖路基總長170 m,左幅路基最大挖深約27 m、右幅最大填高約6 m,路基左幅基底地層以砂巖為主,淺挖方段基底為新黃土夾碎石土,右幅路基地層為路基填筑土和天然地基新黃土,提示有16 處異常,主要位于低填淺挖段,均提示為路基不密實(shí)異常。

(3)深挖方路基長480 m,路基左側(cè)最大挖深約50 m,道床以下地層為砂巖,局部夾泥巖,未提示有異常。

根據(jù)對不同類型工點(diǎn)的物探異常段落進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并結(jié)合地質(zhì)條件分析,結(jié)果表明:低填淺挖路基和填方路基是路基土質(zhì)疏松、塌陷易發(fā)地段,說明天然黃土地基和壓實(shí)黃土路基多年運(yùn)營后易發(fā)生土質(zhì)疏松從而引起塌陷,而深挖方段砂巖地基受雨水浸泡、凍融循環(huán)等環(huán)境作用影響較小。

按照股道進(jìn)行統(tǒng)計(jì),臨近線間排水溝的Ⅰ道、Ⅱ道、4 道右側(cè)、3 道左側(cè)共檢測出55 處存在異常,作為整治的重點(diǎn)段落,占檢出異?？倲?shù)的91.6%。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果也印證路基塌陷病害與線間排水溝滲漏的相關(guān)性。

物探顯示,土體的疏松、不密實(shí)、基床下沉主要發(fā)生在路基面以下5 m 深度范圍內(nèi)(此深度值受場地介電常數(shù)取值影響,有一定誤差),5 m 以下較均勻,表明高路堤下部填土和5 m 深度以下天然地基受環(huán)境影響較小。 制定工程處理措施時(shí),主要參考物探解譯的異常深度進(jìn)行治理。

物探勘察并未發(fā)現(xiàn)地基中有尺寸較大或貫通發(fā)育的暗穴,與調(diào)查情況基本一致,說明地基土質(zhì)疏松主要發(fā)生在表層,尚未發(fā)育成嚴(yán)重的掏空現(xiàn)象。 由于滲水并未從側(cè)方邊坡和基底排出,故推測滲水仍以滯水形式賦存于上部土體大孔隙中。

5 病害機(jī)理分析

(1)滲流造成松散土體中形成大孔隙骨架結(jié)構(gòu)并以臨界穩(wěn)定狀態(tài)潛于地下,在地面荷載、振動等外界干擾作用下,造成臨界穩(wěn)定狀態(tài)破壞而突然失穩(wěn),這是形成地表塌陷的主要原因。 此種情況與侯超群[15]等對土體松散型地面塌陷的原因分析一致。

(2)站場排水系統(tǒng)因運(yùn)行不暢、年久失修存在滲漏問題,雨季路面表層匯水來不及通過線間排水溝全部排走,部分從排水溝接縫和破碎處下滲至基底;至8 月下旬,道床以下土體含水量達(dá)到一年中最大值,2017 年、2018 年路基塌陷均發(fā)生于此時(shí),故降雨是造成路面塌陷的重要誘因。

(3)天然黃土在浸水條件下具有強(qiáng)烈易崩解性和濕陷性,路堤填料壓實(shí)黃土存在填筑不均勻、局部基床下沉等問題;這些因素對路基塌陷也具有一定的不利作用。 黃土的濕陷性機(jī)理較復(fù)雜,目前存在多種理論和假說[16],根據(jù)黃土取樣試驗(yàn)的情況,其遇水崩解性造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速喪失,是造成路基突然塌陷的重要原因。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目為運(yùn)營線路,不具備鉆探驗(yàn)證條件,故在病害治理施工階段,需加強(qiáng)地質(zhì)情況核對。 最終確定病害治理方案為采用袖閥管注漿加固,并對車站排水溝進(jìn)行全面疏通、整修。 注漿孔施工過程中,發(fā)現(xiàn)部分鉆孔4～7 m 存在過濕土層,與分析推測的地基土體滲水賦存狀態(tài)基本一致。 注漿完成后,對部分病害段落進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)復(fù)檢。 注漿后雷達(dá)圖像較均勻,表明注漿加固后原地基松散土體大孔隙得到充填,密實(shí)程度得到提高。 經(jīng)整治,2019 年～2021 年雨季龍宮車站未出現(xiàn)路基塌陷。

通過多種勘察方法綜合應(yīng)用、相互印證,揭示黃土及黃土質(zhì)填土在地表水滲漏作用下的疏松、軟化是產(chǎn)生路基塌陷病害的主要原因,綜合分析龍宮車站路基塌陷的病害為排水不暢與特殊地基土質(zhì)條件共同作用下形成,提出淺挖方路塹和排水不暢的填方路基段應(yīng)作為重點(diǎn)整治段落。 經(jīng)工程實(shí)踐檢驗(yàn),勘察與研究結(jié)論較為準(zhǔn)確。