麗香鐵路巖溶發(fā)育特征及對隧道工程的影響分析

柴春陽,巫錫勇,張廣澤

(1.西南交通大學,成都 610031; 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

麗(江)—香(格里拉)鐵路位于青藏高原東南緣的滇西北地區(qū)，地處青藏高原至云貴高原的過渡斜面上，地面高程多在2 500～5 000 m，地勢總體北西高南東低。境內(nèi)山巒縱橫，地形險峻，山地、峽谷、盆地交錯分布，地質(zhì)構造復雜，新構造運動強烈。測區(qū)碳酸巖分布較廣，巖溶地貌發(fā)育，全線新建隧道共19座(總長92.346 km)，可溶巖隧道11座(總長46.168 km)，約占50%。巖溶隧道在施工中易出現(xiàn)涌水突泥、坍方、基底塌陷等地質(zhì)災害。因此，對區(qū)內(nèi)巖溶的地貌特征、發(fā)育規(guī)律及地下水動力特征開展研究是十分必要的。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

2.1 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層從新生界到古生界，除白堊系、侏羅系外均有出露，期間發(fā)生過多次巖漿巖侵入。碳酸巖類地層約占1/2，主要分布于三疊系中上統(tǒng)，二疊系下統(tǒng)，石炭系及泥盆系中上統(tǒng)。巖性以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主夾碎屑巖，虎跳峽一帶為厚層的大理巖。碳酸巖的廣泛分布，為巖溶的發(fā)育提供了基礎條件。

2.2 地質(zhì)構造

滇西北地區(qū)位于青藏高原東南緣的大陸地形陡降坡度帶，新生代以來受青藏高原持續(xù)性、階段性強烈隆升的作用，形成了地應力高、活動斷裂規(guī)模大和地震活動頻繁的地質(zhì)環(huán)境。區(qū)內(nèi)構造以近南北向的印支期褶皺和斷裂為主，并疊加了北西向和北東向兩組喜山期褶皺和斷裂，總體呈現(xiàn)斷塊構造格局，它們大多經(jīng)歷了復雜的演化過程，表現(xiàn)出繼承性和新生性[1-4]。地質(zhì)構造和新近的地殼運動制約著巖溶的發(fā)育和分布，影響著巖溶水的賦存條件和富集規(guī)模。

2.3 表生地質(zhì)作用

氣候和水是影響巖溶發(fā)育的最主要的表生地質(zhì)作用。新近紀以來，由于青藏高原的強烈抬升，區(qū)內(nèi)的自然環(huán)境發(fā)生了很大變化，氣候的變化制約著巖溶發(fā)育。根據(jù)盧耀如(1986)、王富葆(1991)、袁道先(1992)研究[5-7]，從中新世初期到更新世初期，區(qū)內(nèi)氣候溫暖濕潤，巖溶作用最為強烈，現(xiàn)在見到的巖溶形態(tài)多形成于這個時期。中、晚更新世，區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了4次冰期[8-9]，干燥寒冷的氣候，抑制了巖溶的發(fā)育。全新世以來，區(qū)內(nèi)氣候趨于穩(wěn)定，處于中亞熱帶濕潤區(qū)，屬于冬干夏濕的高原季風氣候[4]。多年平均降雨量620～960 mm，年平均氣溫5.5～12.7 ℃，干燥度1.0～1.5。降水及氣溫條件保證了溶蝕作用的繼續(xù)進行。

水對碳酸巖的溶蝕作用，主要是通過CO2的侵蝕性進行的。區(qū)內(nèi)地表水及地下水的水質(zhì)類型主要為HCO3-—Ca2+·Mg2+、HCO3-—Na+Ca2+型及HCO3-—Ca2+型。礦化度一般都低于400 mg/L，游離CO2平均含量為15.2 mg/L，表明地表水及地下水具有較大容積能力。此外，區(qū)內(nèi)地形高差較大，形成活躍的水動力條件，增加了水與碳酸鹽交換速度，促進了巖溶化的作用過程。

