山西中南部铁路太行山隧道岩溶发育成因分析

2016-08-01何宝夫王延涛曾宪明

铁道勘察 2016年3期

关键词：太行山溶洞灰岩

何宝夫　王延涛　曾宪明

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

山西中南部铁路太行山隧道岩溶发育成因分析

何宝夫王延涛曾宪明

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要岩溶灾害对隧道施工构成极大的威胁，为摸清岩溶发育特征规律及其成因机理，从地质背景入手，剖析太行山隧道出口段典型岩溶发育的特征，结合前期工程勘察资料及前人研究成果，从岩性、断裂构造、地下水、地形地貌等方面进行研究，分析隧道出口段岩溶发育成因机理，从而为配合施工工作提供技术支持，具有较好的推广性和借鉴性。

关键词山西中南部铁路太行山隧道岩溶成因分析

我国岩溶分布广泛，可溶岩面积约占全国的1/3，是世界上岩溶分布最为广泛的国家[1-2]。随着山区铁路工程的大规模建设，岩溶问题成为了铁路建设中常见的地质灾害问题之一[3-6]。隧道工程由于其具有克服高程、缩短路径的优势，在山区铁路工程中得到广泛应用。跨越桂、黔、滇的南昆铁路，可溶岩地段隧道长度达到了387.6 km，占线路长度的43%[7]；宜万线的隧道长度占线路的59.65%。穿越岩溶区长隧道较为著名的有野三关隧道(13.86 km)、齐岳山隧道(10.46 km)、马鹿箐隧道(7.8 km)等[5，8-9]。由于岩溶发育的控制性因素错综复杂，岩溶发育的形态也多种多样，以及岩溶发育的不规律性、不可预测性，这些因素给岩溶隧道设计施工带来极大的困难，对施工安全造成极大的威胁，给后期运营留下重大隐患，同时也会造成重大的生态问题[8-9]。目前已经修建的铁路中，就遇到过诸多岩溶灾害，如渝怀线圆梁山隧道多处发生涌水、涌泥，突水量达到了69 000 m3/h[5，10-11]；达万线田家坡隧道岩溶堆积体深厚，严重影响施工[12]；宜万线马鹿箐隧道由于岩溶突水、突泥，更是造成了重大的人员伤亡和财产损失[5，13]。

结合具体工程实例，研究岩溶发育的规律性，分析岩溶灾害成因机理，在此基础上提出合理的预防措施，从而提高岩溶隧道施工的可预见性。根据太行山隧道出口段岩溶揭示情况，结合前期工程勘察资料及前人研究成果，从岩性、断裂构造、地下水、地形地貌等方面进行研究，分析隧道出口段岩溶灾害成因机理，从而为配合施工工作提供技术支持。

1工程概况

山西中南部铁路通道起始于山西瓦塘，穿越山西，横贯河南，终点至山东日照。太行山隧道位于山西省与河南省交界处，采用双洞单线方案，隧道全长约18.095 km，洞身最大埋深约为920 m，最小埋深约15 m(见图1)。隧道穿越太行山中山区的主脉区，山势陡峻，沟深坡陡。隧道修建过程中，遇到了基岩裂隙水涌水、岩爆、浅埋段基坑涌水、出口段的岩溶等问题。出口段岩溶灾害虽然没有造成重大灾害，但也给施工带来了很多影响，有必要对该段的岩溶灾害进行研究，分析其成因机理，为施工提供技术支持。

2工程地质背景

太行山隧道出口段位于太行山脉中山区与林州盆地交界(林州盆地侧)，太行山块隆与林州断陷交界附近(林州断陷侧)，总体地势西高东低。该段附近地表较为平坦，起伏较缓，地势较开阔，其上分布农田、民居，隧道埋深约60～70 m。隧道出口段穿越地层岩性为古生界奥陶系中统下马家沟组灰黑色中厚层状灰岩夹薄层泥质灰岩、泥灰岩，该段地表浅埋卵石(见图2)。

