安六鐵路六枝至茨沖段隧道巖溶地質(zhì)選線(xiàn)

周關(guān)學(xué) 付開(kāi)隆 李 峰

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

安六鐵路是貴陽(yáng)經(jīng)安順至六盤(pán)水城際鐵路的重要組成部分。六枝至茨沖段隧道群是安六鐵路控制線(xiàn)位的重要工程區(qū)段，該段線(xiàn)路通過(guò)墮卻-郎岱背斜的可溶巖地層，并通過(guò)緊閉背斜兩翼隔水層封閉形成背斜翼部的富水區(qū)，地下暗河、溶蝕槽谷、洼地、落水洞、溶洞等巖溶形態(tài)強(qiáng)烈發(fā)育，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道施工易產(chǎn)生突水、突泥及環(huán)境破壞等問(wèn)題，涉及比較復(fù)雜和敏感的環(huán)境水文地質(zhì)及施工安全問(wèn)題[1]。為降低施工及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，勘察期間把隧道區(qū)巖溶地質(zhì)選線(xiàn)作為一個(gè)控制線(xiàn)路方案的重點(diǎn)，對(duì)穿越墮卻-郎岱背斜的各個(gè)方案作了大量地質(zhì)工作，在綜合分析研究的基礎(chǔ)上，提出了線(xiàn)路避開(kāi)行走地下水水平徑流帶和沿梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰?guī)r地層接觸帶的取直方案和沿高速公路方案，爬高線(xiàn)位，提出線(xiàn)位沿長(zhǎng)江水系與珠江水系分水嶺的推薦方案，隧道區(qū)方案示意，如圖1所示。

1 隧道區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

測(cè)區(qū)屬構(gòu)造低中山區(qū)地貌，地形上總體呈“人字型”，墮卻-郎岱背斜核部高，兩翼低。受地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造控制，隧址區(qū)交替形成緩坡及溶蝕沖溝地貌。墮卻-郎岱背斜南翼為珠江水系，北翼為長(zhǎng)江水系，線(xiàn)路沿長(zhǎng)江水系與珠江水系分水嶺行進(jìn)。背斜核部最高海拔標(biāo)高 2 042.1 m，兩翼最低海拔標(biāo)高 1 350 m，相對(duì)高差692.1 m。

圖1 隧道區(qū)方案示意圖

1.2 地層巖性

測(cè)區(qū)主要穿過(guò)石炭系及二疊系地層，石炭系上統(tǒng)馬坪群(C3mp)、中統(tǒng)黃龍群(C2hn)灰?guī)r形成溶蝕臺(tái)地地形，兩翼出露二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)、茅口組(P1m)富水性強(qiáng)的含水巖組和二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)、上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P2c)、大隆組(P2d)、龍?zhí)督M(P2l)及峨眉山玄武巖(P2β)含煤地層及相對(duì)隔水巖層。線(xiàn)路通過(guò)區(qū)段內(nèi)主要巖性特征，如表1所示。

表1 隧道區(qū)通過(guò)主要地層巖性特征表

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

測(cè)區(qū)大地構(gòu)造屬揚(yáng)子地臺(tái)之滇黔鄂臺(tái)褶帶，測(cè)區(qū)位于南嶺緯向構(gòu)造帶之北，川滇經(jīng)向構(gòu)造體系之東，新華夏第三次隆起帶之西。北西向及黔西山字形構(gòu)造帶控制著本區(qū)域巖溶的分布、發(fā)育規(guī)律。測(cè)區(qū)為墮卻-郎岱背斜，背斜軸向呈北30°西，核部地層為石炭系可溶巖，兩翼為二疊系、三疊系可溶巖與非可溶巖，兩翼不對(duì)稱(chēng)，南翼受南丹紫云區(qū)域斷裂影響，巖層陡，地層缺失，北翼舒展，地層齊全。背斜軸部局部發(fā)育小型逆斷層，斷層破碎帶較窄，背斜軸部陡傾角張性裂隙極為發(fā)育[2]。

1.4 巖溶發(fā)育規(guī)律

隧址區(qū)位于長(zhǎng)江水系與珠江水系分水嶺地帶，背斜核部為溶蝕臺(tái)地、槽谷發(fā)育區(qū)，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，溶蝕洼地、巖溶漏斗、落水洞、溶蝕裂隙(溶縫)、溶孔等巖溶形態(tài)沿構(gòu)造線(xiàn)呈北西向呈串珠狀發(fā)育。背斜兩側(cè)深切溝谷內(nèi)由梁山組含煤地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰?guī)r地層的接觸地帶均有巖溶管道水的露頭及暗河出口，溶洞、地下暗河、巖溶大泉發(fā)育[3]。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等的影響，呈現(xiàn)出如下規(guī)律：

