高速鐵路隧道巖溶陷落柱成因及工程地質特征分析

方振華 許衛武 羅明磊 王 科 馮 濤 丁浩江

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2.中鐵十二局集團有限公司，太原 030024；3.西南交通大學，成都 610031)

巖溶陷落柱多發育于煤系地層，一般情況下，巖溶陷落柱的產生與可溶性巖層、地下水徑流、貫穿陡傾節理、層滑構造等條件有關[1]，易造成突水、地面塌陷和影響洞室穩定性等問題，嚴重影響高速鐵路建造施工及運營安全[2]。為確保在巖溶陷落柱地質條件下施工的安全性，國內外眾多學者對巖溶陷落柱的成因及施工技術進行研究。尹尚先等系統闡述了華北型煤田陷落柱及其突水的研究歷程，歸納了巖溶陷落柱空間形態特征、充填物特點、揭露特征、結構構造等[3]；伍永平等采用理論分析與數值模擬等手段，分析開采過程中圍巖支承壓力演化過程、圍巖變形破壞規律、滲流演化特征等問題[4]；張紅梅通過決策樹分級歸類法、多源信息復合預測法，對深部巖溶陷落柱空間位置及其充水性進行預測[5]；王義海通過研究構造及地下水控制下巖溶陷落柱柱體形成及發育規律，揭示不同尺度構造對巖溶陷落柱形成的控制作用[6]。

綜上所述，巖溶陷落柱在煤系地層中較為常見，在鐵路隧道中較為罕見，且少有相關研究，以下基于成貴高鐵鐵盔山隧道工程實例，結合高鐵隧道建設中罕見的巖溶陷落柱地質條件，分析論述鐵盔山隧道巖溶陷落柱的成因，為以后的巖溶地區工程建設提供參考借鑒。

1 工程概述

成貴高鐵鐵盔山隧道位于貴州省黔西縣境內，設計為單洞雙線無砟軌道，設計速度250 km/h，于2019年12月16日通車運營。鐵盔山隧道全長5 227 m，起止里程為DK466+785～DK472+012，中心里程DK469+398.5，最大埋深380 m。進出口設置平導輔助施工。

2017年2月28日，超前平導施工至PDK469+395，掌子面遇松散堆積不良地質體并出現涌水，且涌水量持續增大至10 000 m3/d以上，施工風險高，向前掘進困難。4月27日，為控制平導和正洞施工風險，確保施工安全，決定在平導掌子面后方40 m線路右側施作迂回導坑，繞避不良地質體[9]。9月7日，迂回導坑施工至YHK0+215，轉入原平導線位。原平導PDK469+395處掌子面施作混凝土墻加固，并保留出水口為正洞及迂回導坑施工排水降壓，效果良好。

2 地質環境條件

2.1 地形地貌

隧址區屬云貴高原峰叢谷地地貌，線路高程為1 140～1 490 m。隧道進出口地面坡度較緩，隧道洞身段地表拔起高度較大，頂部發育多條沖溝。

2.2 地層巖性

除進出口斜坡地帶上覆第四系全新統坡洪積黏土，坡殘積松散堆積粉質黏土夾碎石角礫外，隧道洞身主要穿越松子坎組薄至中厚層狀泥頁巖、泥質白云巖、灰巖、泥質灰巖夾石膏，茅草鋪組薄至中厚層狀泥質白云巖、泥質灰巖、灰巖夾頁巖、溶塌角礫巖，以及3條斷層破碎帶。其中，隧道中部約3 km長度上覆獅子山組薄至中厚層狀灰巖、泥質灰巖、泥質白云巖夾薄層頁巖、溶塌角礫巖地層[10]。

2.3 地質構造

隧區構造體系主要屬新華夏系，隧道通過的假角山—馬場復式背斜形成于燕山構造旋回期，主要由多個北北東向褶曲組成。隧道穿越了該復式背斜的次級褶曲—鐵盔山向斜。鐵盔山東西兩側各發育一條北東東向的壓扭性逆沖斷層，斷距達數百米，中部向斜亦同時形成，進而形成最大高差達近500 m的鐵盔山(見圖1)。