图1　太行山隧道平面位置

图2　太行山隧道出口段工程地质纵断面

出口段横跨任村-西平罗大断裂。任村-西平罗大断裂为太行山东麓断裂带西侧断裂，为区域性断层，规模较大，与隧道大角度相交。出口区地表水主要为大气降水形成的地表面流，水量受季节性影响变化较大，自然排泄畅通。地下水主要有断裂破碎带孔隙水和岩溶水，奥陶系马家沟组灰岩岩溶发育，存在溶洞滞水，溶洞存在泥质充填，附近地表水、地下水化学类型为HCO3·SO4-Ca型，局部地下水具硫酸盐侵蚀性。

该段溶洞地下水不发育，溶腔体内较为干燥，填充的黏土较为干燥，呈硬塑、土夹石状；隧底存在隐伏岩溶问题。

3典型岩溶发育特征分析

根据揭示的溶洞情况，按照岩溶涌水量大小分类，太行山隧道出口段岩溶基本为无水型；按照形态及规模大小分类，属于洞穴型和裂隙型；按照充填性特征，属于充填型及半充填型。

3.1无水洞穴型、半充填型岩溶

无水洞穴型岩溶以右线DyK595+287里程处为代表，该溶洞为太行山隧道出口段揭示的最大一个溶洞，出现在2012年10月3日工作面开挖至DyK595+287处(见图3、图4)，工作面右侧发现一溶洞，溶腔宽25 m，纵向9 m，高7 m；顶部发育一直径1.5 m的落水洞，溶腔高约16 m；溶洞跟右线呈75°夹角，泥质半充填，未见地下水。洞壁岩体为奥陶系下马家沟组灰岩，褐灰色，岩体破碎。

图3　DyK595+287溶洞位置示意(单位：m)

图4　DyK595+287溶洞剖面示意(单位：m)

3.2无水裂隙型、充填及半充填型岩溶

无水裂隙型、充填及半充填型岩溶主要集中在DK595+026～DK595+158段，DyK595+227～DyK595+274段。

太行山隧道出口左线正洞爆破开挖后在DK595+026发现一溶洞(见图5、图6)，溶洞高约2～3 m，宽约5 m，纵向约4.5 m，泥质充填，呈土夹石状，黏性较大，行走不便，未见明显地下水，工作面潮湿，开挖后拱部易掉块，围岩稳定性差。

图5　DK595+026溶洞位置示意(单位：m)

图6　DK595+026溶洞剖面示意(单位：m)

在DyK595+227工作面里程处，开挖过程中在拱顶发现溶洞，溶洞宽约5 m，高约5 m，纵向长度约4 m。泥质半充填，未见地下水，围岩稳定性差(见图7、图8)。

图7　DyK595+227溶洞位置示意(单位：m)

图8　DyK595+227溶洞剖面示意(单位：m)

据统计，太行山隧道出口段成形的溶洞为15个(见表1)，局部段落岩体破碎，产状凌乱，灰岩表面有泥渍，溶蚀作用明显，工作面中局部存在土夹石；在成形的溶洞中，全部为无水型溶洞，绝大部分为裂隙型溶洞，溶洞规模相对较小，体积大多为10 m3左右；仅发育一个洞穴型溶洞，体积约为1 575 m3。

表1　太行山隧道出口段溶洞统计

4岩溶发育成因分析

岩溶发育需要有物质基础、径流通道、水动力作用及特殊的地形地貌等，分别从以下几个方面进行太行山岩溶发育的成因分析。

4.1碳酸盐岩是岩溶发育的物质基础

岩溶发育的物质基础离不开碳酸盐岩，碳酸盐岩纯度越高，其岩石的可溶性越强，白云岩、泥灰岩、泥质灰岩等岩石岩溶发育程度相对较弱。另外，还取决于连续沉积的厚度。研究区发育的地层岩性为奥陶系下马家沟组(O2x)灰黑色中厚层状灰岩夹薄层泥质灰岩、泥灰岩，浅海相沉积。最新研究表明[14]，奥陶系马家沟组沉积演化特征显示出七个沉积旋回，马家沟组沉积期经历七次较完整的海平面变化过程。从岩性上，本区为中厚层灰岩夹泥灰岩，且该套地层经历七次沉积旋回，厚层灰岩的并非连续沉积。因此，从可溶岩纯度和厚度上，本隧道岩石可溶性中等偏上。

