黔張常鐵路高山隧道巨型溶洞發育特征及工程評價

羅文藝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

隨著我國高速鐵路的迅猛發展和工程科技的日益進步，在巖溶地區修建隧道越來越多。巖溶對鐵路工程的危害大，隧道施工過程中遭遇大型溶洞[1-4]，災害性的突水、涌泥[5-7]的可能性極大，施工風險高，巖溶是鐵路建設中一個重要的工程地質問題。黔張常鐵路穿越渝東南、鄂西南和湘西北，沿線巖溶地質條件極其復雜。該線高山隧道施工至DK53+678揭示一巨型溶洞，通過對其巖溶發育特征[8-9]及工程評價進行研究，對溶洞施工處理方案的制定具有重要的意義。

1 地質概況

高山隧道地處鄂西南構造侵蝕、溶蝕中低山區，地面高程700～1 200 m。穿過阿蓬江水系與酉水河水系的分水嶺，進口為土樂坪溶蝕洼地，出口為空紹園—林家坪溶蝕槽谷區。起訖里程DK51+328～DK55+286，單洞雙線隧道，全長3 958 m。

隧道通過的地層巖性為奧陶系下統南津關組、紅花園組、分鄉組(O1n+h+fLs+Sh)灰巖夾頁巖，奧陶系下統大灣組(O1dLs+Ml)灰巖夾泥灰巖，寒武系上統耗子群(∈3hzLs+Dm)灰巖夾白云巖、道陀組(∈3dLs)灰巖。其中奧陶系下統南津關組、分鄉組、紅花園組為本區巖溶最發育、地下水最豐富的地層，高山巨型溶洞就發育在該套地層中。隧道地處咸豐斜歪背斜的南東翼，總體表現為一單斜構造。隧道進口附近發育F2斷層，總體走向為N20°W，出口附近發育F3斷層，總體走向為N40°W，斷層通過處地表均形成斷裂谷。區內地層經長期的溶蝕和剝蝕作用，巖溶強烈發育，地表巖溶漏斗、落水洞呈串珠狀分布。洞身發育三條管道流，隧道出口1 km發育區域14號暗河，隧址區水文地質縮圖如圖1所示。

圖1 高山隧道巖溶水文地質縮圖

隧址區自燕山運動以后，地殼運動以大面積的繼承性隆起為主。在隆起的過程中，表現出兩個顯著的特點：一是隆起的不均一性，造成不同構造單元隆起幅度的差異；二是隆起的間隙性，造成多級剝夷面及其與此相應的巖溶地貌組合形態。由于構造活動間歇性上升、不同地文期上升速度和幅度的差異，導致巖溶發育的多層性和巖溶發育形態的差異，巖溶發育垂直分帶性明顯。區域剝夷面[10-11]分布特征見表1，隧址區主要發育第三、四、五級剝夷面。

表1 區域巖溶剝夷面特征

2 溶洞形態特征

2.1 溶洞平面形態特征

采用地質調查、三維激光掃描結合常規測量技術，查明了溶洞形態及與隧道的空間關系，溶洞形態分布如圖2所示。溶洞主要由3部分構成：廳堂狀廊道、主通道(伴生有2號支洞)、1號支洞。

圖2 溶洞形態分布

(1)廳堂狀廊道：廊道長約100 m，寬32～63 m，高46～65 m。靠正洞小里程側南端洞壁危巖較多，溶洞頂部呈天然吊頂狀，凈空較大，寬達40 m。該段洞壁巖層近水平發育，傾角約8°，主要發育N63°～75°E/82°～90°、N12°～24°W/84°～90°兩組傾角均近垂直的優勢節理。廊道順節理裂隙溶蝕塌落形成，為主通道和北側支洞(1號支洞)的連接通道。洞壁無鐘乳石、石幔等發育，僅平導大里程側洞壁局部有方解石結晶體，洞頂及洞壁無來水痕跡，北側端頭小里程側發育1號支洞。

(2)主通道：主通道長約450 m，寬7～45 m。總體呈N45°E方向發育，通道南段發育有3處消水點。主通道順巖層及構造裂隙溶蝕塌落形成，洞壁局部發育有鐘乳石、石花等，方解石晶簇在通道西南側分布較多，東北側末端發育一溶蝕裂隙，入口處位于平導基底正下方約33 m，洞頂有淋雨狀滴水，估測水量約200 m3/d，通道盡頭有細次棱角狀礫石分布，有新鮮水痕，為巨型溶洞北側主要消水口。從西南側消水點及洞底半固結的粉質黏土分布特征分析，主通道南端具有向下發育特征。

