山西中南部鐵路太行山隧道巖溶發(fā)育成因分析

何寶夫　王延濤　曾憲明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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山西中南部鐵路太行山隧道巖溶發(fā)育成因分析

何寶夫王延濤曾憲明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要巖溶災(zāi)害對(duì)隧道施工構(gòu)成極大的威脅，為摸清巖溶發(fā)育特征規(guī)律及其成因機(jī)理，從地質(zhì)背景入手，剖析太行山隧道出口段典型巖溶發(fā)育的特征，結(jié)合前期工程勘察資料及前人研究成果，從巖性、斷裂構(gòu)造、地下水、地形地貌等方面進(jìn)行研究，分析隧道出口段巖溶發(fā)育成因機(jī)理，從而為配合施工工作提供技術(shù)支持，具有較好的推廣性和借鑒性。

關(guān)鍵詞山西中南部鐵路太行山隧道巖溶成因分析

我國(guó)巖溶分布廣泛，可溶巖面積約占全國(guó)的1/3，是世界上巖溶分布最為廣泛的國(guó)家[1-2]。隨著山區(qū)鐵路工程的大規(guī)模建設(shè)，巖溶問(wèn)題成為了鐵路建設(shè)中常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題之一[3-6]。隧道工程由于其具有克服高程、縮短路徑的優(yōu)勢(shì)，在山區(qū)鐵路工程中得到廣泛應(yīng)用。跨越桂、黔、滇的南昆鐵路，可溶巖地段隧道長(zhǎng)度達(dá)到了387.6 km，占線路長(zhǎng)度的43%[7]；宜萬(wàn)線的隧道長(zhǎng)度占線路的59.65%。穿越巖溶區(qū)長(zhǎng)隧道較為著名的有野三關(guān)隧道(13.86 km)、齊岳山隧道(10.46 km)、馬鹿箐隧道(7.8 km)等[5，8-9]。由于巖溶發(fā)育的控制性因素錯(cuò)綜復(fù)雜，巖溶發(fā)育的形態(tài)也多種多樣，以及巖溶發(fā)育的不規(guī)律性、不可預(yù)測(cè)性，這些因素給巖溶隧道設(shè)計(jì)施工帶來(lái)極大的困難，對(duì)施工安全造成極大的威脅，給后期運(yùn)營(yíng)留下重大隱患，同時(shí)也會(huì)造成重大的生態(tài)問(wèn)題[8-9]。目前已經(jīng)修建的鐵路中，就遇到過(guò)諸多巖溶災(zāi)害，如渝懷線圓梁山隧道多處發(fā)生涌水、涌泥，突水量達(dá)到了69 000 m3/h[5，10-11]；達(dá)萬(wàn)線田家坡隧道巖溶堆積體深厚，嚴(yán)重影響施工[12]；宜萬(wàn)線馬鹿箐隧道由于巖溶突水、突泥，更是造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[5，13]。

結(jié)合具體工程實(shí)例，研究巖溶發(fā)育的規(guī)律性，分析巖溶災(zāi)害成因機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出合理的預(yù)防措施，從而提高巖溶隧道施工的可預(yù)見(jiàn)性。根據(jù)太行山隧道出口段巖溶揭示情況，結(jié)合前期工程勘察資料及前人研究成果，從巖性、斷裂構(gòu)造、地下水、地形地貌等方面進(jìn)行研究，分析隧道出口段巖溶災(zāi)害成因機(jī)理，從而為配合施工工作提供技術(shù)支持。

1工程概況

山西中南部鐵路通道起始于山西瓦塘，穿越山西，橫貫河南，終點(diǎn)至山東日照。太行山隧道位于山西省與河南省交界處，采用雙洞單線方案，隧道全長(zhǎng)約18.095 km，洞身最大埋深約為920 m，最小埋深約15 m(見(jiàn)圖1)。隧道穿越太行山中山區(qū)的主脈區(qū)，山勢(shì)陡峻，溝深坡陡。隧道修建過(guò)程中，遇到了基巖裂隙水涌水、巖爆、淺埋段基坑涌水、出口段的巖溶等問(wèn)題。出口段巖溶災(zāi)害雖然沒(méi)有造成重大災(zāi)害，但也給施工帶來(lái)了很多影響，有必要對(duì)該段的巖溶災(zāi)害進(jìn)行研究，分析其成因機(jī)理，為施工提供技術(shù)支持。

2工程地質(zhì)背景

太行山隧道出口段位于太行山脈中山區(qū)與林州盆地交界(林州盆地側(cè))，太行山塊隆與林州斷陷交界附近(林州斷陷側(cè))，總體地勢(shì)西高東低。該段附近地表較為平坦，起伏較緩，地勢(shì)較開(kāi)闊，其上分布農(nóng)田、民居，隧道埋深約60～70 m。隧道出口段穿越地層巖性為古生界奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組灰黑色中厚層狀灰?guī)r夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，該段地表淺埋卵石(見(jiàn)圖2)。

