復(fù)雜巖溶區(qū)深埋長隧洞選線研究

陳 長 生，李 銀 泉，史 存 鵬，張 海 平

(1.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢 430074； 2.長江設(shè)計集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010； 3.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，不同用途的隧洞建設(shè)工程越來越多，規(guī)模越來越大。水利水電建設(shè)中的長距離引調(diào)水工程越來越多，如滇中引水工程、引大入秦工程、引黃入晉工程、新疆ABH隧洞等引調(diào)水工程，“長、大、深”的水工隧洞呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展趨勢[1-2]。中國是一個巖溶廣泛分布的國家，巖溶發(fā)育面積占國土面積的l/3以上，特別是西南巖溶地區(qū)巖溶分布總面積達(dá)到約50萬km2，是世界上分布面積最大的連片巖溶地區(qū)。如云南省等地，巖溶類型齊全，裸露型、埋藏型、覆蓋性發(fā)育完整；地表與地下巖溶發(fā)育程度普遍較高，巖溶介質(zhì)種類豐富，暗河、管道、溶隙、巖溶洼地、漏斗常見；地下水補(bǔ)給、徑流、排泄迅速，地表水系與地下暗河管道系統(tǒng)交替轉(zhuǎn)換。這些因素導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜。隧洞施工，特別是巖溶地區(qū)的深埋長隧洞施工極易發(fā)生涌水、突泥事故，危及施工人員生命安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。隧洞長期排水還會造成地下水水位下降或疏干，引發(fā)地表水干枯或斷流、水源枯竭、生態(tài)退化等不同程度的環(huán)境災(zāi)害[3-4]。研究巖溶及巖溶水發(fā)育規(guī)律，使隧洞從巖溶突水、突泥風(fēng)險較小的地帶通過，是巖溶隧洞選線的基本出發(fā)點(diǎn)，也是減輕或避免上述危害的重要戰(zhàn)略性問題。與非碳酸鹽巖相比，碳酸鹽巖也有其優(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，工程地質(zhì)條件好[5]。

因此，線路選擇是一個權(quán)衡利弊的過程。在巖溶問題無法規(guī)避的情況下，應(yīng)以充分利用其工程地質(zhì)條件和最大程度減輕巖溶涌突水問題及地下水環(huán)境影響問題為出發(fā)點(diǎn)，研究巖溶水系統(tǒng)、巖溶垂直分帶、巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)等發(fā)育規(guī)律。運(yùn)用多年工程實踐總結(jié)出的平面上避開巖溶極發(fā)育區(qū)、高程上線路應(yīng)從巖溶發(fā)育相對微弱帶通過等巖溶隧洞選線基本原則，結(jié)合工程實際優(yōu)選出巖溶涌突水及地下水環(huán)境影響風(fēng)險較小的隧洞線路。

1 工程背景

云南省滇中地區(qū)包括昆明、玉溪、楚雄、曲靖、大理、紅河以及麗江50個縣(市、區(qū))，國土面積9.63萬km2。該地區(qū)是長江流域三大干旱區(qū)之一，資源性缺水與工程性缺水并存，制約著滇中地區(qū)乃至云南省經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。滇中引水工程是解決滇中水資源短缺問題的特大型跨流域引(調(diào))水工程，由石鼓水源工程和輸水總干渠兩部分組成。

