云南柴石灘水庫灌區(qū)工程隧洞施工巖溶暗河探測

周延國 萬偉鋒 王耀軍

摘要：云南柴石灘水庫灌區(qū)工程隧洞施工開挖過程中揭露一超大溶洞，給隧洞施工帶來了較大安全隱患及投資風險。分析了隧洞區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，基本查明了隧洞周邊及洞內(nèi)的巖溶暗河地質(zhì)發(fā)育特征。采取了三維激光掃描儀測量巖溶空腔地形、地質(zhì)雷達探測夾層巖體可靠性的聯(lián)合探測方法，獲取了巖溶暗河的三維結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特征。有針對性地提出了洞軸線向右偏移的處理對策。處理方案實施后，隧洞開挖順利、安全地穿越了巖溶暗河。

關(guān)鍵詞：隧洞開挖;巖溶暗河探測;巖溶空腔;三維激光掃描儀;雷達探測;云南柴石灘水庫

中圖法分類號：TV554文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.007

文章編號：1006 - 0081（2021）03 - 0042 - 07

1 研究背景

巖溶地質(zhì)問題是工程建設(shè)中的重要地質(zhì)難題。在隧洞工程建設(shè)中，隧洞穿過可溶性巖層時，溶洞位于隧道底部，隧道基底處理難度大;溶洞位于隧道頂拱，容易發(fā)生坍塌，巖溶洞穴的存在給隧道開挖和運營的安全造成了嚴重威脅[1]。

在云南省柴石灘水庫灌區(qū)工程隧洞施工開挖過程中，于樁號Z1+099.09向上游方向揭露超大溶洞暗河，給隧洞施工帶來了極大安全隱患，需盡快制定安全可靠的穿越溶洞施工方案，否則，將導致施工工期延長，工程投資增加。快速、準確地探測隧洞巖溶暗河的位置、空間分布形態(tài)，可為工程實施方案的制定提供可靠的地質(zhì)信息，并為施工和運行期的安全提供有力保障。

2 隧洞區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1地形地貌

隧洞區(qū)內(nèi)地貌類型主要為深切河谷地貌及侵蝕溶蝕低中山緩丘地貌。南盤江在區(qū)內(nèi)為橫向河谷，河流由東流向西，河谷多呈U形。在高程1 750～1 900 m間古夷平面明顯，漏斗、溶蝕洼地較發(fā)育，南盤江從該夷平面下切達200余米，形成高原深谷。

2.2地層巖性

隧洞沿線出露地層為元古界震旦系、下古生界寒武系下統(tǒng)。

（1）元古界震旦系（Z）。①震旦系南沱組（Zbn），巖性為紫色冰磧礫巖夾砂巖，厚約35 m，該層主要分布于隧洞進口。②震旦系陡山沱組（Zbd），頂部為約1m厚的細礫巖，中部為厚層狀粗粒石英砂巖，下部為厚層細粒石英砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，巖性堅硬，層厚約25 m。與上部燈影組第一層為假整合接觸。該層主要分布于隧洞前段。③燈影組（Zbdn），淺灰、灰白色厚層、塊狀白云巖、灰質(zhì)白云巖為主夾硅質(zhì)條帶，總厚393.5 m，該層分布于隧洞中、前段。

（2）下古生界寒武系下統(tǒng)（∈1）。①漁戶村組（∈1y），總厚約142 m，下段（∈1ya）以灰綠、紫紅色粉砂巖、頁巖為主，厚約110 m;上段（∈1yb）以含磷硅質(zhì)白云巖及泥質(zhì)灰?guī)r為主，厚約30 m。該組分布于隧洞中段。②筇竹寺組（∈1q），灰黑色、灰綠色頁巖夾薄層粉砂巖，具球狀風化特點，厚約272 m，巖性及厚度穩(wěn)定，出露在大龍兌村附近隧洞后段[2]。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧洞區(qū)內(nèi)受嵐光山向斜與牛頭山復背斜控制，構(gòu)造線與區(qū)域NNE向構(gòu)造體系一致，呈向NW傾斜的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)出露斷層多沿NNE向延伸，巖層總體傾向W～NW，傾角一般為15°～40°，局部可達50°。其中，F(xiàn)3斷層出露于大柴石灘村西側(cè)，走向NE10°～30°，傾向280°～300°，傾角44°～68°，具壓扭性，斷層破碎帶寬5～15 m，斷層帶物質(zhì)為角礫、糜棱巖、斷層泥，局部石墨化，延伸長度大于2 km，為區(qū)域性逆斷層。Zbdn逆沖于∈1地層之上?？偢汕?號隧洞中段穿越該斷層。隧洞區(qū)的平面及剖面地質(zhì)圖見圖1、圖2。

