太行山隧道寬張裂隙成因演化機理分析

王延濤，曾憲明，何寶夫

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

山西中南部鐵路通道為國家重點工程建設項目，起自瓦塘站，經(jīng)山西、河南、至山東日照港，對落實國家中部崛起發(fā)展戰(zhàn)略，對提高晉中南地區(qū)煤炭外運，保障國家能源安全供應具有重要意義。

太行山隧道位于山西省與河南省交界處，雙洞單線，左線長18 095 m，最大埋深915 m，右線長18 080 m，最大埋深920 m，DK590+335～DK590+740段下穿露水河，最小埋深約14 m。受地形和露水河高程控制，整個隧道為單面坡。

太行山隧道位于太行山中山區(qū)，太行山復式背斜，地形陡峻，洞身深埋，上、下兩套近水平地層，活躍的新構(gòu)造運動及表生改造，塑造了特有的嶂石巖地貌(廣義)。

嶂石巖地貌位于太行山中南部地質(zhì)地理第二和第三階梯過渡帶，為新型砂巖地貌，1972年發(fā)現(xiàn)，1992年命名，上覆為喀斯特巖溶地貌，下部為石英砂巖地貌(狹義嶂石巖地貌)，具有“丹崖長墻連續(xù)不斷、階梯狀陡崖貫穿全境、‘Ω’形嶂谷相連成套、棱角鮮明的塊狀結(jié)構(gòu)、溝谷垂直自始至終”等五大特點，組成物質(zhì)、形態(tài)、成因、演化獨成體系，水文地質(zhì)特性復雜而獨特。

太行山隧道走行在有待深入研究的新型嶂石巖地貌區(qū)，其裂隙水具有獨特性。Ω套谷，使補給區(qū)增大。剪脹作用，使地形急劇變化帶、構(gòu)造軸部發(fā)育深埋原生寬張裂隙，為地下水提供了儲存空間。卸荷作用，使盤狀寬谷兩側(cè)陡崖發(fā)育張性卸荷裂隙，阻斷坡面地表徑流。深埋原生寬張裂隙無疑控制著富水段的分布，控制著高壓涌水，威脅隧道的施工安全和運營安全。而深埋原生寬張裂隙分布規(guī)律具隨機性且寬窄不一，其成因機理對研究富水段分布具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

1 地質(zhì)背景

太行山隧道位于太行山復式背斜;由濁漳河、濁河、露水河切割形成的河間地塊及林濾山(圖1);由芣蘭巖-奧治正斷裂與王家莊-楊耳莊正斷裂夾持，斷層不甚發(fā)育，僅有小規(guī)模的平移斷層及高角度的正斷層，沿寬谷發(fā)育大規(guī)模的寬張裂隙。

研究區(qū)發(fā)育上、下兩套近水平地層，上部由O2灰?guī)r、O1白云巖、ε2+3灰?guī)r構(gòu)成的碳酸鹽地層，下部由ε1、Zch砂巖、泥巖及頁巖構(gòu)成的碎屑巖地層，基底為太古界Az變質(zhì)的片麻巖(圖2)。

構(gòu)造塑造地貌，地貌反映構(gòu)造。太平洋板塊擴張、印度板塊擴張聯(lián)合作用，新生代裂谷盆地斷陷及坳陷，形成了中國地質(zhì)地理第二、第三臺階和盆地，成為研究區(qū)構(gòu)造-地貌演化的主要動力。

圖1 研究區(qū)

圖2 地質(zhì)剖面

研究區(qū)太行山中南部地質(zhì)地理第二和第三階梯過渡帶，新構(gòu)造運動強烈，表現(xiàn)為大面積拱形隆起。第四紀上升幅度1 080～1 380 m，上升速度0.44～0.56 mm/a。在隆起過程中，既有時間上的間歇性，又有空間上的差異性，既有斷塊抬升性質(zhì)，又有階梯式抬升性質(zhì)，生成太行山及河流切割谷地。

2 地貌演化

研究區(qū)地貌起于中新世初期(24Ma)，太行山頂部殘留早第三紀末期形成的準平原。中新世初期喜山運動第二幕將太行山拱起形成山地夷平面，同時河流下切形成上部灰?guī)r谷地。

中新世晚期至上新世早期喜山運動第二幕(11.6～3.2 Ma)逐步穩(wěn)定，側(cè)蝕擴谷形成寬谷和溶洞，形成上部喀斯特巖溶地貌。

上新世末期或第四紀初期(3.0～2.5 Ma)，喜山運動第三幕，研究區(qū)間歇強烈抬升山地夷平面抬升到1 400～1 500 m高程，寬谷抬升到1 100～1 200 m高程，新構(gòu)造運動與表生改造聯(lián)合作用形成部為石英砂巖地貌(狹義嶂石巖地貌)(圖3)。

