臥云界山區巖溶發育對鐵路隧道的影響分析

張玉璽

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西西安 710043)

1 工程概況

臥云界山區位于湖南省桑植縣上洞街鄉二戶溪村和利福塔鎮之間。新建黔張常鐵路龍山至桑植段擬自東向西以隧道形式通過該區。擬建臥云界隧道為雙線雙洞隧道,貫通線里程為CK140+362～CK145+965,隧道總長為5 603 m。針對該區巖溶發育的復雜性和不確定性,方案研究中采用多種勘察手段相結合的方法,基本探明了該區巖溶發育的特征和規律。

2 工程地質特征

2.1 地層巖性

主要出露地層有第四系沖積、坡積粉質黏土,三疊系中統嘉陵江組灰巖夾白云巖,下統大冶群灰巖,二疊系上統吳家坪組灰巖夾炭質頁巖,下統茅口組灰巖、棲霞組灰巖夾炭質頁巖,泥盆系上統黃家橙組砂巖夾頁巖,中統云臺觀組砂巖和志留系上統紗帽群的頁巖夾粉砂巖。隧道洞身通過可溶巖與非可溶巖地層,巖性較為復雜,工程差異性較大。

2.2 地形地貌

臥云界隧道位于中低山地區,高程340～950 m,相對高差200～600 m,為越嶺隧道。嶺脊位于CK143+800里程附近,可溶巖與非可溶巖的分界處位于地表CK142+115里程處附近,隧道進口至此為非可溶巖段落,該處向大里程方向為可溶巖段落。

可溶巖段落巖層沿近南北方向呈條帶狀延伸,沿線路方向呈四級臺階狀地貌,各級以斜坡巖溶地貌過度相連,在地形地貌形態上各有不同。

一級臺階高程為950～840 m(相當于桑植區域的四級夷平面),為山嶺嶺脊坡地地貌；里程CK143+100～CK144+000段落,呈齒峰單面山形態,頂部地勢平坦,高差不到50 m,沿近南北走向條帶狀分布,寬約500 m,小型巖溶洼地,漏斗、落水洞等巖溶地貌發育。

二級臺階高程為670～600 m(相當于桑植區域的五級夷平面),溶丘臺地和壟崗槽谷地貌,主要位于CK142+115里程至CK143+000里程段,于620 m高程附近形成一大型的巖溶槽谷,寬約1 km,延伸長約5 km,洼地內地形較為平坦,高差不大,一般小于30 m。該段落巖溶發育,地表洼地內巖溶溶丘、洼地密布,巖溶漏斗、落水洞呈串狀南北向分布,規模大小不一。

三級臺階高程為500～400 m(相當于桑植區域的六級夷平面),為溶丘洼地和丘陵地貌,主要位于隧道出口段落,自里程CK144+800附近至隧道出口約1.2 km,主要為巖溶溶丘、石峰地貌,地形起伏一般不超過100 m,小型溝谷縱橫,山丘呈牛頭包狀成排分布；溝谷內溶洞,漏斗發育,巖石表層溶槽、溶痕等溶蝕現象嚴重。

四級臺階高程為350～310 m,主要為隧道出口附近的澧水支流沖積河谷地貌,地勢平坦,起伏小,地表多被第四系覆蓋,地表水發育,眾多小溪、河流匯入澧水支流,向北注入澧水。

2.3 地下水特征

巖溶發育程度與巖溶水作用關系密切,認真分析調查場區附近水文地質條件是十分重要的。隧道附近地表水較為發育,河流走向受地質構造、巖性控制,多為NE向河流,河流與分水嶺多平行相間,支流與干流斜交多呈樹枝狀。

根據場區地層巖性的組合特征、含水介質特征,與隧道關系較密切的地下水類型為三類：孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水。

