張玉璽

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)

1 工程概況

臥云界山區(qū)位于湖南省桑植縣上洞街鄉(xiāng)二戶溪村和利福塔鎮(zhèn)之間。新建黔張常鐵路龍山至桑植段擬自東向西以隧道形式通過該區(qū)。擬建臥云界隧道為雙線雙洞隧道,貫通線里程為CK140+362～CK145+965,隧道總長(zhǎng)為5 603 m。針對(duì)該區(qū)巖溶發(fā)育的復(fù)雜性和不確定性,方案研究中采用多種勘察手段相結(jié)合的方法,基本探明了該區(qū)巖溶發(fā)育的特征和規(guī)律。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地層巖性

主要出露地層有第四系沖積、坡積粉質(zhì)黏土,三疊系中統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r夾白云巖,下統(tǒng)大冶群灰?guī)r,二疊系上統(tǒng)吳家坪組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖,下統(tǒng)茅口組灰?guī)r、棲霞組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖,泥盆系上統(tǒng)黃家橙組砂巖夾頁巖,中統(tǒng)云臺(tái)觀組砂巖和志留系上統(tǒng)紗帽群的頁巖夾粉砂巖。隧道洞身通過可溶巖與非可溶巖地層,巖性較為復(fù)雜,工程差異性較大。

2.2 地形地貌

臥云界隧道位于中低山地區(qū),高程340～950 m,相對(duì)高差200～600 m,為越嶺隧道。嶺脊位于CK143+800里程附近,可溶巖與非可溶巖的分界處位于地表CK142+115里程處附近,隧道進(jìn)口至此為非可溶巖段落,該處向大里程方向?yàn)榭扇軒r段落。

可溶巖段落巖層沿近南北方向呈條帶狀延伸,沿線路方向呈四級(jí)臺(tái)階狀地貌,各級(jí)以斜坡巖溶地貌過度相連,在地形地貌形態(tài)上各有不同。

一級(jí)臺(tái)階高程為950～840 m(相當(dāng)于桑植區(qū)域的四級(jí)夷平面),為山嶺嶺脊坡地地貌；里程CK143+100～CK144+000段落,呈齒峰單面山形態(tài),頂部地勢(shì)平坦,高差不到50 m,沿近南北走向條帶狀分布,寬約500 m,小型巖溶洼地,漏斗、落水洞等巖溶地貌發(fā)育。

二級(jí)臺(tái)階高程為670～600 m(相當(dāng)于桑植區(qū)域的五級(jí)夷平面),溶丘臺(tái)地和壟崗槽谷地貌,主要位于CK142+115里程至CK143+000里程段,于620 m高程附近形成一大型的巖溶槽谷,寬約1 km,延伸長(zhǎng)約5 km,洼地內(nèi)地形較為平坦,高差不大,一般小于30 m。該段落巖溶發(fā)育,地表洼地內(nèi)巖溶溶丘、洼地密布,巖溶漏斗、落水洞呈串狀南北向分布,規(guī)模大小不一。

三級(jí)臺(tái)階高程為500～400 m(相當(dāng)于桑植區(qū)域的六級(jí)夷平面),為溶丘洼地和丘陵地貌,主要位于隧道出口段落,自里程CK144+800附近至隧道出口約1.2 km,主要為巖溶溶丘、石峰地貌,地形起伏一般不超過100 m,小型溝谷縱橫,山丘呈牛頭包狀成排分布；溝谷內(nèi)溶洞,漏斗發(fā)育,巖石表層溶槽、溶痕等溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。

四級(jí)臺(tái)階高程為350～310 m,主要為隧道出口附近的澧水支流沖積河谷地貌,地勢(shì)平坦,起伏小,地表多被第四系覆蓋,地表水發(fā)育,眾多小溪、河流匯入澧水支流,向北注入澧水。

2.3 地下水特征

巖溶發(fā)育程度與巖溶水作用關(guān)系密切,認(rèn)真分析調(diào)查場(chǎng)區(qū)附近水文地質(zhì)條件是十分重要的。隧道附近地表水較為發(fā)育,河流走向受地質(zhì)構(gòu)造、巖性控制,多為NE向河流,河流與分水嶺多平行相間,支流與干流斜交多呈樹枝狀。

根據(jù)場(chǎng)區(qū)地層巖性的組合特征、含水介質(zhì)特征,與隧道關(guān)系較密切的地下水類型為三類：孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水。

