京广铁路路基岩溶塌陷成因分析

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1、京广铁路K1241路基岩溶塌陷成因分析丁新红 郭建湖（铁道第四勘察设计院 武汉430063）摘 要 武汉市江夏区乌龙泉附近京沪铁路K1240+800K1241+500段，碳酸盐岩受淮阳“山”字型构造的影响，岩层破碎，发育垂直状宽张节理，岩溶发育。由于受铁路附近八口水井的强抽水的影响，产生了地表塌陷。本文针对地表岩溶塌陷，从地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件以及岩溶发育特征等综合分析，对产生地表塌陷的原因进行了分析评价，提出了整治工程措施。关键词 铁路路基 岩溶 塌陷 成因 处理措施一、概述武汉市江夏区乌龙泉京沪铁路 K1241+070 路基附近 于 2001 年 5 月 30 日凌晨地

2、面发生岩溶塌陷，武汉市政府 对此高度重视，市政府及武汉铁路分局分别成立现场指挥 部，对塌陷区实行 24 小时监测。根据调查及有关资料记载该区曾发生多次塌陷：2001 年5月30日凌晨 4点发生的 1#塌陷位于京沪铁路 K1241+077 左 20m （以左线中心为基准，下同）；5 月 31 日 下午3时发生的2#塌陷位于K1241+040右19.9m。塌陷坑 形态：1#塌陷坑先为圆形后发展成椭圆形，长轴5.5m，短 轴5m，深3m； 2#陷坑直径1.6m，深1.1m，两个塌陷坑均 位于土沟中。二、工程地质条件（一）地形地貌塌陷点位于乌龙泉矿区东侧的京沪铁路两侧，属低山 丘陵谷地，岩溶剥蚀地貌，

3、相对高差约80m。地势西高东 低，北陡南缓，西北部由于多年开采白云岩矿而呈不同标 高的平台，基岩裸露，其他地段山坡植被较好。东部低洼 地带有常年性沼泽积水。发生塌陷地带，地势地洼，较平 缓， 地面标高在 40m 左右。 京广铁路 K1240+800 K1241+280 段路基填高约 1.5m，K1241+280 往南由半填半 挖逐渐进入路堑。（二）场地岩土结构特征塌陷区北西侧山头及东北侧山坡,均出露有二迭系下 统（J和石炭系中统-）碳酸盐岩。场地地层自上而下依次为：1、第四系冲积及残坡积层 上部为人工填土，下部为第四系更新统冲积及残坡 层。总厚 710m。 人工填土及淤泥质粉质黏土 人工填土成

4、份以黏土夹碎石为主，褐黄色、灰褐色、 褐红色等杂色，结构松散，强度不均，厚45.6m，铁路 附近地表弃有道碴，厚0.42.4m，本层分布于塌陷区K1240+800K1241+350 段; 淤泥质粉质黏土，灰黑色、 流软塑， 厚 7.669.7m， 本层分布于塌陷区 K1240+850K1241+000 段。 第四系更新统冲积及残坡积层上部为黏土，褐黄色、棕红色，硬塑，低洼地带褐灰 色、灰黑色，可塑。含铁锰结核，点状分布，厚 1.912.7m。 下部为黏土夹碎砾石，棕黄色、褐黄色，可塑，碎砾石粒 径大多为220mm，含量一般为10%。局部碎砾石于土 层底部富集，呈松散状，含量达50%，厚110.

5、9m，松 散状，饱和。本层总厚1.912.7m，局部达12.7m。分布 于整个塌陷区。2、二迭系下统栖霞组（P ）1q主要为深灰色石灰岩，局部夹薄层炭质页岩，隐晶质 结构，中厚层状，节理裂隙发育，方解石脉局部呈网纹状 密集出现。岩面标高多在3235m之间，溶沟、溶槽地段 岩面标高小于30m，该层在塌陷区厚25.671.72m。在勘 探孔深范围内，岩芯均较破碎，节理裂隙发育，裂隙宽一 般0.55cm，局部达7cm。岩溶及溶蚀现象较发育，呈串 珠状溶窝、溶蚀裂隙及溶蚀凹面且多有黏土充填痕迹，溶 洞大小0.41.6m （钻孔垂直高度），洞内有少量黏土充填 物，个别为空洞。钻孔钻进时漏水严重。3、石炭

