山西中南部鐵路太行山隧道巖溶發育成因分析

何寶夫　王延濤　曾憲明

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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山西中南部鐵路太行山隧道巖溶發育成因分析

何寶夫王延濤曾憲明

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要巖溶災害對隧道施工構成極大的威脅，為摸清巖溶發育特征規律及其成因機理，從地質背景入手，剖析太行山隧道出口段典型巖溶發育的特征，結合前期工程勘察資料及前人研究成果，從巖性、斷裂構造、地下水、地形地貌等方面進行研究，分析隧道出口段巖溶發育成因機理，從而為配合施工工作提供技術支持，具有較好的推廣性和借鑒性。

關鍵詞山西中南部鐵路太行山隧道巖溶成因分析

我國巖溶分布廣泛，可溶巖面積約占全國的1/3，是世界上巖溶分布最為廣泛的國家[1-2]。隨著山區鐵路工程的大規模建設，巖溶問題成為了鐵路建設中常見的地質災害問題之一[3-6]。隧道工程由于其具有克服高程、縮短路徑的優勢，在山區鐵路工程中得到廣泛應用?？缭焦?、黔、滇的南昆鐵路，可溶巖地段隧道長度達到了387.6 km，占線路長度的43%[7]；宜萬線的隧道長度占線路的59.65%。穿越巖溶區長隧道較為著名的有野三關隧道(13.86 km)、齊岳山隧道(10.46 km)、馬鹿箐隧道(7.8 km)等[5，8-9]。由于巖溶發育的控制性因素錯綜復雜，巖溶發育的形態也多種多樣，以及巖溶發育的不規律性、不可預測性，這些因素給巖溶隧道設計施工帶來極大的困難，對施工安全造成極大的威脅，給后期運營留下重大隱患，同時也會造成重大的生態問題[8-9]。目前已經修建的鐵路中，就遇到過諸多巖溶災害，如渝懷線圓梁山隧道多處發生涌水、涌泥，突水量達到了69 000 m3/h[5，10-11]；達萬線田家坡隧道巖溶堆積體深厚，嚴重影響施工[12]；宜萬線馬鹿箐隧道由于巖溶突水、突泥，更是造成了重大的人員傷亡和財產損失[5，13]。

結合具體工程實例，研究巖溶發育的規律性，分析巖溶災害成因機理，在此基礎上提出合理的預防措施，從而提高巖溶隧道施工的可預見性。根據太行山隧道出口段巖溶揭示情況，結合前期工程勘察資料及前人研究成果，從巖性、斷裂構造、地下水、地形地貌等方面進行研究，分析隧道出口段巖溶災害成因機理，從而為配合施工工作提供技術支持。

1工程概況

山西中南部鐵路通道起始于山西瓦塘，穿越山西，橫貫河南，終點至山東日照。太行山隧道位于山西省與河南省交界處，采用雙洞單線方案，隧道全長約18.095 km，洞身最大埋深約為920 m，最小埋深約15 m(見圖1)。隧道穿越太行山中山區的主脈區，山勢陡峻，溝深坡陡。隧道修建過程中，遇到了基巖裂隙水涌水、巖爆、淺埋段基坑涌水、出口段的巖溶等問題。出口段巖溶災害雖然沒有造成重大災害，但也給施工帶來了很多影響，有必要對該段的巖溶災害進行研究，分析其成因機理，為施工提供技術支持。

2工程地質背景

太行山隧道出口段位于太行山脈中山區與林州盆地交界(林州盆地側)，太行山塊隆與林州斷陷交界附近(林州斷陷側)，總體地勢西高東低。該段附近地表較為平坦，起伏較緩，地勢較開闊，其上分布農田、民居，隧道埋深約60～70 m。隧道出口段穿越地層巖性為古生界奧陶系中統下馬家溝組灰黑色中厚層狀灰巖夾薄層泥質灰巖、泥灰巖，該段地表淺埋卵石(見圖2)。

