东非大裂谷区地裂缝成因及铁路路基防治技术_孙武.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202302033开放科学(资源服务)标识码(OSID)东非大裂谷区地裂缝成因及铁路路基防治技术孙 武,刘 刚,张雪东(中交铁道设计研究总院有限公司,北京100088)摘要:东非大裂谷地裂缝为活动性构造。通过地质调绘、钻探、挖探、综合物探等勘察手段,选取内马铁路 DK76+819.50+933.80 段典型地裂缝工点,研究东非大裂谷地裂缝的成因;在此基础上,分析地裂缝下的路基破坏特点,提出地裂缝防治措施。关键词:东非大裂谷区;内马铁路;地裂缝成因;路基灾害;防治技术措施中图分类号:P542文献标志码:A文章编号:1003 8825(2
2、023)03 0153 07 0 引言由于地裂缝往往是一个软弱带或结构面,在长期列车振动荷载作用下,位于地裂缝的路基可能出现不同程度的沉降,进而导致上、下盘路基出现严重的差异沉降,威胁线路运营安全1-2。地裂缝的形成一般伴随着基底以下正断层岩层持续活动逐渐显现,说明地球地幔深部岩浆向上活动产生的深部伸张应力是地裂缝形成的主要原因;而新的地裂缝发育的主要原因是暴雨入侵深部裂缝 3-4。根据裂缝成因,地裂缝可分为构造地裂缝、沉陷地裂缝、隐伏地裂缝、干旱地裂缝、融冻地裂缝等5-7。地裂缝的发育特征、分布规律及其引发的地质灾害是工程建设长期迫切需要解决的问题8-10。地裂缝成因复杂,同一地区的地裂缝可
3、能存在多种形成机制,研究表明地裂缝的形成原因主要包括地球板块构造活动、暴雨入侵和人类活动等11-13。对于地勘资料缺乏、地裂缝研究程度较低的地区,若开展公路、铁路等交通建设,地裂缝发育特征及其演化机制等问题亟待解决14。内罗毕马拉巴标轨铁路(内马铁路)项目位于东非大裂谷内。东非大裂谷作为世界上最大的断裂带,地质情况复杂,工程建设中经常会出现不可预见的地质问题15。2018 年 35 月份雨季期间,内马铁路沿线突然出现 3 处地裂缝。本文选取内马铁路 DK76+819.50+933.80 段典型地裂缝进行研究,分析裂谷区地裂缝形成机制,并提出地裂缝地区预防路基产生病害的防治措施。1 工程概况内马
4、铁路一期工程为内罗毕至纳瓦沙段,全长 120.409 km。铁路等级为中国国铁级,单线,设计行车速度为客车 120 km/h,货车 80 km/h;最小曲线半径一般 1200 m,困难 800 m;限制坡度双机 12;内燃牵引,预留电化条件。1.1 地形地貌项目位于非洲东部,肯尼亚中部,属于东非高原区。地裂缝研究区域主要位于东非大裂谷谷底区,地形开阔,两侧为陡峭岩壁,中部有火山分布。地面高程 1 6501 820 m,相对高差 0150 m,地表大多被第四系所覆盖,局部出露基岩。研究段属于东非大裂谷腹地,地形平缓,沟谷不太发育,地面高程1 602.91 656.5 m,植被发育一般,多为草丛,
5、局部有少量灌木。1.2 地质构造勘察区横跨东非裂谷东支肯尼亚段,可以划分为裂谷带、东部隆起区和西部隆起区。东部隆起区高程 1 5001 800 m,西高东低,基底为前寒武纪变质岩,上部覆盖第三纪的火山岩,靠近裂谷边界局部覆盖有第四纪火山岩,厚度自西向东逐渐减薄,断裂较不发育,新构造运动主要表现为整体性的隆升。西部隆起区高程 2 200 m左右,基底为前寒武纪变质岩,上部覆盖第三纪至更新世的火山岩,断裂较不发育,新构造运动主要表现为整体性的隆升。裂谷带可进一步细分为裂谷中央带、东边界断裂带和西边界断裂带,各带由南 收稿日期:2023 04 19作者简介:孙武(1967),男,河南郑州人。高级工程
