瓦日鐵路太行山隧道嶂石巖地貌區水文地質特征研究

胡清波

(中國鐵路經濟規劃研究院,北京　100844)

瓦日鐵路西起山西瓦塘，東至山東日照，是我國首條30 t軸重的大能力運煤重載通道，全長1 269 km，限制坡度：重車方向6‰，輕車方向13‰。

受限坡、林慮山風景名勝區、紅旗渠等因素控制，太行山越嶺，需以隧道形式下穿紅旗渠、露水河，翻越西井山、林濾山(圖1)。

圖1　太行山隧道與名勝區位置平面關系示意

太行山隧道采用雙洞單線形式，受露水河高程控制，采用單面坡，左洞18.095 km，最大埋深915 m，右洞18.08 km，最大埋深920 m，露水河段(DK590+335～DK590+740)，最小埋深約14 m。

燕山、喜山運動，使太行山隆起并形成寬緩背斜，林州斷陷盆地下沉，形成中國地理第二階梯。

快速上升的新構造運動，干、濕交替的氣候變化，上、下兩套近水平地層，活躍的新構造運動及表生改造，在太行山中南部第二和第三階梯過渡帶盤狀寬谷兩側塑造了中國特有的嶂石巖地貌。

嶂石巖地貌為新型砂巖地貌[1-3]，1972年發現，1992年命名，上覆為喀斯特巖溶地貌，下部為石英砂巖地貌，組成物質、形態、成因、演化獨成體系，水文地質特性復雜而獨特。目前在旅游地理及古地理研究較多[3-4]，但水文地質方面的研究尚為空白。

隨著基礎建設的蓬勃發展，基建標準提升，在太行山中南部，越來越多的隧道工程穿越嶂石巖地貌區。由于地下水類型并不復雜，如果忽視嶂石巖地貌水文地質特征復雜性的一面而把問題簡單化，就會導致線位選擇、工程設置及施工組織與實際出現偏差，在工程建設中遭遇長期穩定的高壓基巖裂隙涌突水問題，影響施工安全，對其進行水文地質研究具有重要的理論與現實意義。

1　嶂石巖地貌

嶂石巖地貌(Zhangshiyan landform)，1972年郭康在太行山發現[3-4]。在中國華北板塊新構造運動上升區背景和溫帶半濕潤區內，由巖層平緩、質地堅硬、顏色緋紅的震旦系石英砂巖為母巖，水流沿崖邊節理、層理侵蝕風化作用，以楔狀側蝕和蝕空崩塌為主(圖2)，形成的以綿延大壁、嶂谷為主，以及方山、石墻、塔柱、排峰、洞穴、崖廊等地形。

圖2　嶂石巖地貌坡面發育過程示意

嶂石巖地貌分廣義和狹義兩種，狹義嶂石巖地貌指中元古生界淺海-濱海相巨厚層石英砂巖及薄層泥巖內形成的砂巖地貌；鑒于下部砂巖地貌形成演化與上覆喀斯特巖溶地貌密切相關，同時，上覆喀斯特巖溶地貌又受控于下部砂巖地貌，二者密不可分，合為一體更為合理，故提出廣義嶂石巖地貌概念，上覆的喀斯特巖溶地貌一般發育不良，只有小型溶洞、落水洞，僅太行山南段有雛形石林地貌發育，灰巖中地下水以泉形式或滲流形式在接觸帶附近排泄，形成面流或再次轉化成地下水。

瓦日鐵路太行山越嶺段，濁漳河、濁河、露水河兩岸發育廣義嶂石巖地貌(圖3)，形成了著名的林濾山景區。

圖3　嶂石巖地貌及水系

2　嶂石巖地質特征

嶂石巖地貌是發育在堅硬石英砂巖上的砂巖地貌，具備特定的地層巖性及內外營力。

固有的原生構造裂隙，活躍的新構造運動，簡單的地層結構，在重力作用、側蝕、向源侵蝕作用下形成河谷、套谷，在太行山中南部塑造出特有的嶂石巖地貌。

太行山塊隆(山西地礦局1989年，河南河北地礦局1989年稱太行山拱斷束，中科院地質所1959年稱太行山彎折帶)與華北斷拗過渡段，為燕山期造山運動中先折后斷的抬升區，表現為寬緩大型復式背斜，背斜核部、地形急劇變化帶原生構造裂隙和深埋寬張裂隙發育[5]。

