宜万铁路岩溶洞穴实例分析

2．5．3　宜万铁路大型岩溶洞穴实例分析

一、白云山隧道溶腔特征

（一）洞穴（溶腔）情况

（1）DK42＋187～＋260洞穴（溶腔）。洞穴沿岩层倾向发育，走向SSE（隧道与其走向大角度相交），隧道纵向（纵断面）揭露的是洞穴的横断面，洞穴横断面宽73m（沿隧道纵向长度）。洞穴（溶腔）为全充填型，隧道揭露的空间全充填，钻孔控制隧道底部充填深度57．5m。充填物为块石土、碎石土、中砂等。从充填物特性分析，应为管道流冲积、洪积、崩塌混合堆积物（图2－32）。

（2）DK42＋630～＋650洞穴（溶腔）。为半充填型。洞穴走向SSE（隧道与其大角度相交），横断面宽（沿隧道纵向长度）20m，空腔（无充填）部分高度：隧底上方28m、隧底以下25～31m（共计53～59m），下部充填部分深度21m。经隧道基底工程勘探证实，充填物全为黏土夹碎石，其中隧底以下23．0～24．0m（标高419．72～418．72m）为粗砂。空洞周边岩体整齐未见岩体崩塌痕迹。从特性分析应属管道流溶蚀、冲（洪）积堆积物（图2－33）。

（二）洞穴（溶腔）成因

（1）DK42＋187～＋260溶腔位于落步淌漏斗（暗河入口）→纸厂湾暗河的上方，与纸厂湾暗河相对应。DK42＋630～＋650溶腔，位于望州坪（耗子洞暗河入口）→耗子洞（暗河出口）暗河径流的上方，说明它们的发育与暗河发育有关，是暗河发育历程中留下的产物。

图2－32　白云山DK42＋187～＋260段溶腔剖面图

图2－33　白云山DK42＋630～＋650段溶腔剖面图

（2）它们的堆积物都具冲积（中砂、粗砂）、洪积、崩塌堆积特性，说明它们与地下管道流（暗河）有内在的成因联系。

（3）上述两洞穴溶腔应是近代纸厂湾暗河、耗子洞暗河被弃置的管道腔体。由于地壳间歇性不断上升，排泄基准面不断深切，管道流（暗河）随之不断下切并不断保留被弃置的腔体及其原有堆积物（部分夹杂崩塌堆积物），即现时隧道遭遇的腔体及其堆积物。由于近代暗河下切及其保留的弃置腔体存在延续性，故弃置的腔体与近代暗河之间存在联系、沟通。

二、鲁竹坝2^＃隧道进口DK204＋611～＋730溶腔特征

（一）特殊地质背景

（1）溶腔发育于T2 ₁j地层的中—厚层灰岩中，为强岩溶发育层。

（2）溶腔发育于鲁竹坝背斜轴部倾伏端的转折处，地层随褶皱变形呈弧形弯曲，是挤压弯曲变形强烈的部位。弧顶张裂隙和层间位移产生的破劈理发育。区域构造节理主要有：EW～N80E（近东西）的横向张裂隙、SN～N40E的纵向张裂隙等。这些裂隙和节理强烈切割岩体，有利于岩溶水的活动及其溶蚀作用（图2－10）。

（3）DK204＋390～DK206＋800（含此大型溶腔地段）处在岩溶地下水向长巴河暗河排泄的陡梯度排泄区及NE向（沿岩层层间裂隙、纵向张裂隙发育）地下水和NEE—EW向（沿横向张裂隙发育）地下水交汇处（图2－10）。

（4）溶腔处在岩溶地下水（溶隙流、管道流）陡坡降的复杂变化处（隧道左侧即上游端的水力梯度为0．037，而隧道右侧即下游端的水力梯度为0．084）。

（二）溶腔形态特征

（1）揭露的大型溶腔沿隧道纵轴涉及里程为DK204＋610～＋735，由两个大腔体和与其联接的“廊道”组成。1^＃溶腔、2^＃溶腔的长轴方向与岩层走向近一致。联接“廊道”轴向近EW向，与区域NEE—EW横向张节理一致（图2－10）。1^＃大腔体（DK204＋610～＋640）沿线路长30m，横宽63m，高25m。2^＃大腔体（DK204＋690～＋721）沿线路长31m，横宽21～25m，高9～11m；联接“廊道”呈扁平状，横宽13m，高3m。溶腔（沿隧道纵轴）纵断面形态如图2－34、图2－35所示。

图2－34　鲁竹坝隧道DK204＋610～＋735段溶腔发育平面示意图

图2－35　鲁竹坝隧道DK204＋600～＋740段溶腔隧道中心纵剖面图

（2）大腔体呈“厅堂”型，联接廊道为扁平管道型。

（3）“厅堂”型腔体可能曾经为多向管道流交汇的场所，形成过程中的水动力、营力条件较复杂。目前地下水位已下降至溶腔体的下部，现已成为“干溶腔”。“干溶腔”的上方发育的垂向溶隙和垂直隙洞，是与浅层、地表联系的管道，也是地表水流补给腔体的通道。溶腔则相当于地表汇水水流集中渗漏的“地下漏斗”。

