枫树垭2 号隧道岩溶发育特征及影响因素分析

吴 苗， 唐 波， 谢增荣， 张阳华

（湖南省勘测设计院，湖南 长沙410000）

1 项目简介

本项目隶属于张家界桑植县至永定市区二级公路，路线沿澧水河展布，全长57.52 km。 枫树垭2 号隧道起讫里程K37＋160～K39＋048，长1 888 m，为单洞隧道，净空断面10.20 m × 8.35 m。

图1 隧道线路及台地景观

隧道位于张家界西北的武陵山脉中，澧水河谷左岸；澧水河该段因地质运动活跃，切割剧烈，故山高谷深，呈U 型；河谷阶地不发育，多急流湍滩，两侧山体多为70°以上的近垂直陡崖，落差可达400 m以上，而以灰岩为主的山体山顶多呈台地状。 隧道洞身穿越一处台地，隧道最大埋深约345 m。

图2 桑树塔地下河出口

2 勘察工作介绍

本次勘察采用了地质调绘、工程物探、钻探等多种勘察手段。

2.1 地质调绘

隧址区及其附近发现3 条地下河汇入澧水，分别是驹马庄地下河（里程K35＋000）、桑树塔地下河（里程K39＋160）、鸭坪地下河（里程K41＋760）；在本隧道大里程出口端外120 m 的路基右侧，澧水河岸发现桑树塔地下河出口，该地下河与本隧道地质联系最为紧密。

本区域属于裸露型岩溶，岩溶强烈发育特征明显。 在桑树塔地下河上游方向的三家馆、晓村、桑树塔（见图3）等地发现岩溶洼地、漏斗、落水洞、消水点等数十处，多呈线状分布。 落水洞多分布于岩溶洼地，深度可达十数米深；因地下河流域多为中低山沟谷峰丛地貌，岩溶洼地面积大都偏小，规模较大的几处岩溶洼地分别位于晓村和桑树塔；还发现数处面积达半个足球场大小的漏斗，深度可达20 ～30 m及以上，植被繁茂；岩溶洼地的低洼处或山脚零星分布有泉眼。 另在隧道洞身所经台地的台面上可见小型岩溶洼地分布，但落水洞、消水点、漏斗等少发育，只发现几个小泉眼。 调查区域内农田普通漏水。 该类地貌特征间接揭示可耕种土地的稀少与贫瘠。

隧道沿线地表及地下河流域表层岩溶带普遍发育，据野外观测，隧道沿线表层岩溶带一般厚度小于5 m，地下河流域地表其厚度略大，个别地方可达12 m；形态主要表现为石芽发育，石芽经溶蚀形态各异，呈盆状、坐椅状，石芽间距从数十厘米至数米不等，溶缝、溶槽在石芽之间向下发育；岩溶山坡表面形态沟壑纵横、覆盖土层较薄，一般在1 ～2 m，局部溶槽内可达10 m 以上。 隧道上方台地及后半段山腰位置，因流水冲刷，土壤菲薄，岩石多裸露，石芽林立，且发现数处水平向发育的溶洞。

图3 区域地质构造简图

《20 万大庸幅区域水文地质普查报告》记载：桑树塔地下河发育于帚状构造中部奥陶系下统O1厚层灰岩中，由六条支流组成，主河道沿帚状构造的断裂带发育；主、支流河道均呈弧形向北西凸出，严格受帚状构造控制（见图3），其分布区漏斗、洼地呈串珠状分布；地下河系出口高于澧水河床，流量268.57 L／ s，排向澧水。

地调工作初步验证了区域地质资料所记载的桑树塔地下河位置、规模、流域，追溯到3 条分支。 但因野外工作季节为旱季12 月，地下河出口流量小于1 L／ s，漏斗、落水洞等大都处于干涸状态，泉眼流量变小，溪沟多为干沟；区域资料显示本地下河流量可达268.57 L／ s，调查时间为1976 年10 月。 其流量动态变化与湘西北地区的降水变化不谋而合，因每年12 月～次年2 月为旱季，3～5 月为雨季，而随着9月降雨量增加，地下水位和泉水流量在10 月中旬达到一年中的第二个高峰。 由此可见，地下河水为代表的管道流及岩溶泉水为代表的裂隙流主要靠大气降水通过漏斗及岩溶洼地集中灌入式或者分散漫流式补给，其次还通过溶沟、溶缝等接受入渗渗漏式补给。

