宜萬鐵路魯竹壩2號隧道巖溶水文地質分析

蘇 中

1 地質背景特征

1.1 地貌特征

工程區西側混水河深切,北側長巴河(混水河支流)伏流(暗河)橫切構造線,東側、南側為山地。隧道穿越的背斜構造核部組成山脊高地,組成分水嶺。該分水嶺西側為緊鄰混水河的斜坡;東側為山地,山地與分水嶺之間,再分布與構造線一致的次級分水嶺和帶狀洼地,并相間展布;再往東即是碎屑巖和碳酸鹽巖分界處附近的匯水溶蝕低地。整個溶蝕解體的山體組成復雜的巖溶地貌,但總體呈(除西側斜坡外)東高西低,南高北低的態勢(見圖1)。混水河(西),長巴河伏流(北)、獐(角壩)—馬(石壩)巖性界面低地(東),“三向圍切”工程區,并成為巖溶地下水匯流和排泄場所。

1.2 巖層控制特征

1)大治組(T1d):主要分布于背斜核部山地分水嶺,匯水面積小和地下水活動程度弱等的制約,巖溶相對發育弱。2)嘉陵江組():分布于背斜東翼大面積帶狀山垅、洼地相間的山地,巖溶相對發育,但不同地層巖溶發育程度由強至弱依次為(1/萬圖面標注巖溶點10個/km2),(5.8個/km2),(4.2個/km2)。巖溶順巖層走向或順傾向層面發育,并控制巖溶延伸方向和地下水徑流走向。如孟(家槽)—孫(家槽)巖溶管道和大路灣—D(樟樹坡)巖溶管道。3)碎屑巖(Tb2)和碳酸鹽巖()交界處,因可溶性和非可溶性的巖性差異,形成沿分界線分布的大型溶蝕洼地,并匯水集中補給地下,成為暗河的入口[1],如馬石壩、獐角壩暗河的入口。

1.3 構造控制特征

1)工程區構造控制的地貌格架。a.背斜軸核部(樞紐部位)構成整個工程區的分水嶺。b.地貌走向與構造線一致(NNE向)。次級分水嶺和帶狀溶蝕洼地順巖層走向展布、發育。c.背斜傾伏端的轉折部位(隧道進口端),組成順巖層走向、傾向的弧形轉折和緩傾斜坡。2)巖溶、充水管道、暗河普遍沿構造弱面發育、發展。工程區主要構造弱面有:順層層間裂隙、構造節理:N60°～90°W(近東西向)、N0°～ 30°E(近南北向)。a.隧道左側(南部)發育的縱向(N0°～30°E、順層)裂隙和節理與隧道右側(北部)背斜傾伏端發育的傾向層間裂隙銜接并構成連續協調的節理、裂隙體系,巖溶沿上述體系呈帶發育,同時控制巖溶管道發育的方向。b.N60°～90°W(近東西向)節理屬橫向張扭性,其頻度、密度、延伸程度都很突出,沿此裂隙發育的巖溶管道也特別深遠。

2 巖溶暗河管道系統分析

2.1 工程區排泄基準面

長巴河伏流(暗河),于工程區北(線路右側)橫切背斜,排入混水河(G);長巴河伏流段匯聚工程區從南向北(沿走向)的巖溶地下水,并向混水河排泄;混水河是工程區的相對排泄基面(見圖1)。

2.2 工程區主要集中補給點及補給范圍

除去長巴河伏流入口上游的匯水面積及其補給與工程無涉外,與工程有關的工程區集中補給點和補給范圍見圖1。

2.3 充水巖溶管道可能發育的方向(徑流路徑)

在巖溶發育層中充水管道發育的方向(徑流路徑),受構造裂隙控制,即基本沿下列構造結構面發育:1)順巖層走向(N10°～30°E)—縱向張裂隙;2)NWW 向(近東西向)—橫向張裂隙;3)順傾向層間裂隙—順巖層傾向,如背斜核部的傾伏端(樟樹坡—張家槽一帶)。

2.4 馬石壩暗河洞內實測反映的問題

進入馬石壩暗河洞內實測始點到終點總長887 m,其方向為280°(沿橫張裂隙發育)。中途發育的分支方向為 138°(南延),朝獐角壩方向延伸,而獐角壩暗河入口以后有沿層間裂隙或縱向裂隙發育的管道向北延伸與上述馬石壩暗河南延分支相交,見圖1。