（三）腔体内堆积物特征

（1）1^＃溶腔

1）腔体顶部和周壁有少量碳酸钙析出物。底部有较厚的堆积层：

上层：表层散布大块石，其下为黏土夹碎石（近下部夹黑色树木、腐植木屑），厚约19m。

下层：为棕褐色黏土，软塑，厚约6～8m。

2）从堆积物结构特征看，仅表层有部分崩坍堆积物，整体基本为入渗水的淤积物。

3）堆积物是在水流溶蚀作用形成溶腔的过程中，地下水位下降致腔体成为过水通道的历程中，不断淤积、堆积形成的。堆积物底为黏土，上部为碎石土，自下而上颗粒逐渐变粗，说明过水水流初期量小，流速小，携带能力小，堆积黏土。随着水流溶蚀的增强，溶腔与地表联系的不断畅通，过水水流量增大，携带能力增大，堆积碎石土，偶夹树木屑等。

4）堆积物上层含黑色树木屑、腐植木屑，说明渗入水流随带物来源于就近地表。

（2）2^＃溶腔。其堆积（淤积）物的特征与1^＃溶腔类似。

（3）联接管道（廊道）段。顶部和侧壁多显露基岩，但有裂隙渗水和渗水地段普遍发育的钙化和石钟乳。底部发育溶蚀析出物、钙化等（未见堆积物），说明该段洞体长期处在不断的保持渗水状态，但不存在往下部渗漏的较大通道。

（四）腔体水文地质特征

由于相对排泄基准面（混水河、长巴河伏流）的下切，地下水位下降，早期形成并保留的干溶腔则成为过水通道。相关地表汇水面积内的降雨渗入的地下水和周边浅层补给的岩溶水汇集于溶腔，通过溶腔下渗并向长巴河伏流（暗河）排泄。

（1）溶腔—过水通道的来水（补给水）。溶腔的过水主要来自于垂直向渗漏水，因地下水水位低于腔底，所以水平向补给极少。目前垂直向的补给主要来自于与溶腔有关的地表汇水面积内的降雨入渗水，汇水面积约0．09km²。

向溶腔的补给量估算如表2－4所示。

表2－4　溶腔水补给量计算表

（2）来水的排泄。地下水水位低于腔底。溶腔承接补给来水并向深部渗漏、排泄。补给来水的渗漏路径为：来水通过溶腔内的松散堆积层与堆积层周边侧壁岩层、底部岩层的岩溶裂隙或溶隙管道网络，汇聚于长巴河暗河。

1）地下水位的估判。溶腔内“Jz—补鲁初3”钻孔揭示水位标高为559．9m，溶腔底部普遍存在一层厚约6～8m的棕褐色黏土为不渗透层，水位位于该不透水层的上部，可能为局部、短期的滞留水水位，地下水位应在溶腔的下部。相对排泄基面（长巴河伏流）的标高为505m，据泄水水流梯度推算，溶腔下部地下水位应为：505＋（0．04×1 100）＝549m（标高）。

2）渗漏条件。地表降雨入渗水至腔体后，通过溶腔松散堆积体底部直接往深部的渗漏为竖向面状渗漏；同时还通过松散堆积体周壁基岩裂隙、溶蚀裂隙往深部渗漏，为侧向渗漏。

3）腔体内可能的积水分析。地表降雨渗入至溶腔，受堆积层渗透性能的制约，补给量大于渗漏量时，能否形成溶腔内积水、积水高度能否超过隧底标高会对营运产生影响。

①隧道线下溶腔空腔体积。据溶腔形态测量资料计算得线下空腔体积：1^＃溶腔1 561m³，2^＃溶腔307m³，合计1 868m³。

②溶腔堆积体的孔隙空间体积如表2－5所示。

表2－5　溶腔堆积物空隙体积计算表

（3）工程要求溶腔体内的允许储水空间（体积）

隧道线下溶腔空间（无充填部分）：1 868m³；

溶腔堆积体内空隙空间：2 466m³；

对该隧道工程而言允许储水空间：1 868＋2 466＝4 334m³（线下储水超过此容积则可能漫过隧底）。

（4）补给水因渗漏不及，滞水充满允许储水空间，存在漫及路肩标高的可能性。

不同降雨强度情况下可能的滞留水量估算如表2－6所示。

表2－6　不同降雨条件下滞留水量计算表

注：黏土层的渗透系数取0．01。

由上述估算得知，只考虑竖向通过溶腔堆积层单一渗漏途经（只垂直向渗漏）时，单日降雨小于50mm，滞水不会超过允许储水空间（容积），不致漫及路肩标高。只有较长时间的连续强降雨，不间断的大量补给溶腔的情况下，才可能出现短期漫及路肩标高的情况；若考虑垂直渗漏途经并同时考虑溶腔侧向渗漏时，则出现积水漫及路肩的可能性较小。

（五）溶腔的成因

溶腔位于背斜核部倾伏端的转折部位及两组强势构造裂隙的交汇部位，处在长巴河暗河排泄基面的左岸近旁、岩溶水径流梯度急剧变化（由缓变陡）的转折处；岩溶水的营力作用强烈，长巴河暗河不断下切，经长期强劲的岩溶水营力的侵蚀、溶蚀作用形成腔体，在形成溶腔的水力活动中不断进行淤积、堆积。

