黔張常鐵路巖溶發(fā)育規(guī)律研究

張志亮

(中鐵第一勘察設計院集團公司地路處,西安 710043)

擬建黔張常鐵路位于渝東南、鄂西南和湘西北三省交界地帶，線路全長約330 km，大部分行走于低中山、中低山區(qū)，地形條件差，地質條件復雜。沿線地層以碳酸鹽巖為主，巖溶極其發(fā)育，是控制線路方案的主要影響因素。在遙感判釋的基礎上，通過大面積地質調繪，并結合物探、鉆探及試驗測試等方法[1-4]，查明了沿線巖溶發(fā)育特征及分布規(guī)律，為線路方案的合理選擇提供了可靠的依據(jù)。

1 概述

線路地處揚子地臺中部，區(qū)內褶皺與斷裂經過多期次構造變動，形成北北東向和北東向褶皺及其伴生斷裂。地貌受構造控制明顯，形成北北東向和北東向山脈及小型山間盆地相間的地貌景觀。

黔張常鐵路總體走向為近東西向，與構造方向近乎垂直。沿線地層發(fā)育較全，寒武紀至第四紀地層均有出露，基巖主要為海相碳酸巖、淺海相碎屑巖、內陸湖相碎屑巖，其中碳酸巖段落約占50%，主要為震旦系、寒武系、奧陶系、二疊系以及三疊系灰?guī)r、白云巖和泥灰?guī)r等?？λ固氐孛舶l(fā)育，主要表現(xiàn)為峰叢、溶洞、暗河、落水洞、巖溶漏斗等。

沿線屬中亞熱帶山地季風濕潤型，氣候溫和，四季分明。年平均降水量1 300～1 600 mm，年最大降雨量2 167.2 mm，降水多集中在4～9月，約占全年降水量的70%。年平均蒸發(fā)量1 100 mm左右，年平均日照1 283.6 h。

針對沿線巖溶發(fā)育的特點，勘察期間首先通過遙感判釋對沿線巖溶發(fā)育分布進行分析，在此基礎之上進行大面積地面調查，進一步驗證、發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育特性。進而針對工程設置，有針對性地布置大規(guī)模物探手段，對深層巖溶發(fā)育規(guī)律加以分析，并以此為基礎，布置鉆探進行驗證，最終取得對沿線巖溶發(fā)育規(guī)律的初步認識。

2 巖溶發(fā)育與巖性的關系

2.1 碳酸巖巖性對巖溶的控制作用

通過大面積的地質調查、遙感分析及鉆探、物探等手段，對沿線可溶巖地區(qū)各巖層的面巖溶率進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，巖溶的發(fā)育程度與巖性密切相關[5]。質純的灰?guī)r比泥灰?guī)r巖溶發(fā)育；厚層、巨厚層灰?guī)r比薄層灰?guī)r巖溶發(fā)育。例如，龍家寨向斜三疊系嘉陵江組(T2j)厚層灰?guī)r、白云巖，溶蝕洼地密集，地下暗河發(fā)育，面巖溶率可達28.7%；而三疊系下大冶群薄層灰?guī)r區(qū)，面巖溶率僅為4.8%，相差6倍以上。

巖溶發(fā)育的形態(tài)往往與巖性有關，例如暗河、溶蝕洼地等巨、大型巖溶現(xiàn)象多發(fā)育于厚層、巨厚層灰?guī)r地層，而薄層、中厚層灰?guī)r地層巖溶形態(tài)則以小型溶洞、落水洞等為主。碳酸巖層理也對巖溶發(fā)育形態(tài)有一定控制。由于地下水沿層理間裂隙滲流，沿線多見溶洞沿碳酸鹽層理延伸的現(xiàn)象。

2.2 碳酸巖和非可溶巖接觸帶與巖溶發(fā)育的關系

由于非可溶巖對巖溶水的相對隔水作用，相對隔水層對巖溶水起著限制、匯集、導向的作用，因此在可溶巖與非可溶巖接觸帶附近巖溶往往強烈發(fā)育，特別是由于構造的線狀特性，地下暗河沿接觸帶發(fā)育的現(xiàn)象非常普遍。如來鳳縣縣城西南老虎洞，為一處暗河出口，被當?shù)鼐用褡鳛轱嬘盟畞碓矗涠纯谔幵谫_系砂巖與三疊系灰?guī)r接觸帶處，且該暗河延伸方向基本沿巖層接觸帶方向。