3 巖溶地貌類型

滇西北地區(qū)位于青藏高原東南緣，橫斷山脈中段。區(qū)內(nèi)新構造運動強烈、地質(zhì)構造錯綜發(fā)育，地形起伏大，巖性復雜。深切斷裂往往是大江、大河的通道、構造的交錯發(fā)育為斷陷盆地的形成提供了良好的基礎[10-11]，形成了斷陷盆地與高原峽谷交錯分布的巖溶地貌格局。如圖1所示，測區(qū)內(nèi)的區(qū)域性大斷裂多呈近南北向、北東向分布，沿著這些斷裂分布一系列的斷陷盆地和高原峽谷，斷陷盆地主要有鶴慶盆地、拉市海盆地、麗江盆地、中甸盆地，高原峽谷主要有金沙江峽谷、沖江河峽谷。斷陷盆地多分布在2 700～3 000 m的高原面以下，為巖溶水局部侵蝕基準面，盆地以下是深邃的峽谷，為區(qū)內(nèi)巖溶水的最終侵蝕基準面。

圖1 區(qū)域構造地質(zhì)圖

4 巖溶發(fā)育特征

4.1 斷陷盆地

(1)盆地內(nèi)部為相對沉降區(qū)，前期發(fā)育的巖溶被巨厚的第四系沉積物覆蓋，構成覆蓋性巖溶。覆蓋層具有較好的隔水作用，地下水向深部運動速度減慢，流量減少，巖溶發(fā)育相對較弱，多處于停滯狀態(tài)。盆地邊緣區(qū)，周邊山地的地表水和地下水在邊緣區(qū)匯流，水循環(huán)交替活躍，巖溶、土洞較為發(fā)育。地表多被坡洪積層覆蓋，厚度一般5～20 m，局部可達50 m。覆蓋層下埋藏有石牙、溶溝、溶槽，基巖面起伏較大，其下發(fā)育溶隙、溶洞等巖溶形態(tài)，巖溶發(fā)育程度由上向下逐漸減弱。此外，在盆地下游邊界，多有落水洞分布，暗河管道發(fā)育，是地表水和地下水向更低的盆地或河谷排泄的通道。

(2)山嶺為相對隆升段，構成裸露型巖溶，山嶺由分水嶺區(qū)和斜坡區(qū)組成。分水嶺區(qū)多為區(qū)內(nèi)的夷平面，隨著盆地區(qū)的下降，巖溶水為適應侵蝕基準面產(chǎn)生劇烈的下切作用，垂直巖溶系統(tǒng)十分發(fā)育，地表多見洼地、漏斗、落水洞等巖溶形態(tài)；斜坡區(qū)地表巖溶多裸露，低洼處被坡殘積層覆蓋，厚度較薄，一般0～5 m，地表巖溶發(fā)育明顯弱于分水嶺區(qū)，偶見溶槽、漏斗、落水洞等巖溶形態(tài)。但斜坡區(qū)是地下水向盆地內(nèi)徑流的過路區(qū)，內(nèi)部管道巖溶系統(tǒng)十分發(fā)育。

(3)盆地匯水邊界內(nèi)的山嶺區(qū)地表巖溶發(fā)育，大氣降水及雪山融水向巖溶槽谷、洼地處匯集灌入落水洞，經(jīng)深部巖溶管道系統(tǒng)向盆地內(nèi)徑流，在盆地的邊緣以巖溶大泉、暗河的形式出露，在盆地內(nèi)形成地上河或湖泊，水文流量隨季節(jié)波動較大。盆地的周邊斷層十分發(fā)育，交錯分布，巖溶多沿斷層及其伴生的裂隙發(fā)育，成為巖溶水主要的運移的管道。

4.2 高原峽谷

(1)高原面巖溶較發(fā)育。由于青藏高原間歇性隆升，在金沙江中游的中甸、麗江一帶形成了三級夷平面[12-13]。高程分別是3 700～4 200 m、2 700～3 000 m、2 000～2 400 m，大都構成分水嶺，在后兩級面上，巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶蝕盆地、洼地、槽谷及漏斗、落水洞、伏流、暗河等為主。

(2)岸坡區(qū)不同部位巖溶發(fā)育表現(xiàn)出差異性，岸坡的下部至坡腳地帶靠近區(qū)域的侵蝕基準面，為巖溶水排泄區(qū)，水動力作用強烈，巖溶非常發(fā)育。岸坡的中部至坡頂?shù)貛В貏荻妇?，匯水條件差，大氣降水主要以地表水形式快速向河谷排泄，地下水以滲流、淋濾為主，巖溶發(fā)育較弱，主要的巖溶形態(tài)為沿垂直發(fā)育的溶隙、溶蝕破碎帶及少量溶洞，巖溶形態(tài)連通性較差。