（六）溶腔对隧道的影响

（1）溶腔规模较大，影响隧道跨越方式、结构类型和加固措施等的选择。应据溶腔的形态、基底地层性态、围岩特性和稳定程度、水文地质条件等，综合分析研究确定跨越方式、整治加固措施。

（2）溶腔顶部存在部分危石和不稳定结构体，影响施工安全和运营安全，应清除危岩并施作永久性防护。

（3）鉴于溶腔底部堆积层（特别是底部6～8m厚的黏土层）渗透能力有限，可能形成滞水，若持续强降雨，不排除短期内产生滞水。为消除对隧道造成的最不利影响，隧道施工应充分考虑泄水措施，给水予出路，至少不能减弱现有溶腔的渗漏能力。

（4）溶腔底部堆积层软弱、松散，厚达30m，其基底还可能存在隐伏溶隙管道和空腔体。在溶腔转承过水渗漏的情况下，不排除基底堆积层松散物质沿下部隐伏溶隙管道、空隙漏失或坍落的可能。考虑上述情况，选择堆积层作持力层时应特别慎重，持力层最好首选下部基岩。

三、龙麟宫隧道大型溶腔特征

龙麟宫隧道出口DK232＋335～＋506地段发育特大型溶腔，十分罕见。

（一）地质背景及成因

（1）隧道处在寒武系碳酸盐岩组成的云雾山背斜的东南冀与恩施盆地的交界处，岩性差异（山地斜坡为可溶岩，盆地为非可溶岩）和地貌差异（碳酸盐岩组成山地、斜坡，红砂岩组成低丘盆地）明显。

（2）隧道位于区域性大断裂——建始—恩施大断层的近旁，该断层控制盆地的发育并使寒武系碳酸盐岩岩层强烈挤压破碎。隧道位于寒武系碳酸盐岩中，产状一般为：N30°～50°E/SE ∠30°～50°，但工程区受建始—恩施断层影响，产状变化较大，总体为N40°～70°E/SE∠11°～40°；节理裂隙发育有多组，但主要的两组产状为：N10°～40°E、N40°～60°W。

（3）恩施盆地由红色碎屑岩组成低地，碳酸盐岩组成山地，其山地和盆地的交界处即成为岩溶水的排泄场所，如白果坝暗河（龙鳞宫）出口、众多出露的泉点以及更早的干溶洞皆分布交界处一线。

（4）白果坝暗河为一条大型暗河，其走向主要受构造控制，即沿构造线方向、顺岩层走向和NE向纵向裂隙发育（图2－36）。白果坝暗河（地表为干谷）位于龙麟宫隧道出口左侧约60～100m处；白果坝暗河出口流量为：丰水期200m³/s，枯水期1．0～0．8m³/s，1992年5月14日测时流量15～20m³/s。

（5）龙鳞宫隧道出口右侧的沟谷发育（龙麟宫支干谷和三岔口支干谷），受层间裂隙和NW向裂隙控制。支沟与白果坝暗河大角度相交，交汇梯度陡，长期水流交替活动强烈（图2－36）。

（6）由于地壳间歇性上升，白果坝暗河不断间歇性下切，造成主暗河、支暗河管道发育的多层性。现代主暗河出口标高450m，570m和820m两标高的管道已为干溶洞（图2－36）。

上述水系不断深切形成的多层管道之间多以陡斜管道或垂直管道相连，组成复杂的空间岩溶管道组合结构。龙鳞宫隧道出口端的大型溶腔即是此种主暗河与支暗河多阶段、复杂的联合作用形成的综合管道腔体（图2－36、图2－37）。

（二）溶腔的形态

溶腔长轴与线路平行，沿线路纵长170m，横宽约40～100m，隧道线下深度50～70m，为一特大型岩溶腔体（图2－37、图2－38）。

（三）溶腔体内堆积物

堆积物自上而下为：块石土、碎石土、含砂卵石粉质黏土，总厚30～40m。含砂卵石粉质黏土分布于溶腔底部，具水流冲积特性，其余具洪积、崩塌堆积特征（图2－38）。

图2－36　龙鳞宫隧道区水文地质平面图

1．暗河；2．干溶洞；3．分水岭；4．暗河天窗；5．岩溶干沟；6．铁路线

（四）溶腔水文地质特征

工程区地下水属白果坝暗河体系，隧道左侧的白果坝主暗河走向N40°E，其出口是该区岩溶地下水的相对排泄基面，隧道右侧的支干沟走向为N20°W。该支沟地表水、地下径流皆向白果坝主暗河排泄（图2－36）。

图2－37　龙鳞宫隧道出口段溶腔平面示意图

1．白果坝主暗河的径流梯度

隧道左侧的白果坝暗河的猴儿洞至暗河的龙麟宫出口段走向N40°E，暗河出口标高450m，猴儿洞漏斗地表标高552m，两处相距2 600m。白果坝沟为干沟，白果坝暗河水位在地表以下。猴儿洞漏斗处的暗河水位在地表以下10m、30m、60m的情况下，猴儿洞—龙鳞宫暗河出口段的暗河径流梯度如表2－7所示。

