付新平

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地路處,天津 300251)

1 概況

石武客運(yùn)專線是我國(guó)規(guī)劃“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道中“北京—武漢—廣州—深圳客運(yùn)專線”的重要組成部分,屬國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。石家莊至鄭州段(以下簡(jiǎn)稱石鄭段)北起石家莊,經(jīng)邢臺(tái)、邯鄲、安陽(yáng)、鶴壁、新鄉(xiāng),南至黃河公鐵橋頭,全長(zhǎng)約350km。要求鐵路路基在無(wú)砟軌道鋪設(shè)完成后的工后沉降不大于15mm;沉降比較均勻、長(zhǎng)度大于20m的路基,允許的最大工后沉降量為30mm[1～2]。對(duì)于橋墩臺(tái)工后沉降標(biāo)準(zhǔn)為:墩臺(tái)均勻總沉降量≤20mm,相鄰墩臺(tái)沉降量之差≤5 mm[1～2]。沿線工程類型復(fù)雜,工程量巨大,主要有橋梁、旅客地道、上跨公路橋、涵洞、車站、路堤及路塹等。然而,該線所經(jīng)地段地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,對(duì)鐵路客運(yùn)專線的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)構(gòu)成較大的威脅。為此,必須全面查清這些災(zāi)害的分布和危害,深入研究其特征,進(jìn)而提出切實(shí)可行的防治措施,這對(duì)鐵路客運(yùn)專線的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 氣象與地貌

石武客運(yùn)專線石鄭段屬暖溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,四季變化明顯,春季干旱少雨;夏季炎熱多雨而集中;秋季天高氣爽;冬季寒冷干燥。石武客運(yùn)專線石鄭段位于太行山以東,京廣鐵路東側(cè)的華北平原,以新鄉(xiāng)為界,以北為太行山山前沖洪積平原區(qū),地勢(shì)相對(duì)平坦,局部略有起伏;以南為黃河沖積平原,地勢(shì)開(kāi)闊,地形平坦,水網(wǎng)溝渠密布,局部地勢(shì)低洼,受黃河攜帶泥沙沉積的影響,黃河大堤內(nèi)地勢(shì)較高。

2.2 地層巖性

沿線地層主要為第四系全新統(tǒng)至上更新統(tǒng)的松散堆積層,有沖洪積、沖積成因的黏性土、粉土、砂類土及碎石類土;殘丘地段分布有第三系堆積的半巖化黏土巖、泥巖、砂巖、礫巖等。

2.3 構(gòu)造及地震

沿線地質(zhì)構(gòu)造行跡發(fā)育較弱,基底構(gòu)造復(fù)雜,以NE及NW向斷裂為界,分割成不同的段塊,新生代以來(lái)各斷塊的差異運(yùn)動(dòng),形成由北向南排列臨清臺(tái)陷、內(nèi)黃臺(tái)拱、湯陰地塹、開(kāi)封凹陷等構(gòu)造單元,其邊界的深大斷裂均隱伏于厚層至巨厚層的新生代松散堆積層以下,對(duì)鐵路工程不產(chǎn)生直接影響。石家莊至安陽(yáng)地震基本烈度為Ⅵ～Ⅶ度,地震動(dòng)峰值加速度為0.05g～0.15g,安陽(yáng)以南地震基本烈度為Ⅷ度,地震動(dòng)峰值加速度為0.20g。

2.4 水文特征

沿線河流以新鄉(xiāng)為界,以北屬海河水系,主要為釜陽(yáng)河、衛(wèi)河,兩河支流眾多,多流向NE,少數(shù)常年有水,受大氣降水控制明顯;以南為黃河水系,各河流除黃河受上游水量補(bǔ)給外,水量受季節(jié)影響明顯,解放后新鄉(xiāng)地區(qū)修建共產(chǎn)主義渠、人民勝利渠、文巖渠等人工引水灌溉水利設(shè)施,在一定范圍內(nèi)改變了地表徑流的狀態(tài)。

沿線主要經(jīng)過(guò)沖洪積平原及沖積平原,其地下水類型主要為松散巖類孔隙水,賦存于第四系及第三系松散堆積物中,主要含水層為砂類土、碎石類土及半巖化的砂巖及礫巖。新鄉(xiāng)以北的沖洪積平原地下水埋深變化較大,埋藏深度自北向南逐漸變淺,石家莊至安陽(yáng)地下水埋深15～30m,安陽(yáng)以南埋深2～8m,地下水主要受大氣降水及山區(qū)地下水徑流的補(bǔ)給;新鄉(xiāng)以南的沖積平原,地下水埋深比較穩(wěn)定,一般1～3m,地下水主要靠大氣降水及地表河流的補(bǔ)給。