隧道區(qū)的碳酸鹽巖巖溶裂隙溶洞水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水,巖溶水運(yùn)動(dòng)規(guī)律和排泄主要受構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度、地形地貌、侵蝕基準(zhǔn)面等多因素控制。巖溶區(qū)大氣降水直接呈面狀入滲與匯流通過巖溶洼地、落水洞滲入地下后,多呈細(xì)小網(wǎng)流,然后逐步匯合形成較大管流,以下降泉和地下河形式排泄于河流及溝谷兩側(cè)。在巖溶含水層中,大都是微細(xì)溶隙和巨大洞穴管道并存,賦存于其中的地下水,往往各自成獨(dú)立的補(bǔ)給排泄系統(tǒng),彼此之間一般無直接的水力聯(lián)系。反映在水文地質(zhì)特征上,一是富水性極不均一,二是地下水系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立,即巖溶水埋藏在極不均一彼此相對(duì)獨(dú)立的巖溶管道中，隧道通過區(qū)存在溶丘槽谷和斜坡巖溶兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立性的巖溶地下水系統(tǒng)。溶丘臺(tái)地和壟崗槽谷巖溶地下水的補(bǔ)-徑-排過程都在二疊系地層中完成；壟脊坡地巖溶地下水的補(bǔ)給-徑流主要在三疊系下統(tǒng)大冶群的灰?guī)r和三疊系中統(tǒng)嘉陵江組下段的灰?guī)r夾白云巖中,排泄主要在三疊系中統(tǒng)嘉陵江組中段的灰?guī)r夾白云巖中完成。

隧道洞身主要位于巖溶裂隙溶洞水水平徑流帶之下。

臥云界隧道工程地質(zhì)平面如圖1所示。

圖1 臥云界隧道工程地質(zhì)平面示意

3 巖溶發(fā)育特征和規(guī)律

針對(duì)該區(qū)巖溶發(fā)育的復(fù)雜性和不確定性,方案可行性研究中采用多種地質(zhì)勘察方法相結(jié)合,基本探明了該區(qū)巖溶發(fā)育的特征和規(guī)律。

3.1 巖溶主要類型及特征

該隧道通過的三疊系中統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r夾白云巖,下統(tǒng)大冶群灰?guī)r,二疊系上統(tǒng)吳家坪組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖,下統(tǒng)茅口組灰?guī)r、棲霞組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖為可溶巖,且均屬巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地層,為裸露型巖溶；該區(qū)段可溶巖地層沿南北向呈條帶狀分布,且分屬于桑植地區(qū)不同時(shí)期的夷平面。各時(shí)代不同期次夷平面的可溶巖巖溶發(fā)育有各自的特點(diǎn),詳述如下：

(1)四級(jí)夷平面溶蝕地貌主要為三疊系下統(tǒng)大冶群灰?guī)r,壟脊坡地地貌,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,沿巖層走向發(fā)育形成小型巖溶洼地,期間分布零星的巖溶漏斗,落水洞,該組巖層節(jié)理裂隙較為發(fā)育。物探資料顯示,該段落巖層存在兩處物探異常區(qū),分別位于里程CK143+500～CK144+200,高程550～820 m處,里程CK144+350～CK144+710,高程390～500 m處,推斷為巖溶發(fā)育,溶腔或巖溶水富集。

(2)五級(jí)夷平面溶蝕地貌主要為二疊系上統(tǒng)吳家坪組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖,下統(tǒng)茅口組灰?guī)r、棲霞組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖,地貌為巖溶侵蝕形成的巖溶壟崗槽谷。槽谷內(nèi)地勢(shì)平坦,地表水發(fā)育,小型洼地、溶丘密布,巖溶漏斗,落水洞成串分布,表層多被第四系覆蓋,并與地下貫通,形成溶洞和地下暗河系統(tǒng),基本沿巖層走向發(fā)育。物探資料顯示,二疊系上統(tǒng)吳家坪組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖地層中,自地表向下高程650～500 m范圍內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,推斷可能存在溶腔、空洞,地下巖溶水富集。

地表調(diào)查和物探資料顯示,位于線路里程CK142+690處發(fā)育一暗河,高程約570 m,距線路設(shè)計(jì)軌面(高程382 m)高差188 m。暗河進(jìn)口位于CK142+743左331 m處,高程617 m,為一消水洞,有明顯地表徑流,附近地表水匯聚至此處流入,水量約150 m3/d。出口里程位于CK142+367右1 077 m處,高程545 m,為一出水溶洞,洞口大小1.9 m×1.4 m,N10°E方向延伸。該暗河發(fā)育地層為二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r中,位于壟崗槽谷的巖溶洼地內(nèi),沿暗河流向附近發(fā)育有許多落水洞、巖溶漏斗,其中多數(shù)地下連通,地下水系形成網(wǎng)絡(luò)貫通匯聚于地下暗河,其連通方向基本與巖層走向一致,呈近南北方向。

