褶皱发育区岩溶水系统发育特征及隧道突水灾害预测

2014-01-16李东黎

资源环境与工程 2014年5期

李东黎

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

0 引言

岩溶是地表水、地下水对可溶性岩层进行长期化学作用和机械作用的产物，岩体中赋存的岩溶水易导致涌水、突水灾害的发生，如处理不当，将严重威胁到施工人员的安全，且延误工期，增加建设成本。如襄渝线大巴山隧道［1］，施工时发生涌水灾害，最大涌水量达20.55 ×104m3/d;京广线大瑶山隧道［2］因突水引起地面塌陷100多处，影响范围达数平方千米;广渝线华蓥山隧道［3］在隧道施工过程中曾发生过数十次岩溶突水涌砂，最大一次突水量达14 400 m3/h;渝怀铁路武隆隧道［4］发生岩溶突水灾害，最大涌水量达718.6×104m3/d;宜万铁路马鹿菁隧道施工时突然发生涌水，涌水量达10万多方，造成1人死亡、4人失踪。上述岩溶突水、涌水地质灾害严重威胁施工人员安全，延误工期，大大增加了隧道建设成本。

为减小岩溶突水等地质灾害对隧道施工的影响，降低隧道施工风险，国内外诸多学者在岩溶隧道突水机理及涌水预测方面开展了大量研究。王国斌［5］采用现场调查与理论分析相结合的方法，对乌池坝隧道岩溶的发育特征和涌水条件进行了系统研究，总结了隧道岩溶突水机理;黄雄军［6］通过分析宜万铁路马鹿菁隧道突水突泥现象，归纳总结了各种岩溶隧道突水突泥影响因素。此外，也有学者探讨了地质构造对岩溶隧道突水地质灾害的影响，如杜宇本［7］针对褶皱和断裂构造复杂的大瑞铁路大柱山隧道，研究了街子坡复式向斜岩溶水系统及隧道涌突水危险性;陈成宗［8］研究了富水断层破碎带对大瑶山隧道施工的影响;徐颖［9］从推覆构造对突水的影响、对蓄水构造控制作用以及水文单元差异3个方面阐述了大坪山隧道突水机制。

拟建的杨树岭隧道起于江西省上高县翰堂镇，止于上高县南港镇前进村。隧道长约4.2 km，为单线隧道，最大埋深约270 m。隧址区经历多次构造运动，地质构造复杂，在褶皱核部和断层附近节理裂隙发育，岩体破碎，受地下水长期侵蚀影响，岩溶发育，主要表现为溶沟、溶槽、溶洞等，该隧道综合平均线岩溶率16.3%。隧道施工开挖过程中遭遇突水、涌水地质灾害的风险较大，有必要开展隧道突水灾害预测。

本文在对隧址区工程地质条件、水文地质条件进行系统调查分析的基础上，研究岩溶水补给、径流、排泄途径，分析岩溶水系统特征，并预测隧道开挖过程中可能发生突水、涌水地质灾害的地段及涌水量，为该隧道岩溶地质灾害预测及防治提供参考和依据。

1 工程区地质条件

1.1 地形地貌

隧道区位于九岭山、武功山余脉，属“萍乡—高安侵蚀剥蚀丘陵区”地貌单元，山体走向与构造走向基本一致，呈NE向，其地势西高东低，南北两侧低洼。地形起伏较大，相对高差100～380 m，自然坡度20°～60°，局部基岩裸露，呈陡崖。

1.2 地层岩性

根据区内岩石水理性质及地下水赋存条件，将区内地下水划分为三大类型:即松散岩类孔隙水，基岩裂隙水和碳酸盐岩类岩溶水。其中基岩裂隙水又可分为两个亚类:风化带网状裂隙水和构造裂隙水;碳酸盐岩类岩溶水可分为三个亚类:即碳酸盐岩裂隙溶洞水，碳酸盐岩类碎屑岩裂隙溶洞水，碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙溶洞水。前两种地下水类型隧道调查区内分布较少，对隧道影响甚微。

1.2.1 隔水层

隧道区内隔水层岩组主要为:二叠系龙潭组(P2l)粉砂岩、炭质页岩夹煤层和三叠系杨家群(T2yn)粉细砂岩、钙质泥岩。上述主要隔水层，在一定的构造、地貌适宜的部位，尤其是在构造裂隙发育部位，其隔水或相对隔水作用可能被破坏，地下水可沿裂隙从上一含水层通过它进入下一含水层，使它们具有水力联系。同时在构造裂隙和风化裂隙发育部位亦可形成基岩裂隙水。在考虑该区地下水对隧道的影响受隔水层或相对隔水层的阻隔时，构造部位是一重要因素。

