李華明，張永輝，胡志平，李芳濤，蔡樂軍

（1. 四川樂漢高速公路有限責(zé)任公司，四川 峨眉山 614000；2. 長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061）

0 引言

我國是一個(gè)多巖溶發(fā)育的國家，西南地區(qū)巖溶更為發(fā)育。隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，在西南地區(qū)巖溶地帶修建隧道越來越多，復(fù)雜多變的巖溶給隧道施工建設(shè)帶來極大困難，如涌水突泥、巖溶塌陷等災(zāi)害給工程建設(shè)造成造成重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。

研究人員已對巖溶發(fā)育特征、工程效應(yīng)等開展了一定的研究工作[2?11]，但對單個(gè)工程巖溶發(fā)育特征的研究較少，現(xiàn)場實(shí)測研究巖溶對工程的影響則更為少見。

文章以峨漢高速廟子坪隧道為研究對象，通過地質(zhì)調(diào)查和示蹤試驗(yàn)，厘清隧址區(qū)巖溶發(fā)育特征，分析巖溶發(fā)育控制因素，并通過現(xiàn)場監(jiān)測探究巖溶發(fā)育對工程的影響，以期為峨漢高速沿線隧道及類似工程提供參考。

1 隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 工程概況

峨眉至漢源高速公路項(xiàng)目起于峨眉山市，至雅安市漢源縣，線路全長123 km，橋隧比達(dá)80%以上，是連接成都經(jīng)濟(jì)區(qū)和大小涼山地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)走廊。廟子坪隧道位于峨眉山市沙溪鄉(xiāng)與龍池鎮(zhèn)之間，設(shè)計(jì)為雙洞單向分離式隧道，隧道右線全長3 123 m，左線全長為3 150 m，最大埋深348.3 m，路面標(biāo)高776.67～843.49 m[12]。

1.2 地形地貌

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌，山地海拔低于1 000 m。風(fēng)化殼經(jīng)強(qiáng)烈風(fēng)化崩塌，表層崩坡積土層較薄。這些母質(zhì)土在強(qiáng)烈流水剝蝕下形成褶皺軸部的較厚堆積，山脊多形成豬背嶺。在地層平緩的向斜軸部附近則呈穹窿狀或饅頭狀桌狀山頂。擬建隧道所穿越的山體最高點(diǎn)海拔標(biāo)高約1 121.6 m，相對低點(diǎn)標(biāo)高約766.9 m，相對高差約354.7 m。

1.3 巖層特性

根據(jù)地質(zhì)勘探成果，隧址區(qū)內(nèi)主要地層為第四系全新統(tǒng)崩坡積層（Q4c+dl）碎石土、塊石土，三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）砂巖、砂質(zhì)頁巖，三疊系中統(tǒng)雷口坡組（T2l）膏溶角礫巖、白云巖、硬石膏、泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等。其中，三疊系中統(tǒng)雷口坡組碳酸巖地層發(fā)育最廣，貫穿隧道全線，厚度較厚，如圖1所示，較厚的碳酸鹽巖層為巖溶發(fā)育提供了基礎(chǔ)條件。

圖1 廟子坪隧道縱剖面圖Fig.1 Longitudinal section of Miaoziping tunnel

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西緣，屬上揚(yáng)子臺(tái)褶帶的峨眉山斷拱與四川臺(tái)坳的川西臺(tái)陷兩個(gè)三級構(gòu)造單元的交接部位，次級構(gòu)造屬峨眉山斷拱的峨邊穹斷束。區(qū)域構(gòu)造主要成生于喜山期，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征明顯，且具斷塊運(yùn)動(dòng)的特征；區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育，以南北向構(gòu)造為主，北東向、北西向和東西向構(gòu)造次之。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)反映強(qiáng)烈，小地震活動(dòng)較頻繁。隧址區(qū)無斷層、褶皺構(gòu)造直接通過，距離隧址區(qū)最近的構(gòu)造為龍池湖斷層，位于隧道出口端西南約1 500～1 800 m，走向東西向，延伸長度約5 km。

1.5 水文地質(zhì)特征

（1）地表水：工程區(qū)內(nèi)的地表水系主要為徐溝、龍池河的支流及地表沖溝，支流、沖溝水系多呈樹枝狀分布，主要補(bǔ)給源為大氣降水，受大氣降水的控制和影響；在建的廟子坪隧道穿越龍池河及徐溝兩個(gè)次級水文地質(zhì)單元，兩個(gè)次級水文地質(zhì)單元同屬大渡河二級水文地質(zhì)單元，廟子坪隧道穿越的山嶺為兩個(gè)次級水文單元的分水嶺。

