峨汉高速庙子坪隧道岩溶发育特征及工程效应分析

2022-03-10李华明张永辉胡志平李芳涛蔡乐军

中国地质灾害与防治学报 2022年1期

关键词：拱顶溶洞岩溶

李华明，张永辉，胡志平，李芳涛，蔡乐军

（1. 四川乐汉高速公路有限责任公司，四川峨眉山 614000；2. 长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061）

0 引言

我国是一个多岩溶发育的国家，西南地区岩溶更为发育。随着国家西部大开发战略的不断推进，在西南地区岩溶地带修建隧道越来越多，复杂多变的岩溶给隧道施工建设带来极大困难，如涌水突泥、岩溶塌陷等灾害给工程建设造成造成重大经济损失[1]。

研究人员已对岩溶发育特征、工程效应等开展了一定的研究工作[2−11]，但对单个工程岩溶发育特征的研究较少，现场实测研究岩溶对工程的影响则更为少见。

文章以峨汉高速庙子坪隧道为研究对象，通过地质调查和示踪试验，厘清隧址区岩溶发育特征，分析岩溶发育控制因素，并通过现场监测探究岩溶发育对工程的影响，以期为峨汉高速沿线隧道及类似工程提供参考。

1 隧址区地质环境概况

1.1 工程概况

峨眉至汉源高速公路项目起于峨眉山市，至雅安市汉源县，线路全长123 km，桥隧比达80%以上，是连接成都经济区和大小凉山地区的重要经济走廊。庙子坪隧道位于峨眉山市沙溪乡与龙池镇之间，设计为双洞单向分离式隧道，隧道右线全长3 123 m，左线全长为3 150 m，最大埋深348.3 m，路面标高776.67～843.49 m[12]。

1.2 地形地貌

隧址区属构造剥蚀中低山地貌，山地海拔低于1 000 m。风化壳经强烈风化崩塌，表层崩坡积土层较薄。这些母质土在强烈流水剥蚀下形成褶皱轴部的较厚堆积，山脊多形成猪背岭。在地层平缓的向斜轴部附近则呈穹窿状或馒头状桌状山顶。拟建隧道所穿越的山体最高点海拔标高约1 121.6 m，相对低点标高约766.9 m，相对高差约354.7 m。

1.3 岩层特性

根据地质勘探成果，隧址区内主要地层为第四系全新统崩坡积层（Q4c+dl）碎石土、块石土，三叠系上统须家河组（T3xj）砂岩、砂质页岩，三叠系中统雷口坡组（T2l）膏溶角砾岩、白云岩、硬石膏、泥质白云岩、灰岩、泥灰岩、白云质灰岩等。其中，三叠系中统雷口坡组碳酸岩地层发育最广，贯穿隧道全线，厚度较厚，如图1所示，较厚的碳酸盐岩层为岩溶发育提供了基础条件。

图1 庙子坪隧道纵剖面图Fig.1 Longitudinal section of Miaoziping tunnel

1.4 地质构造

工程区位于扬子准地台西缘，属上扬子台褶带的峨眉山断拱与四川台坳的川西台陷两个三级构造单元的交接部位，次级构造属峨眉山断拱的峨边穹断束。区域构造主要成生于喜山期，新构造运动特征明显，且具断块运动的特征；区内褶皱、断层发育，以南北向构造为主，北东向、北西向和东西向构造次之。新构造运动反映强烈，小地震活动较频繁。隧址区无断层、褶皱构造直接通过，距离隧址区最近的构造为龙池湖断层，位于隧道出口端西南约1 500～1 800 m，走向东西向，延伸长度约5 km。

1.5 水文地质特征

（1）地表水：工程区内的地表水系主要为徐沟、龙池河的支流及地表冲沟，支流、冲沟水系多呈树枝状分布，主要补给源为大气降水，受大气降水的控制和影响；在建的庙子坪隧道穿越龙池河及徐沟两个次级水文地质单元，两个次级水文地质单元同属大渡河二级水文地质单元，庙子坪隧道穿越的山岭为两个次级水文单元的分水岭。