本文所涉及的香爐山隧洞為輸水總干渠首個建筑物，是滇中引水工程全線最具代表性的深埋長隧洞，也是滇中引水工程的控制性工程。隧洞起點(diǎn)接石鼓水源提水泵站出水池連接隧洞，出口位于松桂西側(cè)情人谷，斜穿馬耳山脈。線路比選區(qū)域地處橫斷山脈北部高山峽谷區(qū)與滇中高原盆地山原區(qū)交接部位，跨越金沙江與瀾滄江兩大流域分水嶺，橫穿松潘甘孜褶皺系與揚(yáng)子準(zhǔn)地臺兩個大地構(gòu)造一級單元。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖分布廣泛，斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動活躍，地貌演變過程與巖溶水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜，涉及多個巖溶水系統(tǒng)及向斜、斷裂破碎帶等構(gòu)成的構(gòu)造儲水單元。東西兩側(cè)盆地邊緣出露的大量巖溶泉，是盆地眾多居民生產(chǎn)生活的主要水源，水生態(tài)環(huán)境脆弱。隧洞施工過程中不僅可能遭遇涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，影響施工安全和工程進(jìn)度，同時也可能引起局部地段地表、地下水的疏干，造成較大環(huán)境影響，進(jìn)而影響該區(qū)社會和諧與穩(wěn)定。因此如何規(guī)避馬耳山東、西麓巖溶地下水疏干問題，最大限度降低對環(huán)境的影響是線路比選不可回避的問題，具有重要的工程價值和社會意義。

2 地質(zhì)條件及線路比選的主要控制因素

2.1 地質(zhì)條件

線路比選區(qū)穿越的馬耳山脈山嶺渾厚，東西寬18～25 km，南北長約90 km，地勢陡峻，地形較連續(xù)，總體北高南低，山嶺槽谷相間。山頂高程一般2 760～3 500 m，分布兩個大的斷層：槽谷-白漢場槽谷(高程2 280～2 400 m)和汝南河槽谷(高程2 480～2 550 m)，呈北北東-北東向展布。山脈東側(cè)為鶴慶盆地，西側(cè)為劍川盆地，高程為2 220 m左右。

比選區(qū)地層巖性主要為泥盆系下統(tǒng)冉家灣組(D1r)絹云微晶片巖，中統(tǒng)窮錯組(D2q)片巖與灰?guī)r互層，蒼納組(D2c)灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖，二疊系玄武巖組(Pβ)玄武巖夾凝灰?guī)r，黑泥哨組(P2h)砂巖、頁巖夾灰?guī)r及煤線，三疊系中統(tǒng)(T2a、T2b)灰?guī)r、片巖、板巖，北衙組(T2b)灰?guī)r、白云巖，三疊系上統(tǒng)(T3？)砂泥巖，中窩組(T3z)灰?guī)r，松桂組(T3sn)砂泥巖、頁巖、燕山期不連續(xù)分布的侵入巖、第三系(E+N)及第四系(Q)等地層。

比選區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景十分復(fù)雜，區(qū)內(nèi)斷裂、褶皺發(fā)育，以北東、北北東向構(gòu)造帶和北西向構(gòu)造帶為主體，在鶴慶西山一帶出現(xiàn)了與近東西向構(gòu)造體系的復(fù)合。區(qū)域性斷裂有大栗樹斷裂、龍蟠-喬后斷裂、麗江-劍川斷裂、鶴慶-洱源斷裂、金沙江斷裂組、紅河斷裂。

2.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

比選區(qū)地表碳酸鹽分布較廣，強(qiáng)烈?guī)r溶化地層主要為三疊系北衙組上段(T2b2)及下段上部(T2b1-2)灰?guī)r；中等巖溶化地層主要為三疊系上統(tǒng)中窩組(T3z)泥質(zhì)灰?guī)r夾砂泥巖地層、中統(tǒng)上部(T2b，分布于龍蟠-喬后斷裂以西)白云巖及灰?guī)r地層；弱巖溶地層主要為泥盆系中統(tǒng)蒼納組(D2c)夾鈣質(zhì)泥巖的灰?guī)r地層及窮錯組(D2q)與片巖互層的灰?guī)r地層。地表及地下巖溶形態(tài)發(fā)育齊全。

比選區(qū)地表水屬金沙江流域及瀾滄江流域兩大地表水系，主要河流水系自西向東依次有屬于瀾滄江黑惠江流域的劍湖水系及其所屬支流清水江、汝南河，屬于金沙江流域的沖江河、打鑼箐溝、漾弓江、中江河以及南干河等。侵蝕基準(zhǔn)面主要為西北部的沖江河，北部的拉什海盆地及拉什海、麗江盆地及文筆海，西部的劍川盆地及劍湖，東部的鶴慶盆地及草海、漾弓江-東山河、中江河。