1.2.2 含水岩组

根据碳酸盐岩类岩溶含水岩组岩溶发育特点及富水程度等(表1)，将隧道区划分为:①水量丰富的纯碳酸盐岩连续型裂隙溶洞亚含水岩组(由C2h、P2c等地层组成);②水量中等的纯碳酸盐岩夹不纯碳酸盐岩连续型溶洞裂隙亚含水岩组(由P1q、P1m2、T1d2+3等地层组成);③水量贫乏的不纯碳酸盐岩裂隙岩溶亚含水岩组(P1m1、P1m3、T1d1)。

表1 含水岩组及其富水性Table 1 Aquiferous rock formations and its water abundance

1.3 地质构造

测区位于扬子准地台与华南褶皱系的过渡地带，次级构造单元为萍乡—乐平坳陷带。区内构造复杂，既有印支—华力西期北东向构造，又有由于武功山隆起形成的逆冲构造，以及燕山晚期的北东向褶皱及北北东向断裂。它们各成系统，构成了测区复杂多变的构造格架，控制着沉积物的展布及矿产分布。

隧道近正交穿越社江背—查山向斜，于地表DK1746+840、DK1747+530穿越两条断层(图1)。主要地质构造如下:

1.3.1 社江背—查山向斜

隧道近正交穿越社江背—查山向斜核部，向斜西起万载江南，往东经社江背、清水塘，至上高查山村，延长50 km，出露宽度约4 km。向斜核部有三叠系下中统组成，两翼分别为二叠系上统及下统组成，伴生一些同类型次一级同斜背斜、向斜组合成较复杂的同斜褶曲。

隧址区发育3个背斜，分别为:DK1746+550左右为背斜构造核部，轴向走向约65°，核部地层为P2c灰岩;DK1747+770附近为背斜构造核部，轴向走向约55°，核部地层为T1d2+3灰岩夹粉砂岩;DK1749+400附近为背斜构造核部，轴向走向约50°，核部地层为T1d2+3灰岩夹粉砂岩;其核部受张拉作用，节理裂隙发育，岩体较破碎，地下水顺节理裂隙下渗，并向两翼运动，岩层易受水的溶蚀作用，形成溶沟，溶槽，溶蚀孔洞。两翼地层倾角较缓，约16°～38°。

隧址区发育2个向斜，DK1746+885附近为向斜构造核部，轴向走向约67°，核部地层为T1d灰岩，局部夹钙质泥岩。在DK1748+590附近为向斜构造核部，轴向走向约40°，核部地层为T1d2+3灰岩夹粉砂岩，两翼地层倾角较缓，约25°～31°。受构造影响，两翼岩体岩溶裂隙发育，岩体较破碎，裂隙水较发育。

1.3.2 F9断层

物探结果指示地表DK1746+840附近存在断裂构造，为逆断层，走向约85°，倾向小里程方向，受其影响，洞身里程DK1746+775～+840段附近物探低阻异常发育，岩溶裂隙发育，岩体破碎，围岩稳定性差，导水性强，构造裂隙水发育。

图1 杨树岭隧道工程地质纵剖面图Fig.1 Longitudinal section of engineering geology of Yangshuling tunnel

1.3.3 F11断层

物探结果指示地表DK1747+530附近存在断裂构造，走向约38°，倾向大里程方向，受其影响，洞身里程DK1747+550～DK1747+680段附近物探低阻异常发育，岩溶裂隙发育，岩体破碎，围岩稳定性差，导水性强，构造裂隙水发育。

1.4 地下水补给、径流、排泄途径

隧址区地势近东西向展布的地表分水岭(DK1758+700马山岭)，分成南、北两个自然单元，北部为锦江河水系，南部为袁河水系，地表水受此分水岭控制，而区域地下水补给、径流、排泄条件也受其制约(图2)。

图2 杨树岭隧道水文地质图Fig.2 Hydrological geological map of Yangshuling tunnel

区内岩溶地下水主要来自大气降雨补给，大气降水补给地下水的强弱在研究区主要受三个因素控制:①岩溶发育程度。降水入渗补给地下是通过各种地表岩溶形态来实现的，地表岩溶越发育，补给条件越有利，其补给入渗量就越大。本区的大冶组和茅口组地层，地表岩溶最为发育，补给条件最好，栖霞组炭质灰岩地层次之。②地形条件。地形条件控制了大气降雨和地表水的汇集和滞留，地表越平坦，或负地形越发育，越有利大气降雨和地表水的汇集、入渗。而在斜坡地带，大气降雨沿地表迅速排走，不利地表水的滞留，补给条件差。坡度越陡，越不利地表水的入渗，补给条件愈差。③构造。由于构造破坏了岩体的完整性，其间的不连续面便成为降水入渗的通道，尤其是在张性结构面密集处，补给条件有利。另外，补给条件与植被的发育程度有关，一般在植被茂密的地段，降雨易导致地表水的滞流，延长入渗补给时间，增加其入渗补给量。

