论岩溶区工程地质勘察问题与地质选线

2016-10-21李光伟

铁道勘察 2016年2期

关键词：选线工程地质岩溶

李光伟

(中国铁路总公司工程设计鉴定中心，北京　100844)

论岩溶区工程地质勘察问题与地质选线

李光伟

(中国铁路总公司工程设计鉴定中心，北京100844)

就岩溶区工程地质勘察中常见且重要的水文地质单元、工程地质测绘、岩溶水垂直分带、管道流与扩散流、隧道突涌水定性评价、岩溶区危岩落石、岩溶水生态地质环境、覆盖型岩溶和埋藏型岩溶、岩溶区选线设计等问题，从理论到实践进行深入的分析与讨论，并提出岩溶区地质选线的8条观点和建议。

地质勘察地质选线岩溶水垂直分带

中国岩溶区总面积约为344.3万km2，约占陆地国土面积的35.8%，其中裸露岩溶面积为90.7万km2。随着铁路建设标准的不断提高和长大桥隧比重的增加，岩溶作为广泛分布的不良地质问题对铁路选线的影响和控制作用日趋明显。结合近年来新建铁路岩溶地质勘察设计中存在的问题，厘定5个方面的内容进行分析讨论。

1　岩溶水文地质单元与岩溶隧道工程地质测绘

岩溶水文地质单元又称岩溶水动力单元或岩溶水系统，属于岩溶水文地质学中的术语。按国家标准《岩溶地质术语》(GBT 12329—1990)的定义，岩溶水文地质单元是指具有共同补给边界，统一地下径流场的某一岩溶地下水系的流域范围。岩溶隧道的勘察均涉及一个或数个岩溶水文地质单元。不难理解，在《铁路工程地质岩溶勘测规则》(TBJ 28—1991)相关条文中指出了要进行区域地质测绘和3 km以上岩溶隧道宜包括岩溶水的补给边界或隔水边界。这些条文虽未直接指明岩溶水文地质单元，但都隐含了在完整岩溶水文地质单元内进行工程地质测绘的必要性。因此，划分岩溶水文地质单元和研究岩溶水补给、径流、排泄特征对岩溶隧道水文地质勘察和选线设计至关重要。在铁路行业相关规范规程、中铁一院编著的《铁路工程地质手册》和中铁二院编著的《岩溶工程地质》中未能充分重视和明确这个重要的概念，从而直接导致岩溶隧道区工程地质测绘范围的不足和宏观分析上的缺失。针对岩溶水文地质单元的工程地质测绘通常是大区域的，尤其是长大岩溶隧道，往往采取专项岩溶水文地质工作，属于超常规的铁路勘测范畴。

1.1岩溶隧道工程地质测绘的范围和内容

岩溶隧道工程地质测绘的首要任务就是确定地质测绘和研究调查的范围，也就是划分岩溶水文地质单元边界。岩溶水系统边界一般由地表分水岭边界、隔水层边界、地下分水岭边界和滞流边界4种类型的不同组合界定。根据水系、地形、地貌、地层岩性、地质构造特征，平面上的边界较易确定，但岩溶水系统深部边界的确定往往很困难。由于隔水层(非可溶岩)的广泛分布，一座长大岩溶隧道可能会涉及数个岩溶水文地质单元(岩溶水系统)，其汇水(集水)面积、边界和规模可能差异很大，在勘测设计中常重视规模较大的的岩溶水系统，轻视规模较小的岩溶水系统。因此，初测阶段在岩溶区划分沿线的水文地质单元和子单元十分重要。岩溶水系统的区域工程地质测绘和岩溶水系统分析是初测阶段的主要工作，也是进一步开展综合地质勘探的基础。