(1)背斜核部巖溶強(qiáng)烈發(fā)育

墮卻-郎岱背斜為緊密背斜，核部為C3mp、C2hn的可溶巖地層，兩翼局部含非可溶巖，背斜軸部縱向張裂隙極為發(fā)育，局部小型斷裂構(gòu)造發(fā)育，為地表水的下滲、溶蝕提供了有利條件，溶蝕洼地、巖溶漏斗、落水洞等巖溶形態(tài)順構(gòu)造線(xiàn)呈串珠狀發(fā)育，線(xiàn)位走行于淺表垂直發(fā)育的巖溶形態(tài)內(nèi)，背斜核部巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。

(2)背斜兩翼巖溶水特別豐富

墮卻-郎岱背斜兩翼為C3mp、P1l、P1m、P1q、P2l、P2β的可溶巖和非可溶巖地層，背斜北翼大面積地下匯水向北徑流，受梁山組煤系地層及峨眉山玄武巖等非可溶巖地層的分隔，巖溶水文地質(zhì)系統(tǒng)十分復(fù)雜，在深切溝谷內(nèi)由梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰?guī)r地層的接觸地帶均出現(xiàn)溶洞、地下暗河、巖溶大泉[4]等，隧道沿可溶巖與非可溶巖界線(xiàn)靠可溶巖側(cè)順線(xiàn)路方向出現(xiàn)地下水水平徑流，巖溶水特別豐富。

2 隧道區(qū)水文地質(zhì)條件

2．1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

區(qū)域內(nèi)巖溶水文地質(zhì)條件控制著線(xiàn)路方案的選擇。玉和頂和冷壩后山為測(cè)區(qū)最高點(diǎn)，標(biāo)高為 2 042.1 m，線(xiàn)路沿長(zhǎng)江水系與珠江水系分水嶺行進(jìn)，地表水分水嶺也是地下水分水嶺，南側(cè)為珠江水系北盤(pán)江流域，以牂牁江為最低點(diǎn)；北側(cè)為長(zhǎng)江水系烏江流域，以三岔河為最低點(diǎn)。背斜軸部縱向張裂隙極為發(fā)育，為地表水入滲溶蝕提供了良好通道，南翼地下水自北向南或徑流，北翼地下水自南向北或徑流，在深切溝谷內(nèi)由梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰?guī)r地層的接觸地帶均會(huì)出現(xiàn)巖溶管道水露頭、巖溶大泉及暗河口。地下水運(yùn)動(dòng)的總趨勢(shì)是南北分流，向北匯入長(zhǎng)江水系三叉河烏江流域，向南歸入珠江水系牂牁江北盤(pán)江流域，匯入長(zhǎng)江水系三叉河烏江流域的地下河有罵支-龍?zhí)兜叵潞?、解板?洞口地下河、播洞-下鍋廠地下河、龍井-大地頭地下河、小黑舍-龍井溝地下河、雙龍?zhí)兜叵潞拥?；匯入珠江水系牂牁江北盤(pán)江流域的地下河有中壩水庫(kù)地下河、二道巖地下河、艾家坪地下河、猴兒關(guān)左家寨地下河、茨沖地下河等。該段線(xiàn)路隧道區(qū)水文地質(zhì)圖及兩側(cè)流域內(nèi)巖溶大泉及地下河統(tǒng)計(jì)表[5]，如圖2和表2所示。

圖2 隧道區(qū)水文地質(zhì)示意圖

2.2 巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄

墮卻-郎岱背斜地貌上呈“人字型”形態(tài)，核部高山，兩翼低谷，在空間上整體連續(xù)分布，形成背斜核部溶槽洼地的補(bǔ)給區(qū)。山嶺斜坡含水補(bǔ)給徑流區(qū)，兩翼低洼處受梁山組煤系地層及峨眉山玄武巖等非可溶巖地層分隔而形成排泄區(qū)，背斜核部巖溶地下水與東西兩翼地層的水力聯(lián)系，形成墮卻-郎岱背斜較完整的補(bǔ)給、徑流、排泄區(qū)域性水文地質(zhì)單元。

