周長松，鄒勝章，朱丹尼，謝 浩，申豪勇，王 佳

(中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，自然資源部廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室/巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點實驗室，廣西 桂林 541004)

巖溶塌陷是地表巖土體在自然因素或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一種巖溶動力地質(zhì)現(xiàn)象[1]。自20世紀(jì)50年代以來，世界各地巖溶塌陷災(zāi)害的發(fā)生頻率和災(zāi)害損失呈逐年加劇的趨勢[2-3]。近年來，隨著高速公路、高速鐵路、城市地鐵(軌道交通)的迅速發(fā)展，地下隧道工程逐年增多，進(jìn)一步加大了巖溶塌陷災(zāi)害發(fā)生的頻率[4-5]。初步估算約有14 000 km公路、1 000 km 以上鐵路處于巖溶塌陷高危險區(qū)[6]。隧道沿線發(fā)生的巖溶塌陷往往伴隨著泉水干涸、建筑損壞、管道破裂、道路開裂和農(nóng)田損壞，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民安居樂業(yè)和地下隧道本身的運行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[7-8]。因此，開展隧道建設(shè)過程中巖溶塌陷的發(fā)育規(guī)律、形成機(jī)制研究，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有一定實際意義。

國內(nèi)已在隧道建設(shè)引發(fā)巖溶塌陷的研究上取得了一定進(jìn)展，如中國鐵路部門曾對泰安站、分宜站、南嶺隧道、大瑤山隧道、中梁山隧道、大巴山隧道等巖溶地面塌陷問題進(jìn)行了研究[9-10]，初步刻畫出隧道沿線巖溶塌陷分布特征；張成平等[5]、孫克國等[11]、戴桂華等[12]、劉艷明等[4]先后對城市地鐵隧道、長大隧道、老屋灣隧道、石牛嶺隧道等隧道建設(shè)引發(fā)的塌陷進(jìn)行了研究，一定程度上揭示了塌陷產(chǎn)生的原因。然而針對隧道建設(shè)前后巖溶塌陷發(fā)生頻率、形成過程及致塌機(jī)制研究上尚需開展深入研究。本研究擬通過對我國西南巖溶區(qū)典型鐵路隧道——秀寧隧道建設(shè)前后巖溶塌陷發(fā)育特征、發(fā)育過程、形成機(jī)理及防治措施進(jìn)行探討，以期進(jìn)一步豐富現(xiàn)有巖溶塌陷理論，同時為隧道沿線塌陷災(zāi)害防治提供參考。

1 地質(zhì)環(huán)境背景條件

秀寧隧道為成昆鐵路復(fù)線廣通至昆明段最長雙線隧道，位于祿豐南車站與雙湄村車站之間，全長13 187 m，最大埋深約 550 m[13]。大皮坡—中村段位于秀寧隧道西段，處于安寧市西北部祿脿街道辦事處北沖村境內(nèi)，空間上呈NWW—SEE向展布，長約7.5 km，東西高程差約60 m。區(qū)內(nèi)屬于構(gòu)造侵蝕中山地貌，總體地勢東北高西南低，山峰海拔2 300～2 430 m；山間谷地以NNE向展布為主，海拔1 950～2 050 m，土層厚度8～15 m，局部地段可達(dá)20 m以上。區(qū)內(nèi)出露地層從西到東主要有昆陽群鵝頭廠組(Pt1e)、綠汁江組(Pt1lz)、因民組(Pt1y)、美黨組(Pt1m)，局部夾有條帶狀落雪組(Pt1l)，其中Pt1e以板巖、砂巖為主，夾條帶狀灰?guī)r；Ptllz以灰?guī)r、白云巖化灰?guī)r、白云巖為主，夾紫色板巖；Pt1y上部為板巖、砂巖，下部為泥質(zhì)白云巖；Pt1m以板巖、砂巖為主；Pt1l為區(qū)內(nèi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地層，賦存溶洞裂隙水。第四系沖洪積堆積層分布于山間谷地和寬緩河谷沿岸，巖性以砂質(zhì)黏土、碎石土和砂礫石為主。區(qū)內(nèi)NNE向斷裂較為發(fā)育，東部中村、中部擺衣甸、西部羊老哨3條區(qū)域性大斷裂構(gòu)成主要蓄水構(gòu)造，大斷裂之間另發(fā)育10條次生小斷裂。自2008年年底修建大皮坡—中村段隧道以來，成片出現(xiàn)的塌陷災(zāi)害對區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活造成巨大損失，且對鐵路的安全運行產(chǎn)生較大威脅。