岩溶水的运移规律和排泄条件，主要受控制岩溶发育强烈程度诸因素的制约。隧址区的岩溶水的径流、排泄条件主要有两种类型，一是在向斜核部，平行构造轴向汇集运移，由于运移途径长，补给条件有利，如杨树岭隧道左侧坡脚的陇塘暗河，其主要特点为:径流长，流量大，水力坡度较小、集中排泄，排泄通畅，动态变化小。二是在两侧斜坡地带，岩溶水主要赋存于溶隙中，受裂隙发育的方向控制，总体是网状径流，因其赋水裂隙规模有限，故其赋存的水量也很有限，在有利的斜坡或沟谷边缘汇集排泄而出，隧道区泉水多集中在100～230 m标高间出露且流量小，具有径流短、流量小、水力坡度大、排泄点多且分散，排泄欠通畅，动态变化大等特点。

2 岩溶水系统发育特征

2.1 岩溶形态特征

2.1.1 落水洞

区内零星出露，主要发育在分水岭地带及其两侧山坡的中上部，常沿垂直裂隙发育，局部沿倾斜的层面发育。落水洞多呈垂直状或陡倾角状向地下深处延伸，洞口形状一般为圆形，直径约2～5 m不等。落水洞为地下岩溶管道和地下河发育的水流补给主要通道，也是地表追踪地下河的重要标志，对本区地下岩溶管道和地下河发育具有极其重要作用。

2.1.2 岩溶塌陷

岩溶塌陷是岩溶作用下的近期产物，主要发育在地下水补给区，为地下河和岩溶管道的水流溶蚀—侵蚀作用下，岩溶空间上覆岩石坍塌而成，是揭示与了解地下河和岩溶管道发育特征的表征性岩溶形态，也是确定地下河踪迹的实物证据。岩溶塌陷多发生在岩溶洞穴浅埋地带。

2.1.3 陇塘暗河

位于杨树岭隧道DK1745+440左侧1 538 m丘坡坡脚处，暗洞口标高约75 m，估测其出口流量为500 L/s(2012年12月26日)。所控制的岩溶水系统由为长兴组(P2c)灰岩地层组成，发育于背斜一翼的倾伏端，主要受北北西向的断层(F3)影响，推测暗河走向为朝北向，与线路近似平行，区内汇水面积约3 km2。由大气降雨汇集后沿丘坡上的牛坪村岩溶洼地分布的落水洞直接入渗地下。

溶洞调查统计见表2。

2.2 岩溶水发育特征

2.2.1 垂直分带性

岩溶作用的垂直分带现象取决于岩溶水循环的分带，而岩溶发育的程度取决于水的交替强度和水的溶蚀性这两个因素。在垂直循环带和季节循环带中，水的交替强度最高，在水平循环带，水交替的强度随着深度的增加而有规律地降低，而在深循环带中，通常水的交替数值是极小的。由此可以得出一个规律:地下水的交替强度随着深度的加大而减小。

表2 隧道区地下岩溶形态分布统计Table2 Statistic for distribution of underground karst morphology in tunnel located region

通过对岩溶隧道区岩溶洼地、落水洞、溶洞及暗河的统计(表2、表3)，以及隧道区岩溶发育特点，可将该区岩溶发育的垂向分带划分出如下三带:

表3 隧道区地表岩溶形态分布统计Table 3 Statistic for distribution of ground karst morphology in tunnel located region

(1)垂直循环带:位于地表以下至丰水期潜水面以上，岩溶水以垂直运动为主，发育的岩溶多以垂直形态为主。根据隧道区各种岩溶点和泉点、暗河的出露标高分析:杨树岭隧道的泉点出露标高为150～230 m之间，由于受到大冶组(T1d)中粉砂岩及页岩等相对隔水层的限制，地下水垂直运动受到阻隔，泉点多在山腰处出露，且流量较小。在以二叠纪灰岩地层中，在地面标高130 m以上基本未见水点出露，主要以垂直岩溶形态为主，发育有落水洞、岩溶洼地等。