圖1 隧址區構造體系

2.4 水文地質特征

鴨池河是隧區最大的地表水體，于隧道出口前方通過，線路附近河底高程約為750 m，河面寬100～200 m，沿途接受眾多支流、暗河等的補給，水量頗豐。老校溝為隧道進口端的侵蝕基準面，高程約1 060 m，雨季水量較大。

隧道中部上覆獅子山組地層，巖溶發育強烈，地表發育有洼地、漏斗、落水洞等巖溶形態，有利于大氣降水滲入地下，形成豐富的巖溶水，而下伏的松子坎組地層中泥、頁巖透水性和含水性均差，總體上構成隔水巖層，使得向斜核部具有較好的蓄水作用。巖溶水將匯集于隧道中部鐵盔山盆狀向斜核部地層接觸帶附近。最終主要通過暗河、巖溶大泉等通道徑流排泄。經現場調查，隧道進口D4K467+872右側1 034 m有一處大型下降泉點，出露高程1 161 m，枯季流量達1 000 m3/d，雨季流量大于3 000 m3/d；隧道出口線路右側200,540 m和左側300,620 m有5處泉水出露，其高程為950～1 000 m，其中線路右側540 m處泉水流量約1 000 m3/d，于山腰陡崖上呈瀑布狀下泄，其余泉點流量約200 m3/d。

3 不良地質體概述

3.1 空間分布特征

鐵盔山隧道出口平導施工至PDK469+395時遇松散堆積體，為了查明掌子面前方松散堆積體發育范圍，于平導、迂回導坑、正洞共實施23個超前水平鉆孔，合計深度974.5 m，其中取芯439 m/10孔。對鉆孔鉆進及取芯情況進行分析，結合正洞上、下臺階開挖揭示圍巖情況及超前地質預報資料，查明了堆積體的分布范圍，其在隧道高程面大致呈圓形，縱向尺寸約54 m，橫向尺寸約60 m，平面位置為DK469+341～DK469+402段線路右側2.8～63 m，侵入正洞范圍主要為DK469+353～DK469+392段線路右側2.8 m至右邊墻，見圖2。

圖2 鐵盔山隧道巖溶陷落柱形態及平面范圍示意

于正洞實施16個隧底鉆孔，孔深30～90 m不等。鉆孔揭示堆積體范圍內，隧底以下巖體破碎，巖質不新鮮、具風化現象，裂隙面多見明顯水蝕痕跡，呈褐黃、灰褐色，且巖層間夾黏土層，綜合判識為泥質白云巖、頁巖、泥質灰巖及白云巖質塊石角礫堆積體(見圖3)，巖塊中含薄層、脈狀石膏。鉆孔取芯也未見完整巖層。由此可見，此堆積體呈柱狀分布形態，向隧頂、隧底延伸。

圖3 水平鉆孔及隧底以下90 m鉆孔揭示情況

3.2 物質組成

根據掌子面揭示情況，松散堆積體主要為碎塊石夾黏土，碎塊石母巖成分主要為泥質白云巖、頁巖、灰巖等，夾少量黏土，結構紊亂，具有一定膠結性，巖塊棱角分明，塊徑0.2～2 m不等，自穩性較差。

圖4 PDK469+395平導情況

3.3 現場水文觀測情況

該不良地質體附近地下水流量約為130 m3/d，隨后水量逐漸增大，并呈季節性變化，豐水期流量一般為6 000～12 000 m3/d，最大值約40 000 m3/d。

3.4 不良地質體定性

綜合分析隧區地形地質條件、水文地質及掌子面圍巖情況，認為該不良地質體是巖溶洞穴塌陷的產物。它是下伏可溶巖地層發育形成巖溶地下水管道和大型溶洞后，多因素耦合作用下，溶洞頂板相對軟弱的巖層失穩并循環、持續陷落堆積形成的柱狀堆積體。

4 巖溶陷落柱成因分析

一般認為，巖溶陷落柱是溶洞上覆的非可溶巖層塌陷而形成的現象[11]。其發育是多種地質因素共同作用的結果，往往需經歷孕育、發生、發展的復雜過程[12]。

(1)可溶巖地層

該巖溶陷落柱發育于松子坎組，地層中含灰巖、石膏等可溶性巖石；下伏的茅草鋪組地層巖溶強烈發育，具備發育形成巖溶洞穴的基本條件。這種上部為弱-非可溶性巖層，下部為巖溶強烈發育的疊置結構滿足陷落柱產生的條件。

