辛泰線博山某段病害路基勘察與分析

劉金津　王文峰　張永柱

(中鐵濟南工程技術(shù)有限公司，山東濟南　250022)

辛泰線建于20世紀(jì)70年代初，K54+500～K54+670段位于淄博市博山區(qū)源泉鎮(zhèn)。線路位于直線路段，路堤高度約12 m。2006年該段線路下沉嚴(yán)重，曾進(jìn)行漿砌片石與混凝土拱形骨架護坡，坡腳設(shè)置擋土墻，基床采用三七灰土封頂。2009年，該段路基再次出現(xiàn)下沉，右側(cè)路肩出現(xiàn)貫穿該段路基的縱向裂縫，其中K54+523～K54+635段左側(cè)路肩線外移，坡腳處骨架已外鼓破壞，路基邊坡出現(xiàn)下滑失穩(wěn)現(xiàn)象，線路幾何尺寸難以保持(汛期尤為明顯)，危及行車安全。

1　勘察方法

在路基病害現(xiàn)場采用工程地質(zhì)調(diào)繪、工程物探和鉆探相結(jié)合的方法，進(jìn)行鐵路工程地質(zhì)勘察。在博山地區(qū)有關(guān)水文、氣象、地質(zhì)、地面沉降、崩塌等有關(guān)區(qū)域資料的基礎(chǔ)上，對病害地區(qū)周圍2 km2區(qū)域進(jìn)行工程地質(zhì)、地面沉降及巖溶情況的調(diào)查測繪。在地質(zhì)調(diào)繪基礎(chǔ)上展開了工程地質(zhì)物探和鉆探工作。

鉆探是通過提取巖芯并結(jié)合室內(nèi)試驗，直觀且可靠地獲取地下地層信息的勘探方法。鉆探屬于一種“點測”的勘探方法，單個鉆孔獲取地質(zhì)信息的代表性不強，如果想獲取一個區(qū)域內(nèi)更加全面的地質(zhì)信息，必須加密鉆孔，這樣會大大增加勘探費用，延誤工期[1]。

工程物探是利用地下物質(zhì)的物性差異[2]，如地層的電性差異，通過研究天然或人工的地球物理場，如電場，達(dá)到了解地下介質(zhì)分布的一種方法。其儀器設(shè)備輕便、工作效率高，可以連續(xù)觀測，采集的信息量大，可以了解和確定大范圍內(nèi)的地質(zhì)條件，對查明規(guī)模及埋深變化較大目標(biāo)體的分布情況優(yōu)于鉆探等常規(guī)方法，能夠彌補鉆探工作的不足。但工程物探作為一種間接的勘察手段，其勘探成果具有推斷性和不確定性[3]。

結(jié)合鉆探和物探各自的優(yōu)缺點，本次采用兩者相結(jié)合的綜合勘察方法，根據(jù)場地地形條件和地層電性差異情況，裝置為垂向三極電測深，并在淺部進(jìn)行加密。這樣既保證了野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，又不漏掉淺部重要信息，把物探所得數(shù)據(jù)與鉆探所取得的成果進(jìn)行分析對比，建立相應(yīng)的經(jīng)驗關(guān)系，對物探資料進(jìn)行定量、半定量解釋，更準(zhǔn)確地揭示整個勘察區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況。

2　地質(zhì)特征

2.1　地形地貌

該區(qū)地貌單元為山間凹地，原地形起伏較大，路基與自然地面高差12.00 m左右。漿砌片石與混凝土拱形骨架護坡，坡腳設(shè)置擋土墻，路基兩側(cè)為農(nóng)田，K54+611為1-4 m的漿砌片石拱涵，起交通兼排水作用，K54+693為平交道口。

2.2　地層特征

勘察揭示，該區(qū)地表覆蓋有第四系全新統(tǒng)人工填筑(Q4ml)素填土，主要為路基填土，其下依次為第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土、碎石土，上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)黏土(圖1)。通過現(xiàn)場的勘察分析，在病害路基區(qū)域主要存在填土、巖溶、滑塌三種特殊巖土及不良地質(zhì)現(xiàn)象。

圖1　地質(zhì)鉆探剖面

(1)填土：主要為路基填土，以粉質(zhì)黏土為主，軟塑，局部硬塑，軟硬不均，密實度較差且不均勻，未經(jīng)有效壓實。

(2)巖溶：下伏基巖為奧陶系石灰?guī)r，溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，線巖溶率9.4%～20.8%；表層局部為全風(fēng)化或強風(fēng)化，巖層巖溶發(fā)育，其中部分溶蝕為溶洞，溶洞高度0.3～1.7m，溶洞充填黏土、或黏土夾碎石，局部為空洞，鉆探過程中漏水嚴(yán)重，說明巖溶裂隙及溶洞的存在形成地下流失通道(圖1)。

(3)滑塌：據(jù)調(diào)繪和物探，K54+523～K54+635段左側(cè)路肩線外移，坡腳處骨架已外鼓破壞，與路肩右側(cè)的縱向裂縫形成了潛在滑動面，路基邊坡出現(xiàn)下滑失穩(wěn)現(xiàn)象。

3　路基病害原因分析

3.1　路基填土松軟

據(jù)調(diào)查，該鐵路20世紀(jì)70年代初修建，主要為當(dāng)?shù)卮迕窠M織成立的民兵團修建，路基較高，修筑時填土未經(jīng)有效壓實，施工標(biāo)準(zhǔn)較低。2004年～2005年膠濟鐵路電氣化改造期間部分貨車分流到該線路，行車密度加大，路基填土在火車頻繁動荷載的作用下發(fā)生明顯下沉。