巖性、構(gòu)造、水動力條件等都是制約比選區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)度和巖溶分布的控制因素：① 巖性對巖溶發(fā)育的影響主要體現(xiàn)在巖石的可溶性。不同成分、結(jié)構(gòu)和層組結(jié)構(gòu)的巖石其可溶性強(qiáng)度有較大的差異，區(qū)內(nèi)三疊系北衙組中上段灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖，泥盆系青山組含硅質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r，以及石炭系中上統(tǒng)灰?guī)r、二疊系的灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r等純碳酸鹽巖溶發(fā)育強(qiáng)烈；三疊系上統(tǒng)中窩組和中新統(tǒng)麗江組石灰質(zhì)角礫巖巖溶發(fā)育中等；而三疊系中統(tǒng)北衙組下段泥質(zhì)灰?guī)r巖溶發(fā)育較差。② 沿張性斷層帶或壓扭性斷層的上盤、斷層交匯處巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。③ 斷裂與巖性的聯(lián)合作用對巖溶發(fā)育具有重要影響或控制作用。主要表現(xiàn)為沿碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖接觸界面，尤其是碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖斷層接觸界面附近巖溶發(fā)育。④ 地下水動力條件對巖溶發(fā)育有明顯控制作用，鶴慶西山-劍川東山位于瀾滄江與金沙江分水嶺地帶，巖溶發(fā)育深度、強(qiáng)度和地表水、地下水運(yùn)移受其影響或控制，鶴慶盆地的漾弓江和劍川盆地的劍河水系為區(qū)域控制基準(zhǔn)面，其控制了研究區(qū)大部分巖溶泉的出露高程。⑤ 研究區(qū)分水嶺地帶垂向上巖溶不甚發(fā)育，且隨埋深增加減弱趨勢明顯。

根據(jù)水文地質(zhì)邊界的確定性、巖溶水系統(tǒng)的完整性、水文地質(zhì)特征的相似性和差異性等巖溶水系統(tǒng)劃分原則，總體劃分為6個相對獨(dú)立的巖溶地下水系統(tǒng)(見圖1和表1)。

表1 比選區(qū)巖溶水系統(tǒng)劃分

圖1 線路比選區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)劃分示意

各巖溶水系統(tǒng)南北向獨(dú)立封閉，東西向以地下分水嶺分界。比選區(qū)發(fā)育一系列東西向展布的壓扭性逆沖斷裂，各斷裂帶在其走向方向上具有較強(qiáng)的導(dǎo)(透)水性，在垂向上具有一定的隔水效應(yīng)。沿斷裂帶走向方向出露有非巖溶化地層(主要為T1q砂巖、泥巖)，這些非巖溶化隔水地層和壓扭性斷裂使區(qū)內(nèi)巖溶水系統(tǒng)南北向獨(dú)立封閉；比選區(qū)內(nèi)近南北向分布有金沙江和瀾滄江流域地下分水嶺，該分水嶺為巖溶水系統(tǒng)東西向分界。巖溶水系統(tǒng)邊界穩(wěn)定，巖溶水補(bǔ)、徑、排關(guān)系明確，地下水主要賦存在巖溶管道、較大的巖溶裂隙網(wǎng)絡(luò)中，在地形低洼的盆地邊緣和河谷地帶以非承壓的地下河、巖溶大泉方式出露地表。

與線路比選相關(guān)的2個關(guān)鍵巖溶水系統(tǒng)是鶴慶西山巖溶水系統(tǒng)Ⅳ和清水江-劍川巖溶水系統(tǒng)Ⅴ。鶴慶西山巖溶水系統(tǒng)Ⅳ南北兩側(cè)均為斷層和非巖溶化的T1砂泥巖及侵入巖分隔，西側(cè)為地形分水嶺，巖溶化地層主要為T2b2、T2b1灰?guī)r、白云巖，巖溶發(fā)育，地下水從西至東向鶴慶盆地排泄，包含6個巖溶水子系統(tǒng)；清水江-劍川巖溶水系統(tǒng)Ⅴ北側(cè)和南側(cè)隔水邊界為T1及Pβ地層，東側(cè)以鶴慶西山巖溶系統(tǒng)邊界為界線，緩坡及山頂平臺2 700～2 800 m高程落水洞及巖溶洼地遍布，排泄區(qū)為劍川盆地東山山腳一線，包含2個巖溶水子系統(tǒng)。

