羅文藝

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

隨著我國高速鐵路的迅猛發(fā)展和工程科技的日益進(jìn)步，在巖溶地區(qū)修建隧道越來越多。巖溶對(duì)鐵路工程的危害大，隧道施工過程中遭遇大型溶洞[1-4]，災(zāi)害性的突水、涌泥[5-7]的可能性極大，施工風(fēng)險(xiǎn)高，巖溶是鐵路建設(shè)中一個(gè)重要的工程地質(zhì)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(zhì)條件極其復(fù)雜。該線高山隧道施工至DK53+678揭示一巨型溶洞，通過對(duì)其巖溶發(fā)育特征[8-9]及工程評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，對(duì)溶洞施工處理方案的制定具有重要的意義。

1 地質(zhì)概況

高山隧道地處鄂西南構(gòu)造侵蝕、溶蝕中低山區(qū)，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(jìn)口為土樂坪溶蝕洼地，出口為空紹園—林家坪溶蝕槽谷區(qū)。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(tǒng)南津關(guān)組、紅花園組、分鄉(xiāng)組(O1n+h+fLs+Sh)灰?guī)r夾頁巖，奧陶系下統(tǒng)大灣組(O1dLs+Ml)灰?guī)r夾泥灰?guī)r，寒武系上統(tǒng)耗子群(∈3hzLs+Dm)灰?guī)r夾白云巖、道陀組(∈3dLs)灰?guī)r。其中奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組、紅花園組為本區(qū)巖溶最發(fā)育、地下水最豐富的地層，高山巨型溶洞就發(fā)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(xiàn)為一單斜構(gòu)造。隧道進(jìn)口附近發(fā)育F2斷層，總體走向?yàn)镹20°W，出口附近發(fā)育F3斷層，總體走向?yàn)镹40°W，斷層通過處地表均形成斷裂谷。區(qū)內(nèi)地層經(jīng)長期的溶蝕和剝蝕作用，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地表巖溶漏斗、落水洞呈串珠狀分布。洞身發(fā)育三條管道流，隧道出口1 km發(fā)育區(qū)域14號(hào)暗河，隧址區(qū)水文地質(zhì)縮圖如圖1所示。

圖1 高山隧道巖溶水文地質(zhì)縮圖

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

表1 區(qū)域巖溶剝夷面特征

2 溶洞形態(tài)特征

2.1 溶洞平面形態(tài)特征

采用地質(zhì)調(diào)查、三維激光掃描結(jié)合常規(guī)測(cè)量技術(shù)，查明了溶洞形態(tài)及與隧道的空間關(guān)系，溶洞形態(tài)分布如圖2所示。溶洞主要由3部分構(gòu)成：廳堂狀廊道、主通道(伴生有2號(hào)支洞)、1號(hào)支洞。

圖2 溶洞形態(tài)分布

(1)廳堂狀廊道：廊道長約100 m，寬32～63 m，高46～65 m?？空葱±锍虃?cè)南端洞壁危巖較多，溶洞頂部呈天然吊頂狀，凈空較大，寬達(dá)40 m。該段洞壁巖層近水平發(fā)育，傾角約8°，主要發(fā)育N63°～75°E/82°～90°、N12°～24°W/84°～90°兩組傾角均近垂直的優(yōu)勢(shì)節(jié)理。廊道順節(jié)理裂隙溶蝕塌落形成，為主通道和北側(cè)支洞(1號(hào)支洞)的連接通道。洞壁無鐘乳石、石幔等發(fā)育，僅平導(dǎo)大里程側(cè)洞壁局部有方解石結(jié)晶體，洞頂及洞壁無來水痕跡，北側(cè)端頭小里程側(cè)發(fā)育1號(hào)支洞。

(2)主通道：主通道長約450 m，寬7～45 m?？傮w呈N45°E方向發(fā)育，通道南段發(fā)育有3處消水點(diǎn)。主通道順巖層及構(gòu)造裂隙溶蝕塌落形成，洞壁局部發(fā)育有鐘乳石、石花等，方解石晶簇在通道西南側(cè)分布較多，東北側(cè)末端發(fā)育一溶蝕裂隙，入口處位于平導(dǎo)基底正下方約33 m，洞頂有淋雨?duì)畹嗡罍y(cè)水量約200 m3/d，通道盡頭有細(xì)次棱角狀礫石分布，有新鮮水痕，為巨型溶洞北側(cè)主要消水口。從西南側(cè)消水點(diǎn)及洞底半固結(jié)的粉質(zhì)黏土分布特征分析，主通道南端具有向下發(fā)育特征。

主通道南側(cè)發(fā)育2號(hào)支洞，呈N70°E向發(fā)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(zhì)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(fā)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(wěn)定性較好。

(3)1號(hào)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(fā)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(fā)育。支洞未見過水痕跡，洞壁未見鐘乳石及方解石結(jié)晶體，為順巖層及構(gòu)造裂隙溶蝕形成的早期過水通道。巖壁節(jié)理以垂直張節(jié)理為主，走向約N25°W，節(jié)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(dá)5 m，結(jié)構(gòu)松散。

