夹岩工程某浅埋隧洞岩溶发育特征及处理措施研究

2021-04-03潘长贵蒋长兴

地下水 2021年4期

潘长贵，蒋长兴

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550002)

大堰塘隧洞为黔西片区输水线路工程北干渠其中的一个隧洞，隧洞长1.29 km，走向127°，进口高程1 250.6 m，出口高程为1250 m，隧洞开挖断面为马蹄形，尺寸为4.7×5.1 m，主要穿越地层岩性为三叠系茅草坝组(T1m)碳酸盐岩，三叠系夜郎组(T1y3)碎屑岩。地表岩溶发育，主要有洼地、落水洞等。

1 地质简述

1.1 地形地貌

黔西片区位于贵州第二阶梯面上，高程900～1 200 m，该片区为乌蒙山向黔西溶原盆地过渡地带，为夹岩水利枢纽工程的主要受水灌面，干渠线路基本环绕乌蒙山脉东斜坡近南北向布置，大堰塘隧洞穿越地貌为溶蚀宽谷、低山地貌，地表洼地、落水洞等岩溶发育密集，地表发育有17个岩溶洼地，据统计洼地总面积占积域面积比例约3%，洼地多沿地表冲沟展布，长轴方向与冲沟方向一致。

1.2 地层岩性

大堰塘隧洞穿越地层岩性主要为：(1)三叠系茅草铺组第二段(T1m2)，深灰色薄至中厚层白云岩夹泥质白云岩，厚度20～50 m；(2)三叠系茅草铺组第一段(T1m1)，灰色中至厚层灰岩，厚度大于120～240 m；(3)三叠系夜郎组第三段(T1y3)，薄至中厚层紫红色夹杂色泥岩夹灰色泥质灰岩，厚度63～380 m。

1.3 地质构造

研究区位于扬子准地台-黔滇台隆-遵义断拱三级构造单元内，区内有F119、F126断层发育，位于黔西附廓水库一带，断层整体走向NE、倾向NW，隧址区地处黔西附廓水库NE方向，受该断层影响，洞内节理裂隙发育密集，主要有2组陡倾角裂隙发育：(1)N10°W/NE∠80°；(2)N80°W/NE∠80°该节理裂隙走向与断层走向近平行。隧洞岩层产状125～175°∠5～10°，岩层倾角平缓，岩层走向与洞轴线走向交角约40°～89°。

1.4 水文地质

研究区内为乌蒙山向黔西溶原盆地过渡地带，黔西以东地势相对平缓，沿线河流平缓，河谷浅切，六冲河为灌区最低浸蚀基准面，受六冲河控制，灌区地表支流、地下呈横向径流流排泄。但多为碳酸盐分布区，岩溶发育，河流明暗交替，多属雨源型河流。在谷地及洼地中，地下水埋藏较浅，一般潜水埋深小于20 m，分布差异性大。本地区地下水补给主要来自于谷岸斜坡地带的大气降水入渗，降雨至地面后除少量部分消耗于蒸腾作用外，大部分入渗补给地下水。降雨入渗的形式主要有以下两种形式：(1)降雨直接通过地形坡面上的裂隙及溶蚀裂隙入渗补给；(2)降雨先形成地表片流、沟流以及一些小型的季节性河流，然后再沿岩溶洼地、岩溶槽谷、岩溶漏斗中汇聚，通过落水洞、水塘或倾斜溶洞集中注入式补给下伏岩溶含水层，后者是本地区地下水获得补给的主要方式。本地区地下水的径流与排泄主要受当地地下水的排泄基准控制，即六冲河一级支流，也就是皮家河控制，地下水在最优水力梯度控制下向新田煤矿暗河系统的形式集中排泄至皮家河。

本区主要的岩溶发育部分是三叠系茅草铺组第一段(T1m1)、三叠系茅草铺组第三段(T1m3)为强岩溶含水层；三叠系茅草铺组第二段(T1m2)、三叠系茅草铺组第四段(T1m4)为弱岩溶含水层；三叠系夜郎组第三段(T1y3)为相对隔水层。

1.5 推测岩溶管道

研究区总体位于山盆期剥夷面上，地表大部分出露的地层岩性为三叠系茅草铺组(T1m)纯碳酸盐岩，岩溶较发育，地下水主要接受大气降水补给，补给量受地表岩溶洼地发育程度(集雨面积)及大气降水量控制。入渗后的雨水受下伏地层三叠系夜郎组第三段(T1y3)泥岩的阻隔，沿溶蚀裂隙、溶孔、NE向节理等向最低排泄面SN向皮家河排泄，总体呈水平方向运移，这就形成第一期，这时期水平溶洞以溶蚀、侵蚀为主；地壳抬升后，排泄基准面急剧下降后又稳定下来，那么第一期水平溶洞就转入以重力为主的阶段，同时又是第二期水平溶洞的溶蚀，侵蚀为主的阶段，最后呈现出千姿百态的多层水平溶洞。随着时间的推移，隔水层阻隔地下的垂向运动，且受NEE向F126断层的影响，最下层水平溶洞逐渐形成了一个完整的岩溶管道系统即是新开田暗河系统，最终排泄至六冲河支流皮家河。