主通道南側發育2號支洞，呈N70°E向發育，洞口頂高程約693 m，寬5～8 m，高3～8 m，近水平延伸長度約120 m，洞壁及洞底見早期流水沖刷溶蝕痕跡，洞底堆積物以粉質黏土為主，夾少量角礫，層厚5～10 m，局部大于10 m，洞壁見方解石晶簇發育，呈片狀附著在巖壁上，溶洞盡頭為早期的大型溶隙出水口，該支洞洞壁及洞頂穩定性較好。

(3)1號支洞：洞口呈近圓狀，洞口頂高程約720 m，自塌落物下部約30 m洞壁位置開始發育，支洞長約117 m，寬7～12 m，總體呈N85°E向小里程方向斜下發育。支洞未見過水痕跡，洞壁未見鐘乳石及方解石結晶體，為順巖層及構造裂隙溶蝕形成的早期過水通道。巖壁節理以垂直張節理為主，走向約N25°W，節理間距8～12 m，寬3～5 cm，局部有危石，洞底堆積物以塊石為主，塊徑一般0.3～1.5 m，最大塊徑可達5 m，結構松散。

該支洞與平導和正洞相交，該段正洞跨越里程為DK53+575～DK53+590，長度15 m，正洞軌面高于溶洞頂板約42 m，對正洞基底影響較小。

平導跨越廳堂狀廊道及主通道長度約68 m，與溶腔走向約呈42°夾角，拱頂以上溶腔高2～8 m，基底以下溶腔深30～55 m；正洞跨越廳堂狀廊道及主通道長度約71 m，與溶腔走向約呈42°夾角，拱頂以上溶腔最高處約2 m，基底以下溶腔深30～55 m。

2.2 溶洞堆積體特征

(1)鉆探

溶洞頂板凈空大，洞壁圍巖穩定性較差，洞內施工作業安全風險極大，為查明溶洞堆積體的厚度及成分，結合地質調查，在洞內布置了7個控制性鉆孔，鉆孔布置及堆積體厚度見表2、圖3。

表2 溶洞鉆孔布置及堆積體厚度

圖3 溶洞鉆孔布置示意

根據對巨型溶洞地質調查，廳堂狀廊道底部為塊石土覆蓋，厚度呈北厚南薄，褐黃—青灰色，松散，潮濕，塊徑一般為0.5～3 m，最大塊徑達8 m，覆蓋層厚50～65 m。主通道底部堆積體中間高、兩端低，松散，干燥-潮濕，最大塊徑約6 m。結合鉆孔GS-2、GS-3、GS-6、GS-5、GS-7分析，洞底堆積體成分主要為塊石土，厚37.3～65.5 m。其中12～47.5 m以上堆積體成分較純，全為灰巖碎塊石，巖芯多呈塊狀-短柱狀，局部長柱狀，最大節長約0.6 m，巖芯斷面新舊相間，巖芯采取率為60%～80%，為后期洞壁及洞頂塌落物。其下堆積體多見有黏性土夾層或透鏡體，最大厚度約7 m，褐黃-灰黑色，土質不純，含少量砂質，硬塑，巖芯多呈塊狀-短柱狀，最大節長約0.3 m，巖芯采取率65%～80%，局部為40%～50%，為溶洞早期塌落物及沖積地層，5個鉆孔均未揭示地下水，溶洞剖面特征如圖4所示。

圖4 溶洞堆積體剖面

(2)物探

由于溶洞松散堆積體孔隙大、堆積體表面起伏大不易耦合及溶洞場地作業空間狹窄等特性，選擇了效果相對較好的高精度瞬變電磁法(HPTEM)和地震反射波法對松散堆積體進行探測。高精度瞬變電磁法共布置5條測線，地震反射波法共布置2條測線。最終采用高精度瞬變電磁法進行解譯，結合溶洞形態及鉆孔資料，對HPTEM數據三維可視化如圖5所示。

圖5 溶洞HPTEM三維圖

綜合HPTEM斷面數據可得出：(1)溶洞堆積體覆蓋層厚度41～65 m，基巖面起伏變化較大，整體呈現小里程段高、大里程段低，四周高、中間低的形態；(2)溶洞線路位置基巖面下30 m電阻率等值線光滑，未見明顯的畸變，表明30 m以下巖體較完整；(3)基巖面附近電阻率測線平滑，未見明顯含水特征。

3 溶洞頂板、洞壁地質特征及穩定性分析

3.1 溶洞頂板

通過無人機技術及洞內詳細調查，溶洞頂中部可見較完整的巖層面，處于相對穩定狀態，頂部邊緣局部仍不穩定，時有坍塌、掉塊。溶洞頂部整體穩定性受上部巖層完整程度、層間結合力、洞壁的穩定性及外界因素如強烈震動等影響，且溶腔頂部臨空面較大，頂部巖層有變形及失穩的可能。