隧道區的碳酸鹽巖巖溶裂隙溶洞水的補給來源主要為大氣降水,巖溶水運動規律和排泄主要受構造、巖溶發育程度、地形地貌、侵蝕基準面等多因素控制。巖溶區大氣降水直接呈面狀入滲與匯流通過巖溶洼地、落水洞滲入地下后,多呈細小網流,然后逐步匯合形成較大管流,以下降泉和地下河形式排泄于河流及溝谷兩側。在巖溶含水層中,大都是微細溶隙和巨大洞穴管道并存,賦存于其中的地下水,往往各自成獨立的補給排泄系統,彼此之間一般無直接的水力聯系。反映在水文地質特征上,一是富水性極不均一,二是地下水系統的相對獨立,即巖溶水埋藏在極不均一彼此相對獨立的巖溶管道中，隧道通過區存在溶丘槽谷和斜坡巖溶兩個相對獨立性的巖溶地下水系統。溶丘臺地和壟崗槽谷巖溶地下水的補-徑-排過程都在二疊系地層中完成；壟脊坡地巖溶地下水的補給-徑流主要在三疊系下統大冶群的灰巖和三疊系中統嘉陵江組下段的灰巖夾白云巖中,排泄主要在三疊系中統嘉陵江組中段的灰巖夾白云巖中完成。

隧道洞身主要位于巖溶裂隙溶洞水水平徑流帶之下。

臥云界隧道工程地質平面如圖1所示。

圖1 臥云界隧道工程地質平面示意

3 巖溶發育特征和規律

針對該區巖溶發育的復雜性和不確定性,方案可行性研究中采用多種地質勘察方法相結合,基本探明了該區巖溶發育的特征和規律。

3.1 巖溶主要類型及特征

該隧道通過的三疊系中統嘉陵江組灰巖夾白云巖,下統大冶群灰巖,二疊系上統吳家坪組灰巖夾炭質頁巖,下統茅口組灰巖、棲霞組灰巖夾炭質頁巖為可溶巖,且均屬巖溶強烈發育地層,為裸露型巖溶；該區段可溶巖地層沿南北向呈條帶狀分布,且分屬于桑植地區不同時期的夷平面。各時代不同期次夷平面的可溶巖巖溶發育有各自的特點,詳述如下：

(1)四級夷平面溶蝕地貌主要為三疊系下統大冶群灰巖,壟脊坡地地貌,巖溶發育強烈,沿巖層走向發育形成小型巖溶洼地,期間分布零星的巖溶漏斗,落水洞,該組巖層節理裂隙較為發育。物探資料顯示,該段落巖層存在兩處物探異常區,分別位于里程CK143+500～CK144+200,高程550～820 m處,里程CK144+350～CK144+710,高程390～500 m處,推斷為巖溶發育,溶腔或巖溶水富集。

(2)五級夷平面溶蝕地貌主要為二疊系上統吳家坪組灰巖夾炭質頁巖,下統茅口組灰巖、棲霞組灰巖夾炭質頁巖,地貌為巖溶侵蝕形成的巖溶壟崗槽谷。槽谷內地勢平坦,地表水發育,小型洼地、溶丘密布,巖溶漏斗,落水洞成串分布,表層多被第四系覆蓋,并與地下貫通,形成溶洞和地下暗河系統,基本沿巖層走向發育。物探資料顯示,二疊系上統吳家坪組灰巖夾炭質頁巖地層中,自地表向下高程650～500 m范圍內巖溶發育強烈,推斷可能存在溶腔、空洞,地下巖溶水富集。

地表調查和物探資料顯示,位于線路里程CK142+690處發育一暗河,高程約570 m,距線路設計軌面(高程382 m)高差188 m。暗河進口位于CK142+743左331 m處,高程617 m,為一消水洞,有明顯地表徑流,附近地表水匯聚至此處流入,水量約150 m3/d。出口里程位于CK142+367右1 077 m處,高程545 m,為一出水溶洞,洞口大小1.9 m×1.4 m,N10°E方向延伸。該暗河發育地層為二疊系下統棲霞組灰巖中,位于壟崗槽谷的巖溶洼地內,沿暗河流向附近發育有許多落水洞、巖溶漏斗,其中多數地下連通,地下水系形成網絡貫通匯聚于地下暗河,其連通方向基本與巖層走向一致,呈近南北方向。