3 地質(zhì)災(zāi)害特征分析

3.1 地質(zhì)災(zāi)害類型的確定

石鄭段鐵路沿線為沖洪積平原及沖積平原,地形起伏較小,地勢(shì)開(kāi)闊,不具備發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流的地質(zhì)條件;礦區(qū)及采空區(qū)基本位于京廣鐵路以西的山區(qū)丘陵地帶,距離最近的元北及邢東礦區(qū),其邊界也位于鐵路安全維護(hù)范圍以外,采空形成的地面塌陷對(duì)鐵路不會(huì)造成影響。為此,在大量工程地質(zhì)調(diào)查和勘察的基礎(chǔ)上,根據(jù)石鄭段的地質(zhì)環(huán)境條件及無(wú)砟軌道的沉降控制標(biāo)準(zhǔn),確定地面沉降、地裂縫、砂土液化、土質(zhì)地基沉降等地質(zhì)災(zāi)害將對(duì)鐵路的建設(shè)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響[3～4]。

3.2 各類地質(zhì)災(zāi)害的特征

3.2.1 地面沉降

華北平原目前已形成了包括滄州、保定、衡水、任丘、南宮、霸州、大城、曲周、唐海、晉州等 10個(gè)沉降中心,沉降中心的地面沉降速率可達(dá)34.9～131.5mm/年。石鄭段與既有京廣鐵路并行地段兩側(cè)的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明:石家莊至邢臺(tái)區(qū)間,地面累計(jì)沉降量81～146mm,年沉降速率4.76～8.59mm/年;邢臺(tái)至安陽(yáng)區(qū)間,地面累計(jì)沉降量96～239mm,年沉降速率5.65～14.06mm/年;安陽(yáng)至新鄉(xiāng)區(qū)間,在20世紀(jì)80年代淇縣、汲縣等地的地面沉降速率最大曾達(dá)13.1mm/年,近年來(lái)由于地方部門采取了相應(yīng)管理措施,地下水位逐年升高,目前地下水埋深已上升至2～8m,地面沉降呈平穩(wěn)趨勢(shì)[5～6]。

根據(jù)分析,華北平原地面沉降的原因是:因地下水過(guò)度抽取,造成地下水位下降,引起弱透水層和含水層孔隙水壓力降低,黏性土層中孔隙水被擠出,使黏性土產(chǎn)生壓密變形,從而引起地表地面高程的損失。隨著地下水開(kāi)采范圍的擴(kuò)展,地面沉降的范圍逐步擴(kuò)大到山前,波及到石鄭段沿線新鄉(xiāng)以北沖洪積平原區(qū)。地面沉降到一定程度可造成供水設(shè)施遭到破壞、影響河道輸水及排洪、導(dǎo)致鐵路路基加厚、地面裂縫頻發(fā)、城市積水,公路及鐵路安全受到威脅。

3.2.2 地裂縫

華北平原地裂縫分布廣泛,自20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)以來(lái),涉及河北省40余個(gè)縣市,河南省43個(gè)縣市均有不同程度的分布。根據(jù)地裂縫的勘察資料表明,石鄭段沿線地裂縫沒(méi)有在線路上出現(xiàn),分布基本在線路兩側(cè)1 km范圍以外,僅有3處位于線路1km范圍內(nèi),見(jiàn)表1。

