黔張常鐵路武陵山3號(hào)隧道巖溶分析

甘傳奇

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721001)

1 工程概述

黔張常鐵路武陵山3號(hào)隧道地處武陵山中低山區(qū)，海拔 223 m～645 m。起訖里程:CK242+530～CK249+730，全長(zhǎng) 7 200 m。該特長(zhǎng)隧道所在區(qū)域地形起伏較大，山體陡峻，山體自然坡度40°～70°。隧道測(cè)區(qū)巖溶溶蝕區(qū)域以侵蝕地貌為主，巖溶現(xiàn)象發(fā)育。洞身范圍內(nèi)存在五處深切支溝，均位于江家山一帶溶蝕封閉洼地范圍內(nèi)。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地層巖性

隧道進(jìn)出口洞頂緩坡局部表層和隧道洞頂淺埋溝及隧道出口兩側(cè)表面為第四系沖、坡積層粉質(zhì)黏土及碎石土、隧道洞身涉及的地層為白堊系上統(tǒng)下組砂巖夾泥巖、白堊系下統(tǒng)砂巖夾泥巖和寒武系中統(tǒng)中組灰?guī)r、寒武系中統(tǒng)下組灰?guī)r夾頁(yè)巖、寒武系下統(tǒng)上組灰?guī)r夾頁(yè)巖。其中洞身入口側(cè)寒武系灰?guī)r及灰?guī)r夾頁(yè)巖與洞身出口側(cè)白堊系砂巖夾泥巖接觸關(guān)系呈不整合接觸關(guān)系。巖層因巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及膠結(jié)程度的差異，可溶性差異較大，工程性質(zhì)差異較大。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

線路所經(jīng)區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造體系主要隸屬華夏和新華夏構(gòu)造體系。大地構(gòu)造單元上隸屬揚(yáng)子地臺(tái)，武陵山為次級(jí)隆起帶，沅麻盆地和張家界為兩個(gè)次級(jí)沉降帶。

隧道區(qū)域上位于沅古坪向斜之東翼和鐘家鋪向斜之西翼。線路在沅古坪向斜軸部最短距離通過。受區(qū)域褶皺構(gòu)造影響，隧道區(qū)域內(nèi)發(fā)育兩個(gè)小型褶皺構(gòu)造——飛流溪背斜和黃傘坪向斜，但無區(qū)域性深大斷裂構(gòu)造。測(cè)區(qū)內(nèi)只分布有由褶皺構(gòu)造伴生斷裂產(chǎn)生的斷層，主要表現(xiàn)為F19－1斷層，對(duì)工程具有一定的影響，如圖1所示。

圖1 隧道工程地質(zhì)縱斷面

3 水文地質(zhì)特征

3.1 地表水

隧道區(qū)通過武陵山脈腹地，屬溶蝕－剝蝕中低山區(qū)，穿越沅江水系，地勢(shì)總體趨勢(shì)北高南低，西陡東緩，山體渾厚，形態(tài)呈現(xiàn)出頂平、坡陡、谷深的特點(diǎn)。隧址區(qū)溝壑縱橫支溝較多，溝內(nèi)常年流水，水量較大。主要表現(xiàn)為牛車河及其支流，飛流溪、金家溪溝及其主要3條支溝，水系多呈樹枝狀向源侵蝕。同時(shí)，線路周圍還分布有堰堉水庫(kù)、周家堉水庫(kù)、黃傘坪水庫(kù)等多個(gè)水庫(kù)。因此隧道區(qū)域內(nèi)水系較為發(fā)育，地表水極為豐富。

3.2 地下水

(1)地下水類型

隧址區(qū)地下水的形成、分布受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降水量等多種因素控制和影響。隧道區(qū)地下水賦存類型可分為第四系松散層孔隙潛水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水。

(2)含水巖組及富水性

碳酸鹽巖是測(cè)區(qū)的主要含水巖組，根據(jù)其巖溶發(fā)育程度及富水性的不同又分為水量豐富的純碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組和水量中等的碳酸鹽巖夾碎屑巖含水巖組。

①純碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組:巖性為寒武系中下統(tǒng)灰?guī)r，為洞身通過段的主要含水組，富水性強(qiáng)，溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，施工中極易出現(xiàn)突、涌水現(xiàn)象，主要分布在洞巖身CK243+940～CK245+910段。