(3)六級夷平面溶蝕地貌上主要為三疊系中統嘉陵江組灰巖夾白云巖,巖溶發育強烈,溶蝕形成巖溶溶丘、石峰地貌,溝谷內小型落水洞、巖溶漏斗發育,巖石表層溶槽、溶痕等溶蝕現象嚴重。同時物探顯示出口段坡頂至坡腳處地下為物探異常區,推斷為巖溶強烈發育。

3.2 巖溶空間發育規律及控制因素分析

縱觀不同期次夷平面巖溶的發育特征情況,可以看出該區域內不同期次夷平面的巖溶發育情況有所不同,可溶巖山體的巖溶發育呈現較為明顯的垂直分帶性。

壟崗槽谷段隸屬五級夷平面,主要為二疊系的灰巖,中厚—厚層,左側為非可溶巖地層,右側為嶺脊地勢相對高陡的大冶群巖層,該段形成的長大槽谷內,地表水補給、徑流、排泄沿巖層呈南北向。地下水系統相對獨立,地表至地下一定范圍深度內巖溶較發育,溶蝕面主要受高程控制,垂直滲流帶厚度相對不大,暗河系統為主要排泄通道。以此推斷：垂直滲流帶和水平徑流帶深度基本位于物探顯示的巖溶強烈發育部位,即500 m之上,此高程之下則為深循環帶。

嶺脊坡地段隸屬四級夷平面,主要為三疊系大冶群的薄層灰巖,裂隙發育,貫通性好,地表水沿層面傾向補給、徑流,向隧道出口方向排泄至低洼處,沿坡面附近至巖層內部巖溶發育較為強烈,溶蝕面受地形和巖層控制,垂直滲流帶沿層理方向延伸至坡腳附近,與隧道出口段的地下水系統相聯系,水平徑流帶深度大致位于390～500 m高程內,之下則為深循環帶。

溶丘洼地段,隸屬六級夷平面,主要為三疊系嘉陵江組厚層灰巖夾白云巖地層,靠近沖積河谷,侵蝕基準面低,溶洞、裂隙水近水平形態發育,形成網狀巖溶系統,但溶洞、裂隙水規模相對較小,溶蝕面受高程控制埋深較淺,垂直滲流帶較短,河谷高程310 m以上山體主要位于季節交替帶和水平徑流帶內。

4 結論和建議

結合勘察成果并綜合以上分析,可以得出如下結論：

(1)巖溶發育特征沿山體巖層走向差異性不大,與線路走向基本垂直,故隧道工程宜垂直大角度快速通過該段山區,并盡量選擇在南北分水嶺附近,以減少地下水發育對隧道工程的影響。

(2)隧道場地內的可溶巖段落,巖溶發育較為強烈,巖石表層溶痕、溶槽、溶溝發育,地表巖溶漏斗、落水洞、洼地、溶丘相間,與溶洞、地下暗河等已形成系統。

(3)線路里程CK144+442至隧道出口段,溶蝕面較低,巖溶發育最低處距線路軌面高差10～30 m,擬建隧道洞身多位于季節交替帶和水平徑流帶內,需注意巖溶發育對隧道工程的影響,可能遇到溶洞、溶隙發育,突水、突泥的現象。

(4)其他段落巖溶發育最低處距隧道高差多為100 m以上,主要位于深循環帶內,對洞身部位影響不大,但不排除存在高壓水腔或巖溶水沿層理裂隙延伸至洞身附近的可能。

(5)巖溶發育山區鐵路隧道工程宜采用多種勘察方法相結合,特別是應重視物探手段結合地表調查，對巖溶發育特征和規律進行分析。

[1]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建黔張常鐵路可行性研究臥云界隧道工程地質勘察報告[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010

[2]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社,1999：369-386

[3]《工程地質手冊》編輯委員會.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2007：525-528

[4]TB10027—2001,鐵路工程不良地質勘察規程[S]

[5]TB10012—2001 鐵路工程地質勘察規范[S]

[6]TB10049—2001 鐵路工程水文地質勘察規程[S]