圖1　太行山隧道平面位置

圖2　太行山隧道出口段工程地質(zhì)縱斷面

出口段橫跨任村-西平羅大斷裂。任村-西平羅大斷裂為太行山東麓斷裂帶西側(cè)斷裂，為區(qū)域性斷層，規(guī)模較大，與隧道大角度相交。出口區(qū)地表水主要為大氣降水形成的地表面流，水量受季節(jié)性影響變化較大，自然排泄暢通。地下水主要有斷裂破碎帶孔隙水和巖溶水，奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶發(fā)育，存在溶洞滯水，溶洞存在泥質(zhì)充填，附近地表水、地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca型，局部地下水具硫酸鹽侵蝕性。

該段溶洞地下水不發(fā)育，溶腔體內(nèi)較為干燥，填充的黏土較為干燥，呈硬塑、土夾石狀；隧底存在隱伏巖溶問(wèn)題。

3典型巖溶發(fā)育特征分析

根據(jù)揭示的溶洞情況，按照巖溶涌水量大小分類，太行山隧道出口段巖溶基本為無(wú)水型；按照形態(tài)及規(guī)模大小分類，屬于洞穴型和裂隙型；按照充填性特征，屬于充填型及半充填型。

3.1無(wú)水洞穴型、半充填型巖溶

無(wú)水洞穴型巖溶以右線DyK595+287里程處為代表，該溶洞為太行山隧道出口段揭示的最大一個(gè)溶洞，出現(xiàn)在2012年10月3日工作面開(kāi)挖至DyK595+287處(見(jiàn)圖3、圖4)，工作面右側(cè)發(fā)現(xiàn)一溶洞，溶腔寬25 m，縱向9 m，高7 m；頂部發(fā)育一直徑1.5 m的落水洞，溶腔高約16 m；溶洞跟右線呈75°夾角，泥質(zhì)半充填，未見(jiàn)地下水。洞壁巖體為奧陶系下馬家溝組灰?guī)r，褐灰色，巖體破碎。

圖3　DyK595+287溶洞位置示意(單位：m)

圖4　DyK595+287溶洞剖面示意(單位：m)

3.2無(wú)水裂隙型、充填及半充填型巖溶

無(wú)水裂隙型、充填及半充填型巖溶主要集中在DK595+026～DK595+158段，DyK595+227～DyK595+274段。

太行山隧道出口左線正洞爆破開(kāi)挖后在DK595+026發(fā)現(xiàn)一溶洞(見(jiàn)圖5、圖6)，溶洞高約2～3 m，寬約5 m，縱向約4.5 m，泥質(zhì)充填，呈土夾石狀，黏性較大，行走不便，未見(jiàn)明顯地下水，工作面潮濕，開(kāi)挖后拱部易掉塊，圍巖穩(wěn)定性差。

圖5　DK595+026溶洞位置示意(單位：m)

圖6　DK595+026溶洞剖面示意(單位：m)

在DyK595+227工作面里程處，開(kāi)挖過(guò)程中在拱頂發(fā)現(xiàn)溶洞，溶洞寬約5 m，高約5 m，縱向長(zhǎng)度約4 m。泥質(zhì)半充填，未見(jiàn)地下水，圍巖穩(wěn)定性差(見(jiàn)圖7、圖8)。

圖7　DyK595+227溶洞位置示意(單位：m)

圖8　DyK595+227溶洞剖面示意(單位：m)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，太行山隧道出口段成形的溶洞為15個(gè)(見(jiàn)表1)，局部段落巖體破碎，產(chǎn)狀凌亂，灰?guī)r表面有泥漬，溶蝕作用明顯，工作面中局部存在土夾石；在成形的溶洞中，全部為無(wú)水型溶洞，絕大部分為裂隙型溶洞，溶洞規(guī)模相對(duì)較小，體積大多為10 m3左右；僅發(fā)育一個(gè)洞穴型溶洞，體積約為1 575 m3。

表1　太行山隧道出口段溶洞統(tǒng)計(jì)

4巖溶發(fā)育成因分析

巖溶發(fā)育需要有物質(zhì)基礎(chǔ)、徑流通道、水動(dòng)力作用及特殊的地形地貌等，分別從以下幾個(gè)方面進(jìn)行太行山巖溶發(fā)育的成因分析。

4.1碳酸鹽巖是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)

巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)離不開(kāi)碳酸鹽巖，碳酸鹽巖純度越高，其巖石的可溶性越強(qiáng)，白云巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r等巖石巖溶發(fā)育程度相對(duì)較弱。另外，還取決于連續(xù)沉積的厚度。研究區(qū)發(fā)育的地層巖性為奧陶系下馬家溝組(O2x)灰黑色中厚層狀灰?guī)r夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，淺海相沉積。最新研究表明[14]，奧陶系馬家溝組沉積演化特征顯示出七個(gè)沉積旋回，馬家溝組沉積期經(jīng)歷七次較完整的海平面變化過(guò)程。從巖性上，本區(qū)為中厚層灰?guī)r夾泥灰?guī)r，且該套地層經(jīng)歷七次沉積旋回，厚層灰?guī)r的并非連續(xù)沉積。因此，從可溶巖純度和厚度上，本隧道巖石可溶性中等偏上。