活躍的新構造運動，表現為間斷性的整體抬升和河流下切，在上部含水層形成高程950～1 100 m的溶洞系統，沿地貌演化起點1 100～1 200 m高程盤狀寬谷過渡段產生大量原生寬張裂隙和卸荷裂縫，在水和重力作用下，橫向楔狀侵蝕、掏蝕卸荷，形成百米左右甚至更高的筆直陡崖及Ω嶂谷，陡壁上布滿了條條垂直窄縫，縫口寬從幾十厘米到幾米，甚至幾十米以上，并向壁里逐漸尖滅，形成楔狀[6-7]。

簡單的地層結構，表現為上部的碳酸鹽巖建造，中部的石英砂巖建造，下部的變質片麻巖建造，中上部間夾少量黏土巖(圖4)。

圖4　嶂石巖地貌巖性特征

3　嶂石巖地貌區水文地質特征

太行山隧道橫穿中國地理第二階梯及太行山前緣西側斷裂。斷裂以西，為寬緩背斜，核部為露水河谷，兩翼分別形成西井山和林濾山；地層巖性上部為奧陶寒武系可溶巖，中部為震旦系砂泥巖，底部為太古界片麻巖。斷裂以東，為林州斷陷盆地，表層覆蓋第四系堆積物，下伏奧陶系可溶巖。隧道圍巖為太古界片麻巖、震旦系石英砂巖、奧陶系灰巖，產狀平緩，圍巖分級情況較好，Ⅱ、Ⅲ圍巖占69.4%。背斜核部、Ω溝口、地形急劇變化帶原生構造裂隙、卸荷裂隙發育(圖5)。

圖5　太行山隧道地質剖面

露水河以西，屬太行山背斜北西翼，呈單斜構造。為漳河、濁河、露水河切割形成的河間地塊。東西兩側被芣蘭巖—奧治斷裂與王家莊—楊耳莊正斷裂所夾持，其間斷層不發育。濁漳河、濁河、露水河、芣蘭巖—奧治正斷裂及王家莊—楊耳莊正斷裂共同構成西井山單斜蓄水構造水文地質單元(圖3)。

西井山單斜蓄水構造發育奧陶系灰巖、寒武系灰巖、震旦系砂巖3套含水層，奧陶系白云巖、寒武系泥巖兩套隔水層，垂向上形成3套地下水系統，奧陶系、寒武系灰巖之間的奧陶系白云巖為相對隔水層，在裂隙發育帶，形成導水帶，致使奧陶系含水層地下水越流補給寒武系含水層，使奧陶系、寒武系地下水系統產生水力聯系，形成上、下兩類地下水系統；上部為喀斯特巖溶地下水，下部為基巖裂隙水系統[8-9]。

區域上，在高程950～1 100 m、700～800 m、630～660 m發育3層溶洞系統，西井山單斜蓄水構造上部的巖溶系統，灰巖裸露，位于高程850 m以上，高于地表徑流，接受大氣降水補給，地下水動力條件較差，巖溶發育不良，寬谷底部(950～1 100 m)沿寒武系隔水層發育1層溶洞系統，主要為層狀溶蝕裂隙帶和小型溶洞，透水性好，沿寒武系隔水層頂板以下降泉形式排泄到棧臺的第四系堆積層內，一般地貌條件下，形成地表徑流排向溝谷。在嶂石巖地貌套谷兩側，發育的楔狀裂縫、卸荷裂隙阻止了地表徑流形成，在棧臺邊緣沿寬張裂隙入滲，再次轉變為地下水，在基準面以上排泄到地表徑流，基準面以下為裂隙水儲存。

