李光偉

(中國鐵路總公司工程設計鑒定中心，北京　100844)

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論巖溶區(qū)工程地質(zhì)勘察問題與地質(zhì)選線

李光偉

(中國鐵路總公司工程設計鑒定中心，北京100844)

就巖溶區(qū)工程地質(zhì)勘察中常見且重要的水文地質(zhì)單元、工程地質(zhì)測繪、巖溶水垂直分帶、管道流與擴散流、隧道突涌水定性評價、巖溶區(qū)危巖落石、巖溶水生態(tài)地質(zhì)環(huán)境、覆蓋型巖溶和埋藏型巖溶、巖溶區(qū)選線設計等問題，從理論到實踐進行深入的分析與討論，并提出巖溶區(qū)地質(zhì)選線的8條觀點和建議。

地質(zhì)勘察地質(zhì)選線巖溶水垂直分帶

中國巖溶區(qū)總面積約為344.3萬km2，約占陸地國土面積的35.8%，其中裸露巖溶面積為90.7萬km2。隨著鐵路建設標準的不斷提高和長大橋隧比重的增加，巖溶作為廣泛分布的不良地質(zhì)問題對鐵路選線的影響和控制作用日趨明顯。結(jié)合近年來新建鐵路巖溶地質(zhì)勘察設計中存在的問題，厘定5個方面的內(nèi)容進行分析討論。

1　巖溶水文地質(zhì)單元與巖溶隧道工程地質(zhì)測繪

巖溶水文地質(zhì)單元又稱巖溶水動力單元或巖溶水系統(tǒng)，屬于巖溶水文地質(zhì)學中的術語。按國家標準《巖溶地質(zhì)術語》(GBT 12329—1990)的定義，巖溶水文地質(zhì)單元是指具有共同補給邊界，統(tǒng)一地下徑流場的某一巖溶地下水系的流域范圍。巖溶隧道的勘察均涉及一個或數(shù)個巖溶水文地質(zhì)單元。不難理解，在《鐵路工程地質(zhì)巖溶勘測規(guī)則》(TBJ 28—1991)相關條文中指出了要進行區(qū)域地質(zhì)測繪和3 km以上巖溶隧道宜包括巖溶水的補給邊界或隔水邊界。這些條文雖未直接指明巖溶水文地質(zhì)單元，但都隱含了在完整巖溶水文地質(zhì)單元內(nèi)進行工程地質(zhì)測繪的必要性。因此，劃分巖溶水文地質(zhì)單元和研究巖溶水補給、徑流、排泄特征對巖溶隧道水文地質(zhì)勘察和選線設計至關重要。在鐵路行業(yè)相關規(guī)范規(guī)程、中鐵一院編著的《鐵路工程地質(zhì)手冊》和中鐵二院編著的《巖溶工程地質(zhì)》中未能充分重視和明確這個重要的概念，從而直接導致巖溶隧道區(qū)工程地質(zhì)測繪范圍的不足和宏觀分析上的缺失。針對巖溶水文地質(zhì)單元的工程地質(zhì)測繪通常是大區(qū)域的，尤其是長大巖溶隧道，往往采取專項巖溶水文地質(zhì)工作，屬于超常規(guī)的鐵路勘測范疇。

1.1巖溶隧道工程地質(zhì)測繪的范圍和內(nèi)容

巖溶隧道工程地質(zhì)測繪的首要任務就是確定地質(zhì)測繪和研究調(diào)查的范圍，也就是劃分巖溶水文地質(zhì)單元邊界。巖溶水系統(tǒng)邊界一般由地表分水嶺邊界、隔水層邊界、地下分水嶺邊界和滯流邊界4種類型的不同組合界定。根據(jù)水系、地形、地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征，平面上的邊界較易確定，但巖溶水系統(tǒng)深部邊界的確定往往很困難。由于隔水層(非可溶巖)的廣泛分布，一座長大巖溶隧道可能會涉及數(shù)個巖溶水文地質(zhì)單元(巖溶水系統(tǒng))，其匯水(集水)面積、邊界和規(guī)?？赡懿町惡艽?，在勘測設計中常重視規(guī)模較大的的巖溶水系統(tǒng)，輕視規(guī)模較小的巖溶水系統(tǒng)。因此，初測階段在巖溶區(qū)劃分沿線的水文地質(zhì)單元和子單元十分重要。巖溶水系統(tǒng)的區(qū)域工程地質(zhì)測繪和巖溶水系統(tǒng)分析是初測階段的主要工作，也是進一步開展綜合地質(zhì)勘探的基礎。