地质测绘的内容在《铁路工程地质岩溶勘测规则》中有较详细的要求。下列问题的测绘调查需要特别补充强调：

①岩溶水系统的平面与深层边界、边界类型及组合特征。

②河流阶地、夷平面、岩溶基准面、岩溶排水基准面。

③岩溶水系统汇水面积，可岩溶区集水面积，流向外源的地表径流面积，可溶岩出露面积、分布特征和最低出露高程。

④可溶岩地表岩溶现象，包括岩溶盆地、洼地、漏斗、落水洞、竖井、干谷、盲谷、断头河、溶洞、溶穴、地下岩溶廊道等岩溶地表和地下形态。

⑤岩溶含水层、隔水层和弱透水层及其相互之间组合关系与特征。

⑥控水的断裂和褶皱构造，可溶岩与非可溶岩界面。

⑦内源补给、外源补给、岩溶暗河、岩溶管道泉、岩溶裂隙泉。

岩溶区地质测绘是一项工作量较大的基础性工作，往往被忽视。根据《工程地质测绘标准》(CECS 238：2008)规定，按1∶10 000比例尺测绘，大于20 m的地质现象都应该标注在图件上。因此，岩溶区1∶10 000工程地质图填绘内容很多，在勘测周期较短的条件下遗漏地质现象较常见。遥感调查，尤其是航空像片的工程地质解译是一种事半功倍的手段，在测绘阶段十分重要，铁路系统虽然在规范规程上做了基本规定，但其优越性未能引起重视，应加大推广应用力度。

1.2岩溶水系统分析

地质测绘是岩溶水分析的基础，岩溶水系统分析通常有三个阶段，即定性分析研究、定量分析研究和岩溶水文地质条件工程评价。定性分析研究主要包括气象水文、地貌地质的环境条件分析，边界性质、补给排泄形式的边界条件分析，含水层、弱透水层和隔水层性质的蓄水构造结构分析，补给、径流、排泄水动力场，水化学场和水温度场的水流系统分析。定性分析的根本目的在于综合研究特定条件下岩溶水系统的各种特征，从而掌握岩溶水系统的本质，形成岩溶水文地质概念模型；定量研究阶段主要是应用数学模拟方法进行研究，目前铁路部门应用较少；岩溶水文地质条件工程评价在岩溶水系统分析的基础上进行，评价的内容包括岩溶发育程度及其分布特征、岩溶水垂直分带、工程范围内水文地质条件及环境水文地质问题、岩溶隧道突涌水的方式(溶洞突水、管道涌水、裂隙涌水、裂隙渗水滴水)、隧道分段涌水量预测、选线设计建议等。

2　岩溶水垂直分带的重要性

2.1岩溶水垂直分带

岩溶水的垂直分带模型对铁路工程而言是一个实用性很强的概念，可直接用于铁路平纵断面的选择和优化。铁路部门习惯上采用前苏联索洛科夫的4个垂直分带，即垂直渗流带、季节变动带、水平径流带和深部缓流带(见图1)。地质部门习惯上分为表层岩溶带、包气带、季节交替带、浅饱水带、压力饱水带和深部缓流带，地质部门的分带更多地考虑了水资源的开发利用。水平径流带对应于浅饱水带和压力饱水带，特别是压力饱水带对岩溶隧道工程施工和岩溶水环境的影响巨大。

图1　岩溶地下水垂直分带

2.2岩溶水垂直分带讨论

岩溶水垂直分带并不能全面反应岩溶含水介质的特征和岩溶水流状态。阿特金森1985年提出了三重介质模型，即孔隙-裂隙-管道组合模型，相应的水流状态为扩散流(达西流)、混合流和管道流(紊流)(见图2)。岩溶水介质模型实际应用上多采用双重介质模型，即岩溶管道流和溶隙扩散流共存。前者起主要排泄功能，后者则起调蓄功能。两种含水介质对暴雨脉冲事件的响应及排泄动态的影响截然不同，在水文过程线上，岩溶管道流(尖峰脉冲)代表暴雨洪水期峰值流量，扩散流则代表基流部分。管道流对暴雨响应快，动态变化大，最大与最小流量之比可达10∶1～1 000∶1，而扩散流则反应慢，动态变幅小，最大与最小流量之比一般小于10∶1。由于岩溶发育条件的复杂性，两种介质比例的分配因岩溶水文地质单元各异，在各垂直分带上的比例也不尽相同。大量岩溶隧道施工揭示：在垂直径流带、季节交替带和水平径流带内，依然存在大量由原始成岩孔隙、裂隙、层面裂隙组成的基岩孔隙度扩散流。同样，在以扩散流为主的深部缓流带内，仍然不能排除有岩溶管道流的存在。这些理论上的模型简化了岩溶水系统的复杂性，实际上岩溶水系统由于受控的地质因素较多，其水流状态异常复杂。过去认知的深部缓流带岩溶不发育，以扩散流为主，忽视了存在管道流的可能性，这也是穿越深部缓流带隧道频频出现突水事故的根源，例如大瑶山隧道、园梁山隧道、歌乐山隧道等。