6、系中上统（C ）2+3主要分为上下两层，上层为浅灰色灰岩，微细粒结构， 层状构造，层理清晰，垂直节理，裂隙发育，缝宽 15cm， 多有铁质及泥质物充填，具溶蚀凹面、蜂窝状溶蚀小孔及 串珠状小溶洞；下层为灰岩与白云岩互层，灰色，浅黄色， 层状构造，岩芯较完整，底部为白云岩、角砾状白云岩， 浅黄色、青灰色，细粒结构，厚层状，常见网纹状节理， 溶蚀现象随深度加大而逐渐加剧，深部发育大型溶洞及溶 洞群，底部受志留系或泥盆系地层阻隔。本工点 K1240+800K1241+500 路基基底工程地质情 况详见图一：图面断纵质地程工 523+1421K058+0421K ： 1图（三）地质构造塌陷区位于淮阳“

7、山”字型构造前弧的两侧，属地质 构造发育较强烈地区，主要构造为压性断层呈NW向，伴 生有NNE向张扭性断裂，塌陷区褶皱近东西向，为背斜构 造。塌陷区K1240+200K1242+200段位于由志留系、泥 盆系、石炭系、二迭系地层组成的背斜构造南翼，岩层呈 走向近东西，倾向南，产状N7580 W/SW60，节理密 度10条/米，陡倾角，裂隙宽一般为225mm,最大达7cm。 区内发育二条北西向压性断裂，伴随NNE向的张性断层或 张裂隙。受断裂影响，塌陷区内岩层切割破碎，发育垂直 状宽张节理。（四）岩溶发育特征山坡出露的P-C灰岩垂直向宽张节理裂隙发育，均见 不同程度的岩溶发育，大部分发育蜂窝状溶

8、蚀小孔及小沟 槽，部分地段为充填溶洞或空洞。勘探钻孔及地方供水工程钻孔显示：有4孔浅部溶较 发育，于地表以下6.116.3m分别见有0.4m、1.2m、1.4m 及1.6m的溶洞（其中有2孔为空洞），其它钻孔未发现溶 洞，但岩芯溶蚀现象均较严重，呈溶蚀裂隙、串珠状溶孔 及溶蚀凹面，且大多有褐黄色黏土充填痕迹，钻进时普遍 有漏水现象，表明裂隙连通性较好。在孔深80m以上多发 育溶蚀裂隙、溶沟及串珠状小溶孔，局部见有小溶洞，而 大的溶洞、溶洞群多分布在100m以下的石炭系黄龙组白 云质灰岩中，溶洞呈半充填状态，充填物为黏土，软塑 流塑状。从综合物探成果来看，在测深范围内（即地表以下 60m）可分三

9、种情况：K1240+800+990段基岩呈高阻反映， 无岩溶发育的地质电性特征，岩层相对完整；K1240+990 K1241+215段基岩电性呈次高阻反映，单个电测深曲线中 段出现平台状低阻异常，呈岩溶发育地质电性，但异常区 窄小，该段地震面波速度偏低，单点反射断面多数出现岩 溶特征，结合钻探验证该段岩溶发育，呈溶蚀裂隙或溶孔 （井），局部发育小溶洞；K1241+215+500段地震面波及 钻探资料显示该段岩溶较发育。总之塌陷区岩溶发育特征呈上弱下强的规律，且受志留系 或泥盆系碎屑岩地层控制，深部岩溶的底界北浅南深。（五）水文地质条件1、地下水的特征及地下水活动条件上覆黏土中为孔隙潜水。二迭石

10、炭系灰岩中富含岩 溶水，主要为浅部岩溶水和深部承压水。承压水层埋深在 100m以下，水量丰沛，单井供水能力为2500m3/d，承压 水位标高在4043m之间。低洼地带泉水发育。本次共调 查8口水井，其水井位置、井深等相关参数见表1（3号 井远离铁路未列入析）及图2。塌陷区地下水主要靠大气降水补给，沿溶洞、裂隙迳 流，以井、泉形式排泄地表，总趋势由北向南，由西向东 迳流，地下水位季节变化明显。由于塌陷区发育高角度断 裂构造以及垂向宽张节理裂隙，通过其沟通，使深层岩溶 水与浅部岩溶水、潜水有着较好的水力联系，水井抽水时， 影响半径大，计算其影响半径为220270m。京沪铁路西 侧5#井洗孔时，水浑