2 塌陷發(fā)育特征

大皮坡—中村段塌陷于2009年4月在李家院村首次發(fā)現(xiàn)，近9年相繼在李家院、擺衣甸、大栗樹、連汪箐等地多處發(fā)生，至今已發(fā)現(xiàn)166處，其中有128處未治理或治理后仍繼續(xù)塌陷。初步統(tǒng)計，該區(qū)塌陷災(zāi)害已造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 000余萬元，對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響(圖1、表1)。

2.1 塌陷分布情況

根據(jù)收集的資料和現(xiàn)場踏勘成果，秀寧隧道大皮坡—中村段沿線塌陷主要分布于3條近NNE向的巖溶谷地中，90%以上屬于覆蓋型土層塌陷；碎屑巖區(qū)未發(fā)現(xiàn)塌陷和泉、水庫干涸情況。具體可劃分為4大塌陷影響帶：東部李家院—中村塌陷影響帶、中部大栗樹—連汪箐—擺衣甸塌陷影響帶、西部大龍?zhí)丁榈貫乘萦绊憥?、西部上箐塌陷影響帶?/p>

(1)李家院—中村塌陷影響帶：位于近NNE向覆蓋型巖溶谷地中，南北長約3 700 m，東西寬約650 m，影響邊界以泉水?dāng)嗔骰蛉髁棵黠@衰減水點為界，11處塌陷坑呈帶狀分布在鄭家溝、李家院、中村等3個自然村，其中鄭家溝3處(位于隧道北側(cè)1.20～1.23 km)，李家院3處(位于隧道北側(cè)370～390 m)，中村5處(位于隧道南側(cè)1.37～2.18 km)。李家院塌陷主要出現(xiàn)在2009年左右，中村塌陷主要出現(xiàn)在2010年左右，鄭家溝塌陷主要出現(xiàn)在2017年左右。

(2)大栗樹—連汪箐—擺衣甸塌陷影響帶：位于近NNE區(qū)域性斷裂帶上，南北長約2 800 m，東西寬210～270 m，以斷裂帶南北邊界為界，137處塌陷坑呈片狀分布在大栗樹、連汪箐、擺衣甸3個村，其中大栗樹22處(位于隧道北側(cè)520～760 m)，連汪箐21處(位于隧道北側(cè)0～140 m)，擺衣甸94處(位于隧道南側(cè)745～1670 m)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，有121處塌陷坑出現(xiàn)在2012年以后，2014年達(dá)到峰值，目前仍有108處處于未治理或不穩(wěn)定狀態(tài)。擺衣甸塌陷最為發(fā)育，其中B18塌陷坑直徑14 m，深度11 m，為秀寧隧道大皮坡—中村段沿線最深的塌陷坑。

圖1 秀寧隧道大皮坡-中村段斷裂構(gòu)造及塌陷分布圖Fig.1 Distribution of the fracture structure and karst collapse near theDapipo-Zhongcun section of the Xiuning tunnel

村名塌陷處數(shù)首次出現(xiàn)時間(年-月-日)經(jīng)濟(jì)損失/萬元不穩(wěn)定處數(shù)未治理處數(shù)治理后相對穩(wěn)定處數(shù)誘發(fā)因素鄭家溝32017-07-095300鐵路隧道開挖李家院32009-04-07150300鐵路隧道開挖中村52011-06-28300104鐵路隧道、隧道斜井開挖擺衣甸942011-01-05140205123鐵路隧道開挖大栗樹222011-01-04409112鐵路隧道開挖連汪箐212011-02-08201434鐵路隧道開挖大龍?zhí)?02012-03-13400343鐵路隧道開挖麻地灣42016-06-222301鐵路隧道開挖上箐42017-07-1810301鐵路隧道開挖合計1661067596938鐵路隧道開挖