2.3 線路方案比選的主要控制因素

隧洞下穿馬耳山脈，深埋于馬耳山下，高程低于兩側(cè)的鶴慶、劍川盆地200 m左右。馬耳山地下水豐富，東西兩側(cè)盆地邊緣有大量巖溶泉出露，是盆地平壩區(qū)城鎮(zhèn)居民生產(chǎn)生活的主要水源。比選區(qū)多組大型示蹤連通試驗及重要泉水點(diǎn)的地下水年齡測試成果顯示，地下水循環(huán)較迅速，更新較快，水巖作用時間較短，說明該區(qū)域地下水運(yùn)移速度較快，巖溶管道較發(fā)育。如果洞線選擇不合理，隧洞遭遇巖溶發(fā)育區(qū)，特別是巖溶管道發(fā)育區(qū)，可能會疏干部分巖溶泉，引發(fā)重大地下水環(huán)境影響問題，進(jìn)而影響社會穩(wěn)定。

因此影響線路方案比選的主要控制因素是盡量規(guī)避巖溶水系統(tǒng)，最大程度地規(guī)避疏干巖溶地下水可能導(dǎo)致的環(huán)境影響問題。同時，選擇線路應(yīng)盡可能降低以下涉及施工安全與工程的長期運(yùn)行安全工程風(fēng)險：深埋隧洞大斷裂、軟巖大變形、高外水壓力、涌水突泥等重大地質(zhì)問題。

3 巖溶隧洞選線原則

將通過巖溶地區(qū)的一段線路作為一個整體，巖溶問題是影響整段線路方案選擇的重要因素，和其他重要因素一樣，具有特殊性，對工程條件有特定要求。這些特殊性和特定要求互相矛盾，互相制約。對巖溶問題是否應(yīng)該繞避，繞避到什么程度，是巖溶地區(qū)線路方案選擇需要把握的總體性原則[6-9]。

(1) 平面上避開巖溶極發(fā)育區(qū)。在研究線路方案比選過程中，對于巖溶極發(fā)育區(qū)，一般繞避為宜，將線路選擇在巖溶發(fā)育相對輕微的地方。大型巖溶洼地、巖溶谷地、串珠狀巖溶漏斗、線狀排列落水洞等巖溶發(fā)育極強(qiáng)烈地區(qū)，地表水入滲條件好，地下水豐富，其地下多存在暗河等巖溶管道系統(tǒng)，工程上難以應(yīng)對。除了較大范圍巖溶極發(fā)育區(qū)，局部的或個體的巖溶大洞穴處理也很困難，特別是巖層產(chǎn)狀平緩、質(zhì)純層厚、斷裂密集發(fā)育部位，往往存在網(wǎng)狀洞穴或巨大的空洞區(qū)，這類洞穴處理難度大，且需要付出昂貴的代價。

(2) 線路避開可溶巖與非可溶巖的接觸帶?？扇軒r與非可溶巖的接觸帶附近，不僅是軟硬巖性界面，而且也是水-巖交互作用強(qiáng)烈的地區(qū)。由于通常有來源于碎屑巖山區(qū)、侵蝕、溶蝕能力極強(qiáng)的外源水的集中補(bǔ)給，巖溶作用強(qiáng)烈，尤其是在碳酸鹽巖與碎屑巖斷層接觸界面附近，水-巖交互作用尤其活躍，是巖溶作用發(fā)育的最佳場所。平面上沿接觸帶走向易分布串珠狀的各種巖溶形態(tài)，且常發(fā)育與接觸帶走向一致的縱向暗河。為避免巖溶水和洞穴暗河的危害，線路應(yīng)避免布置在接觸帶及其附近。若無法避免，應(yīng)以大角度穿過。