11、，相距150m远的1#井水位下降3m； 铁路西侧未施工水井前，低洼地带、丘坡坡脚泉水发育， 现也已消失。这些现象均表明：水井抽水降落漏斗半径大 于220m。岩溶水与上部覆土孔隙潜水水力联系强，水井抽 水将造成铁路路基基底地下水位剧烈下降和波动明显。经 水文计算分析CK2、CK15、CK16、CK17的抽水试验及5#、 6#、7#三口水井抽水时，将铁路路基基底地下水位降至基 岩面以下的主要范围为 K1240+932K1241+520，其中 K1240+997K1241+276影响最严重，是由于5#、6#、7# 三口水井抽水在该范围内降深大，影响时间长所致。表1乌龙泉地区水源井表井号井位里程位置建

12、井 时间井深（m）井口标高（m）地下水位 埋深（m）抽水量（m印d）水位降深（m）附注1水泥二厂K1241+082 左 65m1983-382.8041.16自流300.02磷卡肥厂K1241+332 左 44m1984175.049.57300.05乌Ckl7K1241+240 右 53m2001-3177.048.7710.06681.7012.10供4#6龙Ck2K1241+102 右 64m2000-12161.7842.234.01191.723.58供1#7泉968.463.09供2#8矿Ck16K1241+002 右 44m2001-2152.7039.01+0.40737.16

13、14.26供3#4水泥一厂K1242+300 右 180m1975175.056.0300.014.01I 55t46.046.4图側:03 一Y3供）4960 2500 宅3 0.03 195.27I23U0-49.57175.0J_ 8（供3）44.26 737.16 39.01 0.40 152.70I.05 82.80 _号陷坑al+elQ先Hl瓯-Z2Jz-IIq1 -2f j乌龙尉贰日2；号陷坑二-二.二03电” 40.7 . 7供2）19.60 250042.2,0.00 179.64乌龙泉水泥厂p-cA1*X苕K层站）.4-21.9-7. 2m忒伽.縮|gF|反 -alQ+3Q

14、 1.更TRPA.1.7 叵?阵汗鬣曰环加曰瞇斗嫁图2：K1241+070岩溶塌陷工点综合水文地质图2、塌陷与地下水动力条件的关系塌陷的产生与分布受岩溶发育规律、地下水动力条件 的制约，同时与地质构造、地形地貌、土层特性和厚度也 有一定关系。塌陷是地下水动力条件改变的产物，塌陷的 发育、发展与人工抽水降低地下水位时产生的地下水非稳 定的降落漏斗、水位降深、水力坡度等均有一定的关系。（1）塌陷与水源井布置及地下水非稳定降落漏斗的关系在隐伏岩溶区，如果水源地选择不当，水源井分布过 密，必然引起地下水位大幅度下降，从而导致产生地面塌 陷。CK17孔建成5#井，CK2建成相距3m的两个6#、7#井,C

15、K16建成8#井，这4 口井由北向南呈线状平行京广铁路 排列，井间距100124m,井排距铁路仅60余米，井间距 及井排至铁路的距离均小于单孔抽水的影响半径 220 270m，与铁路位置的关系不合理。2000年以前，仅1#井（水泥二厂井）、2#井（磷肥厂 井）抽水，日需水量各300m3，水量少，降深小，不足以 产生地下水区域降落漏斗。2001年5月，5#、6#、7#三口 井相继抽水进行群井抽水试验，迅速形成以6#、 7#井为中 心的地下水区域非稳定下降漏斗，该漏斗将京广铁路、1# 井、2#井尽数囊括于内，造成1#井水泵出现吊泵现象，抽 不出地下水；2#井出现浑水。塌陷坑即位于降落漏斗之中。（2

16、）塌陷与水位降深的关系当降深保持在基岩面以上且较稳定时，不易产生塌 陷；降深增大，水动力条件急剧改变，水位下降到基岩面 以下且在附近反复升降时，水对土体的潜蚀能力增强，造 成土体流失，在土体中形成空洞，当空洞扩展到一定规模， 则土体坍塌而产生塌陷。5#、6#、7#三口井自5月22日至5月30日以每日 25007500m3大流量抽水7日（表2），所引起的水位升 降幅度较大，水位且降到基岩面以下，是引发塌陷的地下 水动力因素。表 2群井抽水试验涌水量、水位降深、抽水延续时间表水源井开始抽水的时间停止抽水的时间单井涌水量（md）地下水位 埋深（m）水位降深（m）抽水延续时间（d）5#（供4）5月22

