卧云界山区岩溶发育对铁路隧道的影响分析

2011-06-07张玉玺

铁道勘察 2011年2期

张玉玺

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)

1 工程概况

卧云界山区位于湖南省桑植县上洞街乡二户溪村和利福塔镇之间。新建黔张常铁路龙山至桑植段拟自东向西以隧道形式通过该区。拟建卧云界隧道为双线双洞隧道,贯通线里程为CK140+362～CK145+965,隧道总长为5 603 m。针对该区岩溶发育的复杂性和不确定性,方案研究中采用多种勘察手段相结合的方法,基本探明了该区岩溶发育的特征和规律。

2 工程地质特征

2.1 地层岩性

主要出露地层有第四系冲积、坡积粉质黏土,三叠系中统嘉陵江组灰岩夹白云岩,下统大冶群灰岩,二叠系上统吴家坪组灰岩夹炭质页岩,下统茅口组灰岩、栖霞组灰岩夹炭质页岩,泥盆系上统黄家橙组砂岩夹页岩,中统云台观组砂岩和志留系上统纱帽群的页岩夹粉砂岩。隧道洞身通过可溶岩与非可溶岩地层,岩性较为复杂,工程差异性较大。

2.2 地形地貌

卧云界隧道位于中低山地区,高程340～950 m,相对高差200～600 m,为越岭隧道。岭脊位于CK143+800里程附近,可溶岩与非可溶岩的分界处位于地表CK142+115里程处附近,隧道进口至此为非可溶岩段落,该处向大里程方向为可溶岩段落。

可溶岩段落岩层沿近南北方向呈条带状延伸,沿线路方向呈四级台阶状地貌,各级以斜坡岩溶地貌过度相连,在地形地貌形态上各有不同。

一级台阶高程为950～840 m(相当于桑植区域的四级夷平面),为山岭岭脊坡地地貌；里程CK143+100～CK144+000段落,呈齿峰单面山形态,顶部地势平坦,高差不到50 m,沿近南北走向条带状分布,宽约500 m,小型岩溶洼地,漏斗、落水洞等岩溶地貌发育。

二级台阶高程为670～600 m(相当于桑植区域的五级夷平面),溶丘台地和垄岗槽谷地貌,主要位于CK142+115里程至CK143+000里程段,于620 m高程附近形成一大型的岩溶槽谷,宽约1 km,延伸长约5 km,洼地内地形较为平坦,高差不大,一般小于30 m。该段落岩溶发育,地表洼地内岩溶溶丘、洼地密布,岩溶漏斗、落水洞呈串状南北向分布,规模大小不一。

三级台阶高程为500～400 m(相当于桑植区域的六级夷平面),为溶丘洼地和丘陵地貌,主要位于隧道出口段落,自里程CK144+800附近至隧道出口约1.2 km,主要为岩溶溶丘、石峰地貌,地形起伏一般不超过100 m,小型沟谷纵横,山丘呈牛头包状成排分布；沟谷内溶洞,漏斗发育,岩石表层溶槽、溶痕等溶蚀现象严重。

四级台阶高程为350～310 m,主要为隧道出口附近的澧水支流冲积河谷地貌,地势平坦,起伏小,地表多被第四系覆盖,地表水发育,众多小溪、河流汇入澧水支流,向北注入澧水。

2.3 地下水特征

岩溶发育程度与岩溶水作用关系密切,认真分析调查场区附近水文地质条件是十分重要的。隧道附近地表水较为发育,河流走向受地质构造、岩性控制,多为NE向河流,河流与分水岭多平行相间,支流与干流斜交多呈树枝状。

根据场区地层岩性的组合特征、含水介质特征,与隧道关系较密切的地下水类型为三类：孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水。

隧道区的碳酸盐岩岩溶裂隙溶洞水的补给来源主要为大气降水,岩溶水运动规律和排泄主要受构造、岩溶发育程度、地形地貌、侵蚀基准面等多因素控制。岩溶区大气降水直接呈面状入渗与汇流通过岩溶洼地、落水洞渗入地下后,多呈细小网流,然后逐步汇合形成较大管流,以下降泉和地下河形式排泄于河流及沟谷两侧。在岩溶含水层中,大都是微细溶隙和巨大洞穴管道并存,赋存于其中的地下水,往往各自成独立的补给排泄系统,彼此之间一般无直接的水力联系。反映在水文地质特征上,一是富水性极不均一,二是地下水系统的相对独立,即岩溶水埋藏在极不均一彼此相对独立的岩溶管道中，隧道通过区存在溶丘槽谷和斜坡岩溶两个相对独立性的岩溶地下水系统。溶丘台地和垄岗槽谷岩溶地下水的补-径-排过程都在二叠系地层中完成；垄脊坡地岩溶地下水的补给-径流主要在三叠系下统大冶群的灰岩和三叠系中统嘉陵江组下段的灰岩夹白云岩中,排泄主要在三叠系中统嘉陵江组中段的灰岩夹白云岩中完成。