圖1　太行山隧道平面位置

圖2　太行山隧道出口段工程地質縱斷面

出口段橫跨任村-西平羅大斷裂。任村-西平羅大斷裂為太行山東麓斷裂帶西側斷裂，為區域性斷層，規模較大，與隧道大角度相交。出口區地表水主要為大氣降水形成的地表面流，水量受季節性影響變化較大，自然排泄暢通。地下水主要有斷裂破碎帶孔隙水和巖溶水，奧陶系馬家溝組灰巖巖溶發育，存在溶洞滯水，溶洞存在泥質充填，附近地表水、地下水化學類型為HCO3·SO4-Ca型，局部地下水具硫酸鹽侵蝕性。

該段溶洞地下水不發育，溶腔體內較為干燥，填充的黏土較為干燥，呈硬塑、土夾石狀；隧底存在隱伏巖溶問題。

3典型巖溶發育特征分析

根據揭示的溶洞情況，按照巖溶涌水量大小分類，太行山隧道出口段巖溶基本為無水型；按照形態及規模大小分類，屬于洞穴型和裂隙型；按照充填性特征，屬于充填型及半充填型。

3.1無水洞穴型、半充填型巖溶

無水洞穴型巖溶以右線DyK595+287里程處為代表，該溶洞為太行山隧道出口段揭示的最大一個溶洞，出現在2012年10月3日工作面開挖至DyK595+287處(見圖3、圖4)，工作面右側發現一溶洞，溶腔寬25 m，縱向9 m，高7 m；頂部發育一直徑1.5 m的落水洞，溶腔高約16 m；溶洞跟右線呈75°夾角，泥質半充填，未見地下水。洞壁巖體為奧陶系下馬家溝組灰巖，褐灰色，巖體破碎。

圖3　DyK595+287溶洞位置示意(單位：m)

圖4　DyK595+287溶洞剖面示意(單位：m)

3.2無水裂隙型、充填及半充填型巖溶

無水裂隙型、充填及半充填型巖溶主要集中在DK595+026～DK595+158段，DyK595+227～DyK595+274段。

太行山隧道出口左線正洞爆破開挖后在DK595+026發現一溶洞(見圖5、圖6)，溶洞高約2～3 m，寬約5 m，縱向約4.5 m，泥質充填，呈土夾石狀，黏性較大，行走不便，未見明顯地下水，工作面潮濕，開挖后拱部易掉塊，圍巖穩定性差。

圖5　DK595+026溶洞位置示意(單位：m)

圖6　DK595+026溶洞剖面示意(單位：m)

在DyK595+227工作面里程處，開挖過程中在拱頂發現溶洞，溶洞寬約5 m，高約5 m，縱向長度約4 m。泥質半充填，未見地下水，圍巖穩定性差(見圖7、圖8)。

圖7　DyK595+227溶洞位置示意(單位：m)

圖8　DyK595+227溶洞剖面示意(單位：m)

據統計，太行山隧道出口段成形的溶洞為15個(見表1)，局部段落巖體破碎，產狀凌亂，灰巖表面有泥漬，溶蝕作用明顯，工作面中局部存在土夾石；在成形的溶洞中，全部為無水型溶洞，絕大部分為裂隙型溶洞，溶洞規模相對較小，體積大多為10 m3左右；僅發育一個洞穴型溶洞，體積約為1 575 m3。

表1　太行山隧道出口段溶洞統計

4巖溶發育成因分析

巖溶發育需要有物質基礎、徑流通道、水動力作用及特殊的地形地貌等，分別從以下幾個方面進行太行山巖溶發育的成因分析。

4.1碳酸鹽巖是巖溶發育的物質基礎

巖溶發育的物質基礎離不開碳酸鹽巖，碳酸鹽巖純度越高，其巖石的可溶性越強，白云巖、泥灰巖、泥質灰巖等巖石巖溶發育程度相對較弱。另外，還取決于連續沉積的厚度。研究區發育的地層巖性為奧陶系下馬家溝組(O2x)灰黑色中厚層狀灰巖夾薄層泥質灰巖、泥灰巖，淺海相沉積。最新研究表明[14]，奧陶系馬家溝組沉積演化特征顯示出七個沉積旋回，馬家溝組沉積期經歷七次較完整的海平面變化過程。從巖性上，本區為中厚層灰巖夾泥灰巖，且該套地層經歷七次沉積旋回，厚層灰巖的并非連續沉積。因此，從可溶巖純度和厚度上，本隧道巖石可溶性中等偏上。