西井山單斜蓄水構造基巖裂隙水，含水層厚度大，伴隨嶂石巖地貌的發育，砂巖陡崖、套谷發育，沿陡崖及套谷寬張裂隙、裂縫極其發育，大氣降水垂直入滲、河道側向滲漏及棧臺巖溶泉水二次入滲，形成富水區。

嶂石巖地貌區水文地質特征為上部巖溶水沿隔水層頂板排泄到棧臺，在套谷邊緣沿寬張裂隙入滲，再次轉變為地下水補給下部裂隙水，基準面以上排泄到地表徑流或在封閉裂隙內儲存，基準面以下在裂隙內儲存(圖6)。

圖6　嶂石巖地貌區水文地質特征示意

受林濾山國家風景保護區控制，太行山隧道需走行在地表徑流以下，隧道側向補給增加，地下水排泄困難，涌水風險顯著增大。

4　隧道富水程度分析

太行山隧道在嶂石巖地貌區圍巖為震旦系砂泥巖及太古界片麻巖地層。地下水類型為基巖裂隙水，按照大氣降水入滲法不考慮巖溶泉二次補給涌水量僅0.6萬m3/d，隧道實際開挖揭示最大涌水量達11.6萬m3/d，水壓達0.5 MPa，且分布不均，顯現出嶂石巖地貌區砂巖裂隙水復雜性的一面[8-9]。

通過對涌水量與降雨量的統計分析表明(圖7)，大氣降水對下部裂隙水的補給滯后期為4～6個月。

上部巖溶泉與隧道涌水的同位素測試及示蹤試驗表明，泉水對下部裂隙水存在二次補給。DK585+050～DK585+440段涌水同位素氚含量9.14 Tu，上部巖溶泉氚含量7.62 Tu，巖溶泉滲到掌子面大約需要43 d；DK580+150～DK582+600段涌水同位素氚含量10.19 Tu，上部巖溶泉氚含量10.86 Tu，巖溶泉下滲到掌子面約需要41 d。

綜合隧道水文地質條件及涌水量觀測數據統計分析及富水分段研究表明(表1、圖8)，Ω套谷谷口、地形陡峻段落、寬張裂隙發育段落、上部泉水發育段落富水。基準面(區域地下水位)以下富水。

圖7　涌水量與降雨量關系

段落里程起訖富水程度地貌類型圍巖溝谷類型實測涌水量/(萬m3/d)單位長度涌水量/(m3/d·m)涌水形式1DK578+875DK580+150弱河谷泥巖盤谷002DK580+150DK582+600中等河谷發育泉砂巖盤谷3.313.5隧底滲出基準面3DK582+600DK585+050中等廣義嶂石巖砂巖天脊嶂溝1.45.7裂隙股狀流出4DK585+050DK585+440強嶂石巖發育泉砂巖套谷4.5115.40.5MPa裂隙突出5DK585+440DK588+900中等嶂石巖砂巖嶂谷2.46.9裂隙股狀流出6DK588+900DK590+300弱河谷片麻巖盤谷00

圖8　富水程度分區示意

5　隧道涌水量對比分析

隧道涌水量大小影響圍巖分級及投資，事關隧道的施工組織及施工、運營安全。

水文地質條件的各向異性和邊界條件的不確定性，給隧道涌水量預測帶來極大困難，也使預測結果會與實際情況出現較大偏差。

為便于評價不同隧道涌水量預測方法的預測精度，引入了可信度概念，采用大氣降水入滲法、地下徑流模數法、地下水動力學法(佐藤邦明)、工程地質類比法、同素法等5種方法對太行山隧道在嶂石巖地貌區的單位長度涌水量進行預測[10-12]，與施工期間及竣工后3年的實測值(2017年7月)進行對比分析(表2)。可信度公式如下

