铁路岩溶工程地质勘察技术：深岩溶发育深度的问题

2．4．3　深岩溶

目前对岩溶发育深度这一问题的认识，由于探测技术手段的局限性而处于感性认识阶段。对于“深岩溶”，目前尚未有确切的界定。宜万铁路出现的“深岩溶”，暂作如下分类：区域深岩溶、局部深岩溶、层间深岩溶、构造深岩溶、独立单管式深埋岩溶（深埋管道流）、深埋古岩溶。

一、区域深岩溶

发育于区域地下水位以下的岩溶，即浅层岩溶带（垂直渗流带＋水平循环带）以下的深部循环带发育的岩溶（属传统定义的深岩溶），称之为区域深岩溶。

在当地排泄基面以下的深岩溶，其岩溶水不受当地排泄基面制约，一般为静态水，岩溶亦不发育；只有当它向更远的排泄基面排泄运移时，由于存在水的循环活动而岩溶相应发育。由于该带深部岩溶水的活动微弱（往深部更趋微弱），所以相应岩溶发育的深岩溶亦微弱。

二、局部深岩溶

考虑到铁路隧道设计、施工的需要，将局部特殊水文地质条件环境下发育的特别深厚的岩溶发育带（垂直渗流＋水平循环带）、厚度大于200m的深岩溶，称之为局部深岩溶。

三、层间深岩溶

在背斜山地台原补给→两翼分流→遇阻水层阻隔汇聚或层间富水层“吸纳”汇聚→纵向径流→不受当地排泄基面制约向更远的排泄基面排泄的条件下，于聚水层间发育的较深的岩溶，称为层间深岩溶。如大支坪隧道工程区进口端有三个相对独立的水文地质单元：水洞坪封闭洼地单元、水谷坝槽谷单元、向家坪洼地单元，发育不同类型的层间深岩溶（图2－16）。

图2－16　大支坪地区水文地质平面缩图

1．地表河流；2．推测暗河及流向；3．分水岭；4．岩溶洼地

（1）水洞坪封闭洼地单元。为支井河岸坡近旁的大型岩溶封闭洼地（汇水面积6km²），降雨汇水集中注入，快速顺岩层走向排泄，水营力剧烈，随着支井河的不断下切，垂向岩溶化快速发育，致岩溶发育深度较大，岩溶发育深度达200m（图2－17）。

图2－17　水洞坪封闭洼地单元岩溶发育剖面示意图

（2）水谷坝槽谷单元。水谷坝槽谷为顺陡倾岩层发育的纵向谷，纵向谷汇水面积较大，汇聚渗漏，地表槽谷溪沟成干谷，渗漏水于谷底岩层层间汇聚，纵向径流，向更远的排泄基面排泄，远处排泄基面不断下切，水流相应适应性下切，促成局部层间深岩溶的发育，隧道处岩溶发育深度达260m（图2－18）。

（3）向家坪洼地单元。栖霞组（P₁q）、茅口组（P₁m）灰岩夹于志留系（S）碎屑岩与吴家坪组（P₂w）页岩等阻水层之间，志留系碎屑岩组成山地分水岭，栖霞、茅口组灰岩位于分水岭坡脚，组成低地，构成纵向串珠状封闭洼地负地形。志留系山地降雨形成的径流、地下水皆汇聚于该灰岩层，连同自身地表的入渗水，受吴家坪组阻水层阻隔而汇聚，循纵向径流，向更远的排泄基面排泄，由于地壳不断上升，水流不断下切，岩溶发育有利于向深部扩展，隧道处岩溶发育深度达300m（图2－19）。

图2－18　水谷坝槽谷单元岩溶发育剖面示意图

图2－19　向家坪洼地单元岩溶发育剖面示意图

相应隧道标高处发育的岩溶区段为：DK130＋500～DK132＋100（水洞坪单元区）、DK132 ＋100～DK133＋700（水谷坝单元区）、DK133＋700～DK134＋400（向家坪单元区）；岩溶发育形态如图2－20所示；溶腔充填物主要为软黏土夹砂、砂夹卵石（图2－21）。