(2)良好的地下水徑流條件

向斜構造往往是地下水儲水構造，大量地表水由淺部獅子山組巖溶含水層滲入地下，下伏松子坎組地層透水性差富水性弱，地下水沿層面運動向核部匯集，因此，鐵盔山向斜核部地下水富集，形成隧道上覆巖溶地下水向斜蓄水構造的格局。隧區地下水排泄基準面為鴨池河，河面高程為840 m，地表高程為1 400～1 450 m，地下水動力條件好。鴨池河河谷切入茅草鋪組地層，強烈的水動力條件使得茅草鋪組中巖溶空間極為發育，并逐步形成區域巖溶地下暗河系統。

隧區地下水在向斜核部匯集后，沿核部豎向張裂縫向下運動，最終向鴨池河排泄。良好的地下水徑流條件，導致地下水運動非?；钴S，使得巖溶豎向發育成為可能。陷落柱形成后，破碎的“柱體”具有良好的滲透性，成為上下貫穿的巖溶地下水集中排泄、徑流通道，直至巖溶陷落柱發育終止。

(3)侵蝕性的地下水

地下水侵蝕性越強，越有利于溶洞發育。隧道穿越的松子坎組地層含石膏，且水樣存在較強硫酸鹽侵蝕(侵蝕性等級為H3)。

(4)特殊的構造部位

該巖溶陷落柱形成于鐵盔山盆狀向斜核部區域，豎向張性節理發育。洞身巖層以薄至中厚層狀為主，巖體被切割成大小不一的塊體。巖層底部形成巖溶空腔后，在重力作用下易發生坍塌陷落，使得陷落柱不斷向上發育。

巖溶陷落柱的形成須具備上述條件，缺一不可。鐵盔山隧道揭示的巖溶陷落柱是沿鐵盔山盆狀向斜核部豎向縱張裂隙發育的溶洞垮塌堆積物，在地質歷史時期，向斜核部可溶巖地層中不斷形成溶蝕-溶洞-垮塌堆積的循環往復作用，最終形成巖溶塌落柱。結合區域地質條件及現場勘探結果，判定該巖溶陷落柱直徑達60 m(隧道高程處)，發育高度為200～300 m，見圖6。

圖6 鐵盔山向斜核部巖溶陷落柱發育示意

5 陷落柱形成控制因素的數值模擬

為了研究陷落柱的形成過程，采用三維離散元軟件3DEC進行了數值模擬[13-14]。以圖5所示的縱斷面為原型，建立如圖7(a)所示的數值計算模型。模型豎向高760 m，水平方向長1 880 m，縱向寬10 m。根據1號斷層和4號斷層的產狀，模型中設置了2組優勢節理，節理間距為10 m，以此來分析結構面對陷落柱演化的控制作用。圍巖巖體采用Mohr-Coulomb本構模型，其中，巖體重度γ=25 kN/m3；體積模量K=10.28 GPa；剪切模量G=6.77 GPa；黏聚力c=3 MPa；內摩擦角φ=53°；抗拉強度T=1 MPa；節理法向剛度n=2.11 GPa/m；切向剛度s=0.86 GPa/m；黏聚力cj=0.1 MPa；內摩擦角φj=35°。

圖5 DK469+382正洞掌子面線路右側情況

設計了3個對比工況，具體分析如下。

工況一(無節理圍巖+溶洞)設圍巖為均質巖體，無節理切割，在初始應力場基礎上模擬溶洞形成，以分析均質圍巖中陷落柱的形成可能性。

工況二(節理圍巖+溶洞)設圍巖為節理巖體，2組節理切割，在初始應力場基礎上模擬溶洞形成，以分析節理巖體圍巖中陷落柱的形成可能性。

工況三(節理圍巖+溶洞+地下水)在工況二的基礎上，于580 m(高程1 300 m)處施加地下水位，以分析地下水條件下節理巖體圍巖中陷落柱的形成可能性。

圖7列出了數值模擬結果，圖7(a)為無節理圍巖溶洞形成后的豎向位移云圖。溶洞形成后，圍巖的最大豎向位移位于溶洞頂部，為0.1 m量級，等值線形態符合卸荷回彈規律，但沒有明顯的位移間斷區，表明均質圍巖不會形成陷落柱。