地質(zhì)測繪的內(nèi)容在《鐵路工程地質(zhì)巖溶勘測規(guī)則》中有較詳細的要求。下列問題的測繪調(diào)查需要特別補充強調(diào)：

①巖溶水系統(tǒng)的平面與深層邊界、邊界類型及組合特征。

②河流階地、夷平面、巖溶基準面、巖溶排水基準面。

③巖溶水系統(tǒng)匯水面積，可巖溶區(qū)集水面積，流向外源的地表徑流面積，可溶巖出露面積、分布特征和最低出露高程。

④可溶巖地表巖溶現(xiàn)象，包括巖溶盆地、洼地、漏斗、落水洞、豎井、干谷、盲谷、斷頭河、溶洞、溶穴、地下巖溶廊道等巖溶地表和地下形態(tài)。

⑤巖溶含水層、隔水層和弱透水層及其相互之間組合關系與特征。

⑥控水的斷裂和褶皺構(gòu)造，可溶巖與非可溶巖界面。

⑦內(nèi)源補給、外源補給、巖溶暗河、巖溶管道泉、巖溶裂隙泉。

巖溶區(qū)地質(zhì)測繪是一項工作量較大的基礎性工作，往往被忽視。根據(jù)《工程地質(zhì)測繪標準》(CECS 238：2008)規(guī)定，按1∶10 000比例尺測繪，大于20 m的地質(zhì)現(xiàn)象都應該標注在圖件上。因此，巖溶區(qū)1∶10 000工程地質(zhì)圖填繪內(nèi)容很多，在勘測周期較短的條件下遺漏地質(zhì)現(xiàn)象較常見。遙感調(diào)查，尤其是航空像片的工程地質(zhì)解譯是一種事半功倍的手段，在測繪階段十分重要，鐵路系統(tǒng)雖然在規(guī)范規(guī)程上做了基本規(guī)定，但其優(yōu)越性未能引起重視，應加大推廣應用力度。

1.2巖溶水系統(tǒng)分析

地質(zhì)測繪是巖溶水分析的基礎，巖溶水系統(tǒng)分析通常有三個階段，即定性分析研究、定量分析研究和巖溶水文地質(zhì)條件工程評價。定性分析研究主要包括氣象水文、地貌地質(zhì)的環(huán)境條件分析，邊界性質(zhì)、補給排泄形式的邊界條件分析，含水層、弱透水層和隔水層性質(zhì)的蓄水構(gòu)造結(jié)構(gòu)分析，補給、徑流、排泄水動力場，水化學場和水溫度場的水流系統(tǒng)分析。定性分析的根本目的在于綜合研究特定條件下巖溶水系統(tǒng)的各種特征，從而掌握巖溶水系統(tǒng)的本質(zhì)，形成巖溶水文地質(zhì)概念模型；定量研究階段主要是應用數(shù)學模擬方法進行研究，目前鐵路部門應用較少；巖溶水文地質(zhì)條件工程評價在巖溶水系統(tǒng)分析的基礎上進行，評價的內(nèi)容包括巖溶發(fā)育程度及其分布特征、巖溶水垂直分帶、工程范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件及環(huán)境水文地質(zhì)問題、巖溶隧道突涌水的方式(溶洞突水、管道涌水、裂隙涌水、裂隙滲水滴水)、隧道分段涌水量預測、選線設計建議等。

2　巖溶水垂直分帶的重要性

2.1巖溶水垂直分帶

巖溶水的垂直分帶模型對鐵路工程而言是一個實用性很強的概念，可直接用于鐵路平縱斷面的選擇和優(yōu)化。鐵路部門習慣上采用前蘇聯(lián)索洛科夫的4個垂直分帶，即垂直滲流帶、季節(jié)變動帶、水平徑流帶和深部緩流帶(見圖1)。地質(zhì)部門習慣上分為表層巖溶帶、包氣帶、季節(jié)交替帶、淺飽水帶、壓力飽水帶和深部緩流帶，地質(zhì)部門的分帶更多地考慮了水資源的開發(fā)利用。水平徑流帶對應于淺飽水帶和壓力飽水帶，特別是壓力飽水帶對巖溶隧道工程施工和巖溶水環(huán)境的影響巨大。