表2－7　猴儿洞—龙鳞宫暗河出口段径流梯度计算表

2．隧道出口处白果坝暗河的水位标高

t₁＝0．035 4时，暗河出口至隧道出口左侧暗河干沟距离为1 600m，暗河出口标高为450m，H₁（推测暗河水位）＝（0．035 4×1 600）＋450＝506．64（m）

图2－38　龙鳞宫隧道出口溶腔纵剖面图

t₂＝0．027 6时，H₂＝（0．027 6×1 600）＋450＝494．16（m）

t₃＝0．016 1时，H₃＝（0．016 1×1 600）＋450＝475．76（m）

3．溶腔底部与近代暗河的相对应位置的水位高差

溶腔底部的最低处位于DK232＋500附近，其横断面右侧底标高为599．86m，左侧底标高为590．06m。推测溶腔底部距主暗河水位之间的高差分别为：

590－506（推测暗河水位）＝84（m）

590－494（推测暗河水位）＝120（m）

590－476（推测暗河水位）＝114（m）

可见溶腔底部标高已高出主暗河水位大于100m。

4．溶腔已基本成为过水通道

隧道右侧支沟汇水区的降雨入渗的地下水，通过岩溶网络汇入干谷下部的支暗河，并向白果坝主暗河排泄。由于白果坝暗河的下切，水位大大下降（白果坝暗河出口标高450m），隧道右侧支暗河水位亦相应下降（支暗河与主暗河交汇处标高494．16m），并远低于隧道所在的干溶腔底的标高（590．06m），因此，龙麟宫隧道出口溶腔已成为过水通道。

5．溶腔过水流量估算

（1）据隧道溶腔周边环境分析，过路来水至少有两个方向的补给：一是隧道右侧溶腔上方沙坡漏斗的汇水的补给（近程补给），汇水面积0．066km²，应为过路水的主要补给源；二是隧道右侧支沟谷的汇水的补给（远程补给），汇水面积5．23km²。整个支沟为干谷，水位较低，降雨入渗水通过渗漏汇聚于标高更低的现代支暗河的充水管道排入主暗河，汇入现处高位的溶腔极少。

（2）近程汇水面积内（沙坡漏斗范围汇水）降雨入渗地下水流量初估（渗入法估算）

Q＝1 000×50×0．066×0．6＝1 980（m³/d）

溶腔近程补给范围的降雨入渗地下通过层面（走向和倾向层间裂隙）、NNW向构造裂隙和小断层汇入隧道溶腔，暴雨时（降雨量50mm）的汇入量估计1 980m³/d。

（五）大溶腔成因分析

（1）隧道出口溶腔左侧白果坝暗河水位标高推测为480～506m。隧道溶腔底部标高为600～590m，距白果坝暗河100m，两者高差达100m，可见暗河深切形成的河谷岸坡始终保持陡坡，支暗河长期以“跌水”汇入主暗河，长期存在两暗河汇流的强劲水动力环境及其强烈的侵蚀、溶蚀作用，具备形成大型溶腔的外部条件。

（2）由于白果坝主暗河的下切，支暗河亦随之下切，岩溶水位也随之下降，陡岸形成的多层溶洞近处叠加，形成大型岩溶腔体。

（六）溶腔对工程的影响

（1）施工中遭遇此大溶腔，改线能否得到改善？隧道所在一侧山体为强岩溶发育区，线路若左右改移（避开现在的溶腔体），仍摆脱不了线路所处的支暗河与白果坝主暗河两者交汇的地质背景，仍不能排除遭遇新的隐伏大溶腔体和岩溶管道的可能，对桥、隧、路的影响仍难以预料，易位难以使溶腔对工程的影响得到根本改变，在全面施工的条件下，应避免使方案出现更大的反复。

（2）溶腔规模较大，影响涉及范围DK232＋500～DK232＋350，沿线路纵向长达150m；溶腔底深入隧道路肩以下70m。隧道必须增设跨越工程——桥或高填路基。

（3）溶腔底基础状况决定跨越工程的可行性和工程的难易程度。若溶腔底层还发育溶腔，则桥基在可控制深度内难以找到持力层，路基填筑加载后可能引起基底溶腔的垮坍，或基底过厚的松散堆积物可能引起较大压缩变形，或基底岩溶水无法给予出路（排出）。以上情况都影响方案的实施。

（4）隧道上方坍顶形成的“天窗”，其四周岩壁的危石和隧道出口端与溶腔连接的隧底下方的“倒悬”危岩，影响勘察和施工的安全，必须认真清理。

（5）为方便按桥或路基方案的施工和给溶腔过路水以出路，在线路左侧增设一横洞，便于溶腔处理的施工，同时用于腔内泄水。

（6）必须做好资料收集和勘探工作，该溶腔处理方案的选择应依据充分，慎重比选。

四、云雾山隧道进口DK242＋852大型溶腔特征

（一）DK242＋852大型岩溶腔体的地质特征

（1）溶腔位于云雾山背斜构造的东翼，发育于寒武系高台、茅坪组（∈₂g＋m）相对弱岩溶发育层和光竹岭组（∈₂gn）较强岩溶发育层的界面附近，受地层岩性控制明显；水平、倾斜管道和垂直管道的发育受层间裂隙、横张裂隙控制。溶腔的形成是水平径流活动与多向管道流汇流活动等综合进行的强溶蚀作用的结果。