(3)大龍?zhí)丁榈貫乘萦绊憥?位于近NNE向覆蓋型巖溶谷地中，南北長約5 500 m，東西寬220～530 m，影響邊界以泉水?dāng)嗔骰蛉髁棵黠@衰減水點為界，14處塌陷坑呈帶狀分布在大龍?zhí)?、麻地?個村，其中大龍?zhí)?0處(位于隧道南側(cè)650 ～1 130 m)，麻地灣4處(位于隧道北側(cè)940 ～ 1 126 m)。大龍?zhí)端葑钕瘸霈F(xiàn)在2009年，集中出現(xiàn)在2017年；麻地灣塌陷主要出現(xiàn)在2016年左右。

(4)上箐塌陷影響帶：位于上箐村近北東向巖溶谷地中，南北寬約200 m，東西長380 m，影響邊界以斷流泉水為界，4處塌陷坑零散分布，最先于2011年出現(xiàn)1處，后在2015、2017年陸續(xù)出現(xiàn)3處。

2.2 塌陷基本特征

(1)形態(tài)特征：區(qū)內(nèi)塌陷坑通常以圓柱型、橢圓柱型、壇型居多，少數(shù)為碗型、三角型、圓錐型，直徑(或長軸)主要為1.0～4.0 m，深度一般在0.1～4.0 m，少數(shù)達(dá)到5 m以上(占總數(shù)的18.07%)。

(2)展布方向：斜井挖掘區(qū)出現(xiàn)的塌陷展布方向一般與挖掘方向一致；泉水疏干區(qū)塌陷一般出現(xiàn)在地表沉降區(qū)邊緣；斷裂帶附近出現(xiàn)的塌陷坑，其展布方向常與山前土坡前緣陡坎的走向相平行。

(3)剖面特征：秀寧隧道大皮坡—中村段沿線塌陷坑總體上呈現(xiàn)出上下齊寬或上窄下寬梯形的特征。

(4)出現(xiàn)形式：秀寧隧道大皮坡—中村段沿線塌陷坑通常以單坑形式出現(xiàn)，偶爾以雙坑或三坑串珠組合形式出現(xiàn)，局部由數(shù)十個單坑組成塌陷坑群。

2.3 時間變化規(guī)律

2009年4月在李家院一帶出現(xiàn)的塌陷是秀寧隧道大皮坡—中村段沿線最早發(fā)現(xiàn)的塌陷，之后在大栗樹、擺衣甸、大龍?zhí)兜鹊仃懤m(xù)出現(xiàn)新的塌陷坑。從時間上看，塌陷坑的出現(xiàn)與隧道開挖活動有明顯的相關(guān)性，如2008年年底在李家院一帶初現(xiàn)墻面裂縫，2009年年初開始在裂縫附近出現(xiàn)泉水?dāng)嗔?、地面塌陷；隨著地下隧道在中村附近由東向西持續(xù)開挖，以及中村附近1#、4#斜井由南向北側(cè)近東西向隧道的靠攏，2009年下半年斜井沿線陸續(xù)出現(xiàn)泉水?dāng)嗔鳌⑷芴陡珊?、地面塌陷。又?010年地下隧道在擺衣甸、大栗樹、連汪箐等村地下270～300 m處施工，期間上述村莊多處泉水陸續(xù)斷流，斷流泉口附近在2～60 d 陸續(xù)出現(xiàn)塌陷坑，塌陷坑出現(xiàn)時間滯后于泉水?dāng)嗔鲿r間。另外，同一影響帶范圍內(nèi)，距離隧道遠(yuǎn)的地方，出現(xiàn)泉水?dāng)嗔?、塌陷的時間要晚于距隧道近的地方，如大栗樹1#泉距離隧道水平距離約580 m，2011年1月4日泉水?dāng)嗔鳎?011年1月6日附近出現(xiàn)塌陷坑；而距離隧道水平距離約1 440 m 擺衣甸1#泉，2011年1月5日泉水?dāng)嗔鳎?011年3月8日南側(cè)20 m處的魚塘才出現(xiàn)塌陷坑。擺衣甸、大栗樹、連汪箐等地塌陷坑位于NNE區(qū)域斷裂帶沿線，空間上分布具有條帶狀性，時間上出現(xiàn)具有集中性。進(jìn)一步對秀寧隧道大皮坡—中村段沿線塌陷坑出現(xiàn)的時間進(jìn)行統(tǒng)計 (表2)，發(fā)現(xiàn)塌陷發(fā)生年份可分為3個時間階段，其中2011年以前為緩慢出現(xiàn)期，合計有21處，占塌陷坑總數(shù)的12.65%；2012—2014年為集中爆發(fā)期，合計81處，占總數(shù)的47.79%；2015年至今為后續(xù)影響期，合計64處，占總數(shù)的38.56%。上述統(tǒng)計揭示秀寧隧道大皮坡—中村段塌陷災(zāi)害主要發(fā)生在2012—2014年，而這一時期正是隧道建設(shè)、完成期；2015—2018年，塌陷再次密集出現(xiàn)，但發(fā)生強(qiáng)度要低于2012—2014年，表明巖溶區(qū)隧道開挖活動在很大程度上決定著塌陷的發(fā)生，而隧道建成后，地質(zhì)環(huán)境、氣候環(huán)境等因素會進(jìn)一步促進(jìn)塌陷災(zāi)害的發(fā)展[14]，且這種發(fā)展往往會持續(xù)很長一段時間。