3.2 溶洞洞壁

廳堂狀廊道洞壁局部發育寬張節理，張裂隙寬度達30 cm，兩組優勢節理將巖壁巖體切割成巨塊狀，節理陡傾，巖壁穩定性較差。洞內典型危巖體2017年1月6日～16日監測結果見表3。

表3 危巖體裂縫監測成果 mm

單日最大變化量為2～3 mm，10 d累計最大變化達15 mm。同時，根據現場調查，洞壁多處見有塊石掉落，且存在同一地方發生多次掉落現象，說明該溶洞洞壁大部分仍處于不穩定狀態，塌落仍在繼續。

4 溶洞水文地質特征

4.1 溶洞水文地質特征

隧道穿過阿蓬江與酉水河水系的分水嶺，地表水不甚發育，隧址區地下水補、徑、排受控于土落坪溶蝕洼地、區域性打車河暗河及桐木灣—干龍洞、DK53+250、陽河—陳家渠管道流，溶洞地下水補給來源受地表匯水面積及溶蝕裂隙、落水洞等控制。經圈匯，溶洞地表匯水面積約0.32 km2，溶洞地表兩側各發育1條管道流，管道流總體順沖溝發育，發育高程為850～860 m，明暗流交替出現，大氣降雨多被其截走，影響溶洞降水的補給面積較小。

4.2 補給量理論計算

溶洞地下水主要補給源為大氣降水，通過落水洞、漏斗及溶蝕裂隙下滲補給。最大補給量計算采用大氣降水入滲法，其中日降雨量根據長序列水文監測數據及皮爾遜-Ⅲ線型計算，日最大降雨量P5%(20年一遇)為230 mm，P20%(5年一遇)為138 mm。

最大補給量根據公式

Q=1 000·α·X·A·η

式中Q——最大涌水量，m3/d；

α——入滲系數；

X——日降雨量，mm；

A——匯水面積，km2；

η——時間滯后系數，取0.4。

經理論計算，溶洞最大補給量為17 370 m3/d。

經詳細調查，廳堂狀廊道洞頂平整，未見裂隙及管道水，主通道洞壁多發育鈣化層及方解石晶簇，僅與平導相交處有淋雨狀滴水，水量約200 m3/d，1、2號支洞均未發現明顯來水通道。

4.3 溶洞及堆積體地下水特征分析

溶洞地表為巖溶峰叢、溶蝕殘坡，峰叢與溶蝕平臺相間地貌。從主通道南端及1號支洞南側盲端拳頭狀溶蝕及洞內巖溶現象，結合溶洞地表地貌及區域水文地質特征綜合分析，早期地下水總體流向為西南方向，挽近后期地殼不均勻抬升，地下水開始向兩側，最終向14號暗河匯集，溶洞內水文地質縮圖如圖6所示。

圖6 溶洞內水文地質縮圖

從圖6可以看出，1區、2區、6區、7區洞底堆積體表面潮濕，局部洞頂有滴滲水，這4個區地表發育有3個落水洞。5區、8區洞底堆積體干燥，4區洞底堆積體潮濕，洞頂有滴水，水量約200 m3/d。洞內實施的7個鉆孔揭示溶蝕底面為硬塑粉質黏土，堆積體及基巖均未見地下水。主溶蝕通道底部高程均低于廳堂狀廊道溶蝕底面高程，為溶洞的最低溶蝕底面。主通道巖溶發育成熟，補徑排通暢，溶洞目前通過圖6中的A、D、E點狀滲漏消水，通過B以線狀及面狀滲漏消水。

4.4 水文監測資料分析

隧址區屬亞熱帶潮濕濕潤型氣候，氣候溫和，四季分明。多年平均降水量1 373.2 mm，年最大降雨量1 988.8 mm(1983年)，年最小降雨量949.9 mm(1988年)，降水多集中在4～9月。隧址區于2015年11月建立了降雨量自動監測站。經監測，2016年降雨量為2 267.1 mm，超過該地區有記錄數據以來的年最大降雨量1 988.8 mm。日最大降水量對比，根據長序列水文監測數據及皮爾遜-Ⅲ線型計算，日最大降雨量P5%(20年一遇)為230 mm，P20%(5年一遇)為138 mm。自建氣象站監測日最大降雨量為254.5 mm(2016年7月23日)，達20年一遇降雨水平。該溶洞于2016年8月揭示，經多次洞內詳細探查，溶洞內未見有明顯水流痕跡。

5 溶洞成因淺析[12-13]