该区地下水排泄受澧水主干控制，桑树塔地下河出口处高程约为220 m，该段澧水河谷高程为180～190 m 左右，其排泄基准面与侵蚀基准面落差约为30～40 m。

2.2 工程物探

采用高频大地电磁测深法（EH4）沿隧道布设纵剖面测线一条，长度1 950 m，测点间距为25 m。 物探分析成果如下：

①K38＋000～K38＋150 段，为第一段异常区，电阻率等值线大面积凹陷，呈相对低阻状，推测为地下水系流经区或大型含水溶洞，宽度约为150 m，核心区宽度约为50 m。 该处隧道埋深约200 m。

②K38＋625～K38＋750 段，为第二段异常区，电阻率等值线大面积凹陷，呈相对低阻状，推测为地下水系流经区或大型含水溶洞，宽度约为125 m，核心区宽度约60 m。 该处隧道埋深约120 m。

③K37 ＋245 ～K37 ＋285、K37 ＋673 ～K37 ＋715、K38＋446～K38＋529、K847＋880 推测可能为溶洞，为小型异常区。

2.3 钻探

于里程K38＋640 处（位于物探推测的第二段异常区）布置钻孔，孔口高程574.5 m，钻孔孔深133.2 m，孔深118 m 处为隧道顶板。 钻探揭示地层如下：0～0.5 m 为耕植土，0.5～4.0 m 为中风化灰岩，4.0 ～4.8 m 为全填充溶洞，4.8～133.2 m 为中风化及微风化灰岩（在深度55.0 ～63.0 m 段岩芯较破碎，RQD为50% ～60%左右，大量出现半边柱状岩块，岩芯断面有砖红色铁锈及少量黄色泥痕，见轻微溶蚀迹象，说明水量较小，处于裂隙水阶段；85.0 ～86.5、90.0 ～92.5、104.0～10.5.0、106.0～106.5、123.8 ～125.0 m 可见半边柱状岩，裂面有铁锈及泥痕，但岩芯采取率较好，RQD 可达80%以上；其他段灰岩岩芯完整新鲜，几无溶蚀痕迹，尤其是深度85.0 m 以上的灰岩）。钻孔稳定水位为81.0 m，抽水试验时水量很小。

钻孔岩芯说明以下情况：①表层岩溶带厚度＜5 m；②地下水较贫乏，岩溶弱发育且处于早期状态；③因地势高，本段除局部坡凹低洼处外，降雨多形成了坡面流以地表径流形态流失，表层岩溶水仅沿浅部风化裂隙顺坡快速径流，径流深度影响深度约为5 m，深部地下水主要补给来源不是该段的大气降雨入渗。

但是灰岩区岩溶发育千变万化，以点概面不可行，本钻孔不能代表全段隧道。

2.4 小结

隧址区属于裸露型岩溶，岩溶形态主要有溶沟、溶槽、溶缝、溶隙、洞穴、石芽等，岩溶地貌为台地溶丘洼地，台地上土壤菲薄且保水性差，耕地多为旱地；隧道出口端外的桑树塔地下河流域岩溶形态更为极端，岩溶洼地、漏斗、落水洞等呈线状分布。 物探分析得出隧道K38＋000～K38＋150 段、K38＋625 ～K38＋750 段岩溶强烈发育，有大型含水溶洞或地下河发育的可能。 故勘察综合判断隧道后半段（K37＋780～K39＋048）灰岩区，岩溶中等～强烈发育，在物探推测异常区不排除有桑树塔地下河某分支流经的可能性。

3 岩溶发育的控制因素

3.1 地层岩性

3.1.1 岩性介绍

隧道前半段（K37＋160 ～K37＋780） 岩性为寒武中上统娄山关组（∈2－3ls）白云岩；后半段（K37＋780～K39＋048） 岩性为奥陶系下统南津关组（ O1n） 灰岩、分乡组及红花园组（O1f＋h）灰岩；

据研究，湘西北地区，寒武系娄山关组以结晶白云岩为主；南津关组灰岩主要为灰白至深灰色厚层-巨厚层粒屑灰岩、结晶灰岩、生物碎屑灰岩夹白云质灰岩，该组属于奥陶下统底界，位于湘西北寒武-奥陶过渡处，界线明显，前者以白云岩为主，后者以结晶及生物碎屑灰岩为主间夹白云质灰岩。 分乡组和红花园组主要为灰色厚层状粒屑灰岩，多具细至中粗粒结构，并有白云质灰岩夹其间。

3.1.2 岩石特征对岩溶发育的影响

首先，岩石的岩性成分与结构特征是岩溶发育与否的基础。 岩石化学成分、结构、构造对岩溶发育强度影响，直接表现于岩石相对溶解速度。 奥陶系上述两组灰岩多为厚层的质纯碳酸盐岩，其化学成分决定其具有更高的岩石溶解速度及溶解量。 寒武系娄山关组白云岩，成分为白云石，相对溶解速度慢，岩溶发育微弱。