2.4 巖溶水文地質(zhì)條件

從區(qū)域新構(gòu)造背景條件分析，隧洞沿線屬新構(gòu)造運動相對穩(wěn)定區(qū)域，除發(fā)育洼地、落水洞等垂向形態(tài)溶蝕現(xiàn)象外，尚有水平狀溶洞等溶蝕現(xiàn)象發(fā)育。區(qū)內(nèi)山頂?shù)乇矶嘁娪型莸亍⒙渌窗l(fā)育，地表水系罕見，大部分降雨滲入地下。南盤江岸坡地層中發(fā)育2層水平向溶洞，下層靠近河床，高程在1 550 m附近，距河床高度小于5 m;上層發(fā)育高程一般在1 600 m左右，距河床高度約50～70 m。巖體中存在地下水集中徑流的巖溶管道，地下水多沿巖溶管道以大泉的形式向南盤江河谷排泄。

3 隧洞區(qū)巖溶暗河地質(zhì)調(diào)查分析

3.1 隧洞周邊地區(qū)巖溶暗河調(diào)查

通過地質(zhì)調(diào)查，隧洞沿線穿越兩條巖溶暗河系統(tǒng)，分別命名為①號暗河（“落水洞”暗河）系統(tǒng)和②號暗河（“雙龍洞”暗河）系統(tǒng)。兩條暗河呈近平行分布，走向北東，和巖層走向和區(qū)域構(gòu)造線走向基本一致，暗河均沿震旦系燈影組白云巖分布（與九鄉(xiāng)溶洞為同一套地層）。兩條暗河的進出口較為明確，上游分別對應有地表水流和落水洞，下游分別對應南盤江左岸的兩處泉水，見圖1。其中，①號暗河為Z1+099.09 m樁號處發(fā)育發(fā)現(xiàn)的溶洞和暗河;②號暗河推測發(fā)育在Z1+575 m樁號附近，施工過程中發(fā)現(xiàn)有溶塌和小落洞。

3.2 隧洞洞內(nèi)巖溶暗河調(diào)查

隧洞開挖揭露的地層巖性主要為震旦系燈影組（Zbdn）中厚層狀砂質(zhì)白云巖、局部夾薄層狀泥質(zhì)白云巖。巖層整體產(chǎn)狀傾向W～NW、傾角25°～38°，傾向出口方向。

整體來看，該溶洞在垂向上基本以隧洞底板高程1 605 m為界，將該溶洞分為上下兩層。上層溶洞沿隧洞軸線方向洞深約40 m，高度約30 m，分布高程在1 605 ～1 635 m。上層溶洞以洞軸線為界，左右兩側(cè)（面向進口方向）巖溶現(xiàn)象存在一定差異，洞軸線及其左側(cè)溶蝕塌落強于洞軸線右側(cè)，左側(cè)溶洞寬且高，最高距上層底板約30 m，寬敞似大廳，并發(fā)育天生橋、石柱及石幔等，滴水點較多并見有線狀流水，溶塌堆積體較厚。洞軸線右側(cè)逐漸變窄，呈長廊狀，基本為干洞，僅在洞頂有潮濕及少量滴水，頂部發(fā)育石鐘乳，規(guī)模較小，長度一般在5～30 cm，底板見有石芽，生長規(guī)模也較小，上層溶洞底板堆積溶塌塊石及淤積粉細砂等，見圖3。

下層溶洞沿隧洞軸線方向洞深約30 m，高約20 m，垂直于洞軸線方向最寬約80 m，下層溶洞分布高程1 585～ 1605 m。該溶洞在洞軸線左側(cè)現(xiàn)有天窗，中下部堆積了約厚10 m的溶塌塊石，底部有水平支叉溶洞與地下暗河相連。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查分析，地下暗河在該塌腔溶洞附近截彎取直，地下暗河整體上形成了上窄底寬的倒V形地下河谷，但在局部地段呈低矮的管道形河道，暗河兩側(cè)陡壁較多，石柱、石幔較發(fā)育，河底卵石較多，暗河水流量30～40 L/s，見圖4。