表2 秀寧隧道大皮坡—中村段巖溶塌陷發(fā)生時間統(tǒng)計

3 塌陷成因機(jī)制

秀寧隧道大皮坡—中村段塌陷是內(nèi)動力、外動力及人類活動相互作用的產(chǎn)物，其發(fā)育發(fā)展受地層巖性、包氣帶土壤特性、大氣降水、隧道開挖等多因素影響。

3.1 形成條件

已有研究表明[2,6]，巖溶塌陷的形成離不開三方面因素：①可溶巖及巖溶發(fā)育程度，②覆蓋層厚度、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，③地下水運動。只有當(dāng)巖溶發(fā)育程度較高—高、土壤覆蓋層較厚、地下水運動能力較強(qiáng)—強(qiáng)，塌陷才能較易形成與發(fā)展。從秀寧隧道大皮坡—中村段沿線塌陷分布情況來看，塌陷主要分布在幾條近南北向巖溶谷地中，周邊碎屑巖山區(qū)未出現(xiàn)塌陷，揭示巖溶發(fā)育是本區(qū)塌陷形成的基本地質(zhì)條件；而塌陷主要分布在覆蓋層較厚的谷地中，如擺衣甸塌陷區(qū)土層厚14.7～20.8 m、大栗樹塌陷區(qū)土層厚1.9～5.7 m，表明第四系沖、洪積堆積層是本區(qū)塌陷形成的基本土源條件；塌陷發(fā)生在泉水、溶潭疏干以后，表明地下隧道開挖破壞了原有巖、土、水應(yīng)力平衡，改變了地下水原有的補(bǔ)給、徑流、排泄條件；而塌陷在6—8月份雨季高頻率出現(xiàn)，揭示降水補(bǔ)給一定程度上加速了地下水徑流速度，這為土洞發(fā)育提供了水動力條件。

3.2 發(fā)育階段

通過對秀寧隧道大皮坡—中村段塌陷發(fā)育特征、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及形成條件的綜合分析，認(rèn)為該區(qū)塌陷存在以下4個基本發(fā)育階段(圖2)：

(1)初始穩(wěn)定階段。該階段為最原始階段(圖2a,a′)，未受到地下隧道開挖影響，塌陷體所在區(qū)的水-土-巖保持初始應(yīng)力平衡，在地下水力場和溶洞充填物穩(wěn)定條件下，這種平衡可以一直持續(xù)下去。

(2)應(yīng)力初步變化階段。隨著地下隧道施工的推進(jìn)，上覆灰?guī)r含水層逐漸被隧道導(dǎo)通，地下水力場和溶洞充填物已處于亞穩(wěn)定狀態(tài)(圖2b，b′)。含水層中溶洞充填物在地下水滲流作用下，微小顆粒物、無黏結(jié)性顆粒物(如砂粒)先后隨水流沿裂隙通道向隧道中運移，促使溶洞充填物所處的水-土-巖應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這種應(yīng)力變化不斷向上傳遞，使得上覆塌陷體所在區(qū)的水-土-巖應(yīng)力平衡也發(fā)生初步變化[6,15]，該階段地表已開始出現(xiàn)圓形或弧形裂縫，裂縫寬度在幾厘米至幾十厘米不等。