圖1　巖溶地下水垂直分帶

2.2巖溶水垂直分帶討論

巖溶水垂直分帶并不能全面反應巖溶含水介質(zhì)的特征和巖溶水流狀態(tài)。阿特金森1985年提出了三重介質(zhì)模型，即孔隙-裂隙-管道組合模型，相應的水流狀態(tài)為擴散流(達西流)、混合流和管道流(紊流)(見圖2)。巖溶水介質(zhì)模型實際應用上多采用雙重介質(zhì)模型，即巖溶管道流和溶隙擴散流共存。前者起主要排泄功能，后者則起調(diào)蓄功能。兩種含水介質(zhì)對暴雨脈沖事件的響應及排泄動態(tài)的影響截然不同，在水文過程線上，巖溶管道流(尖峰脈沖)代表暴雨洪水期峰值流量，擴散流則代表基流部分。管道流對暴雨響應快，動態(tài)變化大，最大與最小流量之比可達10∶1～1 000∶1，而擴散流則反應慢，動態(tài)變幅小，最大與最小流量之比一般小于10∶1。由于巖溶發(fā)育條件的復雜性，兩種介質(zhì)比例的分配因巖溶水文地質(zhì)單元各異，在各垂直分帶上的比例也不盡相同。大量巖溶隧道施工揭示：在垂直徑流帶、季節(jié)交替帶和水平徑流帶內(nèi)，依然存在大量由原始成巖孔隙、裂隙、層面裂隙組成的基巖孔隙度擴散流。同樣，在以擴散流為主的深部緩流帶內(nèi)，仍然不能排除有巖溶管道流的存在。這些理論上的模型簡化了巖溶水系統(tǒng)的復雜性，實際上巖溶水系統(tǒng)由于受控的地質(zhì)因素較多，其水流狀態(tài)異常復雜。過去認知的深部緩流帶巖溶不發(fā)育，以擴散流為主，忽視了存在管道流的可能性，這也是穿越深部緩流帶隧道頻頻出現(xiàn)突水事故的根源，例如大瑤山隧道、園梁山隧道、歌樂山隧道等。

圖2　含水介質(zhì)三端分類

還有一個值得討論的問題就是虹吸循環(huán)帶。已經(jīng)有越來越多的學者認為，在巖溶暗河和大泉排泄區(qū)存在一個較深厚的虹吸循環(huán)帶，這個帶總體上屬于壓力飽水帶下部范圍，這就完全顛覆了在巖溶大泉或暗河口以下的含水層巖溶發(fā)育微弱、含水不豐富的傳統(tǒng)認知。按此理論，水平徑流帶的厚度是巨大的，大瑤山隧道、園梁山隧道、歌樂山隧道施工均有特大型突水、突泥，也揭示了深部巖溶管道存在的可能，由此看來，洞身位置仍在壓力飽水帶內(nèi)。深部緩流帶的概念在北方地區(qū)或者在地下水分水嶺的補給區(qū)可能才有一定的實際意義，比如精伊霍鐵路北天山隧道，隧道埋深近千米，施工中僅揭示出巖溶裂隙水，未見巖溶管道流的發(fā)育。

分析一個巖溶水系統(tǒng)，愈靠近分水嶺，巖溶水動力條件越弱，巖溶也就越不發(fā)育，愈是靠近排泄區(qū)，巖溶水動力條件越強烈，巖溶越發(fā)育。在垂向上，水平徑流帶，特別是巖溶水強徑流帶附近，巖溶水動力條件最強烈，巖溶最發(fā)育。季節(jié)交替帶次之，垂直滲流帶再次之，深部緩流帶巖溶水動力條件最弱，一般情況下巖溶發(fā)育較弱，但不能排除沿構(gòu)造斷裂帶發(fā)育溶洞、溶隙帶的可能。從巖溶地下水面或地下水浸流面分析，補給區(qū)水位高、水流小，排泄區(qū)水位低、水量大，補給徑流區(qū)則是連接兩者的紐帶。