(3)高原面是巖溶水的主要補給區(qū)，溶蝕盆地、洼地及槽谷內(nèi)的地下水和地表水通過落水洞等以最短的途徑向深切的金沙江及其支流排泄，雖然受到裂隙、斷層等構造因素的影響，巖溶管道的發(fā)育曲折多變，但巖溶水的總運動趨勢是指向河谷的。在高原面最靠近深切河谷的漏斗、洼地等垂直巖溶形態(tài)與排泄點之間的陡坡地帶巖溶水發(fā)育較弱，工程中稱之為巖溶水安全帶[13-16]。

(4)高原峽谷區(qū)構造運動強烈，斷層交錯發(fā)育，加之玄武巖的多期噴發(fā)，使同一時代的可溶巖與非可溶巖錯落分布于不同的高程上，形成相對獨立的水文單元。巖溶的發(fā)育主要受可溶巖與非可溶巖接觸帶及斷層帶控制，形成滯水型儲水構造。

5 巖溶對隧道工程的影響分析

5.1 文筆山1、2號隧道

隧道位于麗江盆地南部山嶺區(qū)，地層巖性為三疊系中統(tǒng)北衙組中下段的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，下第三系麗江組白云質(zhì)鈣質(zhì)角礫巖。如圖2所示，分水嶺在磨巖山—五臺山—立子課—吉羅—文筆山—馬鞍山一線，海拔在2 600～3 200 m，地表洼地、落水洞、漏斗發(fā)育，每平方千米2～10個，多有殘坡積物堆積，表層被莊稼或雜草覆蓋，巖溶中等至強烈發(fā)育。隧道位于斜坡地帶，地表偶見溶槽、漏斗、落水洞等巖溶形態(tài)，鉆探揭示，洞身巖溶中等發(fā)育，以溶蝕裂隙、溶腔、溶洞等巖溶形態(tài)為主，巖溶率4.07%～11.96%。隧道區(qū)斷層發(fā)育，構造破碎與溶蝕破碎疊加，圍巖呈石夾土狀，穩(wěn)定性差，以Ⅴ級為主。

圖2 文筆山1、2號隧道水文地質(zhì)圖

隧道位于巖溶水徑流區(qū)，文筆海為侵蝕基準面，高程約為2 382 m，隧底高程為2 410～2 475 m，隧道處于季節(jié)變動帶，巖溶水較發(fā)育，根據(jù)水文調(diào)查，區(qū)內(nèi)的巖溶水主要沿麗江—劍川斷裂及文筆山1號斷層、2號層向文筆海排泄，泉點出露高程在2 400 m左右。此外，由于橫向溝谷的切割，在文峰寺附近有一泉群出露，高程為2 729 m，高于隧道高程。在斷層帶附近巖溶可能強烈發(fā)育，隧道施工可能遇暗河、溶洞等巖溶形態(tài)，存在涌水突泥、坍方等風險?，F(xiàn)場施工開挖也證明了這一點，在文筆峰2號斷層附近，巖溶強烈發(fā)育，出現(xiàn)了涌水突泥，最大涌水量達140 L/s，導致坍方冒頂，施工單位處理了約5個月才通過該段。

5.2 蒙古哨、七達里隧道

隧道位于金沙江峽谷岸坡地帶，地層巖性為三疊系中統(tǒng)北衙組(T2b)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r。如圖3所示，高原面在崩多落—空古都巖溶槽谷及文海洼地，海拔在3 080～3 780 m，巖溶強烈發(fā)育，分布有大規(guī)模洼地、落水洞。隧道位于岸坡地帶，地形陡峻，地表多見溶溝、溶槽等巖溶形態(tài)，鉆探揭示，洞身巖溶弱發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶蝕破碎帶、裂隙及小型溶洞為主，但受龍蟠～齊后斷裂影響，巖體裂隙較發(fā)育，隧道圍巖均勻性較差，時好時壞，以Ⅲ～Ⅳ級為主。

由于T1l砂泥巖和Pβ玄武巖地層作為隔水層的存在，阻擋了高原面上的地下水及地表水直接向西排泄進入金沙江，而是通過崩多落斷層和車門舉斷層形成暗河管道，流入拉市海，再通過拉市海西測的指云寺暗河在鴻文村和上元村出露，排入金沙江，高程分別為1 869、1 893 m。僅少量地下水沿蒙古哨斷層、七達里斷層直接流向金沙江峽谷，在齊平山及三家村山腰出露，高程分別為2 038、1 951 m。隧底高程為2 240～2 490 m，隧道處于垂直滲流帶，因地形坡度大，地表無大面積洼地、漏斗等分布，大氣降雨所補給的地下水量較少，巖溶水弱發(fā)育。僅在斷層帶及灰?guī)r與砂泥巖接觸帶附近有少量巖溶水發(fā)育。目前兩座隧道已經(jīng)施工完成了約2/3，僅在七達里斷層、蒙古哨斷層附近揭露有少量巖溶水，流量一般在5～20 L/s，其余段落干燥無水。與勘察資料基本吻合。

