岩溶区铁路工程地质研究

2019-01-22赵宁

智能城市 2019年7期

赵宁

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

岩溶是一种特殊的地质构造，其主要的定义就是可溶于水的岩石在地下遗迹地表，以化学溶蚀为主要运动的地质现象。岩溶活动可以依附的岩石种类很多，有碳酸岩石，比如石灰岩或者是白云岩；有发生在硫酸盐岩石当中的，比如石膏以及硬石膏；有对应发生在卤素盐类岩石，比如岩盐或者钾盐当中。这其中分布最广泛的就是碳酸盐类别构建下的岩溶分类。岩溶在我们国家分布非常广泛，尤其是以南方最为常见。仅仅是在云贵高原的相关省份，碳酸盐的岩层露出面积就占了省份总面积的一半左右。举个例子，宜万铁路的总长度约为378 km，沿途经过的159座隧道当中涉及的高风险岩溶隧道就占据了34座，占所有隧道的21%。

1 铁路视角下的岩溶与地质构造

岩层本身形状发展趋势是缓慢倾斜的，地下水就以水平运动为主要形态进行流动，同时岩溶本身的形态主要还是水平流动。当岩层本身比较倾斜，陡峭程度比较高的时候，地表水一般来说会沿着层理进行下渗作用，同时地下水的活动速度也比较激烈，岩溶的发育方向也会受到当前的层面影响。

对于岩溶水来说，单层破碎带和风化裂隙等等地质结构，都是岩溶水在重力作用下的活动通道。这些地质结构给岩溶水提供了非常良好的条件，用来进行水文循环作用。同时岩溶本身的形状和方向，以及对应的规模和数量都跟岩溶水本身的活动相关。铁路襄渝线途径的黑水河隧道当中，就会遇到沿着地质顺层结构控制下的断裂带进行发育的缝隙状岩溶管道构建。襄渝线的另一个隧道——赵里溪隧道就属于内沿水平裂隙地质构造的水平垂直洞穴结构，同时这些洞穴也受到层间裂隙的控制。不管是水平裂隙还是层间裂隙，都在构造断裂面的控制范围下。

2 铁路视角下的岩溶与非溶性岩石界面

可溶岩一般常和其他类型的岩石，比如页岩以及泥灰岩，又或者是千枚岩以及层状火成岩等非溶性岩层间隔形成。在这种环境之下，各种非溶性岩石组成的界面就会给岩溶水本身的循环流通造成极大的限制，让每一层可溶性岩石本身的地下水具有各自独立的内循环系统。因为岩层的阻挡，这些地下水循环系统之间基本上没有什么关联，同时岩溶本身的发育也受到附近的非溶性岩石的界面阻隔。一般来说这种发育集中于非溶性岩石本身的界面结构附近。比如说对黑水河越岭隧道结构进行分析，山洞整体结构是建立在寒武系的碳酸盐类岩石框架当中的，然后在进行施工的时候，根据施工对应的开挖结构以及钻孔得到的地质结果，我们可以知道，可溶性岩石以分层的形式被夹杂在非溶岩石界面当中进行发育，但是这些被分层的岩溶之间并没有产生多少联系，尤其是在水循环上的联系。同样以该条隧道为例，如果我们进行勘察的话，从地表开始测算到120 m左右的深度内，岩溶自身发育程度非常猛烈，结构也都不一样，形态变化万千，但是当深度达到了150 m的时候，岩溶发育就相对之前出现了明显的劣化，其主要的发育形态就转为了缝隙状管道。此时岩溶管道本身一般就会以断裂带为依托，在可溶性岩层的引导下，与非溶性岩层进行充分的接触并且发育自身，然后在此基础上形成大流量的承压水流，直接喷涌到坑道当中。

3 和岩溶有关的主要铁路施工地质案例分析

岩溶的特殊地质条件给铁路施工所带来的影响是全面的。（1）岩溶水本身会直接冲涌到隧道内部，或者是铁路桥梁的基坑深处，对桥墩或者是路基进行长时间的浸泡，并且直接导致路基出现下沉的灾害。（2）隧道围岩的成洞性，以及铁路路基或铁路桥梁本身基坑附近对应位置的边坡稳定性也会造成很大的影响。（3）由于岩溶自身的物理特点，松软的洞穴填充物将会给铁路的隧道洞穴，或者是铁路基坑的防护边坡带来坍塌的后果；由于岩石本身的化学性质，山坡上的石灰岩也会引起路基边坡本身的不稳定结构失衡，直接导致隧道的涌水突泥以及铁路的路基沉陷。这三点是在云贵高原上进行铁路施工时最常遇到的地质灾害，对于铁路的施工也是损失最大的。

我们在进行铁路修建的时候，岩溶涌水是必须要进行防备的核心问题之一，尤其是在我们把隧道施工放在穿越岩溶地层的环境时更是如此。一般有两种情况需要面对这样的穿越：首先是针对岩溶化地层构建的越岭隧道，其次是相距河谷距离比较远的长隧道。在云贵高原，面对这两种情况的时候，岩溶涌水的情况几乎是每一个溶洞都会遇到。比如襄渝线的黑水河隧道就是典型的岩溶不良地质案例。这个隧道的总长度是5 400 m，整体洞身是由多种岩层构建出的复合型地质结构，包括白云质灰岩等各种可溶性岩层。整个岩石当中的溶蚀现象相对来说比较普遍，含有充沛的地下水。在5 400 m的隧道总长度当中，大约有六处溶洞自身的涌水量每天可以达到1 000 t左右，整条隧道每天可以达到的最大涌水量为17 万t，即使是在正常情况下也可以达到5 万t。在进行该隧道施工的过程中，当施工人员利用平行导坑对寒武纪灰岩进行挖掘的时候，曾经挖出过一个规模巨大的涌水溶洞构建，洞口打开时涌水水柱本身的喷射高度最高达到了1 500 cm，同时在水中被一起喷射出来的还有大量的泥沙石块，单日喷水量达到了15 万t并且连喷数日。当几天之后单日喷水量降低到1 400 t左右时，施工人员进入洞穴检查情况时发现，大量的涌水和砂石已经把坑道给堵得严严实实，整个工程都被迫停工全力清理砂石。另一个案例就是宜万铁路的马鹿箐隧道曾经在DK225+978位置遇到过一个溶洞。在修建这段铁路的时候，该溶洞一共突水14次，每一次突水均为爆发式喷射。其中的一次突水短短10 min之内就喷射出5 万t水流，堪比一个大型水库的单次泄水量。这次施工泄水的瞬间突水量之大也刷新了世界铁路建设史上的一个记录。

在岩溶平原以及对应的洼地和谷底当中分布着第四纪构建下的松散土层。一般来说当基层岩溶发育的时候，地下水流极有可能造成地面的塌陷活动。黎湛铁路K148曾经创纪录的一夜之间出现了407个塌陷洞穴，导致路基大面积下沉，通车路线全部中断；来合铁路的路段则一夜之间出现了25个塌陷洞穴，路基直接报废；由于溶洞出险造成的铁路道砟水平位置下降，铁路悬空的情况也很多；浙赣铁路分宜站曾经处出现过71处下沉，泰安站也曾出现过26次下沉，并直接撕裂了站房。这些灾害无论是时间还是空间都无法预测，是复杂地质条件下铁路修建的一个难题。