6、师,主要从事铁路工程地质勘察及岩土工程治理技术研究工作。E-mail:。孙 武,等:东非大裂谷区地裂缝成因及铁路路基防治技术 153 北向存在差异性,表现出分段性特点。裂谷中央带断层解译图,见图 1。西部隆起区裂谷带东部隆起区西边界断裂带裂谷中央带东边界断裂带高程/km距离/kmQ1vQ1vQ1vQ1vQ1v Q1vQ1vPvPvPvQ1vQ2-3vQ2-3v Q2-3vQ2-3vQ2-3vF36F35F34F11F10F4F6Suswa火山AA3210020406080100晚更新世-中更新世火山岩早更新世火山岩上新世火山岩断裂图1裂谷中央带断层解译图 其中,东边界断裂带地貌上总体呈自东向西
7、台阶式下降的阶梯式断陷,边界断裂带两侧的总落差约 700 m。带内断层极为发育,主要以密集发育的近南北向断裂为主,构成宽度数公里至近 20 km 的断裂带。与其它地区断裂相比,本区单条断裂的破碎带宽度不大,一般数米至数十米,这与断层产状陡立、张性倾滑运动为主、发育历史短以及断裂密集发育等因素相关。本带断裂地貌表现明显,活动时代新,多为全新世活动断裂。1.3 地层岩性区内主要为第四纪以来的新生界地层,大部分为第四系火山碎屑沉积及冲、洪积层,新近系和第四系火山岩分布广泛。两翼沟谷内及谷底区第四系覆盖层分布较厚,其它地段则普遍较薄。第四系火山岩主要位于裂谷两翼山区,风化层不均匀且厚度较大;新近系岩层
8、则主要分布于裂谷及两翼火山熔岩流区。研究段地层自上而下依次为:粉土:黄灰色,中密,稍湿,土质较均匀,夹薄层粉砂及角砾,厚 67.6 m,其中 1.62.0 m 为细角砾土,青灰色,中密,含火山灰及火山碎屑,粒径 310 mm。强风化凝灰岩:黄褐色,凝灰质结构,块状构造,节理发育,岩芯呈碎块状和短柱状,块径 39 cm,节长 630 cm,锤击易碎。弱风化凝灰岩:浅黄色、灰白色,岩体以细颗粒火山碎屑为主,并夹有少量块状碎屑物,分选性较差,岩体密度较小,岩质较为坚硬,节理不发育。1.4 气象水文条件勘察区年平均气温 1819,年平均最低气温 912,年平均最高气温 2328。每年的36 月份和 1
9、012 月份是雨季,其余月份是旱季,雨季分为两段,其中 3 月到 6 月是大雨季,10 月到 12 月是小雨季;年平均降水量 6001 100 mm,年平均蒸发量 1 650 2 300 mm。勘察区范围主要位于谷底区,地势较为平坦。沿线所经地区水文地质条件相对较为简单,主要分为地表水和地下水。地表水以河流和冲沟低洼积水为主,地下水主要为上层滞水和基岩裂隙水。1.5 铁路设计简介DK76+819.50+933.80 段线路以填方形式通过,路堤中心最大填高 6.47 m,路堤边坡最大高度 5.76 m。路基宽度 7.7 m,设 4%的人字排水坡。路肩宽度,路堤不小于 0.8 m,路堑不小于 0.
10、6 m。路基基床厚度 2.5 m。表层厚度为 0.6 m,填料选用 A 组填料;基床底层厚度为 1.9 m,填料选用 A、B 组填料。路堤基床以下选用 A、B、C 组填料。路堤边坡坡率 11.5,采用浆砌片石骨架护坡防护。本体采用土工格栅、高强微桩土工格室加固。路堤与桥台连接处设置过渡段,过渡段采用倒梯形设计。基床表层以下采用 B 组填料,压实标准满足基床底层要求。1.6 地裂缝基本情况本段线路勘察期共发现地表地裂缝 2 处(构造地裂缝 1 处,沉陷地裂缝 1 处)。但位于基岩的节理裂隙在谷底区广泛分布。地裂缝的优势走向主要集中在 NE1040范围的几个方向,少部分为南北向,个别次生地裂缝为
11、NW 向。其中,该段线路用地界范围内已开挖探坑显示,凝灰岩基岩面可见三条地裂缝,地裂缝呈曲线型贯穿基坑,基岩地裂缝宽约 215 cm,节理面不光滑,无填充,贯通性好,是良好的渗水通道。地裂缝走向的成组性特征与勘察区的活动断裂的总体走向的成组性特征具有明显的对应性和一致性。路基工程 154 Subgrade Engineering2023 年第 3 期(总第 228 期)勘察期间,分别在上述探坑基岩面地裂缝两侧布设 C25 混凝土监测桩(桩径 0.3 m、桩长 0.6 m,桩顶埋入 25 mm 长 0.3 m 的钢筋作为观测点),总计布设 6 处,采用水准仪、经纬仪或全站仪测量,监测地裂缝水平、