圖2 秀寧隧道大皮坡—中村段巖溶塌陷發(fā)育階段Fig.2 Development stage of the karst collapses near theDapipo-Zhongcun section of the Xiuning tunnel

(3)塌陷階段。隨著下伏基巖區(qū)隧道施工的進(jìn)一步推進(jìn)，上覆含水層和塌陷體所在區(qū)的水-土-巖應(yīng)力平衡已發(fā)生很大變化(圖2c，c′)。原先含水層中溶洞充填物在地下水滲流作用下，進(jìn)一步發(fā)生黏結(jié)性顆粒物流失[6,15]；當(dāng)流失空間達(dá)到一定程度后，頂部覆蓋土體失去平衡，地表圓形或弧形裂縫發(fā)育成近圓柱形塌陷體，直徑在1.0～4.0 m，深度一般在0.1～4.0 m。這一過程中，原先的溶洞充填物大部分已被其上部塌陷土體代替，區(qū)域地下水有被疏干趨勢。

(4)階段性穩(wěn)定階段。該階段塌陷體到達(dá)一定位置后，區(qū)域土-巖應(yīng)力平衡重新被建立(圖2d，d′)。原先含水層中溶洞充填物已完全被其上部塌陷體取代，地下水已被階段性疏干。在非雨季節(jié)，這種階段性平衡往往會持續(xù)較長時間。而在雨水季節(jié)，地表產(chǎn)生的積水在上覆土層內(nèi)可形成暫時的飽水區(qū)，一定程度上增加了塌陷坑周邊土體的集中應(yīng)力[6]；隨著降水垂直入滲，塌陷坑周邊土體因應(yīng)力再失衡而出現(xiàn)崩落現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致塌陷坑地表直徑擴(kuò)大，地下直徑因土塊崩落堆積而略微變小，使得近圓柱體塌陷坑向碗形塌陷坑轉(zhuǎn)變。

另外，通過對區(qū)內(nèi)二次塌陷與降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)當(dāng)月累計降雨強(qiáng)度超過一定閾值(根據(jù)2015—2017年降雨資料和塌陷情況的統(tǒng)計，本區(qū)發(fā)生塌陷的臨界降雨強(qiáng)度在210～290 mm/mon)，在塌陷體自重和降水重力作用下，填埋治理后的塌陷坑存在大概率的重復(fù)塌陷風(fēng)險。

3.3 典型區(qū)段塌陷發(fā)育模式

3.3.1巖溶富水帶塌陷發(fā)育模式

自然條件下上覆蓋土層所承受的荷載主要為自重，當(dāng)隧道開挖經(jīng)過巖溶富水帶后，富水帶水力場逐漸向隧道方向轉(zhuǎn)變，地下水水位逐漸下降，土層將不斷地被壓縮(壓縮程度因土體性質(zhì)而異)[2,6]。由太沙基應(yīng)力原理“σ=σ′+μ”(σ為總應(yīng)力；σ′為有效應(yīng)力；μ為孔隙水壓力)[16]可知，在土層壓縮的過程中，σ沒有變化，隨著μ不斷減小，σ′必將逐漸增加。當(dāng)?shù)叵滤幌陆档揭欢ㄩ撝禃r，就會在主疏干區(qū)域形成降落漏斗。隨著降落漏斗的持續(xù)，水力梯度和流速明顯增大。當(dāng)水流速度超出蓋層的臨界水力坡度，蓋層內(nèi)的細(xì)小顆粒在潛蝕作用下將被不斷帶走，逐漸發(fā)育成土洞[14]。上覆近地表土體在自重作用下向疏干溶洞區(qū)垮落。由于疏干溶洞區(qū)及上覆近地表土層垮落區(qū)巖土體工程地質(zhì)條件存在差異，在地表表現(xiàn)出不均勻沉降，并在沉降邊緣形成彎曲、傾斜、水平拉伸或壓縮3種變形[17]。隨著這些變形的進(jìn)一步發(fā)展，沉降區(qū)會形成差異性的拉、壓應(yīng)力分布(圖3)，即在中間部位出現(xiàn)壓應(yīng)力，在沉降邊緣處出現(xiàn)拉應(yīng)力，并在最大拉應(yīng)力a，d兩點處形成張性地裂縫[16-17]。在后期雨水浸潤作用下，張性裂縫范圍內(nèi)的地表土體進(jìn)一步發(fā)生重力下沉，最終形成大小不同的塌陷坑。