墮卻-郎岱背斜為玉和頂-冷壩后山脈向南、向北地表水和地下水匯流的分水嶺，玉和頂-冷壩后一帶山嶺高程在 1 800～2 040 m，南北兩側(cè)均為地勢(shì)相對(duì)較低的槽谷地形，兩翼最低海拔標(biāo)高 1 350 m，相對(duì)高差450～690 m。隧道區(qū)背斜軸部溶溝、溶槽、落水洞發(fā)育，地下水主要接收大氣降水補(bǔ)給，大氣降水通過(guò)巖石的孔隙、裂隙、溶蝕管道補(bǔ)給地下水，一部分補(bǔ)給深層地下水，一部分以裂隙泉、巖溶泉或地下暗河的形式排出地表。在兩翼深切溝谷內(nèi)的梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰?guī)r地層的接觸地帶有巖溶管道水露頭及暗河出口，地下水具有區(qū)域性排泄的特征。深層巖溶地下水[6]向下游區(qū)域基準(zhǔn)面運(yùn)移排泄，構(gòu)成地下水運(yùn)動(dòng)總趨勢(shì)為分別向南、向北分流，向北匯入長(zhǎng)江水系三叉河烏江流域，向南歸入珠江水系牂牁江北盤(pán)江流域。于排泄基準(zhǔn)面以暗河或泉的形式排泄，具有分散補(bǔ)給、集中排泄的特點(diǎn)，具有雨后水量暴增并含泥砂的山區(qū)型巖溶水特征。

表2 各流域內(nèi)巖溶大泉及地下暗河統(tǒng)計(jì)表

圖3 隧道區(qū)巖溶水補(bǔ)給、徑流、排泄與隧道關(guān)系圖

2.3 隧道方案與巖溶水的位置關(guān)系

圖3給出了隧道區(qū)巖溶水補(bǔ)給、徑流、排泄與隧道的關(guān)系，從圖中可以看出：

(1)比較方案 (經(jīng)雙龍?zhí)度≈狈桨窩3K線(xiàn)) 長(zhǎng)嶺崗隧道

該方案位于墮卻-郎岱背斜北翼，線(xiàn)路左側(cè)地勢(shì)較高，線(xiàn)位處地勢(shì)低洼，相對(duì)高差450～690 m。隧道主要位于地下水集中排泄區(qū)，長(zhǎng)嶺崗隧道距離水打田暗河口300 m，距梁山組煤系地層400 m，受梁山組煤系地層及峨眉山玄武巖等非可溶巖地層的分隔，該方案有3座長(zhǎng)4～5 km和1座長(zhǎng)約7 km隧道的巖溶水文地質(zhì)系統(tǒng)十分復(fù)雜，隧道與暗河交叉，位于巖溶水水平徑流帶內(nèi)，隧道施工運(yùn)營(yíng)中可能會(huì)遇到突水、突泥、水壓大、軌底上拱等巖溶地質(zhì)災(zāi)害。

(2)推薦方案(經(jīng)墮卻-郎岱背斜分水嶺方案CK線(xiàn))長(zhǎng)地隧道

該方案位于長(zhǎng)江水系烏江流域和珠江水系北盤(pán)江流域地表水和地下水的分水嶺地帶，方案沿山脊行進(jìn)，線(xiàn)位行走較高，大部分以淺埋、小隧道為主，隧道區(qū)地下水主要接收大氣降水補(bǔ)給，大氣降水通過(guò)巖石孔隙、裂隙、溶蝕管道補(bǔ)給地下水。線(xiàn)路位于巖溶水補(bǔ)給區(qū)，隧道洞身位于巖溶水垂直滲流帶，巖溶水對(duì)隧道影響小，但背斜軸部縱向張裂隙極為發(fā)育，為地表水入滲溶蝕提供了良好通道，使洞身溶洞、溶腔、溶蝕裂隙等巖溶形態(tài)強(qiáng)烈發(fā)育。

3 隧道方案比選

本文研究了沿高速公路經(jīng)巖腳鎮(zhèn)方案(C2K方案)、經(jīng)雙龍?zhí)度≈狈桨?C3K方案)和沿長(zhǎng)江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)，從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行比選。

3.1 方案概況

3.1.1 經(jīng)雙龍?zhí)度≈捣桨?C3K方案)

該方案起點(diǎn)C3K 50+000，終點(diǎn)C3K 96+845，線(xiàn)路長(zhǎng)46.845 km，長(zhǎng)度3 km以上的隧道5座，最長(zhǎng)隧道長(zhǎng)約7 km?？扇軒r地層(C3mp、C2hn 、P1m、P1q)長(zhǎng)37.57 km，占80.20%，P1l含煤地層占7.08%，P2β火成巖占12.72%。該段線(xiàn)路位于背斜北翼，左側(cè)地勢(shì)較高，線(xiàn)位地勢(shì)低洼，相對(duì)高差450～690 m，左側(cè)大范圍匯水區(qū)，線(xiàn)路沿梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰?guī)r地層接觸地帶行進(jìn)，靠灰?guī)r側(cè)集中大量地下水順線(xiàn)路方向水平徑流，巖溶及巖溶水風(fēng)險(xiǎn)很大，隧道施工可能會(huì)遇到突水、突泥等巖溶地質(zhì)災(zāi)害。