12、垂直位移等变形状态。历经 6 个月监测周期,依照监测点数据,地裂缝稳定,两侧无明显相对位移和沉降,表明地表水下渗是引起地表覆盖层开裂的诱导因素。2 地裂缝地质调绘、变形情况及成因分析从不同的角度,地裂缝有不同的分类形式,比如按地裂缝属性,分为构造性地裂缝与非构造性地裂缝;其它的角度还有主次关系、力学性质、长度和宽度等,同样可以将地裂缝进行分类。本文通过两个实例研究分析构造地裂缝、沉陷地裂缝的变形情况及形成机理。2.1 构造地裂缝变形情况及成因分析 2.1.1 DK76 地裂缝DK76 地裂缝在 DK76+832 处横穿内马铁路,走向为南北向线路右侧延伸变宽。地表地裂缝宽0.52.0 m,深 2
13、.05.0 m,长约 200.0 m。探坑剖面显示坑底分布有 3 条主裂缝和数条支裂缝,平面上呈雁行状分布,地裂缝在土体中呈现“V”型,在基岩中呈现不规则的锯齿状。基岩裂缝宽约 215 cm,节理面不光滑,无填充,贯通性好,是良好的渗水通道。DK76 地裂缝及探坑揭露地裂缝,见图 2。(a)地裂缝(b)探抗揭露地裂缝图2DK76 地裂缝及探坑揭露地裂缝 沿线路中线左右两侧,平行布设高密度电法、浅层地震波法和氡气测量 3 种物探测线,探测下部地裂缝发育及走向,其成果,见图 3、图 4、图 5。电阻率云图连续性较差,特别涵盖上述地裂缝的DK76+750DK77+020 段内,下部地层电阻率值低阻异
14、常,云图分布不均匀,同时段落内的地震波波组同相轴扭曲、不连续,在 DK76+810、DK76+869+896 等处,氡气浓度值均大于30 000 Bqm3,高浓度异常明显。综合物探成果,推测下部地层破碎,裂隙极为发育。164376+500163876+550163376+600162876+650162376+700161876+750161376+800160876+850 76+900591324217146986644302076+950 77+000 77+050 77+100 77+150 77+200里程高程/m电阻率/(m)图3DK76+500DK77+200 高密度电法成果 0
15、50100150200时间/msDK76+500DK76+700DK77+100DK77+900DK77+200图4DK76+500DK77+200 浅层地震时间剖面 6000076+5004500076+6003000076+7001500076+800076+90077+00077+10077+200里程氡气浓度值/(Bqm3)图5DK76+500DK77+200 氡气成果 2.1.2 成因分析依据勘察成果,构造地裂缝总体受东非裂谷东边界断层及其次生断层控制及影响。东非裂谷东支肯尼亚段地质构造活动极为频繁,工程区范围分布孙 武,等:东非大裂谷区地裂缝成因及铁路路基防治技术 155 有多条活
16、动断裂,多座休眠火山,地热发育,属于地质活动活跃地段。该地裂缝形成的主要原因为地质构造,在构造作用下,岩体发生错动,基岩内形成裂缝,并逐渐扩张。雨季在强降雨作用下,地表水下渗,潜蚀作用在土体内形成一个个空洞,发展到某一阶段,空洞贯通后,地表便出现塌陷坑。在深部岩浆剧烈活动应力作用下,裂谷带深部地幔上拱、岩石圈减薄,进而引发大量张性断层,谷底区基底构造以张性断裂发育为主要特征;后期在深部岩浆上拱效应、地震作用、区域构造改变等多种因素作用下,基岩产生构造裂缝。断层活动,构造应力的积累与释放,加上岩性条件,共同导致了地裂缝的产生。构造地裂缝与勘察区内的断裂在位置上吻合较好,且绝大部分地表出露地裂缝其
17、产状与区域断裂产状基本一致,均以 NE 向为主,地裂缝在地表无明显上下错位。地裂缝构造发育模式为:断裂活动造成其上岩土层张裂或错动,并在土层中形成构造破裂面,未延及地表,或发育至地表但随着土层沉积又重新隐伏于土层下。在强降雨条件下,降雨渗流对土体产生侵蚀作用,持续带走细小土颗粒至下伏深部张裂的基岩裂隙中,引起深部裂缝上覆土体结构松弛,从而在地表发生张裂坍塌变形,形成构造地裂缝。2.2 沉陷地裂缝变形情况及原因分析 2.2.1 DF8 地裂缝DF8 地裂缝在 DK76+819.5 北侧约2 km,可见一系列串珠状的塌陷坑,分布较集中,在平面上裂缝呈雁列式排列,该组地裂缝走向均为 NE535。塌陷