（2）溶腔为白果坝暗河下切活动留下的特殊岩溶地质体（古暗河廊道、支流管道、溶蚀厅堂等的组合体）。

（3）暗河不断下切过程中，始终保留古暗河相关汇水区对其的补给，并通过溶蚀管道、溶隙等相互沟通，始终保持与补给水流的联系。因此，古暗河与近代白果坝暗河乃一脉相承，其功能转换成为岩溶水补给近代暗河的过水通道。

（4）溶腔底部有冲积、溶积、洪积等多种成因形成的松散堆积层，其组成为黏土或黏土夹碎块石。表面可见过水痕迹，低洼处尚有稍湿的砂层、积水溶潭。

（二）溶腔的形态特征

（1）为沿多向（N50°～80°E、N50°W）扭节理发育的溶隙管道和顺构造线N35°E方向发育的暗河管道交汇综合形成的大型复杂的岩溶腔体。

（2）腔体的形态如图2－39、图2－40所示。(www.xing528.com)

图2－39　云雾山隧道DK242＋852溶腔平面示意图

溶腔由横洞厅堂、Ⅰ线正洞厅堂和两者间连接、串通的大型腔管组成。两厅堂内皆有支管道由外向腔体内汇聚（交汇），来向有二：

1）顺岩层走向发育的，如平面图2－39中的A、B、F支管道。

2）沿扭节理方向发育的，如横洞中的C、D（图2－39）冲沟裂隙，1～7和E支管道，它们皆分布在靠山侧（图2－39）。

溶腔三维空间较大，形态复杂，主溶腔可观察纵长约120m、横宽约20～40m、高40～60m（线上高10～30m，线下深32m）。在正线位置长约40m、高约30～49m（线上高12～31m、线下一般18m）（图2－39、图2－40）。

图2－40　云雾山隧轴溶腔纵剖面图

（三）溶腔岩溶水文地质特征

（1）腔内主要补给（入水）点和泄水（消水）点

1）据现场调查，溶腔内主要补给（入水）点及溶腔水文地质特征如表2－8所示。

由表2－8可知：

①补给来水方向。沿岩层走向方向（N40°～50°E）、沿扭裂隙方向（N80°E、NW）。沿扭裂隙发育（倾斜和垂直）的溶洞管道多分布于溶腔厅堂的靠山侧，迎接山体上方的补给水，补给源为溶腔上方地表汇水面积内降雨的入渗水；沿岩层走向发育的岩溶管道则成为构造线方向的岩溶水的补给通道（补给源较远）。

表2－8　云雾山隧道溶腔水文地质特征一览表

②隧底标高以上（＞803m）和隧底标高以下（＜803m）都有补给点。

③补给点目前旱季未见水流或出水，但仍多见新鲜水流痕迹和冲沟、小瀑布的冲刷痕迹，存留积水深潭等，说明雨季可能有补给水量。

2）溶腔内主要泄水（消水）点（段）

作为过水通道，既有入水点，也有消水点（段）。一般溶腔底部多普遍发育岩溶裂隙，通过它们进行渗漏；较大竖向管道、岩溶漏斗则形成相对集中的消水点。消水点（段）的分析如下：

图2－41　云雾山隧道进口溶腔地下水流动示意图

①溶腔底面标高趋势分析（图2－41）。一般底面标高最低处常是水流汇聚和集中的消水点（段）。从图2－41可知，溶腔底部沟底的地面轴线标高从横洞→Ⅱ线→Ⅰ线逐渐降低；Ⅰ线右侧E岩溶支管道→与Ⅰ线正洞相交处→向Ⅰ线正洞里程减少方向，标高渐低；上两处降低趋势皆指向I线DK242＋852溶腔底部附近，该处应为整个溶腔的最低洼处，纵断面图显示溶蚀渗漏漏斗（图2－40）。因此1线DK242＋874～＋852溶腔底部（连接右下方F支管道）段，可能是整个溶腔的消水段。

②上述基本反映了岩溶水的排泄方向，即从山腹侧（背斜构造横向）和南部（构造线走向）来水，汇聚后沿走向NE排泄。该排泄方向与白果坝暗河流向一致。

（2）溶腔来水的补给

1）补给源

从溶腔内的来水补给点的分布分析，补给源有：一是靠山侧补给的来水，主要来源于就近地表汇水面积内降雨入渗的补给；二是从顺岩层走向（SW→NE向）的支管道（如A、B、5支管道）的来水补给。