(2)水平循环带:为垂直循环下部的地下水位流动及其水位季节变化范围(通常所说的季节变动带范围)。它的上限是丰水期的潜水面或暗河的最高水位，下限根据不同的侵蚀(排泄)基准面而有不同，一般为枯水期潜水面、河谷谷地或暗河河床底部。该带岩溶以水平形态为主，因此溶洞、暗河等水平岩溶形态十分发育，地下水集中在洞穴通道中向附近排泄基准面径流。根据调查的泉点及暗河情况，推测此带排泄区一般在标高60～130 m范围内。

(3)深部循环带:位于水平循环带以下，其下限往往发育很深，愈向深部，岩溶发育愈微弱。受锦江河和袁河排泄基面控制，不排除存在一定深度顺走向发育单管式管道流的可能。以溶孔、溶隙及小型岩溶洞穴为主，物探资料显示，在标高50 m以下的深部仍有一些低阻异常带存在，显示了这种可能性的存在。

2.2.2 不均匀性

根据野外调查，区内岩溶发育具有不均匀性。就岩溶洞穴而言，山顶平台上发育的岩溶个体形态数量少、规模小。斜坡地带发育的岩溶洞穴数量多，规模大小不一。从构造上看，岩溶集中发育于向斜核部地带、断裂带和岩相变化带附近;从岩溶发育地层层位上看，区内所见的大型洼地、落水洞、岩溶洞穴等岩溶个体形态主要在二叠系栖霞组(P1q)、茅口组(P1m)和三叠系大冶组(T1d)地层分布，这一特性说明岩性纯而厚度大的灰岩岩层岩溶发育，纯而薄的灰岩岩层岩溶相对不发育。而在其它时代地层分布区，岩溶个体形态少而小。

2.2.3 向深性

研究区岩溶发育的向深性主要表现为:北山口暗河早期排泄口为距其西侧20 m的上部溶洞，随着的地壳的抬升，地下水即沿优势导水裂隙溶蚀下切，形成目前的暗河排泄口。

2.3 岩溶储水构造类型

储水构造是一个补给、储存、径流、排泄自成系统的水文地质体。蓄水构造的边界主要以隔水层、地下水分水岭、不透水的断裂带及地表水体等组成。根据工程地质、水文地质勘查结果，区内主要发育社江背—查山向斜蓄水构造。

社江背—查山向斜位于杨树岭隧道中部，该蓄水构造为向斜核部的三叠系大冶组(T1d2+3)灰岩夹粉砂岩、泥灰岩。核部地层为可岩溶夹非可岩溶，呈条带状展布，且可溶岩两侧的非可溶岩多为粉砂岩和泥灰岩，其含水性及透水性均较差，这样可溶岩中地下水的运动在垂直岩层走向上就受到了限制，沿着向斜核部汇集，再沿纵向裂隙、层面和接触带即地层走向上运动。因此，沿地层走向发育了一些规模大小不等的溶洞和岩溶泉。

3 岩溶突水地质灾害危险地段分析

物探及钻孔(含深孔)结果显示，杨树岭隧道穿越山体中发育有13处低阻异常带，为隧道开挖时可能发生突水、涌水地质灾害的危险地段(图3)。可以看出，危险地段主要位于断层破碎带和向斜核部及两翼。其中，DK1746+620 ～DK1747+330、DK1747+550 ～DK1747+950、DK1748+170 ～ DK1748+910、DK1749+230～DK1749+740、DK1749+940～DK1750+500等范围内均分布有危险地段。从危险地段的分布特点可以看出，其与地质构造有密切关系，特别是断层和褶皱。

对全隧道划段按降雨入渗法进行涌水量预测，结果见表4。

危险地段分布与地质构造关系密切的主要原因是杨树岭隧道主要以大冶组T1d2+3中厚层灰岩，夹粉砂岩、泥质灰岩为主，为水量中等含水岩组，其夹有相对隔水层。可岩溶夹非可岩溶，呈条带状展布，且可溶岩两侧的非可溶岩多为粉砂岩和泥灰岩，其含水性及透水性均较差，这样可溶岩中地下水的运动在垂直岩层走向上就受到了限制，沿着向斜核部汇集，再沿纵向裂隙、层面和接触带即地层走向上运动。因此，沿地层走向发育了一些规模大小不等的溶洞和岩溶泉。断层把相对隔水层断开，使地下水向深部入渗。隧道为中等富水，其在断层带及向斜富水带中涌水量较大，施工过程中存在突水、突泥事故的可能，对隧道具有一定的影响。