2 岩溶和浅埋隧洞段对工程的影响

大堰塘隧洞区岩溶形态发育比较齐全，地表发育有落水洞、岩溶洼地、岩溶槽谷，施工揭露有较大规模溶洞，浅埋隧洞段发生有冒顶现象。根据地表调查及开挖揭露显示，隧洞1.3 km2范围内地表发育有17个岩溶洼地，洞内揭露有16处溶洞，其中发育较大规模型的溶洞就有3处，冒顶3处，这些岩溶问题给工程施工带来了极大的危害。

2.1 落水洞和岩溶洼地

该隧洞地表发育最多的岩溶现象主要是岩溶洼地、落水洞，分布在隧洞两侧地表岩溶洼地和岩溶槽谷内，前者一般直径1.0～2.0 m，深度5～10 m；后者规模较大，洞口一般大于2.0 m，多数在5.0～8.0 m，深一般大于10 m。

落水洞和岩溶洼地主要对隧洞的影响是洞内揭露的溶洞、泥槽、溶蚀宽缝较发育，节理裂隙发育密集导致围岩破碎，需短进尺支护对施工进度较为缓慢，同时洞室稳定性差和安全问题。

2.2 较大规模溶洞

该隧洞从2017年7月开始开挖至2021年1月为止，揭露溶洞多达16处溶洞，其中发育较大规模型的溶洞就有3处，分别在桩号隧0+479～0+487、0+585～0+595、0+999～1+013。如桩号0+585～0+595溶洞呈倒八字形向隧洞底部延伸，沿洞轴线方向延伸10 m、隧洞顶拱以上大于9.0 m、底部可见深度大于20.0 m、向洞身左侧延伸约15 m、向洞身右侧延伸约30 m，为半充填型溶洞，粘土夹块石充填，受施工干扰后，充填物随时可能掉落，且溶洞壁上切割裂隙较发育，与水平岩层切割后形成了倒悬体，对施工和作业人员造成困难和安全问题。

2.3 浅埋隧洞段

该隧洞浅埋段有407 m，埋深小于20 m，约占整条隧洞比例的33.7%，且隧洞大多处于茅草铺组二段与茅草铺组一段附近，覆盖层一般在2～3 m，其部位岩溶发育强烈，隧洞极易冒顶，处理起来一般比较棘手，也对当地村民造成不少影响。

总之，以上简述的几种情况只是工程中经常遇见或常见的工程地质问题之一，我们根据前期勘察、现场调查以及路线选择上应尽量避让这些工程地质问题，以免在施工期带来不必要的麻烦和增加工程投资。

3 岩溶发育特征

研究区岩体节理裂隙发育密集，岩体中各类结构面，尤其是垂向延伸的溶蚀裂隙和张性裂隙是岩溶发育的有利场所，为地表水流的下渗及裂隙水的赋存、运移、岩体溶蚀作用创造了有利条件，特别是浅埋隧洞段沿层面方向水平溶洞发育强烈，且发育岩溶大多具有洞壁完整，规模较大和冒顶现象等特征。所以地质构造本身与区内岩溶发育程度和岩溶作用强度存在空间上的联系，地质构造与区内岩溶发育起到一定的影响和控制作用；岩性是岩溶发育的基本影响条件之一，大堰塘隧洞穿越地层为三叠系茅草铺组一段(T1m1)中至厚层灰色灰岩，为贵州省黔西北地区主要岩溶发育地层，如CBZK644钻孔从26 m直接掉钻至31 m，掉钻高度达5 m，溶洞揭露底部高程为1 245 m，新开田暗河系统进口高程1 218 m，出口高程1 022 m，由此说明岩溶发育具有多层水平溶洞特点；此外，地形地貌对岩溶的发育有重要影响，主要是通过大气降雨垂直渗入补给地下水控制汇水条件和径流状态来控制岩溶的发育,地形地貌不仅控制岩溶形态组合，而且控制其发育规模，客观的反应了岩溶发生、发展的历史阶段。因此，岩溶发育主要受水文地质条件、地形地貌征、岩性以及地质构造等因素影响和控制。

4 处理措施

溶洞规模及充填物质多样性导致溶洞处理形式多样化，常见的处理方式有灌浆加固充填物、地下拱桥、管桥通过、换填充填物等。针对工程中遇到各类溶洞应充分调查分析其特点如是否过水，充填物质，发育空间、规模、对建筑物影响等，并结合工程的用途选择合理经济的处理方式。

通对大堰塘隧洞地表岩溶调查及揭露溶洞发育的空间、规模情况分析看，溶洞类型分别为半充填型溶洞、全充填型溶洞、无充填型溶洞，经研究对溶洞处理方式如下：有充填物的先清除充填物，隧洞底板以下采用块石(直径60～80 cm)回填约2.0 m深度后，用石渣回填至隧洞底板高程处(需碾压平整)，溶洞段顶拱范围内采用挂网+喷C20混领土(厚60 mm)进行处理，加大原来钢筋直径，改变伸缩缝位置；对隧洞冒顶、突泥、泥槽采取处理方案如下：先对隧洞内清渣，查看隧洞底板情况，视情况决定是否进行基础处理；然后采用14号工字钢间距30 cm支撑，并排拱，钢支撑连接筋间距采用0.5 m，掌子面前方采用超前锚杆Ф25钢筋长度为4.5 m+喷10 cm混凝土进行支护；对顶拱以上塌空区回填砼厚度2.0 m，并预埋排水孔；对有地表塌空区采取周围修建排水沟，300 mm×200 mm，用M7.5砂浆抹面，周边架设安全防护网和警示标志。