(3) 線路避開有利于巖溶發(fā)育的構(gòu)造帶。斷層破碎帶、皺褶軸部等構(gòu)造發(fā)育部位，是地下水的富集、傳導(dǎo)、循環(huán)強(qiáng)烈的部位，給地表水、地下水溶蝕作用提供了良好的條件(水-巖接觸面積增大)，是水-巖交互作用的良好場所，有利于巖溶發(fā)育，常發(fā)育地下暗河等，線路方案選擇時應(yīng)極力避開，必要時大角度通過。

(4) 高程上線路應(yīng)在巖溶發(fā)育相對微弱帶通過。巖溶發(fā)育總體上在空間上具有明顯的差異性。從地表向地下深部，由于地下水的運(yùn)動逐漸減緩，相應(yīng)的從地表向地下巖溶發(fā)育的強(qiáng)度逐漸減弱，具有垂直分帶性。巖溶水平徑流帶在地下水季節(jié)變動帶及地下水位一定深度范圍，地下水垂直運(yùn)動與水平運(yùn)動不斷呈交替變化，垂直和水平巖溶洞隙形態(tài)都有發(fā)育，易發(fā)育水平狀巖溶管道、暗河或密集發(fā)育的寬大溶縫溶隙，線路應(yīng)避免從水平徑流帶穿越，宜從巖溶垂直滲流帶通過。巖溶垂直滲流帶地下水主要為雨季下滲的“過路水”，相對水平循環(huán)帶巖溶發(fā)育較弱。同時應(yīng)盡量選擇在分水嶺部位，分水嶺地區(qū)巖溶裂隙水帶因水力坡度小，流速緩慢，且以裂隙水為主，巖溶程度微弱，線路選在該帶，也可避免大洞穴和大量突然涌水的威脅。

(5) 盡量避免人口密集區(qū)。由于巖溶地區(qū)地下水與地表水聯(lián)系性強(qiáng)，為減少地下水環(huán)境影響，盡量穿越人口稀少地區(qū)。

根據(jù)上述巖溶隧洞選線的五大原則確定如下線路方案比選的基本思路：將巖溶地區(qū)地下水疏干對環(huán)境的影響作為首要問題，并充分考慮大斷裂、軟巖大變形、高外水壓力、突水突泥等重大地質(zhì)問題，穿越巖溶區(qū)的線路長度盡可能短、遠(yuǎn)離巖溶大泉排泄區(qū)、高程上從巖溶發(fā)育相對微弱帶和地下分水嶺部位穿越，從而選擇出最優(yōu)線路方案。

4 線路方案研究

線路方案起點(diǎn)接石鼓水源提水泵站出水池連接隧洞，以隧洞型式北向南穿越金沙江與瀾滄江的分水嶺，在鶴慶縣松桂鎮(zhèn)西側(cè)情人谷出口接積福村渡槽。線路斜穿由鶴慶盆地、麗江盆地、拉什海盆地、九河-劍川盆地與洱源盆地夾峙的南北向山嶺馬耳山，其間還需穿過兩個北東向地形槽谷白漢場槽谷、汝南河槽谷。線路方案比選初期選取了4種比選方案(見圖2)。本文對方案4進(jìn)行了優(yōu)化，提出了優(yōu)化的方案5。

圖2 線路比選區(qū)各線路方案布置示意

4.1 線路方案

(1) 方案1。起點(diǎn)在石鼓水源提水泵站出水池連接隧洞相接，途經(jīng)白漢場、汝寒坪、汝南、安樂壩，在松桂與積福村渡槽相接，全長60.598 km。隧洞最大埋深1 200 m，埋深大于600 m的隧洞長度占比56%，埋深大于1 000 m的隧洞長度占比22%。

(2) 方案2。鑒于方案1的南段靠近鶴慶西山巖溶水系統(tǒng)的排泄區(qū)，巖溶地下水活動強(qiáng)烈，以及設(shè)計對隧洞進(jìn)、出口部位的調(diào)整，將方案1把線路整體向西平移了約1 km，即為方案2，全長60.122 km。隧洞最大埋深1 214 m，埋深大于600 m的隧洞長度占比59%，埋深大于1 000 m的隧洞長度占比23%。