圖3 地貌演化時序

早更新世太行山地抬升(0.061～0.17 mm/a)向源侵蝕分水嶺西移。

早更新世晚期(1Ma)趨于穩(wěn)定，表生改造形成1 100 m高程寬谷。

中更新世初期繼承早期構(gòu)造抬升(0.17～0.32 mm/a)，抬升幅度85～160 m，形成太行山背斜，原生剪漲裂隙形成雛形，向源侵蝕研究區(qū)河間地塊形成。

中更新世中、晚期(0.5～0.12 Ma)趨于穩(wěn)定，表生改造寬谷進一步擴展，形成盤谷。

晚更新世初期強烈抬升(0.39～0.78 mm/a)，抬升幅度27～55 m，盤谷導致上覆厚度差異，抬升過程中，剪脹作用，致使地形急劇變化帶淺表層形成原生寬張裂隙，河流下切形成自相似極強的溝谷。

晚更新世晚期(0.05 Ma～11 ka)趨于穩(wěn)定，表生改造沿淺表層寬張裂隙形成Ω套谷雛形。

早中全新世初期為更強烈抬升(2.1～5.7 mm/a)抬升幅度7～20 m，盤谷、溝谷致使上覆厚度差異更為明顯，抬升阻力差異性增強，在Ω套谷口、地形急劇變化帶原生寬張裂隙繼承發(fā)展，深度加深，密集程度加強，河流下切形成的溝谷，但自相似削弱。

中全新世(7.5～3.0 ka)趨向穩(wěn)定，沿原生寬張裂隙、卸荷裂隙，在橫向楔狀侵蝕、掏蝕卸荷等表生改造作用下，上部Ω套谷相向崩塌形成長崖、方山，下部沿裂隙形成裂隙谷、隘谷、嶂谷，塑造出特有的嶂石巖地貌。

晚全新世至今再一次抬升(3.6～5.3 mm/a)，抬升幅度11～16 m，河流持續(xù)下切，嶂石巖地貌進一步雕塑(圖4)。

圖4 地貌特征

3 寬張裂隙成因演化機理

研究區(qū)地貌起于中新世初期，寬張裂隙與地質(zhì)構(gòu)造運動同步，始于太行山背斜形成期，經(jīng)過3次地表改造，上覆荷載差異性逐漸增強，在3次間歇抬升過程中，原生寬張裂隙繼承并發(fā)展形成深埋原生寬張裂隙(圖5)。

基于早更新世晚期(1 Ma)形成的寬谷，中更新世初期繼承早期構(gòu)造抬升，太行山背斜形成，在背斜軸部、寬谷兩側(cè)地形及地質(zhì)巖性薄弱地段形成原生或潛在的剪漲裂隙，自相似極強。

圖5 寬張裂隙成因演化機理

中更新世中、晚期，地表改造，沿剪漲裂隙、卸荷裂隙下切，重力作用、側(cè)蝕、向源侵蝕形成盤谷，地形差異增強。

晚更新世初期強烈抬升，繼承已有剪漲裂隙向縱深寬大發(fā)展，且密集程度增強，同時，在地形急劇變化帶形成原生剪漲裂隙。

晚更新世晚期，地表改造增強，剪漲裂隙、卸荷裂隙繼續(xù)下切，重力作用、側(cè)蝕、向源侵蝕形成盤Ω谷，地形更加破碎，自相似變差，熵值變大，規(guī)律變差。

早中全新世初期為更強烈抬升，已有寬漲裂隙差異化發(fā)展，覆蓋厚度薄地形變化差異小的區(qū)域，Ω谷附近剪漲裂隙向?qū)挻竺芗较虬l(fā)展，地形急劇變化帶向縱深方向發(fā)展。

中全新世，地表改造，上部形成長崖、方山，下部形成裂隙谷、隘谷、嶂谷，期間形成Ω套，嶂石巖地貌框架，嶂石巖地下水文環(huán)境形成。

晚全新世至今再一次臺升，區(qū)域侵蝕基準面下降，已有寬漲裂隙繼續(xù)向下發(fā)展，已有溝谷、套谷支解，嶂石巖地貌進一步雕塑。

綜上，太行山隧道寬張裂隙為繼承原生剪漲裂隙，伴隨太行復式斜的形成、嶂石巖地貌的塑造而演化形成的，經(jīng)歷4次抬升，3次地表改造，在地形急劇變化過渡帶集中分布深埋原生寬張裂隙。

4 寬張裂隙分類及特征

原生剪漲裂隙繼承演化、嶂石巖地貌塑造綜合作用，形成3類寬張裂隙(圖6)。

圖6 寬張裂隙分類

盤谷深埋寬張裂隙:分布在河流侵蝕地貌盤谷地形急劇變化過渡帶，多次繼承發(fā)展演化而成，埋深大，間距大、孤立分布。

套谷深埋寬張裂隙:分布在嶂石巖地貌套谷地形急劇變化過渡帶，多次繼承發(fā)展演化而成，埋深大，成帶集中分布。

嶂谷寬張裂隙:分布在嶂石巖地貌裂隙谷、隘谷、嶂谷地形破碎區(qū)，原生、繼承發(fā)展演化而成，埋深淺，孤立、成帶集中分布，伴隨卸荷裂隙。

5 寬張裂隙水文地質(zhì)特征

盤谷深埋寬張裂隙:上下兩套地下水含水系統(tǒng)。上部為溶洞含水系統(tǒng)，大氣降水補給，富水，管道分布，在盤谷沿區(qū)域隔水層以下降泉水形式排泄。下部為碎屑巖含水系統(tǒng)，深埋寬張裂隙貫通上部含水層越流補給，地表裸露大氣降水、泉水二次補給，循環(huán)慢，排泄量少，以靜態(tài)水儲存。涌水量大，衰減慢，穩(wěn)定，出水孤立。