图2　含水介质三端分类

还有一个值得讨论的问题就是虹吸循环带。已经有越来越多的学者认为，在岩溶暗河和大泉排泄区存在一个较深厚的虹吸循环带，这个带总体上属于压力饱水带下部范围，这就完全颠覆了在岩溶大泉或暗河口以下的含水层岩溶发育微弱、含水不丰富的传统认知。按此理论，水平径流带的厚度是巨大的，大瑶山隧道、园梁山隧道、歌乐山隧道施工均有特大型突水、突泥，也揭示了深部岩溶管道存在的可能，由此看来，洞身位置仍在压力饱水带内。深部缓流带的概念在北方地区或者在地下水分水岭的补给区可能才有一定的实际意义，比如精伊霍铁路北天山隧道，隧道埋深近千米，施工中仅揭示出岩溶裂隙水，未见岩溶管道流的发育。

分析一个岩溶水系统，愈靠近分水岭，岩溶水动力条件越弱，岩溶也就越不发育，愈是靠近排泄区，岩溶水动力条件越强烈，岩溶越发育。在垂向上，水平径流带，特别是岩溶水强径流带附近，岩溶水动力条件最强烈，岩溶最发育。季节交替带次之，垂直渗流带再次之，深部缓流带岩溶水动力条件最弱，一般情况下岩溶发育较弱，但不能排除沿构造断裂带发育溶洞、溶隙带的可能。从岩溶地下水面或地下水浸流面分析，补给区水位高、水流小，排泄区水位低、水量大，补给径流区则是连接两者的纽带。

2.3岩溶水垂直分带与隧道突涌水

岩溶隧道涌水问题研究一般涉及突涌水方式、涌水量、水压、季节变化四个方面，这些都与岩溶水垂直分带的研究与划分密切相关。突涌水方式就是管道流、扩散流或混合流的问题。在岩溶隧道水文地质条件评价时，定量预测隧道分段涌水量与水压及季节变化较为困难。岩溶隧道突(涌)水的定性评价又过于简单，也缺乏统一的描述尺度和界定。可以肯定的是仅有分段涌水量的预测是不够的，水压和突(涌)水方式才是岩溶隧道设计施工最应关注的问题。鉴于目前隧道突(涌)水定性评价的杂乱性，厘定统一的描述标准是必要的，而水压、突(涌)水方式和季节变化是关键因子。水压因素建议使用高压(>0.5 MPa)、压力(<0.5 MPa)的量化指标，突涌水的方式建议采用溶洞突水、管道突(涌)水、裂隙涌水、裂隙渗水滴水四种方式。季节性的影响还是雨季、旱季分别评价更为贴近实际。表1结合岩溶水的垂直分带给出了笔者划分的主要思路。岩溶隧道一旦出现压力岩溶水和高压岩溶水区段，都需要重新进行方案研究，优化隧道平纵断面。

表1　岩溶隧道突涌水方式与岩溶水垂直分带

2.4岩溶水垂直分带与线路高程

综合岩溶水、水压和岩溶发育程度等因素，宏观上垂直渗流带始终是风险最小、相对安全的地带。自由坡地段线路应抬高线路高程，尽量靠近补给区，紧坡地段线路则应靠近河谷排泄区。水平径流带的岩溶管道水最丰富，压力饱水带的工程风险最大。设计选线中应尽量避免走在水平径流带内，深部缓流带由于存在岩溶管道流的可能性，岩溶水压大，施工风险高，也应尽量避免穿越。季节变动带由于岩溶管道及岩溶强烈发育，季节性洪水的危害也较突出，如长昆客专、云桂铁路部分岩溶隧道走在季节变动带内，季节性岩溶水压较高，雨季对隧道安全产生不利影响，不得不增设泄水洞排水。长期排水可能还会对岩溶石山生态系统造成影响，在条件允许时隧道工程也应尽量避绕季节变动带。

