圆梁山隧道毛坝向斜深埋大型溶洞成因分析

图 !" 毛坝向斜核部纵剖面图 !三叠系下统大冶组； "二叠系上统长兴组； #二叠系上统吴家坪组； $二叠系下统茅口组； %二叠系下统栖霞组； &泥盆系上统水车坪组； ’志留系泥岩
+ + 地层岩性主要为志留系、 泥盆系水车坪组砂泥岩及二叠系 栖霞组、 茅口组、 吴家坪组、 长兴组； 三叠系大冶组、 嘉陵江组灰 岩、 硅质灰岩， 局部夹薄层泥页岩。毛坝向斜岩溶形式在近地表 以溶蚀—构造裂隙为主， 向下逐渐以溶蚀孔洞为主。根据地勘资 料， 向斜中存在 7’: 2 ; 和 7!/ 两层承压水， 水头 ##’/ 和 #&"/。向 斜段正常涌水量为 $$"""/ < =， 最大涌水量为 .("""/ &l因分析
庄金波
（ 中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳 #%!""- ） 摘+ 要： 对施工中遇到的深埋大型溶洞形态进行了阐述， 并根据毛坝向斜的地形、 地貌以及水文地质情况， 结合岩溶形 成条件， 分析了溶洞产生的原因以及对隧道施工的不良影响， 为今后认识同类岩溶提供了借鉴。 关键词： 深埋； 岩溶； 成因 !" 工程概况 新建铁路渝怀线圆梁山隧道地处渝、 鄂、 黔三省市毗连地区， 为川东鄂西褶皱山地与贵州高原接壤带。隧道穿越乌江与沅江 水系分水岭毛坝—圆梁山地区， 属中、 低山深切河谷地貌， 相对高 差 ."" 余米。隧长 !!"&./ （ 01($! 2 #&$ 3 01(&’ 2 $(( ） ， 进口位 于细沙河东岸， 出口位于炭厂河西岸。隧道最大埋深 %."/， 隧道 标高 $"(4 %# 3 $&"4 #"/。 该地区地貌形态明显受构造和岩性控制， 具条带状展布特 征， 以褶皱构造为基本骨架， 形成相间式排列的北北东向的山脉 与河谷， 兼有岩溶洼地和峡谷地貌景观。隧道穿越的主要地质构 造为毛坝向斜和桐麻岭背斜及其伴生或次生断裂等构造， 地质 条件复杂。 该地区气候温和， 具有春雨、 夏旱、 秋绵、 冬干的特点。多年 平均气温 !%4 %5 ， 平均降水量 !(.(4 &//， 降雨主要集中在 $ 、 &、 %、 . 等月份， 占年降雨量的 $#4 (6 。河流除细砂河属乌江水系 外， 其余均属沅江水系， 分水岭位于毛坝向斜西翼标高 !($"/ 以 上的长条形山地。 #" 毛坝向斜概况 隧道在 01($( 2 ’"" 3 01($$ 2 #"" 穿越毛坝向斜高水位富 水区。向斜四周 被 志 留 系 地 层 所 围 限 顶 托， 两翼二叠系下统 （ 7!8 2 / ） 灰岩形成高 $" 3 !""/ 长数十公里的绝壁， 构成两翼高 凸， 中间低洼的槽状地貌。向斜两翼的地貌形态对称性较好。向 斜南段呈北北东向， 北段渐变为北东向， 南北长 &$9/， 东西宽 ’ 3 (4 $9/， 为一封闭、 可溶、 不透水的盆状构造 （ 见图 ! ） 。
图 #" $%&#’( ) ((* + ) (,’ 、 %&#’( ) (-* + ) (.* 溶洞体平面图
向斜中节理构造比较发育， 其中以走向节理发育最好。节理 构造按成因主要分为以下几种： （,） 向斜转折端上的纵张节理。走向呈 89 向， 倾向随转折 端位置变化， 空间上呈扇形分布。 （’） 垂直向斜轴向的横张节理。分早期的走向 8: 向者和 晚期走向近东西向者， 此种节理皆为陡倾节理， 控制岩溶作用明 显， 规模较大的横张节理常控制缝隙型溶洞。 （#） 层间共轭 ; 节理。向斜中最发育的节理， 一组顺层发 育， 另一组切层发育。切层因持续层间拖曳作用而逐渐张开。 %5 ’5 ’6 断层及构造断裂带 向斜内北西向断裂构造发育。由于断层两盘为可溶岩接触，
