丽香铁路岩溶发育特征及对隧道工程的影响分析

2018-01-26柴春阳巫锡勇张广泽

铁道标准设计 2018年3期

柴春阳,巫锡勇,张广泽

(1.西南交通大学,成都 610031; 2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

丽(江)—香(格里拉)铁路位于青藏高原东南缘的滇西北地区，地处青藏高原至云贵高原的过渡斜面上，地面高程多在2 500～5 000 m，地势总体北西高南东低。境内山峦纵横，地形险峻，山地、峡谷、盆地交错分布，地质构造复杂，新构造运动强烈。测区碳酸岩分布较广，岩溶地貌发育，全线新建隧道共19座(总长92.346 km)，可溶岩隧道11座(总长46.168 km)，约占50%。岩溶隧道在施工中易出现涌水突泥、坍方、基底塌陷等地质灾害。因此，对区内岩溶的地貌特征、发育规律及地下水动力特征开展研究是十分必要的。

2 区域地质背景

2.1 地层岩性

区内地层从新生界到古生界，除白垩系、侏罗系外均有出露，期间发生过多次岩浆岩侵入。碳酸岩类地层约占1/2，主要分布于三叠系中上统，二叠系下统，石炭系及泥盆系中上统。岩性以灰岩、白云质灰岩为主夹碎屑岩，虎跳峡一带为厚层的大理岩。碳酸岩的广泛分布，为岩溶的发育提供了基础条件。

2.2 地质构造

滇西北地区位于青藏高原东南缘的大陆地形陡降坡度带，新生代以来受青藏高原持续性、阶段性强烈隆升的作用，形成了地应力高、活动断裂规模大和地震活动频繁的地质环境。区内构造以近南北向的印支期褶皱和断裂为主，并叠加了北西向和北东向两组喜山期褶皱和断裂，总体呈现断块构造格局，它们大多经历了复杂的演化过程，表现出继承性和新生性[1-4]。地质构造和新近的地壳运动制约着岩溶的发育和分布，影响着岩溶水的赋存条件和富集规模。

2.3 表生地质作用

气候和水是影响岩溶发育的最主要的表生地质作用。新近纪以来，由于青藏高原的强烈抬升，区内的自然环境发生了很大变化，气候的变化制约着岩溶发育。根据卢耀如(1986)、王富葆(1991)、袁道先(1992)研究[5-7]，从中新世初期到更新世初期，区内气候温暖湿润，岩溶作用最为强烈，现在见到的岩溶形态多形成于这个时期。中、晚更新世，区内经历了4次冰期[8-9]，干燥寒冷的气候，抑制了岩溶的发育。全新世以来，区内气候趋于稳定，处于中亚热带湿润区，属于冬干夏湿的高原季风气候[4]。多年平均降雨量620～960 mm，年平均气温5.5～12.7 ℃，干燥度1.0～1.5。降水及气温条件保证了溶蚀作用的继续进行。

水对碳酸岩的溶蚀作用，主要是通过CO2的侵蚀性进行的。区内地表水及地下水的水质类型主要为HCO3-—Ca2+·Mg2+、HCO3-—Na+Ca2+型及HCO3-—Ca2+型。矿化度一般都低于400 mg/L，游离CO2平均含量为15.2 mg/L，表明地表水及地下水具有较大容积能力。此外，区内地形高差较大，形成活跃的水动力条件，增加了水与碳酸盐交换速度，促进了岩溶化的作用过程。

3 岩溶地貌类型

滇西北地区位于青藏高原东南缘，横断山脉中段。区内新构造运动强烈、地质构造错综发育，地形起伏大，岩性复杂。深切断裂往往是大江、大河的通道、构造的交错发育为断陷盆地的形成提供了良好的基础[10-11]，形成了断陷盆地与高原峡谷交错分布的岩溶地貌格局。如图1所示，测区内的区域性大断裂多呈近南北向、北东向分布，沿着这些断裂分布一系列的断陷盆地和高原峡谷，断陷盆地主要有鹤庆盆地、拉市海盆地、丽江盆地、中甸盆地，高原峡谷主要有金沙江峡谷、冲江河峡谷。断陷盆地多分布在2 700～3 000 m的高原面以下，为岩溶水局部侵蚀基准面，盆地以下是深邃的峡谷，为区内岩溶水的最终侵蚀基准面。

图1 区域构造地质图

4 岩溶发育特征

4.1 断陷盆地

(1)盆地内部为相对沉降区，前期发育的岩溶被巨厚的第四系沉积物覆盖，构成覆盖性岩溶。覆盖层具有较好的隔水作用，地下水向深部运动速度减慢，流量减少，岩溶发育相对较弱，多处于停滞状态。盆地边缘区，周边山地的地表水和地下水在边缘区汇流，水循环交替活跃，岩溶、土洞较为发育。地表多被坡洪积层覆盖，厚度一般5～20 m，局部可达50 m。覆盖层下埋藏有石牙、溶沟、溶槽，基岩面起伏较大，其下发育溶隙、溶洞等岩溶形态，岩溶发育程度由上向下逐渐减弱。此外，在盆地下游边界，多有落水洞分布，暗河管道发育，是地表水和地下水向更低的盆地或河谷排泄的通道。