（2）地下水：隧址区地下水类型主要有松散堆积层孔隙水、基岩裂隙管道水、碳酸岩类岩溶水，分别赋存于第四系全新统崩坡积层松散孔隙含水层、三叠系须家河组裂隙含水岩组以及三叠系雷口坡组岩溶含水岩组中。

2 岩溶发育特征

庙子坪隧道穿越围岩均为可溶岩，独特地形、丰富降水及附近构造发育导致区内岩溶发育强烈，地表岩溶主要表现为岩溶干沟、落水洞、土洞、溶隙、溶缝等。地下岩溶以溶洞、溶蚀通道、岩溶裂隙为主。

2.1 岩溶干沟

测区内岩溶干沟数量较多，主要分布于隧道进口与出口，其宽度多为2～8 m，深1～2.5 m，干沟底部被碎石块覆盖或局部为裸露基岩，干沟两侧已被植被覆盖或局部为阶梯状砾石，冲蚀-溶蚀痕迹显著（图2）。岩溶干沟具有汇聚和排泄地表径流的作用，平时干涸无水，但在雨季时沟内水量大且流速急。

图2 岩溶干沟及侧壁图Fig.2 Karst dry gully and side wall

2.2 落水洞

落水洞主要分布于隧道进出口处的冲沟底部，多数冲沟距离隧道左洞轴线距离小于180 m，沟内充满碎块砾石并常年有水流淌。沟内底部落水洞较为发育，数量较多，仅出口一条冲沟内的落水洞多达30余个，主要以小型落水洞竖向发育为主，落水洞洞口大多呈圆形、椭圆形，洞口直径一般介于0.2～1.5 m，深度自数米至几百米不等，并常年有水流入，如图3（a）。

图3 落水洞与土洞Fig.3 Water hole and soil hole

2.3 土洞

土洞分布较为集中，主要分布于隧道出口处黏性土层中，数量较多并且集中，以小型土洞为主，洞口大多呈圆形、椭圆形，土洞口径直径约为0.1～0.7 m，深0.3～1.5 m，土洞底部大多堆积碎石土，如图3(b)。

2.4 溶孔、溶隙和溶缝

隧址区地表溶孔在隧道进出口干沟、冲沟两侧裸露的岩壁上分布较为广泛。地表裸露的碳酸盐岩在风化和龙池湖断层作用下，节理裂隙发育，整体呈破碎状结构，质地疏松，溶孔多呈“蜂窝状”，如图4（a）。溶隙、溶缝发育受岩性、岩溶水、断层等影响，其深度为3～12 cm，宽度多介于1～8 cm，延展长度0.3～5 m，在发育方向上多呈竖向发育，局部受岩层倾向控制而呈现顺层发育。岩体裂隙表面潮湿且内部有细小水流沿缝隙流动，内部无填充，可见苔藓贴附于表面，如图4（b）。

图4 溶孔与溶隙Fig.4 Solution pore and solution gap

2.5 溶洞

按埋藏方式可分为裸露型溶洞与埋藏型溶洞。裸露溶洞在进、出口端的干沟两侧岩壁和洞身K21+200～K21+700段裸露碳酸岩上发育较多，主要以小溶洞为主，直径（长度）多为0.1～0.5 m，形状呈长条形、圆形、椭圆等，见图5（a）。埋藏型溶洞主要发育于隧道进口高程为766～810 m和出口端高程830～850 m范围内，岩溶发育表现出强烈的集中性与不均匀性。溶洞以体积小于10 m3为主，如图5（b）所示，局部有较大溶洞。溶洞发育方向以沿岩层面顺层的溶洞为主，个别以沿竖向裂隙发育。