图 !" 溶洞体平面图
最大直径 %(4-， 溶蚀严重。 (" 毛坝向斜深埋岩溶形成条件 ( 5 0" 地表岩溶形态及地表水源补给 %5 ,5 ,6 地表岩溶形态 毛坝向斜为一四周被厚达 ,7)(- 的志留系 （ 砂质） 泥页岩区 域性相对隔水层完全圈闭， 内部主要由可溶岩构成的一个相对 独立的水文地质单元。其地表岩溶极为发育， 形态各异， 主要有 溶沟、 溶槽、 岩溶漏斗、 落水洞、 岩溶洼地与岩溶槽谷等。 %5 ,5 ’6 地表水源补给 因向斜地形为两侧高、 中间低， 地表岩溶裂隙极为发育， 大气 降水以坡流汇集于核部槽谷地带或独立的溶蚀洼地中， 潜入地 下成为岩溶水。由于向斜中可溶岩地块中多为各自封闭的岩溶 洼地， 因此难以形成较大的地表径流。向斜区域内的降水除蒸发 外， 几乎全部渗入地下。 ( 5 !" 地层内水力通道 由于毛坝向斜特殊的地质构造和地貌形态， 向斜内部岩层 中节理面、 岩层层面以及断裂带和断层发育， 为地下水补给和径 流提供了良好通道。由于水的侵蚀， 岩体内部又形成大量的各种 形态的岩溶， 从而为地下水的活动提供了更好的活动空间。 %5 ’5 ,6 向斜中节理构造
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除 >( 、 >"’ 为走向逆断层， 具压性特 向斜区内共有断层 !" 条， 征外， 其余 ># 3 >!! 为横向断层， 具张扭性特征。受区域构造影 响， 向斜中节理构造比较发育， 其中以走向节理发育最好。 $" 施工揭示溶洞情况 毛坝向斜核部施工中， 先后揭示出多个罕见的大型充填型 溶洞体 （ 如图 ’ 、 图 (） 。该岩层为二叠系上统吴家坪组 （ 7’: ） 灰
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岩石性脆， 在挤压下岩体破裂， 形成构造破碎带， 节理、 裂隙发育， 给地下水的渗透提供了通道， 增加了下部岩层地下水补给来源， 增强了下部岩层的溶蚀能力， 提高了下部岩层富水性。同时， 由 于断层的沟通， 增大了深部岩层的溶蚀深度， 使原来深部水位低 的逐渐变成高水位， 造成深部高水压。 ! ! "# 岩溶发育深度 "! #! $% 岩溶水排泄面位置 根据勘察资料， 隧道以北出水点位置比隧道以南要低， 除距 隧道直线距离约 &’() 的飞水崖排泄点标高为 **&! ’*+) 外， 其 余出水点位置均在标高 ,+’) 以上， 其他一些小的季节性出水点 也都在 ,+’) 以上， ,+’) 以下没有发现任何出水点。 此外， 施工中还对 -.#+" / "0’ 1 / "2’ 溶洞体进行了全封 闭水压测试， 实际静水压 #! ’345 以上， 说明该溶洞岩溶水的排 泄面在溶洞上部 #’’) 以上， 亦即排泄面在 ,+’) 左右， 这与地表 实际勘测结果相吻合。 "! #! &% 施工揭示的岩溶管道 施工中， 还遇到其他一些岩溶管道， 如在 -.#+" / &#+ 拱顶 偏左侧处遇到一直径为 $ 1 &) 岩溶管道， 一般水量为$’’’)# 6 7。 这些岩溶管道出水量在每小时几方至十几方不等， 水量随地表 降雨变化， 时浑时清。这说明在毛坝向斜核部隧道标高范围， 发 育有较好的岩溶管道及裂隙， 岩溶水可以通过这些水力通道进 入到向斜核部。 "! #! #% 岩溶水及岩溶发育深度 岩溶水可以分为单一排泄基准面控制岩溶水系统、 多级排 泄基准面控制的多序次岩溶水系统以及承压岩溶水系统。