2.3巖溶水垂直分帶與隧道突涌水

巖溶隧道涌水問題研究一般涉及突涌水方式、涌水量、水壓、季節(jié)變化四個方面，這些都與巖溶水垂直分帶的研究與劃分密切相關。突涌水方式就是管道流、擴散流或混合流的問題。在巖溶隧道水文地質(zhì)條件評價時，定量預測隧道分段涌水量與水壓及季節(jié)變化較為困難。巖溶隧道突(涌)水的定性評價又過于簡單，也缺乏統(tǒng)一的描述尺度和界定?？梢钥隙ǖ氖莾H有分段涌水量的預測是不夠的，水壓和突(涌)水方式才是巖溶隧道設計施工最應關注的問題。鑒于目前隧道突(涌)水定性評價的雜亂性，厘定統(tǒng)一的描述標準是必要的，而水壓、突(涌)水方式和季節(jié)變化是關鍵因子。水壓因素建議使用高壓(>0.5 MPa)、壓力(<0.5 MPa)的量化指標，突涌水的方式建議采用溶洞突水、管道突(涌)水、裂隙涌水、裂隙滲水滴水四種方式。季節(jié)性的影響還是雨季、旱季分別評價更為貼近實際。表1結(jié)合巖溶水的垂直分帶給出了筆者劃分的主要思路。巖溶隧道一旦出現(xiàn)壓力巖溶水和高壓巖溶水區(qū)段，都需要重新進行方案研究，優(yōu)化隧道平縱斷面。

表1　巖溶隧道突涌水方式與巖溶水垂直分帶

2.4巖溶水垂直分帶與線路高程

綜合巖溶水、水壓和巖溶發(fā)育程度等因素，宏觀上垂直滲流帶始終是風險最小、相對安全的地帶。自由坡地段線路應抬高線路高程，盡量靠近補給區(qū)，緊坡地段線路則應靠近河谷排泄區(qū)。水平徑流帶的巖溶管道水最豐富，壓力飽水帶的工程風險最大。設計選線中應盡量避免走在水平徑流帶內(nèi)，深部緩流帶由于存在巖溶管道流的可能性，巖溶水壓大，施工風險高，也應盡量避免穿越。季節(jié)變動帶由于巖溶管道及巖溶強烈發(fā)育，季節(jié)性洪水的危害也較突出，如長昆客專、云桂鐵路部分巖溶隧道走在季節(jié)變動帶內(nèi)，季節(jié)性巖溶水壓較高，雨季對隧道安全產(chǎn)生不利影響，不得不增設泄水洞排水。長期排水可能還會對巖溶石山生態(tài)系統(tǒng)造成影響，在條件允許時隧道工程也應盡量避繞季節(jié)變動帶。

3　巖溶區(qū)危巖落石

巖溶孤峰、峰林及峰叢地貌，山坡陡峻，亂石嶙峋，常見危巖落石發(fā)育，已成為巖溶區(qū)選線設計不得不重視的又一類頻發(fā)地質(zhì)災害。一般說巖溶突水突泥影響施工階段的施工安全與進度，危巖落石則在雨季頻發(fā)，更多的是危害鐵路運營的安全，這在客運專線設計中尤其重要。但危巖落石問題和巖溶、巖溶水問題的解決是相矛盾的，避免危巖落石最直接的方法就是壓低線路高程，采用更長隧道減少隧道洞口的數(shù)量。解決巖溶水問題又要求盡量抬高線路高程，兩者是截然相反的思路，巖溶區(qū)地質(zhì)選線的困難也在于此。唯一的方法就是加強巖溶區(qū)危巖落石調(diào)查，盡量選在山嘴或低緩的巖溶山丘、山嘴進洞，沒有條件時應把運營安全放在首要地位，適當壓低線路高程，采用較長的隧道來避免危巖落石對運營的危害。

4　巖溶水生態(tài)地質(zhì)環(huán)境

表層巖溶帶、淺飽水帶、壓力飽水帶是巖溶區(qū)水資源的重要蓄水部位。隧道施工對巖溶水生態(tài)環(huán)境的影響有兩方面：一是隧道排水截流襲奪巖溶管道水流，導致暗河系統(tǒng)或巖溶泉域的流量損耗，影響生活生產(chǎn)；一是施工排水污染暗河或巖溶泉，導致水質(zhì)變差。表層巖溶帶水是巖溶山區(qū)存儲于可溶巖地表強巖溶化的溶隙及溶孔中的巖溶水，一般厚度為5～30 m。表層巖溶泉是山區(qū)人畜用水和分散農(nóng)田灌溉的重要水源，當隧道淺埋時，可能影響表層巖溶帶的人畜用水和生態(tài)環(huán)境。

巖溶山區(qū)的暗河和巖溶泉，多已被生活、生產(chǎn)活動利用，比如發(fā)電、灌溉農(nóng)田等。位于水平帶內(nèi)的隧道施工排水勢必會襲奪巖溶水系統(tǒng)的管道水流，從而破壞巖溶泉域或暗河系統(tǒng)的生態(tài)，給人們的生產(chǎn)生活帶來影響。比如大瑤山隧道班古坳巖溶槽谷，由于地下水漏失，導致地面水田改為旱地，歌樂山隧道巖溶突水也導致較嚴重的地表失水。