圖3 蒙古哨、七達里隧道水文地質(zhì)圖

5.3 萬拉木隧道

圖4 萬拉木隧道水文地質(zhì)圖

隧道位于沖江河峽谷區(qū)高原面邊緣地帶，地層巖性為三疊系下統(tǒng)布倫組(T1b)砂泥質(zhì)板巖夾灰?guī)r，中統(tǒng)潔地組(T2jd)的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，中統(tǒng)下段(T2a)的板巖夾灰?guī)r，泥盆系(D2-3)的板巖夾巖，如圖4所示，地層呈北西向條帶狀分布，與隧道走向大體一致。潔地組(T2jd)的灰?guī)r，巖溶強烈發(fā)育，地表分布著宜米洛、萬拉木、海典3個大型巖溶洼地。其中萬拉木洼地規(guī)模最大，南北長約2 km，東西寬0.5～0.8 km，地形高差150～170 m。洼地內(nèi)巖溶漏斗、漏水洞隨處可見。根據(jù)鉆探揭示，隧道洞身位于布倫組(T1b)的砂泥質(zhì)板巖夾灰?guī)r中，灰?guī)r厚度一般為5～10 m，巖溶發(fā)育微弱。隧道圍巖受沖江河斷裂影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，以Ⅴ級為主。

布倫組(T1b)與潔地組(T2jd)地層在空間上呈小型的向斜分布，形成滯水型儲水構造。大氣降水在洼地內(nèi)匯集，通過落水洞灌入地下匯水盆地。沖江河是區(qū)內(nèi)地下水排泄基準面，由于砂泥質(zhì)板巖的隔水作用，地下水在洼地的邊緣及狼裁山斷層附近以上升泉出露，高程一般在2 766～3 127 m，區(qū)內(nèi)泉點較少且流量為0.1～2 L/s，但局部具承壓性，鉆探揭示，承壓水頭高程在3 148～3 177 m。隧底高程為2 867～2 983 m，洞身地下水較發(fā)育，隧道開挖以股狀、線狀基巖裂隙水為主，但在斷層帶及灰?guī)r與板巖接觸帶附近存在出現(xiàn)高壓突水突泥的風險。此隧道施工進度較慢，目前開挖未揭示斷層帶及灰?guī)r與板巖接觸帶，砂泥質(zhì)板巖內(nèi)的基巖裂隙水較發(fā)育，流量一般在5～10 L/s。地下水的發(fā)育情況還有待于進一步驗證。

6 結論

(1)麗香鐵路所處的滇西北地區(qū)，由于地殼的大面積隆升、斷裂作用和強烈的流水侵蝕、溶蝕，形成了斷陷盆地與高原峽谷交錯分布的巖溶地貌格局。

(2)斷陷盆地內(nèi)部覆蓋層較厚，巖溶發(fā)育較弱，盆地的邊緣及山嶺區(qū)域，巖溶及土洞較發(fā)育，巖溶水以盆地為侵蝕基準面，通過斷層帶及可溶巖與非可溶巖接觸帶向盆地內(nèi)徑流排泄?；疖囌疽话悴贾迷诠I(yè)及人口密集的盆地內(nèi)部，盆地邊緣的隧道線路高程受選線控制，隧道工程多處于巖溶水平循環(huán)帶及季節(jié)變動帶，施工開挖存在較高的安全風險和地質(zhì)環(huán)境風險。

(3)在高原峽谷區(qū)，從峽谷到高原面巖溶的發(fā)育程度表現(xiàn)出兩端強中間弱特點，巖溶水以河谷為侵蝕基準面，由高原面向峽谷內(nèi)徑流、富集，巖溶管道雖然受斷層帶及隔水層控制，但巖溶水的總運動趨勢是指向河谷的。高原面與峽谷之間形成的巖溶水安全帶，是隧道工程的最佳通過區(qū)。

(4)測區(qū)構造運動強烈，斷層交錯發(fā)育，加之玄武巖的多期噴發(fā)，易形成滯水型儲水構造，分布高程差異大，無明顯規(guī)律，在隧道工程中易引起突發(fā)水害，應引起高度重視。

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