3.1.2 沿高速公路經(jīng)巖腳鎮(zhèn)方案(C2K方案)

該方案起點(diǎn)C2K 50+000，終點(diǎn)C2K 97+200，線(xiàn)路長(zhǎng)49.200 km，較雙龍?zhí)度≈狈桨搁L(zhǎng)近3 km。線(xiàn)路位于背斜北翼更北端，線(xiàn)路基本沿C3mp、P1m、P1q灰?guī)r地層與P1l、P2l、P2β煤系地層分界線(xiàn)行進(jìn)，在梁山組和龍?zhí)督M煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰?guī)r地層的接觸地帶?？炕?guī)r側(cè)集中大量地下水順線(xiàn)路方向水平徑流，巖溶及巖溶水風(fēng)險(xiǎn)大[7]，隧道施工可能會(huì)遇到突水、突泥等巖溶地質(zhì)災(zāi)害。線(xiàn)位多處穿越小煤窯采空區(qū)，沿可溶巖與非可溶巖界線(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)大，地質(zhì)條件較差。

3.1.3 沿長(zhǎng)江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)

該方案起點(diǎn)CK 50+000，終點(diǎn)CK 97+200，線(xiàn)路長(zhǎng)48.46 km，長(zhǎng)度3 km以上的隧道2座，地層C3mp、C2hn 、P1m、P1q，長(zhǎng)46.02 km，占94.96%， P1l含煤地層占3.55%，P2β火成巖占1.49%。方案沿102省道行走于分水嶺地帶，沿山脊行進(jìn)，線(xiàn)位行走標(biāo)高較高，以淺埋、小隧道為主，隧道區(qū)地下水主要接收大氣降水補(bǔ)給，降水通過(guò)巖石的孔隙、裂隙、溶蝕管道補(bǔ)給地下水。線(xiàn)路位于巖溶水補(bǔ)給區(qū)，隧道洞身位于巖溶水垂直滲流帶，巖溶水對(duì)隧道影響小。

3.2 方案比選

沿高速公路經(jīng)巖腳鎮(zhèn)方案(C2K方案)和經(jīng)雙龍?zhí)度≈狈桨?C3K方案)線(xiàn)路均位于墮腳-郎岱背斜北翼，左側(cè)地勢(shì)高，線(xiàn)位地勢(shì)低洼，高差達(dá)690 m，大面積地下水以暗河形式向線(xiàn)位低洼處匯聚，受梁山組和龍?zhí)督M煤系地層及峨眉山玄武巖等非可溶巖地層分隔，在深切溝谷內(nèi)均有巖溶管道水露頭和暗河出口，在梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰?guī)r地層接觸地帶靠灰?guī)r側(cè)集中大量地下水順線(xiàn)路方向水平徑流，巖溶及巖溶水風(fēng)險(xiǎn)大，隧道施工可能會(huì)遇到突水、突泥等巖溶地質(zhì)災(zāi)害。小煤窯采空區(qū)及煤系地層對(duì)隧道施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)也大。沿長(zhǎng)江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)，線(xiàn)路沿山脊行進(jìn)，行走標(biāo)高較高，以淺埋、小隧道為主，線(xiàn)路位于巖溶水補(bǔ)給區(qū)，隧道洞身位于巖溶水垂直滲流帶，巖溶水對(duì)隧道影響小。故建議采用沿長(zhǎng)江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)。

4 研究結(jié)論

本文對(duì)六枝至茨沖段隧道結(jié)合工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況進(jìn)行線(xiàn)位方案比較。推薦采用沿長(zhǎng)江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)。

(1)該方案線(xiàn)路沿山脊行進(jìn)，行走標(biāo)高高，隧道位于巖溶水補(bǔ)給區(qū)，隧道洞身位于巖溶水垂直滲流帶內(nèi)，隧道縱坡設(shè)計(jì)成人字坡，順坡施工[8]，大大降低了隧道施工中巖溶突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境危害。

(2)該方案巖溶水風(fēng)險(xiǎn)較低，但背斜軸部張節(jié)理發(fā)育，加上線(xiàn)路標(biāo)高較高，以淺埋短隧道為主，圍巖級(jí)別以Ⅲ級(jí)為主，施工中掌子面遇到溶洞及溶蝕破碎帶的機(jī)率增多，應(yīng)加強(qiáng)配合施工的地質(zhì)工作。

(3)巖溶隧道的地質(zhì)選線(xiàn)應(yīng)先進(jìn)行大面積區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)專(zhuān)題研究，再根據(jù)具體地質(zhì)條件，綜合分析確定巖溶隧道。