图2－20　大支坪隧道溶腔平面形态图

DK132＋990溶腔，在I线发育范围为DK132＋940～DK133＋035，长95m；在II线发育范围为IIDK132＋912～IIDK133＋020，长约108m。迂回导坑揭示裂隙溶腔，分别为PDK132 ＋940、PDK133＋000左边墙。

图2－21　大支坪隧道溶腔充填物

四、构造深岩溶

构造深岩溶，为受构造控制而发育的深岩溶。在地质构造强烈地带，如断裂带、紧密背斜褶皱核部等部位，由于岩体受构造强烈挤压，被破裂结构面强烈切割而遭破坏，有利于岩溶水的循环活动，提供了岩溶水的活动空间，其水营力强度、溶蚀作用强度都较一般地区大，为岩溶发育向深部扩展创造了有利条件。构造深岩溶的特点：一般不局限于特定的地层层位，只要存在构造破碎带都有可能发育较深的岩溶。同等条件下，构造带发育的强度、深度比其他一般地区大。岩溶、深岩溶的发育方向受构造带的走向控制，沿构造带走向延展。

断裂带深岩溶，因断裂带岩体破碎，往往成为岩溶地下水局部集中、强烈交替循环、导水渗流等的场所，相应伴随发育深岩溶。如别岩槽隧道工程区茨竹垭断层，为一区域性正断层，断于巴东组（T₂b）碎屑岩与嘉陵江组（T₁j）灰岩之间。据J_Z－别3深钻孔揭露：孔深80．88～89．63m、95．55～98．77m、270．87～274．22m发育充填型溶洞。孔深309m以下还可见溶孔。地下水位埋深235．5m。

背斜核部的深岩溶，处于紧密褶皱背斜核部，因岩体遭受强烈挤压，多序次的应力作用下形成的破裂结构面叠加，使岩体破坏，有利于岩溶发育向深部扩展。如齐岳山隧道进口开挖至背斜核部出现多处岩溶涌水。

齐岳山隧道进口背斜核部DK363＋090（埋深约600m），2005年11月8日突遇沿地层走向发育的（宽2．3m）溶隙腔体，瞬时涌水18 000m³/h，大规模涌水持续1h；2006年7月5日暴雨（降雨量120mm），溶腔体内水将初期支护压裂，于7时突水13 000m³/h、8时30分突水30 000m³/h、12时突水12 000m³/h。

超前探测到DK363＋629（埋深约600m）存在沿走向发育的充水溶腔，宽约8m，高约21m，半充填泥沙。因进口为反坡施工，为安全起见不敢贸然揭开，2006年9月1日～8日进行了历时110h的放水试验，涌水量从3 000m³/h降至2 500m³/h，对应水压从0．43MPa降至0．18MPa。

可见齐岳山背斜核部发育深厚的垂直渗流带，地下水位埋深大（估计该处地下水位标高为1 123～1 143m），且得到纵向（构造线方向）的汇水的补给，就近向横向排泄基面（大鱼泉、小鱼泉标高1 112～1 115m）排泄（参照图2－4、图2－5）。

五、独立单管式深埋岩溶（深埋管道流）

对具独立的补给源、独立的单管式管道流，向更远的排泄基面排泄的流程中处于深埋的位置，称之为独立单管式深埋岩溶（深埋管道流）。

独立的单管式管道流（或暗河）是在特殊的水文地质环境下形成的，即接受独立的高位（高标高）补给源的补给，并局部汇聚浅部岩溶发育带的岩溶水形成管道流，穿越浅层岩溶带后，沿倾斜岩层层面（或其他弱面）向较深部径流的管道流（岩溶溶道）。