2）补给来水（过水）量的估算

①与溶腔有关的地表汇水补给量

地表汇水面积分别为：台原1．0km²，斜坡1．6km²，合计2．6km²。过水量按以下均衡简化式估算：

Q_g＝（Qx－Q_j）×λ×η

式中：Q_g——溶腔过水量；

Q_x——相关汇水面积内的降水量；

Q_j——降雨形成的地表径流量；

λ——入渗系数；

η——涌水系数。

Q_j＝F^0．91＝206 129（m³/d）

Q_x＝1 000×X×F＝1 000×99．8×2．6＝259 480（m³/d）

Q_g＝（Q_x－Q_j）×λ×η＝（259 480－206 129）×0．3×0．2＝3 201（m³/d）

一般枯水期补给溶腔的水量小，只有丰水期才可能有过水，一般约3 200m³/h（上述水量估算值仅供参考）。

②沿地层走向（NE向）的管道、裂隙补给的来水

因近代暗河已深切，地下水位较低，与隧道标高等同的岩溶管道已不再是主要排水通道，仅承接靠山侧补给的过路水，其水量难以估算，估计也只在丰水期才有，水量也不致太大。

（3）溶腔地段的地下水位推测

白果坝暗河为工程区相对排泄基面，地下水和通过溶腔的过水皆排向白果坝暗河。

隧道附近白果坝暗河槽谷为干谷，地下水位据勘测资料分析为739．56m，隧道溶腔与勘探点之间相距约600m，按斜坡段地下水梯度（t＝0．03）推算，溶腔底地下水位H₁＝739．56＋（600×0．03）＝757．56m。

溶腔底面消水点最低处标高为771．8m，因此，推测地下水位在腔底最低处以下14m ［771．8－757．56＝14．24（m）］。

（四）对工程的影响

（1）溶腔中的主要补给点（水平和倾斜管道）和消水点（段）于线路标高的上、下皆有分布，消水点（段）若被堵或泄水不畅（如随意堆填弃碴），则将出现一个被封堵的溶腔，在只有补给、没有排水（或排水不畅）的情况下，雨季不能排除来水使整个溶腔可能积水、乃至漫及路基，给工程、营运留下隐患。因此，应引起特别重视，尽量不使溶腔的原泄水状态改变，充分做好排水、消水设计。

（2）如此特大型的溶腔十分罕见，隧道处理前所未遇，建议做好空腔周边的防护（临时的和永久的防护）；选择好隧道跨越方案（溶腔的基底处理、隧道跨越的结构等方案）。

（3）以桥方案跨越溶腔为好：①溶腔空间较大，以桥跨越较合适，同时溶腔离隧道进口较近，Ⅰ线、Ⅱ线、横洞都可直达腔体，桥基础和结构施工都较方便；②可以满足不改变溶腔原有的消水状态的要求。

五、云雾山隧道出口DK247＋562大型溶腔

为全充填型溶腔，整个隧道在充填溶腔中通过。

（一）溶腔的基本形态

溶腔平面形态：溶腔沿岩层走向（顺层间）发育，线路与其近垂直。溶腔横向宽（沿Ⅰ线纵向长DK247＋445～＋562．8，计长117m、沿Ⅱ线纵向长DK247＋435．4～＋572．8，计137m）117～137m，溶腔走向长因未完全揭露难以确定（隧道洞内可观测长度大于60m）（图2－42）。

图2－42　云雾山隧道出口溶腔平面形态图

溶腔横剖面（隧道纵断面）形态整体为“漏斗”状，DK247＋500～＋562段为“漏斗”中心，充填物厚度大于91m（钻孔未钻穿充填物）（图2－43）。

（二）充填物特征

为块石土、碎石土等综合堆积物，局部含沙及空隙。块石、碎石及空隙的分布极不均匀。

（三）云雾山隧道出口DK247＋562溶腔体系

（1）云雾山隧道出口地区的岩溶水历来文件皆归属于“恶水溪暗河系统”。根据云雾山隧道出口溶腔的相关分析，对原归属结论产生怀疑。

1）隧道揭露的大溶腔应是暗河被弃置的产物，此高位干洞的松散堆积厚度大于91．3m（钻孔91．3m深处的标高769．35m），与其相关的地下水水位（现代管道流水位）应低于该深度，即低于769．35m标高。而恶水溪排泄点的标高为800m，高于769．35m标高，故该大溶腔不应归属于恶水溪暗河系统。

图2－43　云雾山隧道出口段溶腔剖面示意图

2）云雾山隧道出口溶腔规模大（横断面：宽137m、高大于100m），而恶水溪大泉的流量不大（8 640m³/d），它们极不匹配，即较小的管道流难以“塑造”该特大型溶腔。

（2）云雾山隧道出口DK247＋562溶腔归属及成因。从区域地貌、岩溶水文地质特征等综合分析得知：云雾山地区存在背斜核部的茅坝槽槽谷和SE翼的白果坝槽谷，即存在两个岩溶地貌、岩溶水文地质系统。它们的发育始于早第三纪末的山原期及其后期的山盆期（相当于二级夷平面、三级夷平面时期）。先期地表溶蚀，各自沿构造线方向形成溶蚀洼地；各自的地表洼地扩展形成各自的槽谷雏形→形成各自的近代槽谷→地下溶蚀形态的扩展、连通，逐渐形成沿构造线发育的暗河雏形→现代暗河；白果坝暗河得到志留系碎屑岩地区外源水的大量补给，因而下切发育的槽谷明显，规模亦较大，暗河发育亦较“成熟”。茅坝槽槽谷主要沿纵向层间裂隙、纵向构造裂隙、横向裂隙等就地向深部溶蚀、发展，形成沿背斜核部台原山地→雨笼坝→茅坝槽→姚家湾展布的暗河系统。白果坝暗河系统、茅坝槽暗河系统及其留下的洞穴都经历了溶蚀、侵蚀、沉积、崩塌→稳定→抬升→继承再发展的阶段。DK247＋562及其出口背斜核部发育的多处溶腔都应属茅坝槽暗河系统的产物（图2－44）。