图5 裸露型溶洞与埋藏型溶洞Fig.5 Bare and buried karst caves

据揭露统计，溶洞在灰岩地层发育数量最多，白云质岩、白云质灰岩、泥灰岩发育次之、泥质白云岩、膏溶角砾岩地层发育数量最少，地层岩性对岩溶发育具有显著控制作用。从发育部位来看，溶洞在隧道拱脚及底板处发育为主，边墙及拱腰发育次之，拱顶发育最少。从填充情况来看，以泥质、粉质黏土半充填型溶洞为主，碎石和块石填充次之，无充填型溶洞最少。

2.6 溶蚀通道

隧址区溶蚀通道发育较弱，仅在左洞的进口灰岩地层与出口白云岩地层分别揭示一条溶蚀通道，这表现出隧道岩溶发育的选择性和不均匀性。根据现场揭示情况来看，两条溶蚀通道均位于隧道左洞拱脚部位，通道发育方向沿可溶岩层面发育为主，延展方向与岩层倾向相一致。通道断面均呈现管隙状、裂隙状等不规则形态，断面宽度介于1～7 m，长度不详，底部有较多粒径不等的不同形状鹅卵石。溶蚀通道常年有水流出，雨季时涌水量剧增，通过示踪试验（颜料标记试验）发现，进出口溶蚀通道的水流均与地表冲沟内落水洞的水流相通，表明隧址区地表岩溶与地下岩溶具有连通性，因此隧道溶蚀通道在雨季时涌水量剧增。

3 岩溶发育特征原因分析

3.1 地层岩性条件

岩石中可溶物质含量是控制岩溶发育规模和强度的主导因素。从研究区岩溶发育的情况来看，岩溶主要集中在隧道进口与出口处，溶洞多发育于灰岩、白云质岩、白云质灰岩、泥灰岩地层，泥质白云岩、膏溶角砾岩地层则相对较少。

3.2 区域地质构造条件

隧址区无断层和褶皱直接通过，但在隧道出口附近有龙池湖断层，导致出口端节理裂隙密集，岩体破碎，为地表水或地下水提供良好的通道，并增加水与可溶岩的接触面，因此在出口端地表和地下岩溶都异常发育，甚至出现大型的溶蚀通道。溶蚀通道发育延展方向与岩层倾向相一致（图6），岩溶的发育方向受岩层产状控制显著。

图6 进口溶蚀通道地质横剖面图Fig.6 Geological cross section diagram of entrance dissolution channel

3.3 地形地貌条件

地形地貌控制着地下水的重力势能、补给、径流和排泄，是控制岩溶发育的另一重要因素[1]。在隧道进出口段地形陡峭，沟谷集中，地表水通过沟谷内分布的落水洞、裂缝及附近的土洞补给地下水，使得隧道进口、出口段地下水丰富。雨季时具有短时流量大、流速急等特点，导致隧道进口与出口段岩溶发育，甚至出现少量大型溶蚀通道。此外，隧址区受徐沟及龙池河区域侵蚀基准面影响，地下水于隧道进口区段及出口区段集中排泄，加之进出口地形陡峭，地下水水力坡度大，流速急，机械侵蚀能力较强，进一步导致进出口段岩溶发育及出现规模较大的溶蚀通道。如图7所示。

图7 庙子坪隧道进口段工程地质平面图Fig.7 Engineering geological plan of Miaoziping tunnel import section

3.4 水文地质条件

水是岩溶发育的一个基础条件，水的径流大小和运动方向分别控制着岩溶的发育强烈和发育方向。隧址区降雨丰沛，多年平均年降水量达1 335.5 mm，降雨渗入地表后主要以垂直运动补给地下水，因此在地表浅层岩溶以竖向发育为主，如隧道进出口的呈竖向发育的落水洞、土洞等。随后地下水再沿着岩层的产状方向集中排泄于徐沟和龙池河，因此在隧道进出端岩溶发育方向大多与岩层产状一致，并且岩溶较洞身发育。岩溶水在运移过程中，运移方式大致经历了“大气降水-基岩孔隙水-裂隙脉状水-岩溶管道水”等演化历程，是岩溶水逐渐由分散渗流状态过渡到集中汇流状态的过程[1]。

