龍鱗宮隧道出口特大溶腔探究

劉慶輝

1 地質概況

1)地質背景:隧道處在寒武系碳酸鹽巖組成的云霧山背斜的東南冀與恩施盆地的交界處,巖性差異(山地斜坡為可溶巖、盆地為非可溶巖)和地貌差異(碳酸鹽巖組成的山地斜坡和紅砂巖組成的低丘盆地)明顯。隧道位于區域性大斷裂——建始—恩施大斷層的近旁,該斷層控制盆地的發育和使寒武系碳酸鹽巖巖層強烈擠壓破碎,產狀一般為:N30°～ 50°E/SE∠30°～ 50°隧道位于寒武系碳酸鹽巖中,工程區受建—恩斷層影響,產狀變化較大,總體為 N40°～ 70°E/ ∠SE11°～ 40°;節理裂隙發育,雖有多組,但主要有兩組:N10°～ 40°E,N40°～ 60°W。2)工程區主要巖溶水文地質特征:恩施盆地由紅色碎屑巖組成低地,碳酸鹽巖組成山地,其山地和盆地的交界處即成為巖溶水的排泄場所,如現白果壩暗河的出口(龍鱗宮處的出口)、眾多泉點以及更早的干溶洞皆分布交界處一線。白果壩暗河為一條大型暗河,其走向主要受構造控制,即沿構造線方向、沿順層(弱面)走向和NE縱向裂隙發育。白果壩暗河位于隧道出口左側約60 m～100 m,方向與隧道出口洞軸近平行;出口流量:1992年 5月14日測時流量15 m/s～20 m/s;豐水期 200 m/s;枯水期0.8 m/s～1.0 m/s。3)龍鱗宮隧道出口右側的支暗河和三岔口支暗河,受層間裂隙和NW向裂隙控制。隧道出口溶腔與主暗河的管道溝通系統受巖層傾向管道和垂直向管道控制明顯。4)由于地殼間歇性上升,白果壩暗河不斷間歇性下切,造成巖溶管道發育的多層性:出口標高450 m的現代暗河,570 m和820 m兩標高的管道已為干溶洞。上述各層間的管道(上層與下層)之間多以陡斜管道或垂直管道相連,形成復雜的空間巖溶管道系統。龍鱗宮隧道出口端的大溶腔即是支暗河和主暗河交匯水流不斷溶蝕和地下水不斷下切過程中伴隨長期不斷“溶擴”的結果。

2 溶腔的形態

溶腔長軸與線路平行,沿線路縱長約170 m,橫寬約40 m～100 m,隧道線下深度約50 m～70 m,見圖1,為一特大型巖溶腔體。

3 溶腔水文地質特征

3.1 白果壩主暗河的徑流梯度

隧道左側的白果壩暗河的猴兒洞—龍鱗宮出口段走向N40°E。暗河出口標高450 m,猴兒洞地表標高552 m,兩處相距2 600 m。設暗河于猴兒洞的水位在地表以下10 m,30 m,60 m的情況下,猴兒洞—龍鱗宮段的暗河徑流梯度見表1。

表1 猴兒洞—龍鱗宮段的暗河徑流梯度 m

3.2 白果壩暗河的猴兒洞—龍鱗宮段在隧道出口附近的水位標高

1)t1=0.035 4時,H1(暗河水位)=(0.035 4×1 600)+450=506.64 m(暗河出口至隧道出口距1 600 m、暗河出口標高450 m);2)t2=0.0276時,H2=(0.027 6×1 600)+450=494.16 m;3)t3=0.016 1時,H3=(0.016 1×1 600)+450=475.76 m。

3.3 隧道大溶腔底部與近代暗河水位間的高差

大溶腔底部最低處位于DK232+500附近,其右側底標高:599.86 m,左側底標高:590.06 m。溶腔底部距主暗河水位之間(推測)的高差:

590-506(推測暗河水位)=84 m;

590-494(推測暗河水位)=96 m;