表1 地裂縫特征

根據(jù)形成主導(dǎo)因素,地裂縫一般分為構(gòu)造及非構(gòu)造地裂縫,其形成原因,包括了地震、地下水開(kāi)采、礦山開(kāi)采等。不同規(guī)模的地裂縫會(huì)引起地面建筑物的開(kāi)裂、垮塌,形成地質(zhì)災(zāi)害。石鄭段鐵路沿線為平原地區(qū),自20世紀(jì)80年代以來(lái),線路附近區(qū)域陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的地裂縫主要為區(qū)域微破裂開(kāi)啟型地裂縫,屬于構(gòu)造裂縫,在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用下,使地殼淺表層的土層產(chǎn)生構(gòu)造節(jié)理,局部在二次應(yīng)力場(chǎng)作用下開(kāi)啟成縫,由地表水下滲、沖刷、侵蝕,特別是汛期,在降水入滲水流滲透、潛蝕的作用下,水溶解土層中的溶鹽類物質(zhì),連同大量土粒順開(kāi)啟的土層構(gòu)造節(jié)理流失,使其兩壁擴(kuò)寬,向上延及地表成地裂縫。多伴有串珠狀陷坑及陷穴,常構(gòu)成網(wǎng)狀成片集中發(fā)育,裂縫一般延伸較短,寬度較窄,無(wú)水平扭錯(cuò)和明顯的垂直位移,屬于地殼表層構(gòu)造,延伸淺無(wú)根基。根據(jù)地裂縫的具體分布位置,可對(duì)沿線地裂縫發(fā)育程度進(jìn)行劃分:地裂縫出現(xiàn)在線路上的區(qū)段為高易發(fā)區(qū);地裂縫出現(xiàn)在線路兩側(cè)各1km范圍內(nèi)的區(qū)段為中易發(fā)區(qū);地裂縫位于線路兩側(cè)1km范圍以外的區(qū)段為低易發(fā)區(qū)。

3.2.3 砂土液化

石鄭段砂土液化主要分布于新鄉(xiāng)以南的沖積平原,勘察資料顯示,該段落內(nèi)砂土液化特征見(jiàn)表2。

表2 沿線砂土液化分布及特征

砂土液化主要取決于地質(zhì)環(huán)境條件和地震強(qiáng)度兩方面。地震強(qiáng)度由地震預(yù)測(cè)及地震安全性評(píng)價(jià)來(lái)確定,具有概率性和隨機(jī)性。影響砂土液化的主要地質(zhì)環(huán)境因素包括土顆粒粒徑、砂土密度、上覆土層厚度、地下水埋藏深度、地面震動(dòng)強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間等。石鄭段新鄉(xiāng)以南的沖積平原,地震動(dòng)峰值加速度為0.20g,屬高烈度地震區(qū),地下水埋深一般1～3m,其地層結(jié)構(gòu)為上覆5～8m黏性土,下伏松散至稍密的粉土及粉細(xì)砂層,為飽和砂土地震液化的易發(fā)區(qū)段。按我國(guó)建筑抗震規(guī)范方法判別,飽和砂土及粉土在受到強(qiáng)震時(shí),內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞,喪失抗震強(qiáng)度和承載力,變成液化狀態(tài),并產(chǎn)生物質(zhì)運(yùn)移,會(huì)造成客運(yùn)專線工程地基失穩(wěn)或破壞。

3.2.4 土質(zhì)地基變形

石鄭段沿線通過(guò)沖洪積及沖積平原,土質(zhì)地基全線分布,局部靠近表層部分的黏性土中發(fā)育有軟土透鏡體,大部土體為中高壓縮性土,一般孔隙比為0.7～1.0,天然含水量20%～37%,黏聚力 12～25kPa,內(nèi)摩擦角 7°～21°,承載力 100～ 140kPa。

不同等級(jí)鐵路工后沉降要求不同,其中無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)最高(表3),因此無(wú)砟軌道設(shè)計(jì),土質(zhì)地基的變形是必須考慮的問(wèn)題。[1～2,7]

表3 不同等級(jí)鐵路工后沉降標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照

根據(jù)部分軟土及土質(zhì)地基變形檢算結(jié)果(表4、表5)來(lái)分析,可以看出天然地基條件下,其變形引起的沉降,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 部分路段軟土地基變形檢算結(jié)果

表5 部分土質(zhì)地基變形檢算結(jié)果

因此以橋梁通過(guò)的地段,采用樁基形式可很好地利用下部持力層,使工后沉降得到有效控制,但在填筑路堤地段,沉降控制必須得到充分的重視。

4 地質(zhì)災(zāi)害工程防治措施

4.1 地面沉降防治措施

地面沉降是一種具有隱蔽性、累進(jìn)性特點(diǎn)的地質(zhì)災(zāi)害,而且在工程設(shè)計(jì)中目前還均無(wú)法將地面沉降因素納入沉降檢算過(guò)程,因此對(duì)于地面沉降防治的基本原則應(yīng)該是以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、預(yù)防為主。對(duì)于已發(fā)生地面沉降的段落,應(yīng)采取有效對(duì)策壓縮鐵路沿線地下水的開(kāi)采量,減緩減弱其發(fā)展趨勢(shì),減輕其對(duì)鐵路的影響。同時(shí)應(yīng)結(jié)合鐵路建設(shè)及精密測(cè)量網(wǎng),設(shè)置觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)沿線地面沉降進(jìn)行有效的掌控,掌握其發(fā)展變化趨勢(shì)。具體措施如下。

