談巖溶地區(qū)隧道施工中的水文地質(zhì)

敖紹光

（貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽 550001）

巖溶地區(qū)在我國比較多見,在這些地區(qū)進(jìn)行隧道施工在技術(shù)上的要求較高,假如遇到一些隱性的環(huán)境或是條件,處理不當(dāng)?shù)囊灿锌赡軙?huì)引起水文地址災(zāi)害主要有突水和涌水等, 這些情況都會(huì)嚴(yán)重影響工程施工進(jìn)度并可能引起人員傷亡和設(shè)備損失,最嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致整個(gè)隧道工程的失敗。

1 巖溶的垂直分帶以及隧道的位置

1.1 調(diào)查確定巖溶基準(zhǔn)面

巖溶基準(zhǔn)面是指巖溶作用向地下深處所能達(dá)到的下限。一般為當(dāng)?shù)氐暮铀妗⒑?、巖溶泉或暗河的最低水面。 基準(zhǔn)面的高程與可溶巖的底板高程和可溶巖中非可溶巖夾層有關(guān)。巖溶區(qū)內(nèi)的河谷有一定的排水能力， 河谷水面即為巖溶基準(zhǔn)面。 巖溶區(qū)內(nèi)的河谷已失去其排水能力，平時(shí)無水，雨季時(shí)才產(chǎn)生暫時(shí)性水流，或者雖有經(jīng)常性水流，但其水量很小，此時(shí)巖溶基準(zhǔn)面已遠(yuǎn)離本區(qū)，而為較遠(yuǎn)及較大的河流水面所代替。 當(dāng)碳酸鹽巖之下埋藏有非可溶性的不透水巖層，且兩者的接觸面高于鄰近河谷的水面時(shí)，則接觸面即為巖溶基準(zhǔn)面。 此面與地殼升降運(yùn)動(dòng)無直接關(guān)系，稱之為排泄基準(zhǔn)面，以區(qū)別之。 隨著地殼的不斷上升，巖溶即以懸河或懸掛形式的巖溶泉，出露在河谷斜坡之上。

1.2 確定巖溶垂直分帶以及隧道在垂直分帶中的位置

垂直滲流帶：豐水期地下水位以上，大氣降水或地表水受重力作用沿可溶巖的裂隙、孔洞作垂向運(yùn)動(dòng)的地帶。 水平徑流帶：巖溶含水層最低水位以下，受當(dāng)?shù)貛r溶排水基準(zhǔn)面控制，具有連續(xù)水位的地帶。 淺飽水帶巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，深飽水帶巖溶發(fā)育漸弱，逐漸過渡為深部緩流帶。 巖溶的垂直分帶確定以后，便可確定隧道在垂直分帶中的位置，先定性評(píng)價(jià)隧道是否有地下水，若有水再進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)。 轎頂山、蝦子河、艾家坪、沙坡、天生橋等隧道位于垂直滲流帶中，在隧道路基高程附近雖然有巖溶大廳，路基以下也有暗河，但隧道卻無水害，而位于水平徑流帶的婁山關(guān)、勝境關(guān)、梅子關(guān)、巖腳寨、燕子巖等隧道，施工中特別是雨季都發(fā)生大量涌水或突水。 位于深部緩流帶的大巴山、中梁山、大寨、貴定、梅花山、南嶺等隧道，雖無巖溶大廳、暗河，但地下水危害卻不小。

2 巖溶的空間分布

2.1 巖溶調(diào)查方法

預(yù)測(cè)巖溶洞穴區(qū)域分布的方法有水文網(wǎng)法、階地、剝夷面對(duì)比法、洼地分析法、巖溶洞穴分析法等。

2.2 綜合勘察方法

地下巖溶洞穴的勘探，目前仍是未能很好解決的難題。 實(shí)踐證明，充分利用遙感和物探方法，與鉆探相配合，是一種可行的技術(shù)方法。 大比例尺航空像片解譯和地面物探方法，如電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)、頻率測(cè)深法，可以在鉆探之前先進(jìn)行面積性勘察，發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育帶、溶洞群、地下暗河、單個(gè)大型洞室的異常位置，然后針對(duì)可疑之處進(jìn)行鉆探。 地面物探目前采用的幾種方法，在探查巖溶發(fā)育帶、地下河及有一定規(guī)模體積的地下洞穴可取得效果。 但要確定單個(gè)巖溶洞穴、管道和較大洞穴位置，則以采用地下物探與鉆探相結(jié)合的電磁波孔透方法更為直觀有效。 鐵四院在廣東浮硫鐵礦支線龍盤圍巖溶路基地段的工作中， 先利用電阻率和頻率電磁法找出了巖溶發(fā)育帶的平面位置，然后利用布置在鐵路兩側(cè)的鉆孔，采用電磁波孔透方法在20 多個(gè)鉆孔之間交叉進(jìn)行網(wǎng)狀探測(cè)，確定了路基下發(fā)育的單個(gè)溶洞位置和規(guī)模，為準(zhǔn)確判定巖溶位置提供確切資料。