(2)山岭为相对隆升段，构成裸露型岩溶，山岭由分水岭区和斜坡区组成。分水岭区多为区内的夷平面，随着盆地区的下降，岩溶水为适应侵蚀基准面产生剧烈的下切作用，垂直岩溶系统十分发育，地表多见洼地、漏斗、落水洞等岩溶形态；斜坡区地表岩溶多裸露，低洼处被坡残积层覆盖，厚度较薄，一般0～5 m，地表岩溶发育明显弱于分水岭区，偶见溶槽、漏斗、落水洞等岩溶形态。但斜坡区是地下水向盆地内径流的过路区，内部管道岩溶系统十分发育。

(3)盆地汇水边界内的山岭区地表岩溶发育，大气降水及雪山融水向岩溶槽谷、洼地处汇集灌入落水洞，经深部岩溶管道系统向盆地内径流，在盆地的边缘以岩溶大泉、暗河的形式出露，在盆地内形成地上河或湖泊，水文流量随季节波动较大。盆地的周边断层十分发育，交错分布，岩溶多沿断层及其伴生的裂隙发育，成为岩溶水主要的运移的管道。

4.2 高原峡谷

(1)高原面岩溶较发育。由于青藏高原间歇性隆升，在金沙江中游的中甸、丽江一带形成了三级夷平面[12-13]。高程分别是3 700～4 200 m、2 700～3 000 m、2 000～2 400 m，大都构成分水岭，在后两级面上，岩溶发育，岩溶形态以溶蚀盆地、洼地、槽谷及漏斗、落水洞、伏流、暗河等为主。

(2)岸坡区不同部位岩溶发育表现出差异性，岸坡的下部至坡脚地带靠近区域的侵蚀基准面，为岩溶水排泄区，水动力作用强烈，岩溶非常发育。岸坡的中部至坡顶地带，地势陡峻，汇水条件差，大气降水主要以地表水形式快速向河谷排泄，地下水以渗流、淋滤为主，岩溶发育较弱，主要的岩溶形态为沿垂直发育的溶隙、溶蚀破碎带及少量溶洞，岩溶形态连通性较差。

(3)高原面是岩溶水的主要补给区，溶蚀盆地、洼地及槽谷内的地下水和地表水通过落水洞等以最短的途径向深切的金沙江及其支流排泄，虽然受到裂隙、断层等构造因素的影响，岩溶管道的发育曲折多变，但岩溶水的总运动趋势是指向河谷的。在高原面最靠近深切河谷的漏斗、洼地等垂直岩溶形态与排泄点之间的陡坡地带岩溶水发育较弱，工程中称之为岩溶水安全带[13-16]。

(4)高原峡谷区构造运动强烈，断层交错发育，加之玄武岩的多期喷发，使同一时代的可溶岩与非可溶岩错落分布于不同的高程上，形成相对独立的水文单元。岩溶的发育主要受可溶岩与非可溶岩接触带及断层带控制，形成滞水型储水构造。

5 岩溶对隧道工程的影响分析

5.1 文笔山1、2号隧道

隧道位于丽江盆地南部山岭区，地层岩性为三叠系中统北衙组中下段的白云质灰岩、灰岩，下第三系丽江组白云质钙质角砾岩。如图2所示，分水岭在磨岩山—五台山—立子课—吉罗—文笔山—马鞍山一线，海拔在2 600～3 200 m，地表洼地、落水洞、漏斗发育，每平方千米2～10个，多有残坡积物堆积，表层被庄稼或杂草覆盖，岩溶中等至强烈发育。隧道位于斜坡地带，地表偶见溶槽、漏斗、落水洞等岩溶形态，钻探揭示，洞身岩溶中等发育，以溶蚀裂隙、溶腔、溶洞等岩溶形态为主，岩溶率4.07%～11.96%。隧道区断层发育，构造破碎与溶蚀破碎叠加，围岩呈石夹土状，稳定性差，以Ⅴ级为主。

图2 文笔山1、2号隧道水文地质图

隧道位于岩溶水径流区，文笔海为侵蚀基准面，高程约为2 382 m，隧底高程为2 410～2 475 m，隧道处于季节变动带，岩溶水较发育，根据水文调查，区内的岩溶水主要沿丽江—剑川断裂及文笔山1号断层、2号层向文笔海排泄，泉点出露高程在2 400 m左右。此外，由于横向沟谷的切割，在文峰寺附近有一泉群出露，高程为2 729 m，高于隧道高程。在断层带附近岩溶可能强烈发育，隧道施工可能遇暗河、溶洞等岩溶形态，存在涌水突泥、坍方等风险。现场施工开挖也证明了这一点，在文笔峰2号断层附近，岩溶强烈发育，出现了涌水突泥，最大涌水量达140 L/s，导致坍方冒顶，施工单位处理了约5个月才通过该段。