②碳酸鹽巖夾碎屑巖含水巖組:巖性為寒武系中下統(tǒng)的灰?guī)r夾頁(yè)巖，富水性較弱，溶蝕發(fā)育程度中等，主要分布在隧道進(jìn)口段。

(3)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄特征

本段地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和氣候條件控制，地下水循環(huán)系統(tǒng)屬于典型的滲入－徑流型，地下水徑流與排泄主要受巖體節(jié)理和裂隙的發(fā)育通道控制。

地下水補(bǔ)給主要為大氣降水及地表溝水的入滲補(bǔ)給，洞身通過段溝谷發(fā)育，這些溝谷構(gòu)成一個(gè)個(gè)小的、相對(duì)獨(dú)立的地下水循環(huán)系統(tǒng)，山脊、各支溝的分水嶺為各流域地下水的補(bǔ)給區(qū)，總體呈NE－SN向展布。地下水徑流方向與地表水流方向基本一致，并受巖體節(jié)理、裂隙及構(gòu)造的發(fā)育方向及地形條件的嚴(yán)格控制。

本段地下水的排泄方式除向河流、溝谷作線狀排泄外，還以泉的形式作點(diǎn)狀排泄。除上述天然徑流排泄外，隧道建成后將形成新的人工徑流－排泄系統(tǒng)，屆時(shí)隧道通過區(qū)的地下水將涌入隧道進(jìn)行人工排泄。

碳酸鹽巖分布于隧道進(jìn)口地段，是測(cè)區(qū)的主要含水巖組，碳酸鹽巖巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄主要受巖溶發(fā)育程度與巖溶管道類型的控制。

根據(jù)徑流通道的形態(tài)特征可分為管道型和裂隙型兩種。

①巖溶管道型徑流:地下水徑流主要是沿巖溶管道，暗河進(jìn)行，其特點(diǎn)是徑流途徑長(zhǎng)，流速大，分布不均勻。管道式徑流主要分布在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，受構(gòu)造及巖溶發(fā)育方向控制，特點(diǎn)是徑流速度快，徑流途徑短，水量大。

②巖溶裂隙型徑流:主要在碳酸巖夾碎屑巖巖溶區(qū)及巖溶發(fā)育程度較弱的碳酸巖的溶蝕裂隙中進(jìn)行，其特點(diǎn)是徑流途徑短，徑流速度慢，受地形控制明顯，無一定的徑流方向。

碳酸巖巖溶水的排泄主要通過地下暗河出口進(jìn)行，隧道區(qū)地下水排泄受河流的侵蝕基準(zhǔn)面控制，武陵山3號(hào)隧道進(jìn)口發(fā)育下堉溪河，河面高程 320 m，為該區(qū)的最低侵蝕基準(zhǔn)面;出口發(fā)育北斗溪河，河面高程230 m，為該區(qū)的最低侵蝕基準(zhǔn)面。

4 巖溶發(fā)育特征

隧道測(cè)區(qū)附近主要有溶隙溶槽，洼地、暗河、巖溶泉及溶洞等，根據(jù)外業(yè)地質(zhì)調(diào)查，CK242+530～CK245+910段分布可溶巖，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)合物探分析，薄層－厚層灰?guī)r、灰?guī)r夾頁(yè)巖等，地表巖溶形態(tài)主要為溶槽、溶蝕裂隙、溶洞、溶蝕洼地等。詳述如下:

4.1 溶芽、溶槽

溶芽、溶槽主要分布于堰堉水庫(kù)附近巖溶洼地內(nèi)，地層為寒武系中統(tǒng)下組灰?guī)r夾頁(yè)巖，溶隙、溶槽沿一組巖層節(jié)理發(fā)育，走向?yàn)镹66°E/56°N。石芽呈尖棱狀，高度 1 m～2 m不等，局部石芽根部見有溶蝕孔洞。

4.2 巖溶洼地

分布于高程390 m～400 m的江家山山頂平臺(tái)區(qū)，洼地平面形狀呈不規(guī)則的矩形，長(zhǎng)約 350 m，寬 30 m～200 m，深度 10 m～20 m。洼地基巖為寒武系中統(tǒng)下組灰?guī)r夾頁(yè)巖，洼地北部有一暗河發(fā)育。洼地為地表水匯集轉(zhuǎn)入地下水的面狀巖溶形態(tài)。

4.3 溶洞

測(cè)區(qū)內(nèi)溶洞較為發(fā)育，規(guī)模大小不一，地下水發(fā)育程度各不相同。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查，線路CK243+824左側(cè) 1.2 km堰堉水庫(kù)東側(cè)至CK245+250右側(cè)發(fā)育多處溶洞。溶洞大小規(guī)模不同，為中小型溶洞，實(shí)測(cè)高程 426 m～496 m，洞內(nèi)地下水情況不一，多數(shù)洞內(nèi)有水，但水量較小。據(jù)訪問，上述洞內(nèi)雨季地下水豐富，水位上漲，受季節(jié)影響較為明顯。