4.2斷裂構(gòu)造是巖溶發(fā)育的主控因素

隧址區(qū)的構(gòu)造格局控制著碳酸鹽巖地層的分布，斷裂構(gòu)造使得巖層產(chǎn)生大量裂隙帶，為巖溶作用提供了極為有利的通道，控制巖溶的發(fā)育形態(tài)等[15-16]。不同力學(xué)性質(zhì)的斷裂構(gòu)造對(duì)巖溶的控制作用也有所不同。

(1)張性斷裂帶

研究區(qū)最主要的構(gòu)造是任村-西平羅斷裂帶，該斷裂帶起自林州任村，經(jīng)河澗止于西平羅一帶，斷裂成近南北向延伸，長(zhǎng)約80余km。斷面近直立，切割太古界至中生界，斷裂兩側(cè)發(fā)育有一系列北東向和近南北向次級(jí)斷裂，斷裂下盤(pán)(西盤(pán))上升，形成數(shù)百米～千米高的陡崖，上盤(pán)(東盤(pán))塌落，形成南北向延伸的串珠狀新生代盆地。沿此斷裂帶近期微弱地震不斷發(fā)生，該斷裂近期仍有活動(dòng)，為一長(zhǎng)期活動(dòng)的斷裂帶。

任村—西平羅斷裂帶屬于張性斷裂。張性斷裂張開(kāi)性較好，構(gòu)造角礫膠結(jié)較弱，結(jié)構(gòu)較為疏松，存在較大的孔隙率。同時(shí)，張性斷裂斷裂面粗糙不平，張裂程度大。張性斷裂具有較大的儲(chǔ)水空間和較為寬闊的徑流通道。因此，任村-西平羅斷裂帶為巖溶發(fā)育提供了良好的條件，在具備豐富的補(bǔ)給源條件下，完全有可能成為強(qiáng)巖溶帶或暗河徑流帶或管流帶。

(2)節(jié)理裂隙密集帶

這里主要指受構(gòu)造作用影響的節(jié)理裂隙密集帶，主要發(fā)育在任村-西平羅斷裂影響帶附近。受構(gòu)造作用影響，層間發(fā)生錯(cuò)位，產(chǎn)生密集裂隙，為巖溶發(fā)育提供了良好的通道。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多小型裂隙溶洞大多發(fā)育在節(jié)理裂隙密集帶中。

4.3地下水模式和重力作用

地下水作用是巖溶發(fā)育的必要條件，沒(méi)有地下水參與，巖溶作用也就不可能發(fā)生。地下水集中徑流的地帶，巖溶發(fā)育也就最為強(qiáng)烈，巖溶發(fā)育演化的過(guò)程也就是可溶巖在地下水作用下的分化過(guò)程。本區(qū)屬于溫帶，時(shí)干時(shí)潮，雨量集中成暴雨，化學(xué)風(fēng)化不強(qiáng)，物理風(fēng)化流水沖刷劇烈，流水滲入裂隙帶，造成局部裂隙型巖溶發(fā)育。同時(shí)，由于密集節(jié)理帶的存在，巖體破碎，在重力作用下，極易發(fā)生崩塌作用，進(jìn)一步擴(kuò)大了洞穴范圍。

4.4地形地貌對(duì)巖溶的影響

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得地層快速差異升降運(yùn)動(dòng)，使得本區(qū)形成了地形起伏大、河谷切割深的獨(dú)特地貌，為地下水徑流提供了良好的徑流條件和勢(shì)能，使得地下水具有充分的物理侵蝕能力，為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了條件。

綜上，奧陶系中厚層狀的灰?guī)r夾泥灰?guī)r為巖溶發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；任村-西平羅斷裂帶起到主要的控制性作用；新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得地層快速差異升降運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)造了獨(dú)特的地形地貌及水動(dòng)力條件，從而造就了太行山隧道出口灰?guī)r段、斷裂破碎帶及其影響帶附近裂隙型溶洞發(fā)育。

5結(jié)論

(1)太行山隧道出口段巖溶發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象明顯，對(duì)施工造成了較大的影響。

(2)太行山隧道成形的溶洞有15個(gè)，全部為無(wú)水型溶洞，絕大部分為裂隙型溶洞，溶洞規(guī)模相對(duì)較小，體積大多為10 m3左右；僅發(fā)育一個(gè)洞穴型溶洞，體積約為1 575 m3。

(3)經(jīng)分析，奧陶系中厚層狀的灰?guī)r夾泥灰?guī)r為巖溶發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；任村-西平羅斷裂帶在巖溶發(fā)育中起到主要的控制性作用；新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得地層快速差異升降運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)造了獨(dú)特的地形地貌及水動(dòng)力條件，這些因素是太行山隧道出口段巖溶發(fā)育的主要原因。

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收稿日期：2016-02-20

第一作者簡(jiǎn)介：何寶夫(1983—)，男，2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，工程師。

文章編號(hào)：1672-7479(2016)03-0060-05

中圖分類號(hào)：P642.25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Genetic analysison Karstof Taihang Tunnel of Railway Engineering in Mid-South Region of Shanxi

HE BaofuWANG YantaoZENG Xianming