套谷深埋寬張裂隙:上下兩套地下水含水系統(tǒng)。上部為溶洞含水系統(tǒng)，大氣降水補給，富水，管道分布，在套谷下部沿區(qū)域隔水層以下降泉水形式排泄棧臺。下部嶂石巖含水系統(tǒng)，砂巖陡崖、裂隙谷、隘谷、嶂谷發(fā)育，沿陡崖及套谷寬張裂隙極其發(fā)育，上部為溶洞含水系統(tǒng)以泉形式排泄至棧臺的第四系堆積層內(nèi)，一般地貌條件下，形成地表徑流排向溝谷，在嶂石巖地貌溝谷兩側(cè)楔狀裂縫、卸荷裂隙發(fā)育阻止地表徑流形成，再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤造o態(tài)水儲存，形成富水區(qū)。涌水量大，衰減慢，穩(wěn)定，成帶集中出水(圖7)。

圖7 套谷深埋寬張裂隙水文地質(zhì)特征

嶂谷寬張裂隙:嶂石巖含水系統(tǒng)，砂巖陡崖、裂隙谷、隘谷、嶂谷發(fā)育，沿陡崖及套谷寬張裂隙極其發(fā)育，大氣降水形成地表徑流排向溝谷，在嶂石巖地貌溝谷兩側(cè)楔狀裂縫、卸荷裂隙發(fā)育阻止地表徑流形成，轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤造o態(tài)水儲存，由于地形支離破碎，含水體孤立且連同性差。涌水量初期大，衰減快，不穩(wěn)定，出水孤立。

綜上，寬張裂隙水文地質(zhì)特征為“套谷匯水，盤谷控制，二次補給，裂隙富水”，隧道涌水主要來源為上部巖溶泉水二次補給及含水層靜儲量。

Ω溝溝口及地形急劇變化帶富水，深埋寬張裂隙產(chǎn)生高壓涌水，威脅隧道施工安全和運營安全。

6 結(jié)論和建議

(1)研究區(qū)太行山中南部地質(zhì)地理第二和第三階梯過渡帶，新構(gòu)造運動強烈，表現(xiàn)為大面積間歇性拱形隆起。

(2)地貌演化起于中新世初期，喜山二幕形成盤谷、喀斯特巖溶地貌，喜山三幕形成Ω套谷、狹義嶂石巖地貌。

(3)太行山隧道寬張裂隙為繼承原生剪漲裂隙，伴隨太行復式斜的形成、嶂石巖地貌的塑造而演化形成的，經(jīng)歷4次抬升，3次地表改造，在地形急劇變化過渡帶集中分布深埋原生寬張裂隙。

(4)原生剪漲裂隙繼承演化、嶂石巖地貌塑造綜合作用，形成水文地質(zhì)各異的盤谷深埋寬張裂隙、套谷深埋寬張裂隙嶂谷寬張裂隙3類寬張裂隙。

(5)寬張裂隙水文地質(zhì)特征為“套谷匯水，盤谷控制，二次補給，裂隙富水”，隧道涌水主要來源為上部巖溶泉水二次補給及含水層靜儲量。

(6)盤谷深埋寬張裂隙涌水量大，衰減慢，穩(wěn)定，出水孤立;套谷深埋寬張裂隙涌水量大，衰減慢，穩(wěn)定，成帶集中出水;嶂谷寬張裂隙涌水量初期大，衰減快，不穩(wěn)定，出水孤立。

(7)Ω溝溝口及地形急劇變化帶富水，深埋寬張裂隙產(chǎn)生高壓涌水，威脅隧道施工安全和運營安全。

［1］ 中華人民共和國水利部．巖土工程基本術(shù)語標準［S］．北京:中國計劃出版社，1999．

［2］ 鐵道部第一勘測設計院．鐵路工程地質(zhì)手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，1999．

［3］ 郭康．嶂石巖地貌之發(fā)現(xiàn)及其旅游開發(fā)價值［J］．地理學報，1992(5)．

［4］ 郭康，邸明慧，馬輝濤．主宰“嶂石巖地貌”的兩種坡面發(fā)育模式［J］．地理學與國土研究，1997(1)．

［5］ 翁金桃，陳旸，劉新號，鄭富盈．太行山南端巖溶洞穴及其形成環(huán)境［J］．中國巖溶，1990(1)．

［6］ 吳忱，張秀清，馬永紅．太行山、燕山主要隆起于第四紀［J］．華北地震科學，1999(3)．