4.2斷裂構造是巖溶發育的主控因素

隧址區的構造格局控制著碳酸鹽巖地層的分布，斷裂構造使得巖層產生大量裂隙帶，為巖溶作用提供了極為有利的通道，控制巖溶的發育形態等[15-16]。不同力學性質的斷裂構造對巖溶的控制作用也有所不同。

(1)張性斷裂帶

研究區最主要的構造是任村-西平羅斷裂帶，該斷裂帶起自林州任村，經河澗止于西平羅一帶，斷裂成近南北向延伸，長約80余km。斷面近直立，切割太古界至中生界，斷裂兩側發育有一系列北東向和近南北向次級斷裂，斷裂下盤(西盤)上升，形成數百米～千米高的陡崖，上盤(東盤)塌落，形成南北向延伸的串珠狀新生代盆地。沿此斷裂帶近期微弱地震不斷發生，該斷裂近期仍有活動，為一長期活動的斷裂帶。

任村—西平羅斷裂帶屬于張性斷裂。張性斷裂張開性較好，構造角礫膠結較弱，結構較為疏松，存在較大的孔隙率。同時，張性斷裂斷裂面粗糙不平，張裂程度大。張性斷裂具有較大的儲水空間和較為寬闊的徑流通道。因此，任村-西平羅斷裂帶為巖溶發育提供了良好的條件，在具備豐富的補給源條件下，完全有可能成為強巖溶帶或暗河徑流帶或管流帶。

(2)節理裂隙密集帶

這里主要指受構造作用影響的節理裂隙密集帶，主要發育在任村-西平羅斷裂影響帶附近。受構造作用影響，層間發生錯位，產生密集裂隙，為巖溶發育提供了良好的通道。調查發現，很多小型裂隙溶洞大多發育在節理裂隙密集帶中。

4.3地下水模式和重力作用

地下水作用是巖溶發育的必要條件，沒有地下水參與，巖溶作用也就不可能發生。地下水集中徑流的地帶，巖溶發育也就最為強烈，巖溶發育演化的過程也就是可溶巖在地下水作用下的分化過程。本區屬于溫帶，時干時潮，雨量集中成暴雨，化學風化不強，物理風化流水沖刷劇烈，流水滲入裂隙帶，造成局部裂隙型巖溶發育。同時，由于密集節理帶的存在，巖體破碎，在重力作用下，極易發生崩塌作用，進一步擴大了洞穴范圍。

4.4地形地貌對巖溶的影響

新構造運動使得地層快速差異升降運動，使得本區形成了地形起伏大、河谷切割深的獨特地貌，為地下水徑流提供了良好的徑流條件和勢能，使得地下水具有充分的物理侵蝕能力，為巖溶發育創造了條件。

綜上，奧陶系中厚層狀的灰巖夾泥灰巖為巖溶發育提供了物質基礎；任村-西平羅斷裂帶起到主要的控制性作用；新構造運動使得地層快速差異升降運動，創造了獨特的地形地貌及水動力條件，從而造就了太行山隧道出口灰巖段、斷裂破碎帶及其影響帶附近裂隙型溶洞發育。

5結論

(1)太行山隧道出口段巖溶發育，溶蝕現象明顯，對施工造成了較大的影響。

(2)太行山隧道成形的溶洞有15個，全部為無水型溶洞，絕大部分為裂隙型溶洞，溶洞規模相對較小，體積大多為10 m3左右；僅發育一個洞穴型溶洞，體積約為1 575 m3。

(3)經分析，奧陶系中厚層狀的灰巖夾泥灰巖為巖溶發育提供了物質基礎；任村-西平羅斷裂帶在巖溶發育中起到主要的控制性作用；新構造運動使得地層快速差異升降運動，創造了獨特的地形地貌及水動力條件，這些因素是太行山隧道出口段巖溶發育的主要原因。

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收稿日期：2016-02-20

第一作者簡介：何寶夫(1983—)，男，2010年畢業于中國地質科學院地質工程專業，碩士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0060-05

中圖分類號：P642.25

文獻標識碼：A

Genetic analysison Karstof Taihang Tunnel of Railway Engineering in Mid-South Region of Shanxi

HE BaofuWANG YantaoZENG Xianming