該支洞與平導(dǎo)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(duì)正洞基底影響較小。

平導(dǎo)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(wěn)定性較差，洞內(nèi)施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)極大，為查明溶洞堆積體的厚度及成分，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，在洞內(nèi)布置了7個(gè)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(jù)對(duì)巨型溶洞地質(zhì)調(diào)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(dá)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(jié)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?guī)r碎塊石，巖芯多呈塊狀-短柱狀，局部長柱狀，最大節(jié)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(zhì)不純，含少量砂質(zhì)，硬塑，巖芯多呈塊狀-短柱狀，最大節(jié)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(gè)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(yè)空間狹窄等特性，選擇了效果相對(duì)較好的高精度瞬變電磁法(HPTEM)和地震反射波法對(duì)松散堆積體進(jìn)行探測(cè)。高精度瞬變電磁法共布置5條測(cè)線，地震反射波法共布置2條測(cè)線。最終采用高精度瞬變電磁法進(jìn)行解譯，結(jié)合溶洞形態(tài)及鉆孔資料，對(duì)HPTEM數(shù)據(jù)三維可視化如圖5所示。

圖5 溶洞HPTEM三維圖

綜合HPTEM斷面數(shù)據(jù)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(xiàn)小里程段高、大里程段低，四周高、中間低的形態(tài)；(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(cè)線平滑，未見明顯含水特征。

3 溶洞頂板、洞壁地質(zhì)特征及穩(wěn)定性分析

3.1 溶洞頂板

通過無人機(jī)技術(shù)及洞內(nèi)詳細(xì)調(diào)查，溶洞頂中部可見較完整的巖層面，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，頂部邊緣局部仍不穩(wěn)定，時(shí)有坍塌、掉塊。溶洞頂部整體穩(wěn)定性受上部巖層完整程度、層間結(jié)合力、洞壁的穩(wěn)定性及外界因素如強(qiáng)烈震動(dòng)等影響，且溶腔頂部臨空面較大，頂部巖層有變形及失穩(wěn)的可能。

3.2 溶洞洞壁

廳堂狀廊道洞壁局部發(fā)育寬張節(jié)理，張裂隙寬度達(dá)30 cm，兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理將巖壁巖體切割成巨塊狀，節(jié)理陡傾，巖壁穩(wěn)定性較差。洞內(nèi)典型危巖體2017年1月6日～16日監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。

表3 危巖體裂縫監(jiān)測(cè)成果 mm

單日最大變化量為2～3 mm，10 d累計(jì)最大變化達(dá)15 mm。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，洞壁多處見有塊石掉落，且存在同一地方發(fā)生多次掉落現(xiàn)象，說明該溶洞洞壁大部分仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，塌落仍在繼續(xù)。

4 溶洞水文地質(zhì)特征

4.1 溶洞水文地質(zhì)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(fā)育，隧址區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排受控于土落坪溶蝕洼地、區(qū)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(bǔ)給來源受地表匯水面積及溶蝕裂隙、落水洞等控制。經(jīng)圈匯，溶洞地表匯水面積約0.32 km2，溶洞地表兩側(cè)各發(fā)育1條管道流，管道流總體順沖溝發(fā)育，發(fā)育高程為850～860 m，明暗流交替出現(xiàn)，大氣降雨多被其截走，影響溶洞降水的補(bǔ)給面積較小。

4.2 補(bǔ)給量理論計(jì)算

溶洞地下水主要補(bǔ)給源為大氣降水，通過落水洞、漏斗及溶蝕裂隙下滲補(bǔ)給。最大補(bǔ)給量計(jì)算采用大氣降水入滲法，其中日降雨量根據(jù)長序列水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及皮爾遜-Ⅲ線型計(jì)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(bǔ)給量根據(jù)公式

Q=1 000·α·X·A·η

式中Q——最大涌水量，m3/d；

α——入滲系數(shù)；

X——日降雨量，mm；

A——匯水面積，km2；

η——時(shí)間滯后系數(shù)，取0.4。

經(jīng)理論計(jì)算，溶洞最大補(bǔ)給量為17 370 m3/d。

經(jīng)詳細(xì)調(diào)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(fā)育鈣化層及方解石晶簇，僅與平導(dǎo)相交處有淋雨?duì)畹嗡?，水量約200 m3/d，1、2號(hào)支洞均未發(fā)現(xiàn)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(tái)相間地貌。從主通道南端及1號(hào)支洞南側(cè)盲端拳頭狀溶蝕及洞內(nèi)巖溶現(xiàn)象，結(jié)合溶洞地表地貌及區(qū)域水文地質(zhì)特征綜合分析，早期地下水總體流向?yàn)槲髂戏较?，挽近后期地殼不均勻抬升，地下水開始向兩側(cè)，最終向14號(hào)暗河匯集，溶洞內(nèi)水文地質(zhì)縮圖如圖6所示。