其次，岩性的组合特征对岩溶发育强度有影响。碳酸盐岩与非碳酸盐岩，或碳酸盐岩中的岩溶发育相对强弱岩层的接触界面是地下水运移的场所，往往在接触界线的碳酸盐岩一侧，岩溶极为发育。 当然在本段，目前尚未有直接证据证明该点，只从隧道物探EH4 纵剖面图上，发现在白云岩与灰岩交界处的灰岩一侧，电阻率等值线大面积凹陷，呈相对低阻状，推测为大型含水溶洞。

再次，岩层的产状对岩溶发育强度有一定影响。本段白云岩产状为270° ～290°∠30°，灰岩产状为115°∠15°。 一般产状平缓的岩层发育程度相对较低，而产状大于20°的岩层岩溶发育程度相对较高，厚度也较大。 从本区的褶皱中也可看到，在轴部的岩层转折部位产状变陡，形成地下河和漏斗、落水洞等的几率更高，而褶皱翼部的舒展平缓岩层中岩溶发育相对弱。 造成这种现象可能主要有两个方面的原因，一是岩层产状较陡，特别是20° ～30°时，有利于地表水流沿岩层层面向下运动，入渗速度快、入渗量大，且同时具有物理营力和化学营力；二是产状较陡的岩层所经受的应力比平缓岩层大，岩石本身较破碎或裂隙发育，层面裂隙变得宽张。 在下节地质构造中有更加具体和详细的讨论。

3.1.3 小结

岩溶发育强度遵循灰岩＞白云质灰岩＞泥质灰岩＞白云岩＞泥灰岩由强至弱的发育规律，遵循纯碳酸盐岩较不纯碳酸盐岩由强至弱的发育规律。 地调工作及物探结论，都表明了本隧道白云岩区岩溶微弱发育，灰岩区岩溶强烈发育。

3.2 地质构造

3.2.1 褶皱、断裂

从区域地质简图（图3）中可看出，隧道前后、以桑树塔地下河为中心的前后三条地下河范围内，发育一组北北东向的帚状构造，由4 条断裂、4 条褶皱组成，统称为三家馆帚状构造。 位于桑树塔地下河附近的为⑵号压扭性断裂、②号背斜、③号向斜，但影响桑树塔地下河形成发育的绝不止这三条构造，比如⑶号断层虽是鸭坪地下河的始作俑者，但其对桑树塔地下河的形成影响不容小觑。

从区域地质图可看出，驹马庄—桑树塔—鸭坪的澧水走廊带为一大型复式向斜构造，地层从寒武下统∈1～寒武中上统∈2－3～奥陶下统O1～寒武中上统∈2－3变化，遵循老～新～老的渐变规律，轴部地层为奥陶下统O1灰岩。 前中后所处地貌单元形态也佐证该点（下节介绍）。 该向斜两侧分别是①号、④号背斜，核部发育③号向斜及⑵号压扭性断裂，两翼岩层被⑴号断裂、⑶号断裂及其衍生断裂纵切。

②号背斜：轴线北北东（约30°），长约11 km，与⑵号压扭性断裂伴生。 轴部翼部地层均为奥陶系下统分乡组与红花园组（O1f＋h） 灰岩，倾向倾角不明。与线路不相交，但是其轴部影响了桑树塔地下河某一分支上游段的发育。

③号向斜：为直立水平褶皱，轴向北东（40° ～55°），出露长度＞8 km。 幅宽4 ～5 km，长宽比大于2 ∶1。 其枢纽向南仰起，扬起角为5°。 轴部出露奥陶纪地层温塘组（O3w），两翼出露奥陶纪地层红花园组及分乡组（O1f＋h） 和南津关组（O1n），北西翼岩层倾向120° ～145°，倾角10° ～16°；南东翼岩层倾向320° ～345°，倾角8° ～16°。 与线路相交于里程K40＋180，该向斜轴部发育地下河某一分支。

⑵号压扭性断裂：为正断层，走向北北东（30° ～40°），断面倾向南东（130°），倾角75° ～80°，长度约17 km，宽度10 ～20 m，其中分布有破碎岩块及断层角砾岩，成分主要为灰岩。 断层位于奥陶纪分乡组与红花园组（O1f＋h） 灰岩中，断层南东盘下降、北西盘上升，与路线相交于K39＋160 ～K39＋200，即隧道出口端外。 该断裂带上发育桑树塔地下河主河道，长约6.2 km，地下河上部落水洞、岩溶洼地等呈线状分布，源头为三家馆的大型漏斗，经晓村—桑树塔，汇入澧水河。