590-476(推測暗河水位)=114 m。

可見大溶腔底部標高已高出主暗河水位約84 m～114 m。

3.4 大溶腔已基本成為過水通道

隧道右側匯水區降雨入滲形成的地下水通過巖溶網絡匯入支暗河,并向白果壩主暗河排泄。現在的干溶腔即是已被棄置的支暗河徑流管道和排泄通道。由于白果壩暗河的下切向更低處的龍鱗宮出口排泄(標高450 m),相應的現代支暗河水流遠低于隧道所在的干溶腔底的標高(高差約84 m～114 m),因此,龍麟宮隧道出口大溶腔已成為過水通道。

3.5 溶腔過水流量估算

1)據隧道溶腔周邊環境分析,來水至少有兩個方向的補給:a.隧道右側沙坡漏斗的匯水的補給(近程補給);b.隧道右側大支溝谷的匯水的補給(遠程補給)。2)隧道溶腔過水主要來源于隧道右側匯水面積內的降雨入滲水。該匯水的面積約5.3 km2。其中近程補給面積(通過沙坡漏斗匯入)0.066 km2,遠程補給面積5.23 km2。3)近程匯水面積內降雨入滲地下形成的地下水流量初估。溶腔的遠程補給范圍5.23 km2、降雨入滲大部分匯聚于標高更低的現代支暗河的充水管道排入主暗河,只有少量上部的滯留水匯入溶腔,主要來源于近程的沙坡漏斗匯水補給。

滲入法估算:

隧道溶腔近程補給范圍的降雨入滲地下通過層面(走向和傾向層間裂隙)和NNW向構造裂隙和小斷層匯入隧道溶腔,暴雨時(50 mm)的匯入量估計1 980 m3/d。

4 大溶腔成因分析

1)白果壩主暗河位在隧道左側約80 m～100 m的猴兒洞—龍鱗宮(暗河出口)段的連線上,隧道出口段白果壩暗河水位標高推測為480 m～506 m。隧道溶腔底部標高605 m～590 m,距白果壩暗河100 m,兩者高差達100 m,水流梯度為1。暗河深切,河谷岸坡始終保持較陡的一面坡,可見支暗河長期以“跌水”匯入主暗河,長期在此強勁的水動力及其侵蝕、溶蝕作用下,為形成高角度巖溶管道和巖溶腔體創造了條件,且極易形成大溶腔體,早期在支暗河和主暗河交匯處的水力、溶蝕環境,具備形成大型溶腔的必備條件,現隧道腔體即是當時的產物。2)由于白果壩主暗河的下切,支暗河亦隨之下切,巖溶水位也隨之下降,上部棄置的原暗河、支暗河管道即成干溶洞、干溶腔,隧道溶腔即是此棄置的腔體。支暗河匯水面積范圍內的降雨入滲水將匯聚至現代支暗河系統排入主暗河,在匯聚排入的路徑中,都需經過原棄置的管道系統。因此現隧道溶腔及其與主暗河連接的管道成為過水通道。

5 溶腔對工程的影響和建議

1)現隧道所在側山體為強巖溶發育區,線路若左右改移(避開現在的溶腔體),仍擺脫不了線路處在支暗河與白果壩主暗河交匯處的地質背景,仍不能排除遭遇新的隱伏大溶腔體和巖溶管道的可能,對橋、隧、路的影響仍難以預料,易位難以得到根本改變,在全面施工的條件下,應避免出現更大的反復。

2)溶腔規模較大,影響涉及范圍DK232+500～DK232+350縱向達170 m;溶腔底深入隧道路肩以下70 m。隧道必須增設跨越工程——橋或高填路基。

3)溶腔底基礎狀況決定跨越工程的可行性和工程的難易程度。若溶腔底層還發育溶腔,橋基在可控制深度內難找到持力層;路基填筑加載后可能引起基底溶腔的垮坍或基底松散堆積物過厚可能引起較大壓縮沉降或基底巖溶水無法給予出路(排出)等都影響方案的成立。

4)隧道上方坍頂“天窗”四周巖壁的危石和隧道出口端與溶腔連接的隧底下方的“倒懸”危巖,影響勘察和施工的安全,必須認真清理。

5)若隧道原位跨越方案(橋或路基)經勘探可行,為方便施工(橋或路方案)和給溶腔過水以出路的原則,建議在線位左側增設一橫洞(橋方案進行溶腔底部的基礎施工、路基方案方便施工的同時,用于腔內泄水)。

[1]彭 剛.大型巖溶隧道處理技術[J].山西建筑,2009,35(1):321-322.