K=min(qpr，qac)/max(qpr，qac)

式中K——可信度；

qpr——預測單位長度涌水量；

qac——實測單位長度涌水量。

基于嶂石巖地貌區水文地質特征分析及隧道富水程度分析，提出補給區修正大氣降水入滲法，引用錢學溥補給模數修正地下水動力學法對太行山隧道在嶂石巖地貌區的涌水量進行了預測。

嶂石巖地貌，Ω套谷、寬張裂隙發育；存在上部喀斯特巖溶水系統、下部基巖裂隙水系統的二元結構，下部基巖裂隙水在棧臺地段受到巖溶泉水二次入滲補給；大氣降水入滲法需考慮套谷和巖溶泉控制的補給區影響，故嘗試提出補給區修正大氣降水入滲法。

錢學溥[13-18]通過大量對比實例發現大井法預測礦坑涌水量與實際涌水量存在極大偏差，可信度較低。經分析，影響半徑是產生可信度低的主要原因，可采用補給模數(M0)對影響半徑R=(Q/π·M0)0.5進行修正，并經迭代回歸修正，文獻[18]對47個煤礦進行了驗算，發現預測結果的可信度顯著提高。

單位長度涌水量對比分析表明，大氣降水入滲法對涌水量預測可信度不高，地下徑流模數法、地下水動力學法、工程地質類比法、同素法對單位長度涌水量預測可信度有所提高，但處于較低水平。嶂石巖地貌區寬張裂隙不發育區，補給區修正降水入滲法對單位長度涌水量預測可信度較高；嶂石巖地貌區Ω套谷、寬張裂隙發育區，二元結構區，地下水位以下，補給模數修正地下水動力學法對單位長度涌水量預測可信度較高。

表2　單位長度涌水量對比分析

注：1.1段DK578+875～DK580+150；2段DK580+150～DK582+600；3段DK582+600～DK585+050；4段DK585+050～DK585+440；5段DK585+440～DK588+900；6段DK588+900～DK590+300

2.I—單位長度涌水量(m3/d·m)；II—可信度(施工期間)；III—可信度(2017年7月，竣工3年)

6　結論和建議

(1)受限坡、林慮山風景名勝區、紅旗渠等因素控制，太行山越嶺段需在地表徑流以下以隧道形式下穿紅旗渠、露水河，翻越西井山、林濾山，其中露水河以西發育典型的嶂石巖地貌，具二元結構(上部碳酸鹽巖建造，下部石英砂巖建造)，Ω套谷、寬張裂隙發育等特征。

(2)太行山隧道嶂石巖地貌區，位于西井山單斜蓄水構造水文地質單元內，背斜核部、Ω溝口、地形急劇變化帶原生構造裂隙、卸荷裂隙發育，Ω套谷頂部棧臺巖溶泉發育。

(3)嶂石巖地貌區特殊的水文地質特征表現為：上部巖溶水沿隔水層頂板排泄到棧臺，在套谷邊緣沿寬張裂隙入滲，再次轉變為地下水補給下部裂隙水，基準面以上排泄到地表徑流或在封閉裂隙內儲存，基準面以下在裂隙內儲存。

(4)太行山隧道受林濾山國家風景保護區控制，隧道走行在地表徑流以下，地下水排泄困難，突涌水風險大。Ω套谷谷口、地形陡峻段落、寬張裂隙發育段落、上部泉水發育段落富水，區域地下水位以下強富水。

(5)嶂石巖地貌區存在二元結構、溶泉水二次入滲補給，砂巖裂隙水復雜，涌水量預測困難。多種涌水量預測方法和實測對比結果表明，寬張裂隙不發育區，采用補給區修正降水入滲法進行單位長度涌水量預測的可信度較高；在Ω套谷、寬張裂隙發育區，二元結構區，地下水位以下，則采用補給模數修正地下水動力學法預測的可信度較高。

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