5.2 蒙古哨、七达里隧道

隧道位于金沙江峡谷岸坡地带，地层岩性为三叠系中统北衙组(T2b)灰岩、白云质灰岩夹泥质灰岩。如图3所示，高原面在崩多落—空古都岩溶槽谷及文海洼地，海拔在3 080～3 780 m，岩溶强烈发育，分布有大规模洼地、落水洞。隧道位于岸坡地带，地形陡峻，地表多见溶沟、溶槽等岩溶形态，钻探揭示，洞身岩溶弱发育，岩溶形态以溶蚀破碎带、裂隙及小型溶洞为主，但受龙蟠～齐后断裂影响，岩体裂隙较发育，隧道围岩均匀性较差，时好时坏，以Ⅲ～Ⅳ级为主。

由于T1l砂泥岩和Pβ玄武岩地层作为隔水层的存在，阻挡了高原面上的地下水及地表水直接向西排泄进入金沙江，而是通过崩多落断层和车门举断层形成暗河管道，流入拉市海，再通过拉市海西测的指云寺暗河在鸿文村和上元村出露，排入金沙江，高程分别为1 869、1 893 m。仅少量地下水沿蒙古哨断层、七达里断层直接流向金沙江峡谷，在齐平山及三家村山腰出露，高程分别为2 038、1 951 m。隧底高程为2 240～2 490 m，隧道处于垂直渗流带，因地形坡度大，地表无大面积洼地、漏斗等分布，大气降雨所补给的地下水量较少，岩溶水弱发育。仅在断层带及灰岩与砂泥岩接触带附近有少量岩溶水发育。目前两座隧道已经施工完成了约2/3，仅在七达里断层、蒙古哨断层附近揭露有少量岩溶水，流量一般在5～20 L/s，其余段落干燥无水。与勘察资料基本吻合。

图3 蒙古哨、七达里隧道水文地质图

5.3 万拉木隧道

图4 万拉木隧道水文地质图

隧道位于冲江河峡谷区高原面边缘地带，地层岩性为三叠系下统布伦组(T1b)砂泥质板岩夹灰岩，中统洁地组(T2jd)的白云质灰岩、灰岩，中统下段(T2a)的板岩夹灰岩，泥盆系(D2-3)的板岩夹岩，如图4所示，地层呈北西向条带状分布，与隧道走向大体一致。洁地组(T2jd)的灰岩，岩溶强烈发育，地表分布着宜米洛、万拉木、海典3个大型岩溶洼地。其中万拉木洼地规模最大，南北长约2 km，东西宽0.5～0.8 km，地形高差150～170 m。洼地内岩溶漏斗、漏水洞随处可见。根据钻探揭示，隧道洞身位于布伦组(T1b)的砂泥质板岩夹灰岩中，灰岩厚度一般为5～10 m，岩溶发育微弱。隧道围岩受冲江河断裂影响，节理裂隙发育，岩体破碎，以Ⅴ级为主。

布伦组(T1b)与洁地组(T2jd)地层在空间上呈小型的向斜分布，形成滞水型储水构造。大气降水在洼地内汇集，通过落水洞灌入地下汇水盆地。冲江河是区内地下水排泄基准面，由于砂泥质板岩的隔水作用，地下水在洼地的边缘及狼裁山断层附近以上升泉出露，高程一般在2 766～3 127 m，区内泉点较少且流量为0.1～2 L/s，但局部具承压性，钻探揭示，承压水头高程在3 148～3 177 m。隧底高程为2 867～2 983 m，洞身地下水较发育，隧道开挖以股状、线状基岩裂隙水为主，但在断层带及灰岩与板岩接触带附近存在出现高压突水突泥的风险。此隧道施工进度较慢，目前开挖未揭示断层带及灰岩与板岩接触带，砂泥质板岩内的基岩裂隙水较发育，流量一般在5～10 L/s。地下水的发育情况还有待于进一步验证。

6 结论

(1)丽香铁路所处的滇西北地区，由于地壳的大面积隆升、断裂作用和强烈的流水侵蚀、溶蚀，形成了断陷盆地与高原峡谷交错分布的岩溶地貌格局。

(2)断陷盆地内部覆盖层较厚，岩溶发育较弱，盆地的边缘及山岭区域，岩溶及土洞较发育，岩溶水以盆地为侵蚀基准面，通过断层带及可溶岩与非可溶岩接触带向盆地内径流排泄。火车站一般布置在工业及人口密集的盆地内部，盆地边缘的隧道线路高程受选线控制，隧道工程多处于岩溶水平循环带及季节变动带，施工开挖存在较高的安全风险和地质环境风险。

(3)在高原峡谷区，从峡谷到高原面岩溶的发育程度表现出两端强中间弱特点，岩溶水以河谷为侵蚀基准面，由高原面向峡谷内径流、富集，岩溶管道虽然受断层带及隔水层控制，但岩溶水的总运动趋势是指向河谷的。高原面与峡谷之间形成的岩溶水安全带，是隧道工程的最佳通过区。

(4)测区构造运动强烈，断层交错发育，加之玄武岩的多期喷发，易形成滞水型储水构造，分布高程差异大，无明显规律，在隧道工程中易引起突发水害，应引起高度重视。

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