⑶号断裂：为正断层，性质不明。 总体为北东东向展布，呈弧形弯曲，长度为14.5 km。 其南西段走向北北东（35°），断面倾向北西（305°），倾角70°。断层北西盘下降， 主要为奥陶纪地层南津关组（O1n）、分乡组与红花园组（O1f＋h）；南东盘上升，为寒武纪娄 山关组（ ∈2－3ls），地层断距100 ～200 m。断层破碎带宽约5 m，破碎的岩块及断层角砾岩其成分为白云岩及灰岩。 顺断裂发育鸭坪地下河。

3.2.2 构造特征对岩溶发育的影响

从上述构造发育特征，综合岩溶发育规律，得出以下推断：a、大型复式向斜轴部断裂及裂隙发育，是地下水径流的良好通道和岩溶发育的主导因素，它控制岩溶发育的方向；断裂带内多为破碎灰岩块及灰岩为主体的断层角砾岩，溶蚀速度较快，且压性断裂外带其裂隙颇为发育，成为地下水活动的通道，沿⑵号北北东向压扭性断裂发育地下河主河道；b、②号背斜及③号向斜高陡的轴部应力集中，张性节理发育、岩体强度降低，从而在物理营力和化学营力的双重作用下，风化加速，纵向断裂及裂隙进一步发育，地下水径流通畅，岩溶发育；沿其轴线发育地下河某个分支，其上漏斗、落水洞等呈线状发育，岩溶洼地多依托于山间谷地发育，数量有限。 c、复式向斜内，背斜、向斜相间排列、紧密相连，⑵号与⑶号断裂共同造就了③号向斜，使得晓村～桑树塔一线的奥陶系下统O1灰岩局部下降，两侧的寒武系中上统∈2－3白云岩相对抬升，为该线发育地下河创造先天条件。

但是，因为上述褶皱多为紧密褶皱，共生于这片宽度不足4 km 的区域，尤其是②号背斜至⑶号断裂之间宽度不足2 km，使得其含水层露头宽度小，不利于接受大气降水渗入补给。 且本复式向斜不是储水构造，呈簸箕状，北东高、南西低，地下水向南西澧水河排泄；其北部的更高级剥夷面与其水力联系较弱或者已被阻断，地下水跨区域的径流补给量不足。同时，因构造所在区域为峰丛沟谷地貌（只澧水岸边为台地），地形坡降大，水力坡度也大，而流域较短，物理营力相对更强。 上述因素共同造就了，地下河主要补给来源为大气降雨形成的地表径流，地表径流汇入漏斗、洼地中的落水洞，且因径流途径短，出口流量随降雨量而显著变化；地下河流量动态变化幅度大，为季节性间歇性河，枯水期流量小于1 L／ s（2017 年12 月底调查），甚至发生断流，丰水期可达268.57 L／ s，瞬时流量与雨强息息相关；同时桑树塔地下河流域岩溶极其发育，分支众多，且洞径较大，出口甚至高达8～10 m；岩溶管道的大尺寸，又进一步加剧了流量动态变化幅度。

3.2.3 小结

沿⑵号北北东向压扭性断裂发育地下河主河道；沿②号背斜及③号向斜轴向，漏斗、落水洞等呈线状发育，其下应发育了地下河其他支流。 虽未在隧道所在台地上找到大型漏斗、天窗等，但在台地分水岭往北1 ～2 km 外（分脉垭） 发现有中等岩溶洼地、大型蓄水漏斗（深度＞100 m），故仍无法判断是否有某地下河分支经过台地、穿越隧道，汇入主干。

3.3 地形地貌及排泄基准面

3.3.1 地形地貌

顺澧水流向，地貌从峰丛沟谷～中台地溶丘洼地～高台地溶丘洼地变化，这主要由构造运动、地层岩性与溶蚀作用塑造。 而在桑树塔～鸭坪段，紧邻河谷左岸的地貌形态为低台地溶丘洼地，这是受风化作用、溶蚀作用改造形成。