上述實測反映的問題:獐角壩暗河入口后其管道流沿巖層走向北上匯入馬石壩暗河,馬石壩暗河的流向實際朝西(即為280°)向混水河排泄(見圖1)。

2.5 工程區充水巖溶管道系統分析

1)馬石壩暗河系統。馬石壩入口(A)→B(獐角壩暗河向北徑流,匯入馬石壩暗河的B處,成為其支流)→竹園坪→G(混水河出口),組成相對獨立的暗河徑流系統。

2)長巴河伏流系統。其路徑很明朗,入口→E(孫家槽)→F(古井坡)→G(混水河左岸出口)為長巴河的伏流,位于隧道右側溶蝕洼地,是工程區巖溶地下水的主要排泄場所之一。

3)孟家槽→竹園坪→D→孫家槽系統。孟家槽→竹園坪→D→孫家槽系統,沿巖層走向(沿層間裂隙、縱向張裂隙)發育的、獨立于馬石壩—獐角壩暗河外的暗河系統。它們獨自構成孟家槽→竹園坪→孫家槽管道流,并排入長巴河伏流(見圖1)。

4)冉家槽溶隙管道系統。該系統位于隧道出口端,由近EW向溶蝕洼槽匯水,循槽谷由東往西向混水河排泄的溶隙管道系統。排泄點為泉。橫跨隧道洞軸(見圖1的Ⅵ區)。

2.6 各巖溶管道系統的主要“參數”

工程區存在的巖溶管道系統及其主要“參數”見表1～表3[2]。

表1 馬石壩暗河系統

表2 孟家槽—孫家槽管道系統

表3 冉家槽管溶隙管道系統

3 各巖溶管道系統對隧道影響評估

3.1 工程區存在三個巖溶管道系統

1)長巴河入口→混水河(G)暗河,實為長巴河的伏流,位于隧道的右側斜坡低洼處,是巖溶地下水排泄場所,對隧道不直接構成影響。2)馬石壩→混水河(G),即A→B→G暗河(含獐角壩支暗河,主、支暗河在“C”處匯合)(見圖1)。暗河具有明顯的入水口和出水口,是典型的單管式暗河。所經標高最低,在隧道標高下92 m～104 m,對隧道影響有限。3)孟家槽→竹園坪→孫家槽管道系統(NNE向)。為上部的匯流系統,匯水區內通過淺部巖溶網絡將管道系統內各單元相互溝通。隧道幾乎橫切穿越這些網絡和主管道及其涉及的范圍,對隧道形成直接影響[3]。

3.2 隧道分段評估

DK204+390～DK205+400段:該段位于背斜東冀與背斜軸部傾伏銜接的轉折端,也是背斜東冀的地下水沿巖層走向、層間裂隙、縱向裂隙由南向北往長巴河伏流排泄的尾端排泄區;巖溶主要為較密布的南北向和近EW向發育的溶隙、串珠狀巖溶腔體,因其位于地下水位的上部,皆為早期發育的、現已被棄置的上層溶腔體,多被充填或為空腔。有季節性(雨季)地下水過流。隧道穿越腔體充填物易坍塌,跨越大溶腔底部(隧底)及溶腔周邊都需處理,且處理難度大[4]。

DK205+400～DK206+600段:是(孟家槽→竹園坪→樟樹坡→孫家槽)主管道流和(大路灣→樟樹坡)支管道流的交匯場所,巖溶和巖溶水發育。巖溶腔體發育的頻率、強度、規模是整個隧道可能最強的地段。主管道與隧道平面交匯處約在DK205+400～DK205+750附近;支管道(大路灣→樟樹坡)從DK206+600往進口方向至與主管道交匯處(DK205+400～DK205+750)基本上與隧道臨近,且與洞軸平行。地下水位鉆孔揭示為626.64 m標高,主管道暗河推測水位約600 m標高,皆在隧道路肩標高(589.59 m)以上。因此,該段隧道除可能遭遇溶腔威脅外,尚存在巖溶管道流突水的危害,應引起重視。

[1]TB 10027-2001,鐵路工程不良地質勘察規程[S].

[2]《巖土工程手冊》編寫委員會.巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1994.

[3]何發亮,李蒼松,陳成宗.隧道地質超前預報[M].成都:西南交通大學出版社,2006.

[4]張民慶,黃鴻健,田四明.巖溶隧道安全設計、施工與管理[J].鐵道工程學報,2008(1):30.