六、五爪观暗河中段溶腔

（一）地质背景

五爪观隧道工程区位于青岗坪次级宽缓向斜，向斜核部为奥陶系下统（O₁），两翼为寒武系三游洞群（∈₃S）等强岩溶发育（强富水）层组。向斜为储水构造，核部岩溶水汇集，发育五爪观暗河（图2－53）。

（二）隧道穿越的暗河腔体形态

暗河补给区，主要为向斜核部汇水范围，约41km²。暗河总长大于5．2km。暗河流量0．32～2．35m³/s，暴雨时达60m³/s（据五爪观电站资料），动态变化较大。

（1）平面形态。进入暗河实测主干总长1 010m。实测段平面形态如图2－45所示。

图2－44　白果坝暗河、茅坝槽暗河系统平面图

1．碳酸盐岩分布区；2．碎屑岩分布区；3．地层界线；4．岩溶槽谷；5．角度不整合；6．岩溶洼地；7．暗河管道及出口；8．落水洞；9．水平溶洞；10．暗河天窗；11．季节性地表溪流A．茅坝槽谷；B．白果坝槽谷

（2）横断面形态。暗河横断面宽71m，顶部空腔高18m，腔内崩塌堆积厚25m，如图2－46所示。

（3）暗河冲积物。崩塌堆积层下部为卵、砂冲积层，厚22m（崩塌堆积层底标高557m、卵砂层底部标高535m）（图2－46）。五爪观暗河为一复杂的大型暗河，具典型的地下河特征。

图2－45　五爪观隧道暗河实测平面形态图

（4）隧道穿越暗河的特殊工程措施。因受复杂的向斜储水构造影响、不同位置穿越储水构造的隧道岩溶水文地质条件控制、线路纵坡定线制约等，经多方比较，隧道以现时的位置、标高跨越最为合理；同时该位置离隧道进口近，具备增设短横洞的条件，有利于不测情况下应变处理，有利于安全施工。暗河的形态特征、空间展布特征、暗河的水文特征都查得比较清楚，于该处穿越暗河基本有把握（图2－45、图2－46）。

工程措施：清除上部崩塌块石；上游施作横断面帷幕堵水墙，导水入渡槽；卵石层注浆加固；加固的卵石层上部施作引水渡槽（堵水墙拦截的暗河水导入渡槽）；于卵石加固层中进行隧道施工（图2－47）。

图2－46　五爪观隧道遭遇暗河段溶腔横断面示意图

图2－47　五爪观遭遇暗河段处理平面示意图

七、别岩槽隧道出口DK406＋422溶腔

（一）溶腔特征

（1）2004年9月11日施工时突发突水。DK406＋422上导掌子面于2004年9月11日10：30出现前兆性涌水，至9月11日12：30发生大突水，来势凶猛，洞内水深估计1．8m，形成巨大“泥石流”（包括洞底施工碎碴），大规模突水时间约40min。突水后，庙坪暗河原出口完全断流，被隧道突水截流。

（2）突水暴露大溶腔。大量突水后，突水地段暴露大型溶腔。

1）隧道施工揭露的溶腔的基本情况。揭露的溶腔体为沿岩层层面发育的扁平状腔体；溶腔底平面形态：长轴沿岩层走向延伸，轴长28．2m，横宽7．4～10．3m；溶腔横断面（即隧道纵断面）形态：下部近似等宽7．15～10．2m，往上逐渐收敛，总高30m（图2－48）。

图2－48　别岩槽隧道溶腔横断面示意图

2）推测隧道周边及其附近可能隐伏存在的腔体。

①DK406＋422隧道周边岩溶空腔体积估算。根据2004年9月11日突水情况估算，40min内突水的静涌水量，既是储水空间的总容积，亦是周边隐伏存在的岩溶空腔总体积（包括隧道揭露溶腔体积及其外周边的溶腔体积）：

Q＝Q_总－Q_动＝32 400－1 200＝31 200（m³）

隧道施工揭露的溶腔体积：

Q₁＝10×20×27＋（20×10）×10/2＝6 400（m³）

隧道溶腔外部周边腔体（多个串联的腔体）体积：

Q₂＝Q－Q₁＝31 200－6 400＝24 800（m³）

②DK406＋422周边的溶腔分布推测。

据上述分析可知，隧道及其周边存在24 800m³储水岩溶空腔，并与庙坪暗河管道连通，组成统一的暗河管道系统。

DK406＋422隧道揭露的溶腔及其涌水特征表明：

（1）DK406＋422突水后管道水位下降，隧道揭露的溶腔体周壁未见水的补给点，出水口在隧道揭露的腔体底部（标高502．8m）以下20m（标高482m），水往上翻并涌入溶腔体，且呈间歇性增减，说明管道水具承压性，水流呈倒虹吸管压入。补给来水的充水管道发育于隧道轨面标高以下27m［509．08－482＝27（m）］。