隧道洞身主要位于岩溶裂隙溶洞水水平径流带之下。

卧云界隧道工程地质平面如图1所示。

图1 卧云界隧道工程地质平面示意

3 岩溶发育特征和规律

针对该区岩溶发育的复杂性和不确定性,方案可行性研究中采用多种地质勘察方法相结合,基本探明了该区岩溶发育的特征和规律。

3.1 岩溶主要类型及特征

该隧道通过的三叠系中统嘉陵江组灰岩夹白云岩,下统大冶群灰岩,二叠系上统吴家坪组灰岩夹炭质页岩,下统茅口组灰岩、栖霞组灰岩夹炭质页岩为可溶岩,且均属岩溶强烈发育地层,为裸露型岩溶；该区段可溶岩地层沿南北向呈条带状分布,且分属于桑植地区不同时期的夷平面。各时代不同期次夷平面的可溶岩岩溶发育有各自的特点,详述如下：

(1)四级夷平面溶蚀地貌主要为三叠系下统大冶群灰岩,垄脊坡地地貌,岩溶发育强烈,沿岩层走向发育形成小型岩溶洼地,期间分布零星的岩溶漏斗,落水洞,该组岩层节理裂隙较为发育。物探资料显示,该段落岩层存在两处物探异常区,分别位于里程CK143+500～CK144+200,高程550～820 m处,里程CK144+350～CK144+710,高程390～500 m处,推断为岩溶发育,溶腔或岩溶水富集。

(2)五级夷平面溶蚀地貌主要为二叠系上统吴家坪组灰岩夹炭质页岩,下统茅口组灰岩、栖霞组灰岩夹炭质页岩,地貌为岩溶侵蚀形成的岩溶垄岗槽谷。槽谷内地势平坦,地表水发育,小型洼地、溶丘密布,岩溶漏斗,落水洞成串分布,表层多被第四系覆盖,并与地下贯通,形成溶洞和地下暗河系统,基本沿岩层走向发育。物探资料显示,二叠系上统吴家坪组灰岩夹炭质页岩地层中,自地表向下高程650～500 m范围内岩溶发育强烈,推断可能存在溶腔、空洞,地下岩溶水富集。

地表调查和物探资料显示,位于线路里程CK142+690处发育一暗河,高程约570 m,距线路设计轨面(高程382 m)高差188 m。暗河进口位于CK142+743左331 m处,高程617 m,为一消水洞,有明显地表径流,附近地表水汇聚至此处流入,水量约150 m3/d。出口里程位于CK142+367右1 077 m处,高程545 m,为一出水溶洞,洞口大小1.9 m×1.4 m,N10°E方向延伸。该暗河发育地层为二叠系下统栖霞组灰岩中,位于垄岗槽谷的岩溶洼地内,沿暗河流向附近发育有许多落水洞、岩溶漏斗,其中多数地下连通,地下水系形成网络贯通汇聚于地下暗河,其连通方向基本与岩层走向一致,呈近南北方向。

(3)六级夷平面溶蚀地貌上主要为三叠系中统嘉陵江组灰岩夹白云岩,岩溶发育强烈,溶蚀形成岩溶溶丘、石峰地貌,沟谷内小型落水洞、岩溶漏斗发育,岩石表层溶槽、溶痕等溶蚀现象严重。同时物探显示出口段坡顶至坡脚处地下为物探异常区,推断为岩溶强烈发育。

3.2 岩溶空间发育规律及控制因素分析

纵观不同期次夷平面岩溶的发育特征情况,可以看出该区域内不同期次夷平面的岩溶发育情况有所不同,可溶岩山体的岩溶发育呈现较为明显的垂直分带性。

垄岗槽谷段隶属五级夷平面,主要为二叠系的灰岩,中厚—厚层,左侧为非可溶岩地层,右侧为岭脊地势相对高陡的大冶群岩层,该段形成的长大槽谷内,地表水补给、径流、排泄沿岩层呈南北向。地下水系统相对独立,地表至地下一定范围深度内岩溶较发育,溶蚀面主要受高程控制,垂直渗流带厚度相对不大,暗河系统为主要排泄通道。以此推断：垂直渗流带和水平径流带深度基本位于物探显示的岩溶强烈发育部位,即500 m之上,此高程之下则为深循环带。

岭脊坡地段隶属四级夷平面,主要为三叠系大冶群的薄层灰岩,裂隙发育,贯通性好,地表水沿层面倾向补给、径流,向隧道出口方向排泄至低洼处,沿坡面附近至岩层内部岩溶发育较为强烈,溶蚀面受地形和岩层控制,垂直渗流带沿层理方向延伸至坡脚附近,与隧道出口段的地下水系统相联系,水平径流带深度大致位于390～500 m高程内,之下则为深循环带。

溶丘洼地段,隶属六级夷平面,主要为三叠系嘉陵江组厚层灰岩夹白云岩地层,靠近冲积河谷,侵蚀基准面低,溶洞、裂隙水近水平形态发育,形成网状岩溶系统,但溶洞、裂隙水规模相对较小,溶蚀面受高程控制埋深较浅,垂直渗流带较短,河谷高程310 m以上山体主要位于季节交替带和水平径流带内。