(3) 方案3。隨著巖溶水文地質(zhì)研究的深入，基于完全走分水嶺，盡可能規(guī)避對巖溶地下水影響的考慮，提出了方案3。方案3起止點(diǎn)與方案2相同，中后段向西平移4～6 km，全長61.488 km。隧洞最大埋深1 207 m，埋深大于600 m的隧洞長度占比62.4%，埋深大于1 000 m的隧洞長度占比17.2%。

(4) 方案4。方案2隧洞線路多處在巖溶系統(tǒng)排泄區(qū)的水平強(qiáng)烈溶蝕帶內(nèi)，遭遇強(qiáng)烈?guī)r溶和疏干巖溶地下水的可能性大。方案3雖盡可能避開了與強(qiáng)烈?guī)r溶的遭遇，但線路需穿越紅麥盆地深厚覆蓋層，與導(dǎo)水性較強(qiáng)的清水江斷裂長距離伴行(對清水江—劍川巖溶水系統(tǒng)影響較大)，在大馬廠附近還需穿越二疊系黑泥哨煤系地層。為此提出，該線路北段遷就方案2，南段遷就方案3，全長61.165 km。隧洞最大埋深1 210 m，埋深大于600 m的隧洞長度占比59.9%，埋深大于1 000 m的隧洞長度占比21.6%。

4.2 線路比選

各線路方案距離較近，穿越的地層差異不大，且基本以大角度穿越可溶巖與非可溶巖的接觸帶及大的構(gòu)造帶。在遵從線路方案比選基本思路的前提下，充分考慮其他工程地質(zhì)問題，盡可能選擇出最優(yōu)方案。

(1) 盡可能少地穿越巖溶區(qū)。馬耳山脈巖溶地層廣泛發(fā)育，線路穿越無法避免巖溶區(qū)，隧洞高程應(yīng)盡量減小穿越距離。各比選方案隧洞穿越可溶巖主要為三疊系北衙組上段(T2b2)、下段上部(T2b1-2)灰?guī)r及上統(tǒng)中窩組(T3z)灰?guī)r，穿越Ⅳ-3西龍?zhí)稁r溶水子系統(tǒng)、Ⅳ-5馬廠—錳礦溝黑龍?zhí)稁r溶水子系統(tǒng)、Ⅳ-6蝙蝠洞巖溶水子系統(tǒng)、Ⅴ-1清水江巖溶水子系統(tǒng)及Ⅴ-2劍川東山巖溶水子系統(tǒng)。各方案隧洞穿越可溶巖距離22.281～24.238 km，占比隧洞總長36.4%～39.87%。其中方案4穿越巖溶地層的長度最短，為22.281 km(見圖3)。

圖3 線路比選區(qū)各線路方案穿越巖溶地層示意

(2) 遠(yuǎn)離巖溶大泉排泄區(qū)。馬耳山脈東西兩側(cè)山腳鶴慶、劍川盆地邊緣出露眾多巖溶大泉。其中鶴慶盆地沿鶴慶西山和東山山腳分巖溶泉排泄高程一般為2 210～2 250 m，鶴慶西山泉水流量一般為100～500 L/s，總流量約6 280 L/s，鶴慶東山泉水流量一般為27.17～54.07 L/s，總流量約361.22 L/s，泉水最終排入漾弓江；劍川盆地西山泉水較少，東山山腳分布一系列巖溶泉和地下暗河，排泄高程2 200 m左右，總流量2 983 L/s。主要巖溶大泉有西龍?zhí)丁ⅫS龍?zhí)?、羊龍?zhí)丁㈠i礦溝(黑龍?zhí)?、小白龍?zhí)?、蝙蝠洞、水鼓樓龍?zhí)?、東山寺泉、各門江龍?zhí)兜葞r溶泉水出流點(diǎn)。各線路方案距離鶴慶盆地排泄區(qū)最近距離一般為0.9～6.5 km(見圖4)，距離劍川盆地排泄區(qū)最近距離一般為8.3～15.6 km。其中方案1、方案2距離鶴慶盆地巖溶大泉排泄區(qū)的距離太近，分別為0.9 km和1.6 km。離巖溶大泉距離越近，更接近于水平徑流帶，巖溶地下水影響問題越突出。