4.4 暗河

測(cè)區(qū)內(nèi)主要分布暗河有馬家堉暗河，位于線路CK245+661右側(cè)，進(jìn)口為桃源縣馬家堉村，實(shí)測(cè)高程400 m，出口位于嫫家洞河內(nèi)，流量為 5.79 L/s。推測(cè)高程面為 358 m，發(fā)育方向?yàn)镹700E，與巖層走向一致，巖性為寒武系灰?guī)r夾頁(yè)巖。暗河進(jìn)口洞口呈拱形，寬約 15 m，高約 10 m，洞內(nèi)溶蝕作用強(qiáng)烈，小溶洞發(fā)育，洞頂有線狀滴水，并發(fā)育有石鐘乳、石柱，估測(cè)洞內(nèi)水量約 500 m3/d，據(jù)訪問流量受季節(jié)影響較為明顯，如圖2所示。該暗河與線路不相交，隧道在該點(diǎn)路肩高程為 323 m。

圖2 馬家堉暗河

4.5 巖溶漏斗及天坑

測(cè)區(qū)內(nèi)小型漏斗分布較多，多為細(xì)小型漏斗，漏斗深度較淺，漏斗內(nèi)均無地下水;天坑分布較為單一，主要為分布于CK243+614右側(cè) 2 km的響天坑。天坑呈垂直圓桶狀，天坑口徑 15 m～18 m，墜落實(shí)驗(yàn)探測(cè)坑深約 70 m，具體準(zhǔn)確深度未知，調(diào)查時(shí)未發(fā)現(xiàn)地下水。據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B該坑底部聯(lián)接暗河，雨季時(shí)能聽到水聲，季節(jié)性影響較大。

5 巖溶地球物理勘探分析

根據(jù)工點(diǎn)實(shí)際地質(zhì)地球物理特征，選用GDS三極高密度測(cè)深法對(duì)該工點(diǎn)進(jìn)行地球物理勘探。高密度電法勘探是根據(jù)直流電源形成的電場(chǎng)分布測(cè)出其不同深度的供電電流強(qiáng)度和地表測(cè)量電極間的電位差，求出不同深度地層(或地質(zhì)體)的視電阻率，再根據(jù)量板擬合求出各具有電性差異的地層(或地質(zhì)體)的電阻率及其深度、厚度，進(jìn)而推斷各具有電性差異的地層(或地質(zhì)體)的地質(zhì)情況。

結(jié)合外業(yè)調(diào)查，分析物探資料得出:CK242+530～CK244+000段巖溶中等發(fā)育，巖溶現(xiàn)象以表層溶蝕和小型溶洞等深層溶蝕為主。CK244+000～CK245+910段巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，巖溶現(xiàn)象主要表現(xiàn)為表層溶槽、小型漏斗等小型溶蝕和中型溶洞、暗河及天坑等深層溶蝕為主。其中分析巖溶中等發(fā)育區(qū)域中異常區(qū)域發(fā)現(xiàn)，CK242+910和CK243+620附近分別分布有豎直方向的弱電阻率區(qū)，初步解析該區(qū)域內(nèi)巖層中可能有中型巖溶漏斗或呈豎直方向發(fā)展?fàn)钊芏窗l(fā)育;CK244+580附近分布有豎直狀橢圓型弱電阻率區(qū)，初步解析該區(qū)域內(nèi)巖層中可能有豎直方向發(fā)展?fàn)钊芏椿虬岛尤肟诜植?，如圖3所示。

圖3 隧道CK244+128～CK244+857物性地質(zhì)剖面圖

6 巖溶空間發(fā)育規(guī)律及控制因素分析

隧道區(qū)巖溶中等發(fā)育－強(qiáng)烈發(fā)育，該區(qū)域內(nèi)的巖溶發(fā)育形態(tài)主要受控于地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和水動(dòng)力條件，各因素作用組合的不同結(jié)果形成不同類型巖溶形態(tài)。