(3)六級(jí)夷平面溶蝕地貌上主要為三疊系中統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r夾白云巖,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,溶蝕形成巖溶溶丘、石峰地貌,溝谷內(nèi)小型落水洞、巖溶漏斗發(fā)育,巖石表層溶槽、溶痕等溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。同時(shí)物探顯示出口段坡頂至坡腳處地下為物探異常區(qū),推斷為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。

3.2 巖溶空間發(fā)育規(guī)律及控制因素分析

縱觀不同期次夷平面巖溶的發(fā)育特征情況,可以看出該區(qū)域內(nèi)不同期次夷平面的巖溶發(fā)育情況有所不同,可溶巖山體的巖溶發(fā)育呈現(xiàn)較為明顯的垂直分帶性。

壟崗槽谷段隸屬五級(jí)夷平面,主要為二疊系的灰?guī)r,中厚—厚層,左側(cè)為非可溶巖地層,右側(cè)為嶺脊地勢(shì)相對(duì)高陡的大冶群巖層,該段形成的長(zhǎng)大槽谷內(nèi),地表水補(bǔ)給、徑流、排泄沿巖層呈南北向。地下水系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,地表至地下一定范圍深度內(nèi)巖溶較發(fā)育,溶蝕面主要受高程控制,垂直滲流帶厚度相對(duì)不大,暗河系統(tǒng)為主要排泄通道。以此推斷：垂直滲流帶和水平徑流帶深度基本位于物探顯示的巖溶強(qiáng)烈發(fā)育部位,即500 m之上,此高程之下則為深循環(huán)帶。

嶺脊坡地段隸屬四級(jí)夷平面,主要為三疊系大冶群的薄層灰?guī)r,裂隙發(fā)育,貫通性好,地表水沿層面傾向補(bǔ)給、徑流,向隧道出口方向排泄至低洼處,沿坡面附近至巖層內(nèi)部巖溶發(fā)育較為強(qiáng)烈,溶蝕面受地形和巖層控制,垂直滲流帶沿層理方向延伸至坡腳附近,與隧道出口段的地下水系統(tǒng)相聯(lián)系,水平徑流帶深度大致位于390～500 m高程內(nèi),之下則為深循環(huán)帶。

溶丘洼地段,隸屬六級(jí)夷平面,主要為三疊系嘉陵江組厚層灰?guī)r夾白云巖地層,靠近沖積河谷,侵蝕基準(zhǔn)面低,溶洞、裂隙水近水平形態(tài)發(fā)育,形成網(wǎng)狀巖溶系統(tǒng),但溶洞、裂隙水規(guī)模相對(duì)較小,溶蝕面受高程控制埋深較淺,垂直滲流帶較短,河谷高程310 m以上山體主要位于季節(jié)交替帶和水平徑流帶內(nèi)。

4 結(jié)論和建議

結(jié)合勘察成果并綜合以上分析,可以得出如下結(jié)論：

(1)巖溶發(fā)育特征沿山體巖層走向差異性不大,與線路走向基本垂直,故隧道工程宜垂直大角度快速通過該段山區(qū),并盡量選擇在南北分水嶺附近,以減少地下水發(fā)育對(duì)隧道工程的影響。

(2)隧道場(chǎng)地內(nèi)的可溶巖段落,巖溶發(fā)育較為強(qiáng)烈,巖石表層溶痕、溶槽、溶溝發(fā)育,地表巖溶漏斗、落水洞、洼地、溶丘相間,與溶洞、地下暗河等已形成系統(tǒng)。

(3)線路里程CK144+442至隧道出口段,溶蝕面較低,巖溶發(fā)育最低處距線路軌面高差10～30 m,擬建隧道洞身多位于季節(jié)交替帶和水平徑流帶內(nèi),需注意巖溶發(fā)育對(duì)隧道工程的影響,可能遇到溶洞、溶隙發(fā)育,突水、突泥的現(xiàn)象。

(4)其他段落巖溶發(fā)育最低處距隧道高差多為100 m以上,主要位于深循環(huán)帶內(nèi),對(duì)洞身部位影響不大,但不排除存在高壓水腔或巖溶水沿層理裂隙延伸至洞身附近的可能。

(5)巖溶發(fā)育山區(qū)鐵路隧道工程宜采用多種勘察方法相結(jié)合,特別是應(yīng)重視物探手段結(jié)合地表調(diào)查，對(duì)巖溶發(fā)育特征和規(guī)律進(jìn)行分析。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建黔張常鐵路可行性研究臥云界隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2010

[2]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1999：369-386

[3]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007：525-528

[4]TB10027—2001,鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[5]TB10012—2001 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[6]TB10049—2001 鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S]