3.2　下部巖溶的影響

電測深剖面中里程K54+500～K54+660/Ⅱ段：結(jié)合經(jīng)驗系數(shù)法、斜率法和2.5維電阻率反演法進(jìn)行分析，結(jié)果顯示成低阻異常，物探推斷其為基巖裂隙發(fā)育或巖溶發(fā)育范圍。K54+500～K54+565/Ⅱ段埋深15～32 m、K54+54～K54+600/Ⅱ段埋深11～24m、K54+575～K54+595/Ⅱ段埋深31～37 m，巖溶發(fā)育尤為嚴(yán)重。物探詳細(xì)解釋及建議鉆孔位置詳見圖2。根據(jù)物探資料分析，K54+500～K54+670地段，下伏石灰?guī)r巖溶十分發(fā)育，場地內(nèi)布置鉆孔4個，有3孔揭示有溶洞，鉆孔揭示的大部分溶洞充填物密實度較低，局部為空洞。如Z-3孔鉆探深度28.7 m，揭示有4個溶洞，其中有兩個為空洞，溶洞在鉆探過程中，進(jìn)尺很快，巖芯采取率很低，并且鉆探過程中漏水嚴(yán)重，說明本場地的巖溶裂隙及溶洞是貫通的。在雨季，地表水將沿松軟地層下滲，在土巖界面的水力作用下，土巖界面的土體被潛蝕搬運，沿巖溶通道流失，以及在地下水徑流、排泄產(chǎn)生的負(fù)壓吸蝕等綜合作用下[2]，巖溶洞隙開口處土體形成土洞，隨著土洞不斷向上擴展，洞壁失穩(wěn)坍塌，周而復(fù)始，造成路基土體失穩(wěn)、地表開裂、下沉或塌陷。

圖2　物探成果

3.3　土體力學(xué)指標(biāo)降低

變形范圍內(nèi)土體及其周邊的地層受潛蝕塌陷的影響，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化[4]，塌陷土體松動，力學(xué)指標(biāo)降低，滲透性增大，使土體的抗剪力減小，當(dāng)雨季地表水沿塌陷區(qū)域內(nèi)松軟地段下滲時，路基邊坡將無法維持自身的穩(wěn)定，而導(dǎo)致失穩(wěn)，坡體沿滑動面可能發(fā)生整體下滑[5]，危及鐵路行車安全。

4　路基穩(wěn)定性評價

K54+500～K54+670段基巖溶洞、溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，溶洞無充填或充填不密實，線巖溶率9.4%～20.8%，土質(zhì)疏松，根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》，評價該段為可能塌陷區(qū)。

據(jù)調(diào)繪、物探，K54+523～K54+635段路基左側(cè)坡腳處骨架外鼓破壞，與右側(cè)路肩處的縱向裂縫形成了潛在的滑動面，利用瑞典圓弧法，根據(jù)以下公式對此段路基邊坡潛在滑動面進(jìn)行穩(wěn)定性驗算

式中K——滑體安全系數(shù)；

l——單個土條的滑動面長度/m；

W——條塊重力/kN；

θ——條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角/(°)；

c——黏聚力/kPa；

φ——內(nèi)摩擦角/(°)。

經(jīng)計算，滑動安全系數(shù)K=0.98<1.25，不滿足《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》TB10001—2005要求，此段路基為不穩(wěn)定土體。

綜合判定:K54+500～K54+670屬于巖溶可能塌陷區(qū)，其中K54+523～K54+635路基屬于不穩(wěn)定土體。另外，根據(jù)物探資料，K54+470～K54+500段基巖面以下也有溶洞的存在。

5　病害路基治理措施建議

對K54+500～K54+670段巖溶進(jìn)行注漿處理封堵巖溶通道，同時對路基本體進(jìn)行注漿加固處理，其中K54+523～K54+635段左側(cè)邊坡需要進(jìn)行抗滑加固處理。建議對線路K54+470～K54+500段加強監(jiān)測，施工時注意保護環(huán)境，并加強對軌道幾何尺寸的監(jiān)測與安全防護工作。

6　結(jié)束語

采用工程地質(zhì)調(diào)繪、工程鉆探和物探相結(jié)合的綜合勘察方法，基本查清了辛泰線某段病害路基的的地質(zhì)特征、特殊巖土及不良地質(zhì)現(xiàn)象，分析了產(chǎn)生路基病害的原因。建議對巖溶強烈發(fā)育區(qū)和中等發(fā)育區(qū)進(jìn)行地表封閉防滲、地下注漿加固處理的方法，永久根治路基病害。

[1]姚其明，郭得令，彭永良.兗石線臨沂某段巖溶路基塌陷勘察與分析[J].鐵道勘察，2011(1):67-70

[2]李世杰.綜合灌注法治理路基大型巖溶病害[J].鐵道勘察，2010(1):54-58

[3]謝永堅，劉志輝，曾田勝.工程物探技術(shù)在高速公路工程勘察中的應(yīng)用[J].公路，2006(8):292-294

[4]趙國梁.貴昆線巖溶路基病害勘察與設(shè)計[J].路基工程，1995，60(3):51-53

[5]肖劍秋，喬世范.婁新高速公路下伏巖溶塌陷與路基相互作用及治理措施[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2009，16(6):33-38