（一）形成的特殊条件

（1）具独立的高位补给源，一般为具相当汇水面积的大型岩溶封闭洼地等，汇聚降雨入渗水成管道流；具相当汇水面积的沟谷水流直接注入地下补给管道流；这些高位补给源可产生相当的流量，具从发源地向深部径流的一定势能（可转换成动能），从而具相当的营力。

（2）形成的管道流不受就近的排泄基面控制，一般受阻力较小的结构面（层面、破裂结构面等）导向，向更远的排泄基面排泄，以致形成独立的单管式管道流。

（二）单管式管道流的特征

（1）管道流初期流经浅部岩溶发育带时，可得到该带的岩溶水继续补给。当管道流深入下部岩体时，因周边介质裂隙有限，沿途一般得不到补给，成为单纯的单管式管道流，但管道流沿弱面较易拓展，并存在差异，故其横断面变化较大（可时大时小）。

（2）随着排泄基面的不断下切，管道流为适应流场的变化亦不断下切，垂向留下管道流不断向深发展的历史空间痕迹（被弃置的管道），使管道形态、组合复杂化。

（3）管道流流量主要受补给源汇水面积渗漏程度和降雨强度控制，流量动态变化较大。雨季、特别是暴雨期间流量较大，大量来水可使整个管道充满并蓄积相当高度，形成有压管道水流。

（三）典型实例

（1）白云山隧道工程区的望州坪—耗子洞暗河。暗河发育于寒武系覃家庙组、三游洞组碳酸盐岩。暗河补给区为望州坪岩溶封闭洼地，汇水面积9．12km²。汇水面积内承接降雨，其入渗水和部分地表水汇聚于望州坪洼地最低处注入暗河，暗河进口地面标高573．2m。暗河成独立管道沿构造倾伏方向即顺岩层倾向（300°～330°）向车溪河排泄基面径流、排泄，于车溪河耗子洞泄出，泄出口标高312．87m，暗河总长2．92km，暗河流量0．1～7．7m³/s；暗河与隧道立交（暗河在下、隧道在上），暗河在隧道处的埋深230m（图2－22、图2－23）。

（2）八字岭隧道工程区的响水坪—牛鼻子洞暗河。工程区为山地（向斜核部为山地正地形）向斜构造，并向南倾伏，其东、南、西三面被河溪深切，只北部与山体相连。向斜核部由嘉陵江组灰岩组成，汇聚地下水，北部山体地表径流注入地下的管道流亦汇聚于向斜核部，它们循向斜倾伏方向（地层倾向）径流，示踪试验表明张三坡入口（汇水面积3．0km²）、响水坪入口（汇水面积5．3km²）两处地表径流注入地下汇流后，同在牛鼻子洞暗河出口排出，共同组成响水坪张三坡—牛鼻子洞暗河。暗河在隧道交汇处埋深420m（图2－24、图2－7）。

（3）马鹿箐隧道出口工程区的大坪暗河。工程区处在金子山向斜东翼，构成单斜山。隧道出口分布一层厚70m的泥灰岩，因倾角平缓起到很好的阻水作用，小马滩河、鸟腊河上游的产流即是该阻水层阻隔的结果，河流切穿阻水层进入下部灰岩地段由明流转入伏流，伏流→凉风洞→龙潭竖井→蝌蚂口暗河出口（就近的排泄基面），构成浅部（上部）暗河系统。隧道工程区的单斜山山顶为台原，出露地层为嘉陵江组灰岩，其中大坪等多个溶蚀封闭洼地组成串联式汇水漏斗，总汇水面积7．87km2，成为高位补给区，降雨入渗汇聚于管道流，其流向为：大坪洼地补给区→沿岩层倾向层面径流→经过隧道上方1 050～1 080m标高处（该处与管道流下端被弃置的“盲肠腔体”相连）→狮子口→小溪主暗河，构成下部成单管式、独立的管道流系统。经示踪试验、涌水和淤积物14C测年、氢氧稳定同位素测试等结果皆表明，上述两个管道流无水力联系（各自独立），在凉风洞附近，小马滩—蝌蚂口管道流跨越其下的大坪—狮子口管道流。隧道遭遇大坪暗河处埋深350m（图2－25、图2－26）。(www.xing528.com)