無論從自身施工風險出發(fā)，還是從保護巖溶水資源出發(fā)，隧道都應避免設置在淺埋和水平徑流帶內(nèi)。

5　覆蓋型巖溶和埋藏型巖溶

巖溶含水巖組按埋藏條件可分為裸露型、覆蓋型和埋藏型三種最基本的類型。

5.1覆蓋型巖溶

覆蓋型巖溶是指被松散堆積物覆蓋的巖溶。覆蓋型巖溶區(qū)的地下巖溶管道發(fā)育，巖溶地下水埋藏通常較淺，巖溶水位變幅和巖溶水交替作用強烈。對工程而言，覆蓋型巖溶涉及地面穩(wěn)定性和巖溶(土洞)塌陷?；鶐r的巖溶發(fā)育程度、土層的性質(zhì)和厚度、地下水的活動特征、震動荷載等是巖溶塌陷形成的基本條件。土洞塌陷是覆蓋型巖溶區(qū)地面失穩(wěn)的極端形式，地下水的活動是土洞的形成、發(fā)展以致破壞的最活躍因素，特別是水位在基巖頂面附近上下波動的幅度和頻度，對潛蝕、崩解和搬運土粒的速度起重要作用。土洞塌陷是覆蓋型巖溶區(qū)地面塌陷最常見的形式之一，直接影響橋梁和路基的安全，在地質(zhì)勘察和選線設計中應引起高度重視。在地面有塌陷史，勘探揭示土洞，水位在土石界面附近強烈波動的覆蓋型巖溶區(qū)應優(yōu)先優(yōu)化線路方案予以繞避，不得不通過時，宜多設置橋梁通過。例如貴廣鐵路桂林段，通過桂林巖溶孤峰平原，地面塌陷嚴重，選線設計時選擇了以砂泥巖隧道群繞避巖溶平原的方案，再如長昆客專湖南段，覆蓋型巖溶區(qū)的基巖溶洞呈串珠狀發(fā)育，選線設計時選擇了以橋代路。

5.2埋藏型巖溶

埋藏型巖溶是指巖溶含水巖組埋藏于非可溶巖基巖之下的巖溶。在以前，鐵路建設中遇到埋藏型巖溶的情況較少，但隨著隧道長度的不斷加大，已有較多的隧道涉及到埋藏型巖溶問題。埋藏型巖溶含水巖層富水性較均勻，巖溶地下水具有統(tǒng)一的水動力場，多為承壓水，具有較高的水頭，而且由于埋藏較大，巖溶水文地質(zhì)單元的邊界不易確定，巖溶水補給、徑流和排泄的水流系統(tǒng)不清，從而給隧道施工帶來很多不確定的地質(zhì)風險。凡穿越埋藏型巖溶的隧道多為Ⅰ級風險隧道，例如南三龍鐵路南門口隧道、鄭萬客專香樹灣隧道、小三峽隧道和大瑞鐵路的保山隧道等。鑒于埋藏型巖溶水文地質(zhì)條件的復雜性，在選線設計中應盡量避免穿越。

6　結(jié)論

①巖溶隧道工程地質(zhì)測繪范圍和巖溶水系統(tǒng)分析應涵蓋完整的巖溶水文地質(zhì)單元。

②巖溶水垂直分帶分析研究是巖溶水系統(tǒng)分析的重要內(nèi)容，也是指導巖溶區(qū)選線設計的重要依據(jù)。

③南方地區(qū)要謹慎認識深部緩流帶的有利面，重視虹吸循環(huán)帶問題。

④巖溶區(qū)選線設計應力求使巖溶隧道走行于巖溶水垂直滲流帶內(nèi)，隧道突涌水的定性評價應力求量化。

⑤重視巖溶區(qū)危巖落石問題。

⑥鐵路選線和隧道勘察設計應重視隧道排水對巖溶區(qū)水環(huán)境的影響。

⑦不穩(wěn)定的覆蓋型巖溶區(qū)，選線設計時應盡量減少穿越長度。

⑧盡量避免隧道位于埋藏型巖溶區(qū)。

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Discussion on the Problems of Engineering Geological Surveying in Karst Area and Geological Route Selection

LI Guangwei

2016-02-23

李光偉(1959—)，男，1982年畢業(yè)于西南交通大學鐵道工程地質(zhì)專業(yè)，高級工程師。

1672-7479(2016)02-0012-04

P642.25

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