3.3 隧道巖溶區(qū)地質(zhì)風險分析

（1）巖溶洞穴的存在使隧道全部或部分懸空，將極大降低隧道的使用安全可靠度[3]。

（2）巖溶水等可溶性物質(zhì)含量增高時，水的流通將給隧道結(jié)構(gòu)帶來侵蝕作用，影響隧道使用壽命。

（3）巖溶洞穴堆積物因松軟易坍塌下沉，改變洞穴周邊的應力分布形態(tài)，影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4巖溶暗河發(fā)育形態(tài)探測

4.1 探測技術(shù)選擇

根據(jù)巖溶地質(zhì)調(diào)查分析，溶洞暗河在總干渠1號隧洞的分布具有成層性，整體來看可分為2層，上層溶洞底板堆積了溶塌塊石及粉細砂，下層溶洞空腔最高達20 m，底部為溶塌塊石堆積體，其厚度不小于5 m。原設(shè)計隧洞洞線需要穿越上層溶洞塊度大于1 m的松散堆積區(qū)，施工處理難度較大。同時，上下兩層溶洞之間的隔層巖體厚度小于4 m，局部厚度為0 m，底板巖體不可靠，存在較大的安全隱患。所以，穿越松散巖體堆積區(qū)和下部溶塌空腔區(qū)的疊加區(qū)域需采取穩(wěn)妥的工程處理方案。工程處理方案設(shè)計的前提是需要勘測查明原設(shè)計隧洞軸線，以及軸線左右兩側(cè)一定范圍上下兩層溶洞空腔的空間形態(tài)，同時也要勘測查明兩層溶洞之間隔層巖體中是否存在空腔，并評價巖體的可靠性。

由于溶洞內(nèi)溶塌堆石較多、且凌亂，地形起伏變化大，勘察工作條件受限，采用常規(guī)的方法測量溶洞空腔的空間位置，測量難度較大且存在較大的安全隱患。采用三維激光掃描儀，可使巖溶空腔的測量工作大大簡化，快速且安全性高，同時，三維激光掃描儀可對已經(jīng)呈現(xiàn)出來可視的上下兩層溶洞給出三維空間分布形態(tài)，有利于設(shè)計施工方案的制定[4-5]。

地質(zhì)雷達可以探測出10～20 m厚度巖體中未知的、不可視的巖溶空腔以及堆積體的厚度，可對底板巖體可靠性進行地質(zhì)評價，隔層巖體的探測可采用地質(zhì)雷達技術(shù)。

4.2地質(zhì)雷達探測

沿隧洞左右壁、底板、頂拱共布置5條地質(zhì)雷達測線，在溶洞右側(cè)（面向進口方向）布置5條，物探各測線的探測成果表見表1。

4.3 三維激光掃描

通過三維激光掃描儀對溶洞進行了空間測量，準確、快速獲取溶洞的三維結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特征，并構(gòu)建成圖5溶洞三維模型。三維模型灰色的部分為溶洞空腔，從左視圖可清晰看出溶洞大致分為上、下兩層，而1號隧洞正好從這兩部分中間穿過。從右視圖可看出上下兩部分空間整體形狀如兩個頂角相對的三角形，中間空間小，往右上、左下空間體積逐漸變大，也就是空腔變大。從整體的空間布局看，1號隧洞左邊及下方空腔較大，左邊空腔距隧洞中軸線的距離有十余米，下方空腔距隧道底板僅有3～4 m。圖中“通道”位置表示通過該處可以繼續(xù)向前行走[6]。

（1）上層巖溶空腔的三維模型（圖6）。上層巖溶空腔的左前方為一個21m×28m×32m的大空腔，與大空腔連接的有洞口2和洞口3，洞口2為一個傾斜向下的斜坡，人攜帶安全設(shè)施可下至暗河底部，該處與洞口1下面的空腔相連接;洞口3位于上部空腔，洞長1m左右。上層巖溶空腔的前方及右側(cè)為一順巖層面發(fā)育的較窄空腔，坡度近30°向上發(fā)展，上部變窄，溶腔高不足1 m，溶洞右側(cè)為上層溶洞底板，底部分布有沖積砂土，兩側(cè)分布溶塌塊石，溶洞右側(cè)結(jié)構(gòu)整體來說較為簡單。上層發(fā)育的洞口1和洞口2兩處天窗與下層巖溶空腔相連，溶洞與隧洞的交匯部位堆積有溶塌碎塊石，塊度0.5～3.0 m。