当岩 溶水通过单一排泄点排泄时， 岩溶发育深度一般在该排泄基准 面附近一定范围， 可以把排泄基准面作为岩溶洞穴发育深度的 下限。在多级排泄基准面控制的多序次岩溶水系统中， 岩溶发育 的最大深度取决于最底部一层岩溶水系统。当向斜内部赋存承 压水系统时， 岩溶发育标高一般要比排泄基准面的标高低。 由此断定， 毛坝向斜中， 标高 ,+’) 以上为单一排泄基准面 控制的岩溶水系统， 而标高 ,+’) 以下为承压岩溶水系统， 地表 水通过各种岩溶管道及裂隙等水力通道进入到大型溶洞中， 又 以承压岩溶水的形式从标高 ,+’) 以上的排泄面排出。因此， 毛 坝向斜中岩溶的发育深度达到并有可能低于标高 ++’)。其岩溶 水排泄系统模式如图 " 所示。 $# 深埋岩溶成因分析 综上所述， 由于毛坝向斜两侧高、 中间低， 大气降雨绝大部分 通过地表极为发育的溶沟、 溶槽、 岩溶漏斗、 落水洞等以及岩层内 部的节理面、 岩层层面以及断裂带和各种岩溶管道流入地下， 形 成丰富的岩溶水。岩溶水的排泄面根据实地勘察， 标高在 ,+’) 以上， 但在 ,+’) 以下的可溶岩中也发育有溶蚀裂隙和溶管。 毛坝向斜形成过程中， 纵、 横张节理逐渐发育， 并沿向斜轴面 出现旋扭， 导致向斜核部二叠系吴家坪组灰岩中出现层间局部 滑动虚脱， 产生多处宽大裂隙带， 其宽度在几米至几十米不等。 上部的岩溶水通过溶蚀裂隙、 节理裂隙以及岩溶管道向下溶蚀， 逐渐与这些宽大裂隙带构成由弱到强的水力联系。由于连通径 流两端的水头高度不同， 进入宽大裂隙带中的岩溶水又以承压 水的形式从标高 ,+’) 以上的排泄面流出地表， 犹如一头高一头
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’(() 年 第, 期
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庄金波： 圆梁山隧道毛坝向斜深埋大型溶洞成因分析
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黑色 （ 含硅质） 灰岩和硅质灰岩不等厚互层。 以下， 厚度在 ’ * ,(- 之间。两个岩溶腔体均充满了软塑状粉质 粘土夹粘土。 #/ !" $%&#’( ) !’’ + ) !,* 溶洞体 洞隙内充填物为灰黄色、 灰黑色， 软塑—流塑状淤泥质粘土， 并沿超前探测孔、 溶蚀小管道及层间裂隙等部位涌水。地层无自 稳能力。开挖揭示时涌水量 .( * +(-# / 0， 注浆后有较少量地下 水涌出。 钻孔施工中多次发生涌水、 涌泥， 每次持续时间 $-12， 涌出 最大的一次 %’(-# / 0。 量一般在 ,(( * ’((-# / 0， #/ #" $%&#’( ) ((* + ) (,’ 、 %&#’( ) (-* + ) (.* 溶洞体 溶洞中充填物为黄褐、 褐红色粘质粉细砂与粘土 （ 粉质粘 土） ， 洞隙充填物与灰岩岩体呈犬牙状交错， 涌水呈褐红色或朱 红色， 水质浑浊， 含约 $(3 褐红色粉细砂。涌水压力不大， 开挖 初始涌水量最大约 )(-# / 0， % 个月后增至 #$(-# / 0， 并携带粗颗 粒的砂砾， 表明与上部岩溶水系存在水力联系。 ’((# 年 ,( 月下旬， 地表降中雨， 该溶洞 !"#$% & %.$ 右侧底 部涌水， 最大 ’%$(-# / 0， 以后稳定在 #$(-# / 0 左右。涌出物开始 为粉细砂， 少量中粗砂， 褐红、 褐黄色， 粘性较强， 随后涌出石块，