(1)可溶性巖層與非可溶性巖層之間，溶蝕現(xiàn)象發(fā)育程度差別明顯。本隧道巖性分布以寒武系灰?guī)r及灰?guī)r夾頁(yè)巖和白堊系砂巖夾泥巖為主，其中寒武系灰?guī)r及灰?guī)r夾頁(yè)巖為可溶性巖，分布段落較長(zhǎng)，于CK242+530～CK245+910，長(zhǎng) 3 380 m，占隧道全長(zhǎng)46.95%，根據(jù)巖性判斷巖溶發(fā)育強(qiáng)度為弱—中等發(fā)育;其中白堊系砂巖夾泥巖為非可溶性巖，分布于CK245+910～CK249+730，長(zhǎng)3 820 m，占隧道全長(zhǎng)53.05%，根據(jù)巖性判斷巖溶發(fā)育程度為弱等—不發(fā)育。寒武系灰?guī)r及灰?guī)r夾泥巖地區(qū)可溶性巖層地區(qū)溶洞、暗河等巖溶現(xiàn)象發(fā)育，而白堊系砂巖夾頁(yè)巖地區(qū)巖溶現(xiàn)象極少，局部分布有小型表層溶蝕現(xiàn)象。

(2)隧道區(qū)域內(nèi)巖性相同的情況下，巖溶的發(fā)育程度受控于地質(zhì)構(gòu)造(斷層、褶皺)。

地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)生，往往使得構(gòu)造附近區(qū)域的巖層相對(duì)比較破碎，膠結(jié)作用減弱，巖層之間的孔隙加大，豐富的地表水沿構(gòu)造線或順巖層產(chǎn)狀滲流充分補(bǔ)給地下水，地下水活動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)巖層的溶蝕作用加大。本區(qū)域內(nèi)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道區(qū)域正線及兩側(cè)暗河、巖溶構(gòu)造泉多沿構(gòu)造線方向或巖層產(chǎn)狀方向發(fā)育。如隧道CK244+000～245+910區(qū)域內(nèi)巖溶現(xiàn)象明顯，主要是受F19－1和飛流溪背斜控制，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，地下水循環(huán)積極，巖溶發(fā)育。

(3)該隧道測(cè)區(qū)范圍內(nèi)地形地貌也是影響巖溶發(fā)育的較大因素。

地形地貌對(duì)巖溶發(fā)育的影響一定程度上體現(xiàn)在地表水徑流排泄和地下水循環(huán)暢通。在四面封閉的洼地或淺埋溝處，一般多發(fā)育有巖溶漏斗。而巖溶漏斗等現(xiàn)象的存在是為了使地表水得以排泄。同時(shí)在地表匯水的支溝或匯水山窩處，容易形成溶洞和巖溶天坑等大型溶蝕現(xiàn)象。而分析該隧道區(qū)域附近巖溶洼地內(nèi)分布，平面線路兩側(cè)表現(xiàn)為南強(qiáng)北弱格局，溶洞(山湖洞等)和巖溶天坑(響天坑等)大型巖溶均分布在線路右側(cè)(南側(cè))，地表匯水的發(fā)育。

如，CK245+400～+800段地貌呈現(xiàn)四周高中間低封閉洼地，高程 390 m～420 m，巖溶受地貌控制作用明顯，洼地內(nèi)溶芽、溶槽等地表巖溶發(fā)育，洼地盡頭發(fā)育馬家堉暗河。除此之外，本隧道其他地段被深切溝谷切割，線路兩側(cè)均有近順線路走向發(fā)育的溝谷，地表水排泄條件好，地表巖溶發(fā)育相對(duì)較弱。

(4)地下水水動(dòng)力條件是巖溶發(fā)育關(guān)鍵因素。

巖溶發(fā)育是溶蝕作用的結(jié)果，而地下水水動(dòng)力條件的優(yōu)劣決定了溶蝕作用的強(qiáng)弱。最低侵蝕基準(zhǔn)面的決定著地下水循環(huán)效果，地表水對(duì)地下水的補(bǔ)充也加大了地下水循環(huán)作用。因此，最低侵蝕基準(zhǔn)面對(duì)巖溶地下水水動(dòng)力條件。以淺埋溝為例，淺埋溝處一般發(fā)育有豎直方向的巖溶系統(tǒng)和水平方向的巖溶系統(tǒng)。淺埋溝處匯集四周的地表水后，地表水為加強(qiáng)排泄，在豎直方向易形成巖溶漏斗等，豎直匯入山體內(nèi)部的地下水系統(tǒng);而水平方向易形成溶洞、暗河入口等，水平方向匯入山體內(nèi)部地下水系統(tǒng)。