圖3 塌陷區(qū)地面下沉壓應(yīng)力、拉應(yīng)力分布圖Fig.3 Distribution of the compressive stress and tensilestress of the ground subsidence in the collapse area

3.3.2斷裂帶塌陷發(fā)育模式

區(qū)內(nèi)斷層比較發(fā)育，主次斷裂有10余條，其中中村斷裂、擺衣甸斷裂、麻地灣斷裂為區(qū)內(nèi)的主斷裂。根據(jù)對擺衣甸、大栗樹、連汪箐3村139處塌陷坑發(fā)育特征的分析，發(fā)現(xiàn)這些塌陷坑展布方向常與山前坡殘積前緣陡坎走向相平行，且90%塌陷坑分布在走向15°斷裂帶兩側(cè)100 m范圍內(nèi)，反映出區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造對塌陷發(fā)育、發(fā)展具有一定的控制作用[3]。由于本區(qū)塌陷是在近幾年隧道施工過程中、施工后發(fā)生，在短期內(nèi)斷層活動對塌陷發(fā)育不會產(chǎn)生明顯促進(jìn)作用。本區(qū)塌陷主要是由于隧道擊穿斷裂導(dǎo)水帶，致使水-土-巖應(yīng)力失衡而引起。通過對斷裂帶塌陷發(fā)育規(guī)律和地質(zhì)條件的分析，認(rèn)為本區(qū)斷裂帶塌陷發(fā)育模式如下(圖4)：在隧道未施工前，斷裂導(dǎo)水帶水-土-巖處于相對平衡狀態(tài)，地下水具有較為穩(wěn)定的流向，并通過上升泉形式向外排泄，大氣降水-地表水-地下水存在動態(tài)循環(huán)特征。在隧道擊穿基巖中的導(dǎo)水?dāng)嗔褧r，上覆承壓含水層中的水經(jīng)過導(dǎo)水?dāng)嗔堰M(jìn)入隧道中，通過隧道排水系統(tǒng)向外排出。由于本區(qū)灰?guī)r溶蝕作用強(qiáng)烈[13]，含水層中溶孔、溶洞發(fā)育，當(dāng)上覆含水層中的水不斷通過導(dǎo)水?dāng)鄬印⑺淼琅潘芟蛲馀懦鰰r，原先地表出流的斷裂帶上升泉，因下部水壓力下降導(dǎo)致泉水流量衰減直至斷流。在此過程中，下伏基巖中溶洞充填物在自重和水流攜帶力作用下不斷向下遷移，導(dǎo)致溶洞掏空，這為上覆土體向下遷移提供了空間。當(dāng)承壓水位低于承壓頂板時，將會出現(xiàn)負(fù)壓“真空吸腔”現(xiàn)象,使腔內(nèi)的地下水像一只“吸盤”抽吸上覆蓋層，促使土體顆粒發(fā)生流變或隨水帶走，進(jìn)而形成土洞[14]；上覆土體在自重作用下向土洞方向坍塌或沉降，進(jìn)而在地表形成塌陷。

圖4 斷裂帶塌陷發(fā)育模式Fig.4 Development pattern of the karst collapses near a fault zone

3.4 塌陷影響帶劃分及潛在塌陷能力

根據(jù)區(qū)內(nèi)塌陷坑分布、泉水(溶潭)斷流情況，本研究將隧道沿線塌陷影響帶長度分為最大影響帶Lm和核心影響帶Lc兩種，其中Lm是按照距隧道上覆地表水平距離最遠(yuǎn)的泉水(溶潭)斷流點計算，Lc是按照距離隧道上覆地表水平距離最遠(yuǎn)的塌陷坑計算。為了能夠進(jìn)行不同塌陷帶潛在塌陷能力的對比，引入塌陷斜率因子μ，計算公式如下：