3.5 气候条件

隧址区属中亚热带湿润季风气候类型，具有冬暖夏热、热量充足、降水丰沛，如该区域年雨日雾日多达300天左右，素有“华西雨屏”之称[13]。充足的雨水补给为岩溶发育提供了有利条件。

4 岩溶发育的工程效应

4.1 岩溶对围岩变形的影响

隧址区揭示半露溶洞较多，并且以小于10 m3溶洞溶腔为主。为了便于分析，本文采用文献[14]的划分标准，将岩溶划分为四种类型：小型溶洞（小于10m3）、中型溶洞（10～100 m3）、大型溶洞（100～1 000 m3）和特大型溶洞（大于1 000 m3）。以上述分类为依据分析岩溶规模及发育部位对隧道稳定性的影响。

4.1.1 溶洞规模的影响

庙子坪隧道左线出口ZK23+532—K24+090段，该段围岩均为Ⅳ级。针对所揭露的小型、中型、大型溶洞断面的监测数据进行分析，其中ZK23+850断面无溶洞，ZK23+745断面处有小型溶洞，ZK23+300断面处有中型溶洞，ZK23+410处有大型溶洞（溶蚀通道）。针对不同规模的围岩拱顶及周边收敛进行监测（图8）。

由图8可知，不同规模溶洞的围岩位移随时间变化曲线呈现以下一些特征：（1）不同规模溶洞的围岩位移随时间变化趋势基本一致，均为先快速增大然后逐渐减小并最后趋于某稳定值；（2）小型溶洞对隧道变形影响较小，大型溶洞对隧道变形影响较大，大型溶洞所在断面的拱顶下沉值与周边收敛值均为无溶洞或小型溶洞的3倍，但均在隧道安全允许值内；（3）溶洞规模对隧道拱顶下沉及周边收敛的影响整体表现为大型溶洞>中型溶洞>小型溶洞>无溶洞的变化规律。

图8 边墙处不同规模溶洞的围岩位移Fig.8 Displacements of surrounding rock of different sizes of karst caves at the side walls

4.1.2 隧道不同部位的溶洞的影响

由图9可知，溶洞位于隧道不同部位的围岩位移随时间变化曲线展现以下一些特点：（1）不同发育部位溶洞所在断面拱顶沉降及周边收敛变化规律一致，变化速率均呈先增后减并最终趋于某稳定值的变化趋势；（2）不同位置溶洞对隧道变形均有一定影响，拱底溶洞对隧道拱顶下沉影响较小，拱顶溶洞对隧道拱顶下沉影响较大，约为无溶洞的3倍；（3）溶洞位于拱顶对隧道周边收敛影响较小，溶洞位于边墙时对周边收敛影响较大，约为无溶洞的2倍；（4）不同位置溶洞所在断面的围岩下沉值及收敛值均未超过隧道安全允许值；（5）不同位置溶洞对隧道拱顶下沉的影响表现为溶洞位于拱顶处>边墙处>拱底处>无溶洞，而对周边收敛的影响规律为溶洞位于边墙处>位于拱底处>位于拱顶处>无溶洞。

图9 溶洞位于不同部位的围岩位移Fig.9 Displacements of surrounding rock at different positions of karst caves

4.2 岩溶涌水

庙子坪隧道揭露的两条溶蚀通道常年有较大水流，据施工及设计单位所提供资料，隧道进口溶蚀通道雨季（6—9月）最大涌水量约6 400～10 000 m3/d，出口溶蚀通道最大涌水量为20 000～50 000 m3/d，特别是7−8月期间测区暴雨频发，受洞内外岩溶连通性的影响，隧道的溶蚀通道涌水量剧增（图10）。较大的涌水量易导致洞内施工人员、机具、电缆等被淹或冲毁而发生安全事故，图11（a）。在非雨季，进口最大涌水量为4 000～5 340 m3/d，出口最大涌水量8 000～15 000 m3/d。由于隧道为正坡，使得出口段洞内长期大量积水，严重影响隧道安全和进度，如图11（b）所示。