17、日19时5月25日9时250010.067.607.335月28日4时5月28日9时9.605月28日9时5月30日3时19.607#（供2）5月25日9时5月28日4时25004.0016.404.755月28日9时5月30日3时19.606#（供1）5月28日9时5月30日3时250019.601.75根据矿方提供的勘探孔抽水试验水文地质参数及群井 抽水试验Q=f （t）、S=f （t）曲线，按照“非稳定流承压完 整井群涌水量计算公式”计算的7号井（供2）、距7号井 5m 处、铁路中心、塌陷中心及水泥二厂井等点的水位降深 联绘得地下水降落漏斗剖面，见表3及图3。项目7#井距7#井5m处京广

18、铁路1号塌陷坑1#井静水位标高（m）42.32基岩面标高 （m）33.7233.7232.3932.39水位降深标咼（m）18.8523.8629.0030.2831.33从地下水降落漏斗剖面图中可以看出：地下水位均已 降落至基岩面之下，在京广铁路、1 号塌陷坑处分别位于 基岩面下 3.39m、2.11m。（3）塌陷与水力坡度的关系7 号井至 1 号井地下水降落漏斗的水力坡度 I （1=9.75）,已远远超过上覆土层产生潜蚀的临界水力坡 度 Ic（Ic=1.07）值达 9.1 倍。（六）岩土物理力学指标局部为40m。上覆土体总厚一般为 5.510m,局部达 14.3m,上部人工填土厚2.85.

19、6m,以黏土为主，夹有小 碎石,结构松散,土质不均,孔隙比大,渗水条件较好, 其中K1420+850K1421+000段上部为淤泥质黏土，软 流塑，厚7.659.7m。其下Q2黏土，厚1.97.2m。下覆 灰岩勘探见溶洞4孔，溶洞介于0.41.6m之间（其中2 个为空洞），岩溶率为4.76.8，空洞率1.8。地 层的物理力学统计指标详见表4。塌陷区路基范围内原地面标高多在37.5m左右，表4岩土物理力学指标统计表项别天然含 水量天然密度g/cm3比重天然孔 隙比液限（%）塑限（%）塑限指数（）液限指 数（）内摩擦角叭度）凝聚力C（Kpa）饱和度（%）统计数29.0029.0029.0029.0

20、029.0029.0029.0029.0010.0010.0012.00最大值52.0020.502.821.4970.8030.2043.000.9119.00171.099.70最小值21.501.722.730.5929.4014.8012.600.122.2021.0091.30平均值32.2410.022.760.9243.9620.6523.650.499.8853.0096.45标准差9.288.560.030.2711.684.638.370.185.5044.422.92变异系数0.290.850.010.290.270.220.350.360.560.840.03统计修正系

21、数1.091.281.001.091.091.071.111.121.331.491.02标准值35.2312.772.771.0147.7222.1426.340.5513.1079.0197.98（七）地震动参数根据国家地震局2001年编制的1:400万“中国地震 动参数区划图”确定，地震动峰值加速度0.05g （相当于 地震基本烈度VI），地震动反应谱特征周期为0.35s。三、岩溶路基塌陷成因及稳定分析碳酸岩由于可溶性，往往在水的作用下沿断裂及节理裂隙易形成溶隙和管道。地下水均为紊流形式，不仅有足 够的侵蚀能力，还有土体颗粒可运移的空间。在自然条件下，该区地下水变化，土颗粒就有运移的 可

22、能，但这种变化是长期缓慢的演变过程。2001年5月份 开始抽水试验的3个井(5#、6#、7#)在历次抽水中，水位 降深达619m,经分析均已使K1240+932K1241+520段 路基范围的地下水位降至基岩面以下，其中K1240+997 K1241+276最为严重，并存在反复升降的变化，这种人为 因素已具备了导致岩溶塌陷的地下水动力条件。由于地下水位的下降,加剧了上覆黏土中重力水的动 水压力并不断增强,对溶洞及溶槽、裂隙中的松散物质发 生潜蚀作用,使溶洞、裂隙中的充填物被带走,首先在覆 盖层黏土底部基岩裂隙口处形成土洞。随着地下水位在土 石界面的频繁波动,土层反复浸水饱和,使上覆土体底部 呈