3　岩溶区危岩落石

岩溶孤峰、峰林及峰丛地貌，山坡陡峻，乱石嶙峋，常见危岩落石发育，已成为岩溶区选线设计不得不重视的又一类频发地质灾害。一般说岩溶突水突泥影响施工阶段的施工安全与进度，危岩落石则在雨季频发，更多的是危害铁路运营的安全，这在客运专线设计中尤其重要。但危岩落石问题和岩溶、岩溶水问题的解决是相矛盾的，避免危岩落石最直接的方法就是压低线路高程，采用更长隧道减少隧道洞口的数量。解决岩溶水问题又要求尽量抬高线路高程，两者是截然相反的思路，岩溶区地质选线的困难也在于此。唯一的方法就是加强岩溶区危岩落石调查，尽量选在山嘴或低缓的岩溶山丘、山嘴进洞，没有条件时应把运营安全放在首要地位，适当压低线路高程，采用较长的隧道来避免危岩落石对运营的危害。

4　岩溶水生态地质环境

表层岩溶带、浅饱水带、压力饱水带是岩溶区水资源的重要蓄水部位。隧道施工对岩溶水生态环境的影响有两方面：一是隧道排水截流袭夺岩溶管道水流，导致暗河系统或岩溶泉域的流量损耗，影响生活生产；一是施工排水污染暗河或岩溶泉，导致水质变差。表层岩溶带水是岩溶山区存储于可溶岩地表强岩溶化的溶隙及溶孔中的岩溶水，一般厚度为5～30 m。表层岩溶泉是山区人畜用水和分散农田灌溉的重要水源，当隧道浅埋时，可能影响表层岩溶带的人畜用水和生态环境。

岩溶山区的暗河和岩溶泉，多已被生活、生产活动利用，比如发电、灌溉农田等。位于水平带内的隧道施工排水势必会袭夺岩溶水系统的管道水流，从而破坏岩溶泉域或暗河系统的生态，给人们的生产生活带来影响。比如大瑶山隧道班古坳岩溶槽谷，由于地下水漏失，导致地面水田改为旱地，歌乐山隧道岩溶突水也导致较严重的地表失水。

无论从自身施工风险出发，还是从保护岩溶水资源出发，隧道都应避免设置在浅埋和水平径流带内。

5　覆盖型岩溶和埋藏型岩溶

岩溶含水岩组按埋藏条件可分为裸露型、覆盖型和埋藏型三种最基本的类型。

5.1覆盖型岩溶

覆盖型岩溶是指被松散堆积物覆盖的岩溶。覆盖型岩溶区的地下岩溶管道发育，岩溶地下水埋藏通常较浅，岩溶水位变幅和岩溶水交替作用强烈。对工程而言，覆盖型岩溶涉及地面稳定性和岩溶(土洞)塌陷。基岩的岩溶发育程度、土层的性质和厚度、地下水的活动特征、震动荷载等是岩溶塌陷形成的基本条件。土洞塌陷是覆盖型岩溶区地面失稳的极端形式，地下水的活动是土洞的形成、发展以致破坏的最活跃因素，特别是水位在基岩顶面附近上下波动的幅度和频度，对潜蚀、崩解和搬运土粒的速度起重要作用。土洞塌陷是覆盖型岩溶区地面塌陷最常见的形式之一，直接影响桥梁和路基的安全，在地质勘察和选线设计中应引起高度重视。在地面有塌陷史，勘探揭示土洞，水位在土石界面附近强烈波动的覆盖型岩溶区应优先优化线路方案予以绕避，不得不通过时，宜多设置桥梁通过。例如贵广铁路桂林段，通过桂林岩溶孤峰平原，地面塌陷严重，选线设计时选择了以砂泥岩隧道群绕避岩溶平原的方案，再如长昆客专湖南段，覆盖型岩溶区的基岩溶洞呈串珠状发育，选线设计时选择了以桥代路。

5.2埋藏型岩溶

埋藏型岩溶是指岩溶含水岩组埋藏于非可溶岩基岩之下的岩溶。在以前，铁路建设中遇到埋藏型岩溶的情况较少，但随着隧道长度的不断加大，已有较多的隧道涉及到埋藏型岩溶问题。埋藏型岩溶含水岩层富水性较均匀，岩溶地下水具有统一的水动力场，多为承压水，具有较高的水头，而且由于埋藏较大，岩溶水文地质单元的边界不易确定，岩溶水补给、径流和排泄的水流系统不清，从而给隧道施工带来很多不确定的地质风险。凡穿越埋藏型岩溶的隧道多为Ⅰ级风险隧道，例如南三龙铁路南门口隧道、郑万客专香树湾隧道、小三峡隧道和大瑞铁路的保山隧道等。鉴于埋藏型岩溶水文地质条件的复杂性，在选线设计中应尽量避免穿越。