μ=L/H

式中：L——影響帶長度(可分為Lm和Lc兩種)/m；

H——對應(yīng)L的影響帶邊界點高程與地下隧道高程之差/m。

統(tǒng)計可得西部大龍?zhí)丁榈貫乘萦绊憥А⒅胁看罄鯓洹B汪箐—擺衣甸塌陷影響帶及東部李家院—中村塌陷影響帶Lm、Lc。將Lm、Lc值代入上式，可得3個主要塌陷帶μm、μc值(表3)，進(jìn)一步可得區(qū)內(nèi)μm、μc平均值依次為6.57，4.32，前者為后者的1.52倍。結(jié)合區(qū)內(nèi)塌陷分布、災(zāi)害損失情況，可以得出μm、μc值小的區(qū)域，塌陷發(fā)生的頻率高、造成的損失大。這使得將μ作為一項表達(dá)“巖溶隧道潛在塌陷能力”參數(shù)具有一定合理性。通過運用塌陷斜率因子μ，可知本區(qū)塌陷核心影響帶進(jìn)一步發(fā)生塌陷的概率：中部> 西部>東部；最大影響帶進(jìn)一步發(fā)生塌陷的概率：中部> 東部>西部。

表3 秀寧隧道沿線塌陷影響范圍分帶

4 巖溶塌陷災(zāi)害的防治對策

(1)劃分防護(hù)帶范圍。首先根據(jù)巖溶塌陷的發(fā)育分布、影響帶長度，來劃分一般、中等、重點三級防護(hù)帶范圍，嚴(yán)格控制村民在防護(hù)帶從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，禁止在重點防護(hù)帶內(nèi)長時間停留，防止造成傷害。

(2)截流防護(hù)法。在巖溶塌陷坑上游山溝內(nèi)筑壩、通過對小流域匯水面積及潛在匯水量的計算，在溝底布設(shè)對應(yīng)口徑或過水能力的跨越式引水管，避免雨季過量降水通過山溝進(jìn)入塌陷區(qū)，降低再次塌陷的概率。

(3)動態(tài)監(jiān)測法。在巖溶塌陷帶周邊合適位置可安置一定密度的固定監(jiān)測設(shè)備，通過衛(wèi)星、音頻大地電場、高分辨率中波反射等方法監(jiān)測塌陷活動情況，根據(jù)塌陷發(fā)展變化情況劃分潛在塌陷易發(fā)區(qū)，對易發(fā)區(qū)要提前做好塌陷的防災(zāi)工作。

(4)災(zāi)害治理示范法。在工程地質(zhì)條件適合的區(qū)域，選取典型巖溶塌陷區(qū)，分別進(jìn)行塌陷治理和不治理對比試驗，條件成熟時建立以塌陷災(zāi)害為主題的地質(zhì)災(zāi)害公園，達(dá)到塌陷地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)知識宣傳和塌陷機(jī)理研究的雙重目的。

5 結(jié)論

(1)秀寧鐵路隧道施工建設(shè)導(dǎo)致大皮坡—中村段巖溶塌陷的發(fā)生，后期強(qiáng)降雨促進(jìn)了巖溶塌陷的發(fā)展?？臻g上，巖溶塌陷主要分布于3條近NNE向巖溶谷地中，分為“東部李家院—中村塌陷影響帶”、“中部大栗樹—連汪箐—擺衣甸塌陷影響帶”、“西部大龍?zhí)丁榈貫乘萦绊憥А薄ⅰ拔鞑可象渌萦绊憥А?；時間上，塌陷在隧道建設(shè)前后存在3個發(fā)生期：緩慢出現(xiàn)期、集中爆發(fā)期、后續(xù)影響期。

(2)從單個塌陷坑的形成過程來看，該區(qū)塌陷發(fā)育存在4個階段：初始穩(wěn)定階段、應(yīng)力初步變化階段、塌陷階段、階段性穩(wěn)定階段。

(3)本文提出的“巖溶富水帶塌陷發(fā)育模式”和“斷裂帶塌陷發(fā)育模式”有效地揭示了該區(qū)巖溶塌陷形成機(jī)理；首次建立的“塌陷斜率因子μ”能夠有效地對比區(qū)內(nèi)不同地段潛在塌陷能力。