(1)鐵路建設(shè)和管理部門應(yīng)緊密配合地方政府,合理規(guī)劃鐵路沿線的地下水開(kāi)采,改善現(xiàn)有開(kāi)采分布不合理的狀況,合理采取相應(yīng)的回灌措施,使地下水位的下降速度和下降幅度得以控制。南水北調(diào)工程實(shí)施后,盡量使用地表水應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)用水,減少使用地下水。

(2)沿鐵路線建立地下水及地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng),隨時(shí)掌握地下水的動(dòng)態(tài)變化,地面沉降的發(fā)展變化,以便政府管理部門采取合理的控制開(kāi)采和回灌等措施。同時(shí),通過(guò)監(jiān)測(cè)隨時(shí)掌握鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中地面沉降對(duì)鐵路的影響,尤其是對(duì)路橋、路涵過(guò)渡段以及高填路堤地段應(yīng)重點(diǎn)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(3)對(duì)于無(wú)砟軌道,鐵路工程應(yīng)采取適宜的坡度、坡長(zhǎng),可調(diào)量較大的軌道扣件以及橋梁支座,增強(qiáng)鐵路工程本身對(duì)地面沉降的適應(yīng)性。

4.2 地裂縫防治措施

石鄭段沿線基本為地裂縫的低易發(fā)區(qū),僅有3處為中易發(fā)區(qū),雖然線路上未發(fā)現(xiàn)地裂縫,但不排除在線路建設(shè)中或者線路運(yùn)營(yíng)期發(fā)生地裂縫的可能。針對(duì)線路附近均為區(qū)域微破裂開(kāi)啟型地裂縫,可采取如下的防治措施。

(1)鐵路應(yīng)避讓地裂縫多次出現(xiàn)的敏感地段。

(2)對(duì)地裂縫中易發(fā)區(qū),可采用高架橋梁通過(guò),樁端持力層選擇較深的位置。

(3)線路沿線建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期應(yīng)保持周圍排水暢通。

4.3 砂土液化防治措施

砂土液化分布地段,橋梁基礎(chǔ)可采用鉆孔灌注樁,路堤地段可采用CFG樁、管樁等來(lái)消除砂土液化的影響。樁端深入液化土層深度以下穩(wěn)定土層中的長(zhǎng)度(不包括樁尖部分),應(yīng)按計(jì)算確定。

同時(shí),橋梁及路堤的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)抗震措施,提高工程的抗震性能。

4.4 軟土地基及土質(zhì)地基處理措施

(1)無(wú)砟軌道對(duì)工后沉降要求嚴(yán)格,軟土及土質(zhì)地基地段應(yīng)進(jìn)行工后沉降計(jì)算。不能滿足相應(yīng)要求時(shí),應(yīng)采用相應(yīng)的措施予以加固處理。

(2)一般可采用CFG樁、管樁、鉆孔灌注樁等地基加固措施。

5 結(jié)論

(1)客運(yùn)專線速度高、沉降控制嚴(yán)格,對(duì)于能夠造成工程下沉失穩(wěn),引起鐵路財(cái)產(chǎn)損失的如砂土液化、土質(zhì)地基變形等也應(yīng)納入地質(zhì)災(zāi)害的范疇。

(2)地質(zhì)災(zāi)害類型及特征與地質(zhì)環(huán)境條件緊密相關(guān),基于地質(zhì)勘察基礎(chǔ)上,深入研究地質(zhì)災(zāi)害的特征,才能提出有針對(duì)性及切實(shí)可行的防治措施,為工程的順利實(shí)施提供地質(zhì)保障。

[1] 鐵建設(shè)函[2005]754號(hào),客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南[S].

[2] TB10621—2009,高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].

[3] 國(guó)土資發(fā)[2004]69號(hào),地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)要求(試行)[S].

[4] TB10012—2007,鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[5] 付新平,陳則連,等.石家莊至武漢客運(yùn)專線(河北段)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2006.

[6] 付新平,陳則連,等.石家莊至武漢客運(yùn)專線河南段(CK490+000～CK642+797)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告[R]:天津.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2006.

[7] TB10001—2005,鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] GB50111—2006,鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9] TB10035—2006,鐵路特殊土路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10] 鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999.