2.3 隧道施工中洞內(nèi)勘查方法工程實(shí)例

大秦線鄭重莊三線隧道， 隧道位于北京市順義縣茶塢鄉(xiāng)以東，系茶塢站至雙懷線高各莊聯(lián)絡(luò)線和大秦復(fù)線并行的三線隧道， 里程DK340+035～DK340+180， 總長(zhǎng)145m， 最大埋深40m。 鄭重莊為一離堆山丘，南北狹長(zhǎng)，覆蓋層厚0～5m，下為寒武系下統(tǒng)府君山組中厚層石灰?guī)r夾泥質(zhì)石灰?guī)r， 呈單斜構(gòu)造。勘測(cè)時(shí)在進(jìn)口處進(jìn)行了挖探及物探工作， 地表未發(fā)現(xiàn)巖溶現(xiàn)象。 該隧道于1988 年12 月28 日通車運(yùn)煤。

施工中發(fā)現(xiàn)的溶洞，該隧道由鐵一局四處于1985 年5 月開始施工，當(dāng)挖至DK340+120～+132 上導(dǎo)坑附近，發(fā)現(xiàn)洞頂多處沿節(jié)理裂隙和層面發(fā)育的溶蝕坑及溶洞，呈上大下小的漏斗狀及條帶狀分布，直徑0.4～1.0m，深度不明，將打火機(jī)點(diǎn)燃放入洞口，洞內(nèi)吹出涼風(fēng)可將火吹滅。 在導(dǎo)坑貫通后，進(jìn)行查清，鉆探核實(shí)。

多種物探方法探測(cè)及成果，在隧道內(nèi)使用地質(zhì)雷達(dá)、電磁頻率剖面法、聯(lián)合剖面法、大地音頻電場(chǎng)法等多種物探手段開展了綜合物探工作。 查明了三條巖溶發(fā)育帶：DK340+75～+083，寬8m；DK340+091～+103，寬12m；DK340+116～+127，寬11m。

3 巖溶的發(fā)育程度

一個(gè)地區(qū)的巖溶發(fā)育程度需要結(jié)合該地區(qū)的巖溶層組類型、地質(zhì)構(gòu)造條件、巖溶地貌部位（河谷、分水嶺及谷坡等）以及巖溶發(fā)育歷史等特點(diǎn)來綜合考慮，必須因地制宜，很難得出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各地區(qū)之間不宜截然對(duì)比，所以得出的結(jié)果僅僅是一種相對(duì)的概念。 巖溶發(fā)育強(qiáng)度分級(jí)，分為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育、巖溶中等發(fā)育、巖溶弱發(fā)育和巖溶微弱發(fā)育四級(jí)。

3.1 巖溶與巖性的關(guān)系

巖溶化程度最強(qiáng)的為灰?guī)r次為白云質(zhì)灰?guī)r； 再次為泥質(zhì)灰?guī)r。 碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造方面：就結(jié)構(gòu)來說，一般晶粒愈粗，溶解度就愈大，巖溶發(fā)育也就愈強(qiáng)烈。 就成層構(gòu)造而言，一般巖層愈厚，巖溶就愈發(fā)育。

3.2 巖溶與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的空間組合：產(chǎn)狀平緩的灰?guī)r，上覆頁巖時(shí)，一般巖溶不發(fā)育；下伏頁巖時(shí)，接觸面高于鄰近的河水面時(shí)，接觸面上常有巖溶泉以懸掛的形式出露在河谷斜坡之上；陡傾或直立產(chǎn)狀的灰?guī)r與砂頁巖相間排列時(shí)，兩者的接觸帶巖溶作用強(qiáng)烈，常有落水洞、漏斗及巖溶泉等。 巖溶與斷裂的關(guān)系：張性斷裂帶巖溶化程度通常很強(qiáng)烈；壓性斷裂帶的巖溶一般不發(fā)育（有時(shí)某一盤也可能出現(xiàn)強(qiáng)烈的巖溶化現(xiàn)象）；扭性斷裂帶巖溶作用的深度一般較大；構(gòu)造解理與層間裂隙的交接處巖溶作用強(qiáng)烈。