4.2断裂构造是岩溶发育的主控因素

隧址区的构造格局控制着碳酸盐岩地层的分布，断裂构造使得岩层产生大量裂隙带，为岩溶作用提供了极为有利的通道，控制岩溶的发育形态等[15-16]。不同力学性质的断裂构造对岩溶的控制作用也有所不同。

(1)张性断裂带

研究区最主要的构造是任村-西平罗断裂带，该断裂带起自林州任村，经河涧止于西平罗一带，断裂成近南北向延伸，长约80余km。断面近直立，切割太古界至中生界，断裂两侧发育有一系列北东向和近南北向次级断裂，断裂下盘(西盘)上升，形成数百米～千米高的陡崖，上盘(东盘)塌落，形成南北向延伸的串珠状新生代盆地。沿此断裂带近期微弱地震不断发生，该断裂近期仍有活动，为一长期活动的断裂带。

任村—西平罗断裂带属于张性断裂。张性断裂张开性较好，构造角砾胶结较弱，结构较为疏松，存在较大的孔隙率。同时，张性断裂断裂面粗糙不平，张裂程度大。张性断裂具有较大的储水空间和较为宽阔的径流通道。因此，任村-西平罗断裂带为岩溶发育提供了良好的条件，在具备丰富的补给源条件下，完全有可能成为强岩溶带或暗河径流带或管流带。

(2)节理裂隙密集带

这里主要指受构造作用影响的节理裂隙密集带，主要发育在任村-西平罗断裂影响带附近。受构造作用影响，层间发生错位，产生密集裂隙，为岩溶发育提供了良好的通道。调查发现，很多小型裂隙溶洞大多发育在节理裂隙密集带中。

4.3地下水模式和重力作用

地下水作用是岩溶发育的必要条件，没有地下水参与，岩溶作用也就不可能发生。地下水集中径流的地带，岩溶发育也就最为强烈，岩溶发育演化的过程也就是可溶岩在地下水作用下的分化过程。本区属于温带，时干时潮，雨量集中成暴雨，化学风化不强，物理风化流水冲刷剧烈，流水渗入裂隙带，造成局部裂隙型岩溶发育。同时，由于密集节理带的存在，岩体破碎，在重力作用下，极易发生崩塌作用，进一步扩大了洞穴范围。

4.4地形地貌对岩溶的影响

新构造运动使得地层快速差异升降运动，使得本区形成了地形起伏大、河谷切割深的独特地貌，为地下水径流提供了良好的径流条件和势能，使得地下水具有充分的物理侵蚀能力，为岩溶发育创造了条件。

综上，奥陶系中厚层状的灰岩夹泥灰岩为岩溶发育提供了物质基础；任村-西平罗断裂带起到主要的控制性作用；新构造运动使得地层快速差异升降运动，创造了独特的地形地貌及水动力条件，从而造就了太行山隧道出口灰岩段、断裂破碎带及其影响带附近裂隙型溶洞发育。

5结论

(1)太行山隧道出口段岩溶发育，溶蚀现象明显，对施工造成了较大的影响。

(2)太行山隧道成形的溶洞有15个，全部为无水型溶洞，绝大部分为裂隙型溶洞，溶洞规模相对较小，体积大多为10 m3左右；仅发育一个洞穴型溶洞，体积约为1 575 m3。

(3)经分析，奥陶系中厚层状的灰岩夹泥灰岩为岩溶发育提供了物质基础；任村-西平罗断裂带在岩溶发育中起到主要的控制性作用；新构造运动使得地层快速差异升降运动，创造了独特的地形地貌及水动力条件，这些因素是太行山隧道出口段岩溶发育的主要原因。

参考文献

[1]中国地质科学院岩溶地质研究所.桂林岩溶地质(之三)[R]∥桂林岩溶与地质构造.桂林：岩溶地质研究所，1988

[2]袁道先.中国岩溶学[M].北京：地质出版社，1994

[3]苗德海.宜万铁路云雾山隧道“+852”溶洞发育特征及技术对策[J].铁道勘察，2012(4):21-25

[4]周青爽，尹士清.棋盘石隧道3号横洞岩溶及岩溶水分析[J].铁道勘察，2013(1):19-23