23、现颗粒状、片状流失,使土洞不断向上扩大。当地下水 位下降到基岩面以下时,溶洞裂隙形成的空腔中产生负 压,在此空腔内对上覆土体产生向下的吸力,加速了土体 的破坏、土洞的形成与扩展,直致发生地表塌陷。另外地 表水(雨水)沿松散土层裂隙孔隙的下渗,对土层进行潜蚀 搬运作用,同时增大了土层的饱和度,增加了土体的自重 压力,并降低土体强度,使洞顶土体在渗流和自重压力作 用下失去平衡而陷落。基于以上机理,在地势低洼汇水处,上覆土体相对较 薄且地表与地下水水动力联系密切地段,地表塌陷将先期 发生,除此以外,其它地段,只要存在产生塌陷的内因、 外因等各种不利条件的加深和发展,不排除产生塌陷的可 能性,这种塌陷

24、一般都是突然发生,并没有先期预兆。K1240+800K1241+520段，上覆人工填土及Q棕黄2色黏土，总厚714.3m。基岩均为P-C可溶性碳酸盐岩， 基岩面标高大多在3235m左右。根据前述岩溶基本特征 和钻探结果,结合本次物探成果基本圈定京广铁路沿线基 岩浅部岩溶分布范围：K1240+850K1241+215为岩溶发 育区灰岩中有空洞，K1241+215+520为岩溶较发育区。物探成果显示,测线下土石界面存在一定的相对低阻 异常岩溶反应，地震面波及地震影象相应显示： K1241+004+190覆盖层底部存在数处规模较小的土洞异 常反应，并有向K 1241+325发展的趋势。土工试验资料

25、揭示部分地段的 Q 黏土的天然含水量及孔隙比异乎寻常2的大，究其原因应是由于上覆土体相对较薄，在地下水的 潜蚀作用及表水的渗流作用下，导致土体结构疏松，孔隙 比变大，天然含水量增高，强度降低。虽然铁路周围水井 曾停止抽水，地下水位回升，并溢出井口，岩溶塌陷暂时 缓解，但造成地表塌陷的因素仍可复发，影响京沪铁路运 营安全的隐患仍存在。四、结论与建议1、塌陷区K1240+800K1241+500,地处丘陵剥蚀洼 地，人为活动频繁，上覆土体分为两层，人工填土及 Q22 冲积及坡残积层黏土，总厚一般为714.3m,其中Q黏 2 土层厚仅1.912.7m,最大厚度为12.7m。2、塌陷区属P-C碳酸盐岩

26、区，受志留系或泥盆系碎 屑岩阻隔，并控制着岩溶发育的底界深度。在调查范围内， 浅部基岩内岩溶发育情况为：K1240+850K1241+215为岩 溶发育区，其特征为：浅部溶洞较发育，钻探显示， K 1240+890及K 1241+200有空洞，但大多发育垂直向溶蚀 裂隙、溶沟、串珠状溶孔及溶蚀凹面，岩溶线性率为6.8%， 岩溶空洞率1.8%。K1241+215+500为岩溶较发育区，岩 溶线性率为4.7%。3、区内岩溶水十分发育，上覆黏土层孔隙潜水与基 岩岩溶水具有较密切的水力联系。5#、6#、7#、8# 四水井 均主要开采 100m 以下岩溶水，单井供水能力均达 2500m3/d，单孔抽水影

27、响半径为220270m，在以往的历 次抽水时均将京沪铁路K1240+932K1241+520段路基范 围内的地下水水位降至基岩面以下，地下水降落漏斗的水 力坡度I (1=9.75)远大于上覆土层产生潜蚀的临界水力坡 度I (I =1.07)。造成K1241+004+325段土石界面出现数cc 处规模较小的土洞物探异常，同时该地段上覆土体结构疏 松、饱和，孔隙比增大，天然含水量增高，强度降低，并 已在局部产生了地面塌陷。4、综合物探、钻探、岩溶水文地质条件各种资料分 析认为：京沪铁路路基K1240+850K1241+325段为不稳 定区。5、由于前期抽水过程已经使上覆土层遭受不同程度 的破坏，极易引起新的塌陷，为此建议尽快对K1240+850 K1241+325段路基进行加固处理。6、对K 1240+850K 1241+000路基基底初步查明软 土分布的地段，进一步确定软土的工程地质特性。考虑到 软土分布地段的路基已经过多年运营，基本处于稳定状 态，但在提速后将面临新的考验，为确保路基安全，建议 软土地基进行加固处理。7、在未进行岩溶路基加固处理前，应加强该段路基 的监控测量及两水文观测孔的水位监测工作，同时抓紧对 塌陷区路基加固处理。