3.3 巖溶與褶皺的關(guān)系

背斜軸部是產(chǎn)生張應(yīng)力的地方，張解理發(fā)育，在地形上往往處于山區(qū)分水嶺地段，雨水或地表水沿這些解理裂隙作垂直運(yùn)動(dòng)，然后再向兩翼或沿地質(zhì)構(gòu)造線方向運(yùn)動(dòng)，故巖溶多以落水洞、漏斗、洼地等為主并具有與構(gòu)造軸線一致的帶狀分布特征。 屬地下水補(bǔ)給區(qū)。 向斜軸部在巖溶水運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中屬聚水區(qū)或排泄區(qū)，巖溶水往往富集于軸部或循構(gòu)造軸向運(yùn)動(dòng)，或向河流排泄。 一般在向斜谷中，常發(fā)育有暗河，同時(shí)由于軸部發(fā)育的垂直裂隙的巖溶化，形成了一系列與暗河相連通的漏斗、落水洞、豎井等垂直形態(tài)。 褶皺翼部在巖溶水運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中屬徑流部位，流速大，水動(dòng)力作用活躍，巖溶化程度最強(qiáng)烈，尤以鄰近向斜軸部或河谷邊緣地區(qū)更甚。 既發(fā)育有水平巖溶形態(tài)，也發(fā)育有與地表相聯(lián)系的垂直巖溶形態(tài)。 褶皺構(gòu)造的轉(zhuǎn)折端是巖溶發(fā)育的集中場(chǎng)所。

例如大巴山隧道巖溶發(fā)育程度還與褶皺構(gòu)造有關(guān)， 如下表為大巴山隧道施工前地下水位。 隧道通過地區(qū)區(qū)域性的褶皺為九工坪—沿河鄉(xiāng)大背斜，幅寬4～6km，長(zhǎng)度50km。 同時(shí)，兩翼還形成一系列中、小型復(fù)式褶皺構(gòu)造，在隧道施工中共遇到6～7 組背斜、向斜構(gòu)造，其軸向與大背斜保持一致。 向斜核部具有儲(chǔ)水構(gòu)造，富集地下水并常形成暗河(管道)系統(tǒng)，向斜被斷層破壞時(shí)，暗河沿?cái)嗔寻l(fā)育，并于相鄰暗河發(fā)生水力聯(lián)系。 褶皺構(gòu)造的轉(zhuǎn)折端是巖溶發(fā)育的集中場(chǎng)所。 下寒武統(tǒng)石龍洞組灰?guī)r中，蓮花池復(fù)背斜構(gòu)造的主褶皺軸傾伏端和筲箕灣倒轉(zhuǎn)向斜仰起端的轉(zhuǎn)折部位均發(fā)育有大量的落水洞、漏斗、巖溶洼地及巖溶泉。 北東部的花邊褶皺，由于有利的地形條件，上述現(xiàn)象尤為顯著。 向斜仰起端以發(fā)育落水洞、漏斗與洼地等垂直形態(tài)為主；背斜的傾伏端以巖溶泉為主。 這些泉水均出露于溝谷切割的最低部位，其水量隨季節(jié)而變化，雨季時(shí)一般都很大，呈渾濁的涌水注入地表河溝， 潮水溝巖溶泉在隧道施工前最大流量為1026L／s，是黑水河的源泉之一。

表1 大巴山隧道施工前地下水位

4 結(jié)束語

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展， 人類社會(huì)的生產(chǎn)生活步伐不斷加快，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)囊笠苍絹碓礁?給隧道挖掘人員添加不少壓力，由于地形的復(fù)雜多樣性，施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)安全也不斷增加，在施工中應(yīng)當(dāng)一切本著安全第一的原則，相信隧道挖掘工程技術(shù)會(huì)隨著科技的發(fā)展不斷的進(jìn)步。

[1]何發(fā)亮,李蒼松,陳成宗.巖溶地區(qū)長(zhǎng)大隧道涌水災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2001(05)

[2] 王軍. 礦井?dāng)鄬拥墓こ塘W(xué)特性與水文地質(zhì)特征研究[J].科技信息.2011(27)

[3]李建偉.某鐵路隧道水文地質(zhì)分析及涌水量預(yù)測(cè)[J].鐵道勘察.2011(06)