图2－22　白云山隧道区水文地质略图

1．河流；2．岩溶洼地；3．暗河及进出口；4．分水岭；5．铁路

图2－23　望州坪—耗子洞暗河剖面示意图

图2－24　响水坪—牛鼻子洞暗河剖面示意图

图2－25　马鹿箐隧道区水文地质略图

1．地表河流；2．岩溶洼地；3．暗河；4．分水岭；5．降水汇流方向；6．暗河天窗；7．铁路线

①大坪暗河；②小马滩暗河；③鸟腊河暗河

图2－26　马鹿箐隧道上、下部暗河关系剖面示意图

六、P₁m地层中深埋的古岩溶

地质历史进程中，构造运动产生地壳隆起成陆，地层出现沉积间断，岩体经风化、剥蚀和岩溶化，其岩溶化过程中形成的岩溶，被再次海侵的沉积层封盖而被保存。此种被封存保留的岩溶称之为古岩溶。

（一）P₁m地层中古岩溶的存在

早二叠世末的东吴运动形成的沉积间断（即P₁m和P₂w的假整合）使P₁m（茅口组）抬升成陆，并经受剥蚀、溶蚀和岩溶化。P₁m地层中地质历史形成的岩溶（古岩溶）在扬子江准地台、华南褶皱带、四川盆地等华南地区普遍存在，应是区域性的沉积间断和区域性的地质现象。宜万铁路工程区位在该区域范围内，它的存在亦不例外。

（二）古岩溶的一般特征

（1）P₁m地层中的古岩溶是当时古陆岩溶化的结果。岩溶化程度受各地的古地貌、古气象、古水动力条件和碳酸盐岩的类型等控制。古岩溶层展布与沉积间断、古剥蚀—侵蚀—溶蚀面密不可分，总体沿P₁m顶部界面分布并形成不同厚度的岩溶发育带（古岩溶层）。

（2）该古岩溶发育层被后期地壳下降并被海侵沉积的P₂w煤系地层所覆盖（其岩溶同时被盖层沉积物充填），整个古岩溶被封盖保存。后期地壳运动（印支运动）使各沉积层、连同P₁m古岩溶层形成褶皱，其结果使该层除显露地表、浅部外，还可埋藏很深。

（3）P₁m的古岩溶层可位于现代侵蚀基准面以下更深处。如广西合山地区，地下700m深处P₁m发育的古岩溶，位于向斜轴附近，是近代承压地下水的循环通道，洞穴大部是空腔或被黏砂土、砂黏土充填，沉积物未胶结，具明显的微层理、交错层理，是地质时代和近代层间承压水不断作用形成的深部岩溶。宜万线野三关隧道出口遇到的P₁m的古岩溶低于排泄基准面约300m；它们不能用排泄基准面理论加以解释。

（4）P₁m的古岩溶层露出地表（和浅部）的部分，历经后期（印支、喜山和近代地文期）的岩溶化。它的存在可加速和促使其岩溶化的再发展。原已存在古岩溶层的浅部岩溶发育带是古岩溶和后来多期岩溶化的叠加，故显得较其他地区更强烈。

（5）P₁m的古岩溶是早已存在的岩溶化层，后期的岩溶化进程使浅部强化，并与深部古岩溶层沟通，形成浅部岩溶水对深部岩溶腔隙的补给，并予储存，形成地下水的静储量，或使原腔管中的充填物饱和和软化。