（2）下層巖溶空腔的三維模型（圖7）。下層空腔位于隧道的正下方，垂直于洞軸線方向最長約87 m，沿洞軸線方向最長28 m，空腔最大高度約17 m，該空間高程從隧道與溶洞的交界處開始向隧道掘進方向逐漸降低?？涨粌?nèi)大塊碎石分布較廣，其分布如圖7所示;洞1、2、3分別為可延伸區(qū)域，其中沿洞2、洞3向右及向左行走均可見暗河。

4.4 勘測成果分析

以三維激光掃描圖為基礎(chǔ)，分別繪制洞軸線、洞軸線右側(cè)5 m、20 m、25 m典型斷面圖，然后疊加地質(zhì)雷達探測成果，典型剖面見圖8～11。根據(jù)典型剖面圖得到如下結(jié)論。

（1）樁號Z1+106.09～Z1+099.09段隧洞已經(jīng)開挖完成，根據(jù)地質(zhì)雷達及三維激光掃描成果分析，隧洞下部存在一空腔區(qū)，隧洞底板與下部空腔底板之間巖體的厚度為4～5 m。

（2）樁號Z1+099.09～Z1+084.09段上層溶洞為松散堆積區(qū)，同時，隧洞底板與下層溶洞空腔區(qū)之間巖體的厚度較薄，小于4 m，局部巖體厚度為0，形成一天窗。

（3）樁號Z1+084.09后續(xù)段雖然洞底也存在空腔區(qū)，但隧洞底板與空腔頂板之間的巖體厚度大于7 m。樁號Z1+079.09前方巖體相對較完整。

（4）隧洞右側(cè)的巖溶發(fā)育程度弱于其左側(cè)，尤其是右側(cè)距現(xiàn)洞軸線20～25 m范圍下部溶塌空腔發(fā)育程度明顯弱于洞軸線及其左側(cè)，建議洞軸線向右側(cè)偏移的方案。

5 工程處理對策

根據(jù)探測成果，采取了調(diào)線穿越方案，隧洞軸線向右側(cè)（面向隧洞進口方向）偏移23 m，基本避開空腔。調(diào)線后，隧洞軸線長度比原線路增加7.91 m。調(diào)線后平面見圖12。

通過開挖，揭露地質(zhì)條件與探測分析結(jié)果基本一致，頂拱部分較薄巖體存在塌落風險，經(jīng)管棚加強支護已安全通過。底板雖然也存在小型溶洞，但通過回填和加厚二次襯砌厚度，對工程安全基本無影響，目前，工程已順利穿越巖溶暗河空腔區(qū)。

6 結(jié) 語

云南柴石灘水庫灌區(qū)工程隧洞開挖揭露了規(guī)模較大的巖溶空腔、暗河，通過分析隧洞區(qū)工程及水文地質(zhì)條件，調(diào)查了隧洞周邊及洞內(nèi)的巖溶暗河地質(zhì)發(fā)育特征。采用三維激光掃描儀與地質(zhì)雷達對巖溶暗河進行聯(lián)合探測，基本查明了巖溶空腔、暗河的空間形態(tài)及隔層巖體的地質(zhì)特征，為處理方案的設(shè)計提供了可靠的地質(zhì)信息，并有針對性地提出了洞線向右偏移的處理對策。調(diào)線方案開挖實施后，揭露的地質(zhì)情況與聯(lián)合探測成果基本一致，隧洞開挖安全、順利地通過了巖溶暗河區(qū)。該聯(lián)合探測方法具有較好安全性、經(jīng)濟性、便捷性和有效性，可在類似工程中推廣應用。

參考文獻：

[1]王劍. 隧道巖溶地質(zhì)的處理與施工技術(shù)的研究進展[J]. 科學技術(shù)創(chuàng)新，2018（15）：142-143.

[2] 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司. 云南省昆明市柴石灘水庫灌區(qū)工程初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告[R]. 鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，2015.

[3] 馬先超. 巖溶地段隧道處理措施探討[J]. 湖南交通科技，2009，35（1）：122-124.

[4] 曹飛. 三維激光掃描測量技術(shù)及其應用[J]. 內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2017（13）：35-67.

[5] 王莫. 三維激光掃描技術(shù)在故宮古建筑測繪中的應用研究[J]. 故宮博物院院刊，2011（6）：143-156.

[6] 呂寶雄，巨天力. 三維激光掃描技術(shù)在水電大比例尺地形測量中的應用研究[J]. 西北水電，2011（1）：14-16.

（編輯：李 慧）