隧道洞体位于中台地下，隧道出口端外为低台地溶丘洼地。 地形高差的密集变化，既进一步加强了外部的物理营力作用，同时也加大了裂隙水的运移速度，为岩溶发育提供助力。

从桑树塔地下河、鸭坪地下河的流域地貌分析，它们的共同之处有：其均发育于海拔为500 ～800 m左右的峰丛沟谷地貌（图4 幅范围外），该地貌利于地表水的汇聚，地下水的补给、运移；其均排泄于澧水河岸海拔为430～470 m 低台地前缘，排泄面高程约为220 m，这是因为两条地下河均位于澧水断裂以北，本区域排泄基准面是由澧水及其支流控制。其流域通道所经均为两种地貌单元之间的低洼过渡区，或为向斜轴部（桑树塔地下河），或为向斜→背斜的翼端转折处（鸭坪地下河），且都有大型断裂伴生。

图4 隧址区地貌分区略图

3.3.2 排泄基准面

从地调成果看，桑树塔地下河主河道及支流其上游发育高程大约是350 ～380 m（三家馆漏斗顶地面高程约为450 m），埋深约70～100 m；经过晓村溶丘洼地时，地面高程约480 ～500 m，地下河高程未知，埋深未知；最后汇聚台地前缘洼地时，地面高程约456 m，地下河出口高程约220 m，埋深约236 m。地下河主河道长约6.2 km，三家馆～晓村直线距离约4.5 km，晓村～台地前缘直线距离约1.7 km，故地下河道平均坡降约2.6%。 从出口处观察，地下河道内多陡坎和跌水。 以漏斗、洼地、地下河入口及地下河出口高差确定的岩溶强发育深度，在本段约为100～236 m。

排泄基准面对岩溶发育下限起着一定的控制作用。 岩溶发育深度由水系上游至下游逐渐增加，即依附排泄基准面的降低而增加，远离排泄基准面的岩溶发育深度较浅，接近排泄基准面的岩溶发育深度较深。

3.4 隧道内岩溶发育情况推测

通过对岩溶发育控制因素的分析，可尝试推测隧道灰岩段有没有大型地下河分支或含水溶洞发育的可能。

汇集以下数据：隧道所在台地台面高程约530～660 m，澧水河谷高程180 ～190 m；隧道洞身高程415 ～460 m，出口端略高；地下河出口高程约220 m。

隧道出口端外即为一处低台地溶丘洼地，桑树塔地下河出口挂于洼地下方岩壁。 首先，洞身内第一段物探异常区（K38＋000 ～K38＋150 段）至地下河出口的直线距离约1 km，该点台面高程635 m，洞顶高程为445 m 左右，与地下河出口高差约225 m，如有地下河分支，其河道坡降将达到22.5%；流域过短、坡降过大，该点发育东西方向地下河分支（汇入桑树塔地下河） 的可能性较小。 其次，地下河管道需有充足的径流补给才能发育，前文已论述过台面上的降雨对其地下水的补给有限，台地平均海拔为530～660 m，其地上分水岭海拔约760 m，往北高程逐渐降低，邻区地下水跨域分水岭往南补给台地的可能性较小；虽在台地分水岭以北，发现有大型漏斗、岩溶洼地，但其可能是其他流向的地下河的组成部分。 最后，隧道前半段白云岩区面积过窄，其地表水汇聚能力有限，而其西侧（往隧道小里程方向）地势陡降，坡陡谷深，白云岩区主排泄方向可能往西。综上，台地上发育地下河分支的可能性较小。

但是因台地前缘岩溶发育深度可达236 m，在白云岩与灰岩交界处灰岩一侧，发育大型溶洞的可能性存在，但不一定形成了地下径流。

第二段物探异常区（K38＋625 ～K38＋750 段），物探显示其电阻率等值线凹陷程度远小于第一疑似点；且其距离地下河出口更近，高差更大，发育地下河分支的可能性更小。 该处可能发育水平溶洞、或有岩溶裂隙水赋存。

4 结论

隧址区及其前后均属于裸露型岩溶，地表岩溶强烈发育，且发现有3 条大型地下河，对隧道建设潜在影响很大。 我们通过钻探、物探、地质调查等多种勘察手段，力图揭示隧道洞身范围岩溶发育特征、发育强度，初步结论为洞身范围及上下发育地下河的可能性较小，发育大型溶洞的可能性存在。

碳酸岩区岩溶发育变化莫测，而其极端岩溶形态对工程建设的影响巨大。 采用单一的钻探手段无法揭示一个段落内的全貌，甚至会误导得出相反的结论；辅助以工程物探，因物探的多解性，对异常区的判别也可能有误；故首先当以全面的地质调查开篇，通过一条线、一个面内的地表岩溶及地下岩溶发育情况及特征分析，推测隧道线路范围内岩溶发育程度，再辅助以物探及钻探，以寻找并确认岩溶发育异常强烈区。

当追索潜伏岩溶时，也可进行示踪试验，但因地形复杂，可操作性较差，本次未采用该手段。