圖7(b)為節理巖體在溶洞形成初期的圍巖豎向位移云圖，可見到明顯的節理控制作用。最大位移仍然位于拱頂區域，但具有明顯的位移間斷，位移大于0.14 m的區域位于兩組節理之間。隨著時間推移，這種位移特征并不會隨著塌落的發展而改變，如圖7(c)所示，塌落體的位移已遠大于1.2 m，形成了明顯的塌落體范圍，但塌落體依舊局限在兩組節理限定的范圍內。

在地下水的疊加作用下，塌落體的范圍繼續擴大(并不局限在兩組節理范圍內)，真正形成了陷落柱，見圖7(d)。位移大于1.0 m的區域明顯，呈柱體狀位于拱頂上部。

圖7 陷落柱模擬的豎向位移云圖(單位：m)

6 該巖溶陷落柱工程地質特征分析6.1 整體穩定性分析

該巖溶陷落柱是由巖溶洞穴頂板巖層自下而上不斷坍塌陷落堆疊而成。結合現場鉆探取芯及施工揭示情況，該巖溶陷落柱碎塊石堆積體已具一定膠結性，說明在一定的歷史時期內隧底未再發生坍塌，也表明柱體底部較大型的巖溶水流通道已基本被堵塞，未再發生大規模的物質搬運。因此，該巖溶陷落柱現狀整體穩定。

6.2 力學特性

根據現場實施水平及豎向鉆孔分析，巖溶陷落柱主要成分為泥質白云巖、頁巖及灰巖質碎塊石，含薄層、脈狀石膏，其間頁巖具泥化現象，巖塊之間具有一定膠結性，整體呈碎塊石夾黏土狀，力學性能較差。另外，巖溶陷落柱的形成是一個循環陷落的過程，受長期的卸荷作用以及上部巖體陷落撞擊作用后，柱邊巖體不斷形成環狀裂隙帶、破碎帶，導致巖體結構強度降低。

不難看出，陷落柱柱體及柱邊圍巖屬地質體薄弱帶，結構強度較低，工程力學性質較差，應進行相應的加固處理。

6.3 水文地質

陷落柱柱體堆積物質膠結程度不足，可成為導水通道，現場揭示巖溶陷落柱處涌水量較大(40 000 m3/d)，可見該巖溶陷落柱為典型的導水陷落柱，且位于地下水垂直強徑流帶上。同時，陷落柱柱邊環狀破碎裂隙帶在隧道開挖后，因應力釋放使裂隙尖端不斷擴展、延伸，甚至貫通，引發突涌水。現場施工至巖溶陷落柱附近500 m時，隧洞內逐漸出現涌突水現象，出水量達10 000 m3/d以上。

另一方面，隧洞開挖后，地下水徑流路徑發生改變，將向洞周運移，地下水持續的運移、下滲、沖刷將導致隧底以下巖溶陷落柱內顆粒物質的不斷流失，并將加速其間薄層、脈狀石膏的溶解，可能會引起沉降。因此，應對拱墻范圍和隧底進行注漿處理，從而盡量減少或避免地下水朝隧道范圍的運移，以保證隧道結構的安全。

7 結語

(1)該巖溶陷落柱埋深>200 m，地面物探檢測(大地電磁法)也未揭示明顯異常，具有顯著的隱蔽性。施工揭示后，補充了區域水文地質調查工作，通過立體式(豎向、水平、上仰、斜下)鉆探并于地層變化、地質突變等關鍵段落進行取芯驗證，輔以洞內TSP、地質雷達法等綜合物探檢測手段進一步查明其空間發育情況。鉆探過程中，采用旁壓試驗、動探試驗、室內試驗等方法查明了地基承載力等工程力學參數。通過洞內取樣水質檢測進一步查明了地下水的侵蝕性。

(2)該陷落柱是弱-非可溶性的三疊系中統松子坎組地層向巖溶強烈發育的三疊系下統茅草鋪組地層塌陷產生的，說明這種巖溶陷落柱也可以發育于其它具備類似地質環境及形成條件的地層，有別于以往的案例(多揭示于煤系地層)。

(3)隧道施工遇類似大型導水巖溶陷落柱時，宜先施作迂回導坑，并利用迂回導坑進行泄水降壓，再施工正洞，可有效降低高壓涌水、突泥等地質災害風險。