溶洞的形成與演化受地形地貌、地層巖性、地質構造及水動力條件等因素控制。隧址區巖溶演化主要經歷了3個發育期：第一期主要表現為峰叢洼地-漏斗地貌，分布于阿蓬江與酉水河的分水嶺地帶，發育高程1 000～1 050 m。第二期主要表現為巖溶坡立谷、大型峰叢洼地及峰叢槽谷等巖溶地貌，發育高程860 m左右，該時期形成的巖溶地貌控制了本區巖溶地下水的匯集條件。第三期主要表現為峰叢斜坡地貌，其內發育有部分槽谷、洼地等，是隧址區重要的巖溶發育期，它不僅控制了研究區降雨匯集入滲的條件，同時還控制了區域地下暗河、巖溶管道的發育，發育高程600～650 m。溶洞廳堂狀廊道溶洞底面高程為665.81～671.87 m，底部總體向主溶蝕通道傾斜，主溶蝕通道底部高程656.40～660.25 m，因此溶洞主要形成于區域巖溶發育的第三期。溶洞處隧道高程為760 m，結合區域14號暗河在隧址區高程(605 m)綜合分析，隧道位于巖溶水垂直滲流帶中，頂部90 m范圍巖溶不發育。

隧址區由于挽近地殼不間斷上升，期間出現間斷性的寧穩期，寧穩期有充分的時間完成巖溶化作用，形成多層夷平面及其對應的巖溶洞穴。受區域地質構造、新構造運動及地殼抬升的影響[14-15]，溶蝕侵蝕加劇，地表沖溝的形成導致地下水補給源減少或徑流條件發生改變，主溶蝕通道沿節理裂隙下切溶蝕，廳堂狀廊道區水量減少至枯竭，為順優勢張裂隙、巖層傾向溶蝕及后期塌落綜合作用形成的半充填型巨型洞穴系統。

6 工程評價

(1)巨型溶洞于挽近地殼不間斷性抬升及間斷性的寧穩期完成了巖溶化過程，隨著地殼不斷抬升，水動力條件發生變化及后期塌落綜合作用形成半充填型干溶洞，目前處于衰退期。

(2)巨型溶洞由廳堂狀廊道、主通道(伴生有2號支洞)、1號支洞3部分組成，隧道通過廳堂狀廊道、主通道。廳堂狀廊道底面總體向主通道傾斜，堆積體物質主要由兩部分構成，上部為塌落塊石土，厚12～47.5 m，下部主要為土夾石，厚18～32.5 m，中間部位底部分布有厚4～7 m的粉質黏土，主通道堆積體物質主要為塌落塊石土。經鉆探及物探資料綜合分析，溶洞溶蝕底面以下20 m深度范圍巖體較完整，巖溶不發育。

(3)廳堂狀廊道溶洞頂部巖層已形成塌落拱，基本穩定，洞壁大部分仍處于不穩定狀態，塌落仍在繼續，受洞壁穩定性及外界因素影響，頂部巖層有變形及失穩的可能。主溶蝕通道頂部及巖壁均存在塌落及掉塊，穩定性較差。

(4)隧道穿過阿蓬江、酉水河分水嶺，受進口土樂坪巖溶洼地、出口區域性14號暗河控制，地表水、地下水向隧道兩側徑流。溶洞底面高程656 m，暗河高程605 m，溶洞處隧道高程為760 m，隧道位于巖溶水的垂直滲流帶中。

(5)巨型溶洞地表為2條管道流的分水嶺附近，地表沖溝發育，受兩側管道流影響，大部分降水通過分布在高程860 m附近的管道排泄，僅少量水通過節理裂隙下滲。同時，溶洞頂部匯水面積較小，無明顯匯水洼地，補給有限。

(6)根據水文氣象監測數據，2016年年降雨量及日最大降雨量均為該地區有觀測記錄以來的最大值，經調查未見地下水流動痕跡，表明洞內地下水受降雨影響小。洞內鉆孔也未揭示到地下水，但主溶蝕通道側壁及頂部的局部地段有滴滲水，施工處理應保持主溶蝕通道水流通暢。廳堂狀廊道雖未見地下水，考慮到滯水效應，應預埋排水管路至主通道。

7 結語

高山隧道為黔張常鐵路6座I級高風險隧道之一，為全線關鍵性控制工程。隧道施工遭遇巨型溶洞，秉行“繞有依據，過有措施”的思路，通過多種勘察手段，查明了該隧道區域巖溶發育特征，并對巨型溶洞水文地質特征、頂板穩定性及堆積體成分、厚度進行了詳細研究，為確定以回填為主的施工處理方案提供了翔實的地質依據，可為以后類似工程提供參考。

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