（6）浅部多期岩溶化的强化层与深部古岩溶层相连成一体，构成古岩溶储水层。

（三）P₁m古岩溶的组合形式

宜万铁路P₁m的上下层位的地层有S（碎屑岩阻水层）、P₁q及P₁m（碳酸盐岩）、P₂w（炭质页岩等阻水层）、P₂c（碳酸盐岩）、T¹₁d（页岩、泥灰岩阻水层）、T²₁d—T₁j（碳酸盐岩），它们同时褶皱并构成多层间互式向斜或背斜岩溶水文地质结构，形成独特的岩溶水文地质条件。

1．P₁m古岩溶层与向斜构造组合

1）核部为负地形的向斜构造。志留系碎屑岩为底盘组成山地台原周边的分水岭，P₁q—T₁j组成山地台原的封闭洼地负地形，其间存在P₂w、T₁d（大冶组下部泥灰岩）阻水层，构成多层承压含水层相间的向斜储水盆地。隧道遇此种地质结构越岭时，多穿越向斜核部较深的部位，岩层受拉张，张裂隙发育。裂隙和古岩溶洞隙叠加，有利于充水及承压水含水层自流活动，并在古岩溶含水层内形成循环体系，加深岩溶化程度。隧道遇此情况，则可遭受有压水的威胁，并产生充填物和水的射涌、突涌，形成灾害，危及施工安全。宜万铁路未见此种类型，渝怀线园梁山向斜属此类型。

2）核部为正地形的山地向斜构造（如八字岭隧道）。向斜核部组成分水岭，其NW翼与高级夷平面山地相连成斜坡，向斜山地被泗渡河横向深切，为工程区的相对排泄基面。其岩溶水补给区为向斜自身山地和NW翼斜坡及与其相连的更高一级夷平面山地。汇集区为向斜核部，排泄区为泗渡河。向斜翼部，特别是NW翼山地补给的岩溶水被山地斜坡出露的P₁m古岩溶层承接、横截，并补给深部古岩溶层，使该古岩溶充水层深涉向斜核部（图2－27）。隧道穿越此古岩溶充水层时将可能形成突水。

图2－27　八字岭地区工程地质纵断面示意图

1．古岩溶发育区；2．古岩溶与现代岩溶叠加部位

2．P₁m古岩溶层与背斜核部组成山地

①大支坪隧道。山体为狭长地块组成的背斜山地，走向与构造线一致，走向山体地势NNE高，SSW渐低。地块东侧支井河深切，西侧和南侧野三河深切。背斜山地分水岭补给的地表水和地下岩溶水汇集于翼部陡倾角层间，被阻水层（P₂w）阻隔而富集并储存于其界面附近的P₁m古岩溶层的岩溶空隙、空洞中，成为岩溶水储水层，充水层岩溶水沿走向NNE→SSW运移，向横向切割的野三河排泄（图2－28）。

②野三关隧道。野三关隧道位于缓倾复式背斜的转折端。背斜核部为山区，倾伏转折部位为斜坡区。山区地表水和地下水从北往南排泄，出露在斜坡处的P₁m古岩溶层承接上述补给来水，使古岩溶层浅部和深部的空隙得到补给而充水，成为层间储水层，并与浅部岩溶发育带含水层沟通。野三关隧道深部揭露P₁m古岩溶层时，初泄古岩溶层中的静储量，继而导入浅部岩溶水。如DK125＋741～＋810为古岩溶含水层，隧道揭露时初期涌水8 000～10 000m³/d，继而导入浅部岩溶水，使3^＃暗河水量明显较少（图2－29、图2－30、图2－31）。

图2－28　大支坪背斜岩溶发育示意图

1．古岩溶发育区；2．古岩溶与现代岩溶叠加部位

图2－29　野三关隧道区平面地质缩图

图2－30　野三关隧道倾伏背斜轴向剖面示意图

1．古岩溶与现代岩溶叠加部位；2．深部古岩溶；3．浅部岩溶底线

图2－31　野三关隧道纵断面示意图

1．古岩溶与现代岩溶叠加部位；2．深部古岩溶