圖4 線路比選區(qū)各線路方案與巖溶大泉位置關(guān)系示意

(3) 高程上從巖溶發(fā)育相對微弱帶通過。比選區(qū)的巖溶發(fā)育在垂向上具有較明顯的分帶特征，巖溶化程度隨著深度增加而降低，隧洞越靠近山體內(nèi)側(cè)、越靠近地下水分水嶺部位溶蝕風(fēng)化越弱。鉆孔線溶率隨著深度的增加而減小，視電阻率低值區(qū)間值、巖芯RQD值大多隨著深度的增加而增大。強(qiáng)溶蝕帶中多見有溶洞發(fā)育，弱溶蝕帶中則以溶孔、溶隙發(fā)育為主，微溶蝕帶中僅發(fā)育有少量溶隙。線路從巖溶程度微弱部位穿越可避免大洞穴和大量突然涌水的威脅。各比選線路方案中方案3、方案4更靠近山體內(nèi)側(cè)及地下水分水嶺部位，基本位于微溶蝕帶巖體中(見圖5)。

圖5 線路比選區(qū)各線路方案穿越溶蝕帶示意

從規(guī)避和盡量短距離穿越巖溶地層、遠(yuǎn)離巖溶大泉排泄區(qū)、盡量從弱巖溶化地層中穿越等方面比選，方案4優(yōu)于其他線路方案(見表2)。

表2 各線路比選方案巖溶特性綜合比較

(4) 盡量從靠近地下分水嶺部位穿越。比選區(qū)地表分水嶺為金沙江與瀾滄江兩大地表水系的分水嶺，主要沿虎頭山-高美-石灰窯-猴子坡-東甸-百山母-長木阱北山一線峰頂組成的馬耳山山脈主山脊，一般高程在3 200～3 500 m以上，是該區(qū)主要的地表水分水嶺，巖溶水自該分水嶺分別向東、西劍川盆地、鶴慶盆地方向運(yùn)移。比選區(qū)內(nèi)巖溶地下水分水嶺與地表分水嶺大致重合，在沙子坪一帶有越過地表分水嶺向西襲奪趨勢。

分水嶺部位由于地下水滲流微弱，水力坡度小，流速緩慢，巖溶相對不發(fā)育，主要以溶隙為主，巖溶發(fā)育微弱(見圖6)。理論上遭遇巖溶管道的可能性小，應(yīng)使隧洞線路盡量接近地下水分水嶺部位穿越。

圖6 比選區(qū)巖溶發(fā)育程度示意

方案4在紅麥盆地以北已基本排除了巖溶疏干的影響，但在紅麥盆地以南區(qū)域Ⅳ-5馬廠-錳礦溝黑龍?zhí)稁r溶水子系統(tǒng)、Ⅳ-6蝙蝠洞巖溶水子系統(tǒng)對線路影響仍較大。為了盡量在地下水分水嶺部位穿越Ⅳ-5馬廠-錳礦溝黑龍?zhí)杜cⅤ-2劍川東山巖溶水子系統(tǒng)，盡可能避開Ⅳ-6蝙蝠洞巖溶水子系統(tǒng)，最大程度降低地下水環(huán)境影響風(fēng)險，繼續(xù)對方案4向西側(cè)優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，提出了方案5(見圖7)。方案5線路在紅麥之前與方案4線路一致，紅麥至黑泥哨之間線路向西調(diào)整，盡量遠(yuǎn)離鶴慶盆地，在靠近鶴慶西山地下分水嶺弱(非)巖溶化地層中穿越(在方案4的基礎(chǔ)上向西偏移2～5 km)，黑泥哨到香爐山出口線路段，盡量靠近方案3，全長62.596 km。隧洞最大埋深1 450 m，埋深大于600 m的洞段長42.175 km，單洞占比67.38%，埋深大于1 000 m的洞段長21.427 km，單洞占比34.23%。