（2）隧道右侧临时施工的短“泄水洞”揭露的溶洞和迂回导坑K0＋124～＋139揭露的溶洞皆为充填或半充填（无水）的溶洞，标高高于（＞27m）现涌水的充水管道，应属于另一（上层）干溶洞层。说明存在下部充水岩溶管道、上部干溶洞两溶洞层。

（3）根据上述暗河特征、溶腔特征、涌水特征等的分析，推测隧道周边溶腔、暗河管道的空间关系模式如图2－49所示。

（二）成因分析

庙坪暗河由南、北两支汇合，向庙坪出口排泄。

图2－49　别岩槽隧道与周边溶腔、暗河关系模式图

DK406＋422溶腔处在上述南、北两支暗河水流的交汇处。交汇处的径流交替强烈，混合流水营力作用、动力侵蚀等强劲。

两支流各具不同水流梯度，皆与周边不同标高的储水腔体相沟通，其水流都具一定水压。

汇流处为有压径流的汇流区，为水营力强劲的混合流，有利于水流对岩体的侵蚀、溶蚀，有利于扩大管道流腔体。

由于上升地域其排泄基面不断下切，形成多层管道，底部为现代充水管道，上层管道则被弃置，充当过水通道或被充填或储存静水。

（三）评估意见

（1）隧道突水后袭夺暗河水，使暗河出口干枯。该处隧道动态涌水从溶腔底482m出水标高往上翻至隧道施工场地基底509m标高排出，泄水状态下其承压水头大于27m。

隧道初期突水前的原始状态下和半封闭状态下（当时掌子面尚未完全爆开），暗河管道及其溶腔空间都充满大量静态水。揭露原始状态的初期突水和2004年9月20日暴雨时半封闭状态下的突水都泄出大量的静态水，具相当大的冲击力和相当大的随带能力，说明具相当大的水压，大大高于27m的水头压力。

（2）突水后改变了原有管道系统的原生状态，一般不可逆，若改变后再实施封堵，难以回复原态，难保水流会归原路再从暗河出口排出；封堵后能恢复一定的静态水位，形成相当的水压，但会使隧道受力条件复杂化。总之，加大了投入而不一定取得理想效果；突水后泄水洞替代暗河出口排泄，排向同一沟溪，泄水洞排泄点与原暗河出口相距350m，标高相差15m，相当于“等效排泄”，不致改变暗河原有格局，不致对环境产生影响。因此，上述分析得出宜排、不宜堵的结论就很自然。

八、马鹿箐隧道DK255＋978溶腔

（1）2006年1月21日施工突水（泥），继而揭露溶腔，溶腔宽8～10m，高65．75m（隧道上方24．41m、隧道下方41．34m），走向长大于50m，带出充填腔内的淤泥12 604m³（以此推测涉及范围至少不小于宽8m×高24．41m×长60m的充填空间）（图2－50、图2－51）。

图2－50　马鹿箐隧道DK255＋978溶腔平面示意图

（2）初期泄水及突出物主要为黑色黏土，含腐烂炭质木屑，具臭味，水量较小，说明揭露的溶腔被充填，为封闭环境下的淤积物。14 C涌水、淤积物测年和同位素氚分析表明有别于表水、浅部岩溶水，属“老水”、“老淤积物”。氢氧稳定同位素δD、δ18 O分析表明溶腔储存的“老水”与表水、浅层岩溶水差异明显，说明它们互不交替、互不联系。上述多方说明隧道施工揭露的溶腔为老的封闭的溶腔，应是暗河早被弃置的“盲肠腔体”。

图2－51　马鹿箐隧道DK255＋978溶腔横断面图

（3）“被弃置的盲肠腔体”与大坪暗河的关系：大坪暗河为一沿层面发育的、独立的、单管式管道流，其在径流活动的过程中，沿层面缝隙、层间裂隙摆荡侵蚀、溶蚀，扩大管道空间，发育串珠状腔体；大坪暗河梯度的降幅受层面倾角控制，为能与排泄基面顺当衔接，上述梯度难以适应时，常常以“跌水”、“倒虹吸”等形式进行调适。地下水的“天性”即是力争以最短流程向排泄基面排泄，当实现这一目标后即留下被弃置的“盲肠”、“倒虹吸管”等；基于上述分析，隧道揭露的“盲肠腔体”与大坪暗河的空间关系推测如图2－52所示。

（4）大坪暗河的径流路径为：山地台原大坪补给区→凉风洞竖井下部→狮子口→小溪主暗河。隧道揭露“盲肠腔体”的同时突出大量充填物，疏通了“盲肠腔体”与暗河的连接通道，将暗河水引入隧道。隧道突水及其后的敞开排水，将大坪暗河截流并完全导入隧道（现引入泄水洞排泄），改变了暗河的径流方向，其路径为：山地台原大坪补给区→盲肠腔体→隧道泄水洞→朝阳沟，打破了原有格局。

图2－52　马鹿箐隧道遭遇“盲肠”、下部管道流示意图