根據(jù)線路CK243+860左側(cè)約 1 km處發(fā)育的溶洞，高程面 400 m～450 m，為水平管道狀溶洞，均為無水溶洞，僅雨季有少量的地下水出露，為垂直滲流帶。馬家堉地下河系出口高程面 358 m，第二層高程面 350 m～400 m為水平循環(huán)帶，暗河、巖溶多發(fā)育在此高程段落，地下水發(fā)育，常年有水，水量受季節(jié)影響明顯，該層為水平循環(huán)帶。350 m～300 m(最低侵蝕基準(zhǔn)面)為垂直循環(huán)帶，該段巖溶段落線路高程310 m～350 m，因此分析認(rèn)為該段處于垂直滲流帶內(nèi)，對(duì)隧洞影響較大。

7 結(jié)論及工程措施建議

(1)根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》巖溶強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本隧道巖溶發(fā)育強(qiáng)度分級(jí)劃分:里程CK242+530～CK244+000，巖溶中等發(fā)育，主要巖溶特征為:可溶巖，地表有溶隙、溶槽，小型溶洞;里程 CK244+000～CK245+910，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，主要巖溶特征為:可溶巖，地表有溶芽和溶蝕洼地，發(fā)育馬家堉暗河，有水平溶洞發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象強(qiáng)烈。特長(zhǎng)隧道由于長(zhǎng)度長(zhǎng)，埋深大，尤其為巖溶隧道，施工中可能遇到的工程地質(zhì)問題較多，所以，選線階段應(yīng)該進(jìn)行多方案比較，盡量縮短巖溶隧道長(zhǎng)度。

(2)隧道中不同時(shí)代的巖層呈不整合接觸關(guān)系，巖性接觸帶存在軟弱結(jié)構(gòu)面、節(jié)理密集帶等，可能會(huì)出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、坍塌、突、涌水、突泥、基底下沉等地質(zhì)災(zāi)害。

(3)隧道淺埋段或山頂分布有型洼地處，應(yīng)分析地表水和地下水的循環(huán)路徑，防止隧道開挖過程中，破壞原來地表水排泄通道，出現(xiàn)地表水倒灌、出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，同時(shí)應(yīng)充分考慮抽排水等應(yīng)急措施，并避免雨季開挖。特別是江家山洼地處于可溶巖與非可溶巖接觸帶，可能有突涌水問題。應(yīng)采取TSP、HSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、超前水平鉆探、孔內(nèi)全景式數(shù)碼攝影、跨孔CT、地質(zhì)素描(數(shù)碼技術(shù))、超前平導(dǎo)等多種方法和手段進(jìn)行超前探測(cè)，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生或把施工風(fēng)險(xiǎn)降至最低程度，確保施工安全順利的進(jìn)行。

(4)針對(duì)物探電阻率特大異常區(qū)，進(jìn)一步勘探分析，排除。防止施工時(shí)有可能出現(xiàn)溶腔、溶洞突涌水、突泥現(xiàn)象，隧道在上方附近通過時(shí)還可能造成基底下沉等問題。設(shè)計(jì)和施工中要加強(qiáng)施工用水、排水管理，使洞內(nèi)水流暢通，防止積水浸泡軟弱巖層。

(5)洞身CK242+530～CK245+910段為可溶巖段落，隧道地表范圍調(diào)查發(fā)現(xiàn)的暗河沒有與隧道直接相交，但工程的開挖施工可能溝通上部水平循環(huán)帶巖溶水強(qiáng)烈發(fā)育帶，造成施工中產(chǎn)生大的突水，尤其是在褶皺的核部和幾條斷層帶通過的部位以及可溶巖與非可溶巖接觸帶更為突出?？赡艽嬖谥卮蟮刭|(zhì)災(zāi)害，建議對(duì)巖溶段落及構(gòu)造帶、接觸帶、物探異常段、淺埋溝段落開展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

(6)寒武系灰?guī)r夾頁(yè)巖與白堊系砂巖夾泥巖接觸帶，工程性質(zhì)差別較大，接觸帶附近富水，灰?guī)r可能有巖溶發(fā)育，應(yīng)進(jìn)一步揭示其接觸位置和接觸關(guān)系以及巖溶發(fā)育情況。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司．新建黔江至張家界至常德鐵路初步設(shè)計(jì)第四篇(地質(zhì))［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，2011．

［2］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司．新建黔江至張家界至常德鐵路二隊(duì)地質(zhì)匯報(bào)材料［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，2011．

［3］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司．新建黔張常鐵路武陵山3號(hào)隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，2011．

［4］TB 10012－2007．鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］．

［5］ 鐵道第一勘察設(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．

［6］TB 10027－2012．鐵路工程不良地質(zhì)工程勘察規(guī)程［S］．

［7］ 顧湘生，劉坡拉．鐵路巖溶工程地質(zhì)勘察技術(shù)［M］．武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2012．