18、坑直径 312 m 不等,深度 12 m,长度在 110370 m 之间。揭露地层岩性为粉质黏土及粉土,夹含砂砾石,陷坑内部多发育灌丛植被,呈近南北向的排列,推测与谷底区近南北向基岩张裂有关,无人机拍摄图片和现场照片,见图 6。(a)俯拍(b)现场照片图6串珠状塌陷坑 2.2.2 沉陷地裂缝成因分析(1)地层结构及岩性因素地层物性因素:上部岩体有结构松散、孔隙比大、透水性强、级配较差等特点,主要以角砾土、砂类土和粉土为主;中部岩体岩质坚硬,以凝灰岩为主;下部岩体张性裂隙发育,是地下水径流排泄的通道。特殊的地层结构型式及地层物性为水的渗透和侵蚀形成了特殊的地质环境条件。(2)诱发因素裂谷区地裂缝
19、主要为大气降水和地表水下渗所诱发,裂谷区地下水位埋深大,基岩覆盖层受构造影响节理裂隙发育,为地表水向深部垂直渗透提供了良好的通道,地表水入渗过程中产生的动水压力,产生有效附加压力,导致土层发生沉降作用,间接使隐伏的深部基岩破裂显现于地表。工程区上覆的粉土、粉质黏土、粉细砂等,孔隙比较大,透水性强,质轻,易冲刷,是地裂缝形成的主要结构条件。具体原因为:岩体裂缝周围次级裂缝发育,孔隙比大,水流入侵导致岩体内部薄弱面逐渐贯通,形成强渗透变形区,同时,地下水渗流作用引起潜蚀作用,土体强度降低,土层裂缝进一步发育,最终露出地表,形成地裂缝。3 地裂缝下路基防治措施 3.1 防治措施设计思路及方案依照 D
20、K76+819.50+933.80 段勘察期间布设在探坑基岩面裂缝两侧的监测点数据,裂缝稳定,两侧无明显相对位移和沉降,结合国内地裂缝研究及防治成果,判定铁路设计使用年限内该区段地裂缝处于小变形幅度范围。由于地裂缝的成因十分复杂,且破灾害后果严重,防治必须遵循以防为主、整治为辅的原则,刚柔并济,综合治理。(1)避让措施。在进行铁路规划设计时,应合理避让地裂缝发育地区,若无法避免,线路应与地裂缝大角度相交。(2)补强措施。对于地裂缝不活跃的地区以采用增设钢筋混凝土板等措施减少地面突降。(3)抗断裂设计。采取非刚性路基,柔性分层加筋(如:采用双向高强微桩土工格室)措施,增加路基本体稳定性,适应断裂
21、带变形,适当增加路基压实度,并进行工后地基基础加固处理。(4)防排水措施。水为地裂缝发育的主要诱因,因此,做好防排水措施是避免地裂缝灾害发生的有效途径。如,铁路沿线铺设不透水土工布,阻断地表降雨入渗,线路左右两侧 50 m 范围内地裂缝冲沟夯实回填封闭,有效引导地表水的快速排泄,避免在铁路范围及附近存在大量积水。(5)预警预报。在铁路施工过程中及今后运营期间应进行长期的变形监测,地裂缝预警预报可路基工程 156 Subgrade Engineering2023 年第 3 期(总第 228 期)以有效防治地裂缝灾害。3.2 典型地段防治措施设计(1)基床结构及路基填料路基基床表层采用 0.6 m
22、 厚的 A 组土填筑。该段路基基床底层 1.9 m 范围内填筑 A、B 组土,基床以下至地面路堤填料采用 A、B、C 组土填筑,减少路基填筑体发生变形、沉降、开裂、塌陷等。(2)地基加固为 防 治 地 裂 缝 造 成 的 变 形 破 坏,DK76+819.50+841.00 段、DK76+912.3+933.80 段对原地表进行清表处理,清表厚度为 0.3 m。DK76+869.50 地裂缝中心向小里程 6 m 范围内和 DK76+883.80 地裂缝中心大里程 6 m 范围内挖除换填 1 m 厚碎石层(最大粒径小于 200 mm,一般粒径控制在 3070 mm)至强风化凝灰岩层顶,两侧分别沿
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