圖6 溶洞內(nèi)水文地質(zhì)縮圖

從圖6可以看出，1區(qū)、2區(qū)、6區(qū)、7區(qū)洞底堆積體表面潮濕，局部洞頂有滴滲水，這4個(gè)區(qū)地表發(fā)育有3個(gè)落水洞。5區(qū)、8區(qū)洞底堆積體干燥，4區(qū)洞底堆積體潮濕，洞頂有滴水，水量約200 m3/d。洞內(nèi)實(shí)施的7個(gè)鉆孔揭示溶蝕底面為硬塑粉質(zhì)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(fā)育成熟，補(bǔ)徑排通暢，溶洞目前通過圖6中的A、D、E點(diǎn)狀滲漏消水，通過B以線狀及面狀滲漏消水。

4.4 水文監(jiān)測(cè)資料分析

隧址區(qū)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(qū)于2015年11月建立了降雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。經(jīng)監(jiān)測(cè)，2016年降雨量為2 267.1 mm，超過該地區(qū)有記錄數(shù)據(jù)以來的年最大降雨量1 988.8 mm。日最大降水量對(duì)比，根據(jù)長序列水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及皮爾遜-Ⅲ線型計(jì)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(jiān)測(cè)日最大降雨量為254.5 mm(2016年7月23日)，達(dá)20年一遇降雨水平。該溶洞于2016年8月揭示，經(jīng)多次洞內(nèi)詳細(xì)探查，溶洞內(nèi)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(zhì)構(gòu)造及水動(dòng)力條件等因素控制。隧址區(qū)巖溶演化主要經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)育期：第一期主要表現(xiàn)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(fā)育高程1 000～1 050 m。第二期主要表現(xiàn)為巖溶坡立谷、大型峰叢洼地及峰叢槽谷等巖溶地貌，發(fā)育高程860 m左右，該時(shí)期形成的巖溶地貌控制了本區(qū)巖溶地下水的匯集條件。第三期主要表現(xiàn)為峰叢斜坡地貌，其內(nèi)發(fā)育有部分槽谷、洼地等，是隧址區(qū)重要的巖溶發(fā)育期，它不僅控制了研究區(qū)降雨匯集入滲的條件，同時(shí)還控制了區(qū)域地下暗河、巖溶管道的發(fā)育，發(fā)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(qū)域巖溶發(fā)育的第三期。溶洞處隧道高程為760 m，結(jié)合區(qū)域14號(hào)暗河在隧址區(qū)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(fā)育。

隧址區(qū)由于挽近地殼不間斷上升，期間出現(xiàn)間斷性的寧穩(wěn)期，寧穩(wěn)期有充分的時(shí)間完成巖溶化作用，形成多層夷平面及其對(duì)應(yīng)的巖溶洞穴。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地殼抬升的影響[14-15]，溶蝕侵蝕加劇，地表沖溝的形成導(dǎo)致地下水補(bǔ)給源減少或徑流條件發(fā)生改變，主溶蝕通道沿節(jié)理裂隙下切溶蝕，廳堂狀廊道區(qū)水量減少至枯竭，為順優(yōu)勢(shì)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(tǒng)。

6 工程評(píng)價(jià)

(1)巨型溶洞于挽近地殼不間斷性抬升及間斷性的寧穩(wěn)期完成了巖溶化過程，隨著地殼不斷抬升，水動(dòng)力條件發(fā)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(hào)支洞)、1號(hào)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(zhì)主要由兩部分構(gòu)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(zhì)黏土，主通道堆積體物質(zhì)主要為塌落塊石土。經(jīng)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(fā)育。

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

(4)隧道穿過阿蓬江、酉水河分水嶺，受進(jìn)口土樂坪巖溶洼地、出口區(qū)域性14號(hào)暗河控制，地表水、地下水向隧道兩側(cè)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(fā)育，受兩側(cè)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(jié)理裂隙下滲。同時(shí)，溶洞頂部匯水面積較小，無明顯匯水洼地，補(bǔ)給有限。

(6)根據(jù)水文氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2016年年降雨量及日最大降雨量均為該地區(qū)有觀測(cè)記錄以來的最大值，經(jīng)調(diào)查未見地下水流動(dòng)痕跡，表明洞內(nèi)地下水受降雨影響小。洞內(nèi)鉆孔也未揭示到地下水，但主溶蝕通道側(cè)壁及頂部的局部地段有滴滲水，施工處理應(yīng)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(yīng)，應(yīng)預(yù)埋排水管路至主通道。

7 結(jié)語

高山隧道為黔張常鐵路6座I級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一，為全線關(guān)鍵性控制工程。隧道施工遭遇巨型溶洞，秉行“繞有依據(jù)，過有措施”的思路，通過多種勘察手段，查明了該隧道區(qū)域巖溶發(fā)育特征，并對(duì)巨型溶洞水文地質(zhì)特征、頂板穩(wěn)定性及堆積體成分、厚度進(jìn)行了詳細(xì)研究，為確定以回填為主的施工處理方案提供了翔實(shí)的地質(zhì)依據(jù)，可為以后類似工程提供參考。

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