圖7 比選區(qū)方案4紅麥南側(cè)繼續(xù)向西側(cè)優(yōu)化示意

方案5在方案4紅麥以南向西優(yōu)化了2～5 km，基本從清水江-劍川Ⅴ-2巖溶子系統(tǒng)和鶴慶西山Ⅳ-5巖溶子系統(tǒng)之間的地下分水嶺穿越。方案5比方案4更靠近地下分水嶺部位。方案5隧洞穿越的可溶巖長度為17.843 km，占隧洞總長比例為28.5%，穿越可溶巖長度大幅度減小。方案5距離排泄區(qū)巖溶大泉最近距離約7.6 km，比方案4更遠(yuǎn)(見圖8)，基本位于Ⅳ-5和Ⅴ-2分水嶺部位，且規(guī)避了Ⅳ-6，隧洞遭遇強(qiáng)烈?guī)r溶和疏干地下水的風(fēng)險更小(見表3)。

表3 方案4與方案5巖溶特性綜合比較

圖8 比選區(qū)方案4和方案5與地下水分水嶺位置示意

4.3 比選結(jié)果

方案4與方案5所處區(qū)域構(gòu)造背景及基本地質(zhì)條件總體相同，涉及的主要工程地質(zhì)及水文地質(zhì)問題基本類似，但各有側(cè)重。兩方案隧洞均基本位于地下水弱微-滯循環(huán)帶內(nèi)，理論上(多個鉆孔已驗證)巖溶地層的巖溶化程度不高，雖然隧洞高程均低于東西兩側(cè)鶴慶和劍川盆地約200 m，線路從鶴慶西山和劍川東山穿越時對清水江—劍川巖溶水系統(tǒng)、鶴慶西山巖溶水系統(tǒng)的影響有限，發(fā)生災(zāi)害性巖溶疏干和巖溶突水的可能性不大。

方案5避開了與南北向張性斷裂下馬塘-黑泥哨斷裂(FⅡ-32)近距離伴行且距離較長的問題，線路基本位于Ⅳ-5和Ⅴ-2巖溶子系統(tǒng)分水嶺部位，比方案4更靠近分水嶺部位，隧洞遭遇強(qiáng)烈?guī)r溶的涌水突泥問題和疏干地下水的風(fēng)險更小。

綜上所述，本文線路方案比選優(yōu)先從盡可能避開巖溶水系統(tǒng)，最大限度降低巖溶水疏干風(fēng)險，減輕對地下水環(huán)境影響等方面考慮，推薦方案5(見圖9)。

圖9 方案5工程地質(zhì)縱剖面

5 結(jié) 語

巖溶地區(qū)隧洞選線的一般原則主要有平面上避開巖溶極發(fā)育區(qū)、線路避開可溶巖與非可溶巖的接觸帶、線路避開有利于巖溶發(fā)育的構(gòu)造帶、高程上線路應(yīng)在巖溶發(fā)育相對微弱帶通過、盡量避免人口密集區(qū)等。本文以滇中引水工程香爐山深埋長隧洞比選為依托，對勘察階段提出的5條線路方案進(jìn)行比選。比選過程中遵循巖溶隧洞選線一般性原則，根據(jù)比選區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律、垂直分帶規(guī)律、巖溶水系統(tǒng)分布規(guī)律、地下水環(huán)境敏感程度等，從盡可能穿越巖溶區(qū)距離短、遠(yuǎn)離巖溶大泉排泄區(qū)、高程上從巖溶發(fā)育相對微弱帶通過、地下分水嶺部位穿越等方面進(jìn)行了綜合比選，方案5總體較優(yōu)。

針對巖溶地區(qū)的線路選擇，巖溶問題對于工程固然不利，但其本身具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，就其工程地質(zhì)條件而言，與非可溶巖相比，又具有有利的一面。因此，線路選擇是一個權(quán)衡利弊的過程。