杭州地铁6号线覆盖型岩溶洞穴成层特征

2018-03-27张斌龙刘建刚宗岩计顺顺王美霞

中国煤炭地质 2018年2期

张斌龙，刘建刚，宗岩，计顺顺,王美霞

(河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 211100)

0 引言

岩溶洞穴是地下水喀斯特作用的产物，绝大多数洞穴可以在潜流带中任意深度上发育，而岩溶发育的垂直分带性理论指出，岩溶洞穴发育的主要位置是沿着或接近于地下水位处。在接近地下水位处的地层处于包气带和饱和带交互处，水位变动、流动等因素使得这个部位容易发育岩溶。随着时间的推移，在地质构造相对稳定的时间内长期侵蚀使岩洞洞穴在同一高程慢慢变大，加上偶然崩塌，在地下水位附近形成地壳稳定时期本地层中最大的溶洞。

地壳演变过程中若经历多次隆升，则在地壳的抬升过程中已经形成的溶洞上升一定高度，河谷随着地壳隆升而下切，地下水位下降。原来的岩溶洞穴由于地壳抬升，远离地下水位线变成干洞，不再进行发育，而在新的地下水位附近将在另一期的地壳稳定期会形成一层新的岩溶洞穴。这说明在不同的地壳稳定期，在靠近地下水位附近会形成不同高程上分布的最大溶洞，从而可以从大型溶洞的分层特点逆推地质构造发生的时期。

杭州地铁6号线河山路站-凤凰公园站区间的桩号YDK2+100～YDK3+020发育覆盖型岩溶。该地段自然地面平坦，地面标高在3.27～8.75m，属冲海积平原地貌单元。上部第四纪覆盖层发育，厚度较大，为35～50m。土体类型较复杂，厚度较大且性质差异较大，基底主要为石炭系黄龙组灰岩。

区内地下水类型可分为第四系松散岩类孔隙性潜水(以下简称潜水)、孔隙承压水、基岩裂隙水和岩溶(地下)水。潜水位一般埋深0.90～3.10m，并随季节的变化而变化。潜水主要接受大气降水和地下水侧向径流补给，并以蒸发、侧向地下径流及下渗基岩裂隙水或岩溶水为主要排泄方式。基岩裂隙水主要受上部潜水补给，与潜水有明显水力联系。岩溶(地下)水主要受上部松散岩类孔隙水竖向缓慢入渗汇入，通过岩溶通道汇入地下暗河之中，属于渗入式补给；岩溶发育强度、溶洞规模、钻探时相邻孔中的水位变化等表明，本区岩溶水连通性好，水量较大。

1 岩溶洞穴发育特征

在钻孔揭露深度范围内,171个钻孔中有125个钻孔揭露溶洞,溶洞单体为293个,钻孔见洞率为73.10%,其中溶洞呈多层的钻孔有85个，占见洞钻孔的68.00%。顶层溶洞埋深35.30～57.90m,洞顶板灰岩厚度0～15.10m,一般为0.5～5.70m。单洞洞高0.20～21.20m,一般为0.50～5.40m。单孔累计洞高0.30～16.30m,单孔线岩溶率为17.53%～73.52%。

1.1 溶洞高度及分布规律

如果将洞穴高程分别为-40～-30m、-50～-40m、-60～-50m和<-60m分别为①层～④层，再将钻孔所揭露的溶洞按其洞高进行统计(表1)，发现各层中各种大小的溶洞都有分布：在①层中小于1m溶洞所占频率最大，占①层中溶洞总数的39%，大于8m溶洞所占频率为最小，占①层中溶洞总数的1%；在②层中溶洞大小在1.0～2.0m所占频率最大，占②层中溶洞总数的30%；而在③层中溶洞大小在2.0～4.0m所占比例最大，占③层中溶洞总数的31%；第④层只有3个溶洞分布，溶洞的高度分别为1.8m、5.6m和10.5m。

1.2 大型岩溶洞穴分布特征

从岩溶洞穴形成基本理论可以得知，大型的岩溶洞穴能反应地质构造稳定期时间，其成层性能反应地质构造运动的规律。据此，绘制本次钻探揭漏的大型岩溶洞穴分布图(图1)。

表1 不同层位溶洞规模分布特征统计Table 1 Statistics of different layer karst cave size distribution features

图1 钻孔揭露大型岩溶洞穴分布Figure 1 Borehole intersected large sized karst caves distribution

从图1可以看出大型岩溶洞穴主要分布在高程为-35m～-65m，随着岩溶洞穴高度的增加，岩溶分布出现分层现象。从洞穴大于9m的溶洞分布图可以发现，岩溶洞穴大致可以分为3层：第一层高程在-38～-42m，第二层的高程在-48～-55m，第三层的高程在-62.5m左右，各层之间的平均高程差为11.5m和10m；在第一层分布的大型溶洞右4个，在第二层分布的大型溶洞有4个，在第三层只有1个大型溶洞；第一和第二层作为古岩溶，基本处于稳定状态不再发育，而第三层作为现在正在发育的岩溶，数量相比第一层和第二层比较少。这样的分布结果符合岩溶发育理论。

2 岩溶洞穴成层原因分析

陆景冈等[5]人对杭州钱塘江阶地研究表明：杭州地区(靠近富阳段)，钱塘江河谷发育有三级阶地，一级阶地高于河面10m，二级阶地高于河面20m，三级阶地高于河面30m，各级阶地之间的高程差在10m；三级阶地的发育是因新生代以来受喜马拉雅运动影响，区内发生三次间歇性抬升运动，在早更新世时期发育河流三级阶地，在中更新世时期发育河流二级阶地，在晚更新世时期发育河流一级阶地。对比三层溶洞和河流三级阶地各层之间高程差的关系可以看出，该区溶洞成层性发育与河谷阶地的发育成对应关系。

工程区和钱塘江杭州段阶地同属一个地质构造单元、同一个水系流域区，区内地质构造和水流作用基本相似。由此推测工程区岩溶的发育过程为：早更新世之前，在岩溶作用下该区发育一层水平溶洞；在早更新世，由于地壳抬升使在早更新世之前形成溶洞以及阶地随之抬升；当地壳经过地质构造运动后，地壳开始一段稳定时期，该区发育了较深一层的新溶洞，形成第二层溶洞，在中更新世，地壳抬升形成二级阶地，该层溶洞也随之抬升；地壳抬升导致河流继续下切，使岩溶在下层发育，经过长期的稳定发育，形成第三层岩溶，在晚更新世时期发生第三次地壳抬升，随之形成第三层溶洞。之后，由于构造沉降，该区逐渐沉积了第四系松散覆盖层。最终，勘察区覆盖型岩溶发育完成。