3 巖溶發(fā)育與構造的關系

3.1 巖溶發(fā)育與褶皺的關系

巖溶水沿地層層理及節(jié)理裂隙滲流，因此巖溶發(fā)育形成明顯的沿褶皺走向發(fā)育的特點。褶皺核部由于地應力集中，節(jié)理裂隙密集，透水性強，有利于碳酸巖的溶蝕發(fā)育。因此褶皺核部較翼部巖溶發(fā)育更為強烈。根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計，在褶皺軸部及其附近，巖溶發(fā)育，見洞率高，溶洞的規(guī)模也較大。圖1為龍家寨向斜核部巖溶發(fā)育分布情況，可見巖溶基本沿向斜走向發(fā)育，且核部發(fā)育更為集中、強烈。

圖1 龍家寨向斜溶蝕洼地、地下暗河

3.2 巖溶發(fā)育與斷層的關系

區(qū)內斷裂多為北北東向、北東向壓性或壓扭性斷裂，一般延伸長且深，斷裂帶附近裂隙比較發(fā)育且密集，有利于巖溶的發(fā)育。對區(qū)內共統(tǒng)計2 256個溶蝕洼地，其中發(fā)育在斷裂帶的有432個，占19.1%。溶蝕洼地一般沿斷裂帶呈串珠狀，長軸方向與斷裂方向一致，規(guī)模較大。圖2為張家界車站附近棋盤狀斷層帶附近巖溶發(fā)育情況，可見巖溶漏斗極其發(fā)育，并呈串珠狀，形成暗河入口。

圖2 張家界車站附近棋盤狀斷層帶

3.3 巖溶發(fā)育與節(jié)理裂隙的關系

區(qū)內節(jié)理大體可分為3組，分別為北北東向、北東向及東西向。其中北北東向和北東向節(jié)理多分布于背斜核部，特別是背斜傾伏端，一般具張性。東西向節(jié)理一般為剪性節(jié)理。張性節(jié)理一般寬度0.2～2 cm，節(jié)理面粗糙，有利于巖溶發(fā)育。垂直構造線發(fā)育的橫向地下河及沿背斜傾伏端發(fā)育的縱向地下河，多與張性節(jié)理有關。

4 巖溶發(fā)育與地形地貌的關系

4.1 巖溶發(fā)育與地形的關系

地形坡度大小與巖溶發(fā)育有一定的關系。地形平緩地區(qū)溶蝕洼地、落水洞、巖溶漏斗、溶洞、地下河等大型巖溶比較發(fā)育，區(qū)內發(fā)現(xiàn)的溶蝕洼地基本發(fā)育于緩坡或山間盆地等平緩地形地區(qū)，地形陡峻地區(qū)大型巖溶基本不發(fā)育，地表僅可見溶蝕裂隙、溶槽、溶溝、石芽等小型巖溶。

分水嶺地區(qū)是巖溶水的補給區(qū)，垂向巖溶發(fā)育強烈，溶蝕洼地、巖溶漏斗和落水洞等垂直巖溶形態(tài)廣泛發(fā)育；河谷地區(qū)是巖溶水的排泄區(qū)，水平巖溶作用強烈，暗河、溶洞等水平巖溶形態(tài)廣泛發(fā)育。

4.2 巖溶發(fā)育與高程的關系

巖溶發(fā)育在高程上具有明顯的垂直分帶性的特點。根據(jù)酉水河谷及其兩岸的附近地帶發(fā)現(xiàn)的溶洞統(tǒng)計(圖3)，大體可分為3層，基本與各級夷平面相當。第一層：一般高程960～1 320 m，共發(fā)現(xiàn)12個溶洞；第二層：一般高程400～620 m，共發(fā)現(xiàn)31個溶洞；第三層：一般高程200～480 m，共發(fā)現(xiàn)27個溶洞。以上資料說明第二、三層巖溶比較發(fā)育，一般高出酉水河床30～150 m，為水平巖溶發(fā)育帶。

圖3 酉水河沿岸溶洞洞口高程投影

根據(jù)對區(qū)內暗河出口高程的統(tǒng)計，其高程表現(xiàn)出明顯的垂直分帶性分布規(guī)律，一般略高于當?shù)氐那治g基準面，在河流和溪溝兩側形成瀑布。

4.3 巖溶發(fā)育與侵蝕基準面的關系

侵蝕基準面控制著區(qū)域內巖溶發(fā)育的下限。沿線地形變化大，各地侵蝕基準面高程相差很大。根據(jù)鉆孔揭示，巖溶發(fā)育最大深度多在侵蝕基準面以下100～200 m。以龍家界向斜二疊系灰?guī)r為例，該處侵蝕基準面高程458 m，鉆孔揭示的巖溶發(fā)育最大深度高程為332 m，即侵蝕基準面以下162 m。

5 地質選線

通過廣泛收集資料，結合細致的現(xiàn)場調查工作，仔細分析區(qū)域內巖溶發(fā)育規(guī)律，對于鐵路選線具有重要的意義[6-7]。

5.1 平面選線

根據(jù)調查分析劃分出巖溶發(fā)育程度、巖溶水富水程度[8]，對巖溶強烈發(fā)育區(qū)和強富水區(qū)，采取盡量繞避的原則。無法繞避時，則盡量以最短距離通過，以減少巖溶和巖溶水對工程的影響。對不同的線路方案進行比選，統(tǒng)計不同方案分別通過的各級別巖溶發(fā)育區(qū)的長度，結合工程設置，特別是隧道通過巖溶區(qū)的長度，選擇最優(yōu)方案[7]。

如圖4所示，線路在桑植車站附近通過青安坪向斜儲水構造，該向斜暗河、大型溶洞等巖溶及巖溶水現(xiàn)象極其發(fā)育。對該段落巖溶和巖溶水發(fā)育規(guī)律進行分區(qū)，在此基礎上進行選線工作。最終線路方案沿非巖溶區(qū)向北繞行約5 km后，選擇在該向斜構造寬度相對較窄、巖溶發(fā)育相對較弱處通過。

圖4 線路平面繞避向斜儲水構造

5.2 高程選線

巖溶發(fā)育在高程上具有明顯的垂直分帶性[9]，如圖5所示為峰叢洼地處巖溶水垂直分帶特征。其中，垂直循環(huán)帶和季節(jié)變化帶附近地下水運動方式以垂直運動為主，水量較小。水平循環(huán)帶又稱為飽水帶，地下水運動方向以水平運動為主，巖溶管道常表現(xiàn)為形狀不規(guī)則的暗河。根據(jù)巖溶水垂直發(fā)育規(guī)律，隧道工程在高程上應盡量避開水平循環(huán)帶，隧道洞身處于垂直循環(huán)帶或深部的虹吸管式循環(huán)帶及深部循環(huán)帶為宜，以減少突涌水的危害。

圖5 峰叢洼地處巖溶水垂直分帶特征

6 結論

巖溶地區(qū)地質勘探一直是工程地質界的難題。巖溶的分布規(guī)律影響因素極多[10，11]，且一般埋藏較深、不均勻性強，因此表現(xiàn)出偶然性大、“表里不一”等特點[12]，其分布規(guī)律難以掌握。黔張常鐵路通過大規(guī)模巖溶區(qū)，通過多種勘察手段的應用，對各種巖溶現(xiàn)象進行匯總，總結巖溶發(fā)育規(guī)律主要受巖性、構造、地形地貌等因素控制。對巖溶發(fā)育規(guī)律的認識和總結，可以為鐵路選線提供可靠的依據(jù)，并對其他巖溶地區(qū)工程地質工作具有較好的參考價值。

[1] 鐵路第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999：369-386．

[2] 尹國榮.巖溶區(qū)勘察方法及橋梁樁基施工技術[D].長沙：中南大學，2009:15-60．

[3] 呂小應，胡子平.宜萬鐵路工程特點難點分析及對策措施.鐵道標準設計，2006(3)：70-72．

[4] 朱自強，王戰(zhàn)軍，等.綜合物探方法在湘西巖溶勘察中的應用[J].公路，2012(4)：48-53．

[5] 韓寶平.微觀喀斯特作用機理研究[M].北京：地質出版社，1998：5-18．

[6] 胡子平.宜萬鐵路齊岳山隧道選線、施工與管理[J].鐵道標準設計，2010(8)：12-19．

[7] 黃樹標.可溶巖地質問題及鐵路勘察設計原則淺議[J].鐵道標準設計，2008(5)：21-25．

[8] 熊道錕.巖溶發(fā)育強度垂直及其工程意義[J].四川地質學報，2004，24(2)：113-195．

[9] 熊道錕，傅榮華.巖溶發(fā)育強度垂直分帶方法[J].巖土工程技術，2005，19(3)：113-118．

[10] 毛燁峰，伍進.巖溶發(fā)育控制因素及發(fā)育規(guī)律淺析[J].西部探礦工程，2009，4(10)：80-85.

[11] 金新峰.宜萬鐵路沿線巖溶發(fā)育規(guī)律及其對隧道工程的影響[J].中國地質科學院學報，2007，3(25)：27-56．

[12] 薛斌，韓小敏.宜萬鐵路巖溶隧道地質綜合超前預報技術[J].鐵道標準設計，2010(8)：72-77．