（2）地下水：隧址區(qū)地下水類型主要有松散堆積層孔隙水、基巖裂隙管道水、碳酸巖類巖溶水，分別賦存于第四系全新統(tǒng)崩坡積層松散孔隙含水層、三疊系須家河組裂隙含水巖組以及三疊系雷口坡組巖溶含水巖組中。

2 巖溶發(fā)育特征

廟子坪隧道穿越圍巖均為可溶巖，獨(dú)特地形、豐富降水及附近構(gòu)造發(fā)育導(dǎo)致區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地表巖溶主要表現(xiàn)為巖溶干溝、落水洞、土洞、溶隙、溶縫等。地下巖溶以溶洞、溶蝕通道、巖溶裂隙為主。

2.1 巖溶干溝

測區(qū)內(nèi)巖溶干溝數(shù)量較多，主要分布于隧道進(jìn)口與出口，其寬度多為2～8 m，深1～2.5 m，干溝底部被碎石塊覆蓋或局部為裸露基巖，干溝兩側(cè)已被植被覆蓋或局部為階梯狀礫石，沖蝕-溶蝕痕跡顯著（圖2）。巖溶干溝具有匯聚和排泄地表徑流的作用，平時(shí)干涸無水，但在雨季時(shí)溝內(nèi)水量大且流速急。

圖2 巖溶干溝及側(cè)壁圖Fig.2 Karst dry gully and side wall

2.2 落水洞

落水洞主要分布于隧道進(jìn)出口處的沖溝底部，多數(shù)沖溝距離隧道左洞軸線距離小于180 m，溝內(nèi)充滿碎塊礫石并常年有水流淌。溝內(nèi)底部落水洞較為發(fā)育，數(shù)量較多，僅出口一條沖溝內(nèi)的落水洞多達(dá)30余個(gè)，主要以小型落水洞豎向發(fā)育為主，落水洞洞口大多呈圓形、橢圓形，洞口直徑一般介于0.2～1.5 m，深度自數(shù)米至幾百米不等，并常年有水流入，如圖3（a）。

圖3 落水洞與土洞Fig.3 Water hole and soil hole

2.3 土洞

土洞分布較為集中，主要分布于隧道出口處黏性土層中，數(shù)量較多并且集中，以小型土洞為主，洞口大多呈圓形、橢圓形，土洞口徑直徑約為0.1～0.7 m，深0.3～1.5 m，土洞底部大多堆積碎石土，如圖3(b)。

2.4 溶孔、溶隙和溶縫

隧址區(qū)地表溶孔在隧道進(jìn)出口干溝、沖溝兩側(cè)裸露的巖壁上分布較為廣泛。地表裸露的碳酸鹽巖在風(fēng)化和龍池湖斷層作用下，節(jié)理裂隙發(fā)育，整體呈破碎狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)地疏松，溶孔多呈“蜂窩狀”，如圖4（a）。溶隙、溶縫發(fā)育受巖性、巖溶水、斷層等影響，其深度為3～12 cm，寬度多介于1～8 cm，延展長度0.3～5 m，在發(fā)育方向上多呈豎向發(fā)育，局部受巖層傾向控制而呈現(xiàn)順層發(fā)育。巖體裂隙表面潮濕且內(nèi)部有細(xì)小水流沿縫隙流動(dòng)，內(nèi)部無填充，可見苔蘚貼附于表面，如圖4（b）。

圖4 溶孔與溶隙Fig.4 Solution pore and solution gap

2.5 溶洞

按埋藏方式可分為裸露型溶洞與埋藏型溶洞。裸露溶洞在進(jìn)、出口端的干溝兩側(cè)巖壁和洞身K21+200～K21+700段裸露碳酸巖上發(fā)育較多，主要以小溶洞為主，直徑（長度）多為0.1～0.5 m，形狀呈長條形、圓形、橢圓等，見圖5（a）。埋藏型溶洞主要發(fā)育于隧道進(jìn)口高程為766～810 m和出口端高程830～850 m范圍內(nèi)，巖溶發(fā)育表現(xiàn)出強(qiáng)烈的集中性與不均勻性。溶洞以體積小于10 m3為主，如圖5（b）所示，局部有較大溶洞。溶洞發(fā)育方向以沿巖層面順層的溶洞為主，個(gè)別以沿豎向裂隙發(fā)育。

圖5 裸露型溶洞與埋藏型溶洞Fig.5 Bare and buried karst caves

據(jù)揭露統(tǒng)計(jì)，溶洞在灰?guī)r地層發(fā)育數(shù)量最多，白云質(zhì)巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r發(fā)育次之、泥質(zhì)白云巖、膏溶角礫巖地層發(fā)育數(shù)量最少，地層巖性對巖溶發(fā)育具有顯著控制作用。從發(fā)育部位來看，溶洞在隧道拱腳及底板處發(fā)育為主，邊墻及拱腰發(fā)育次之，拱頂發(fā)育最少。從填充情況來看，以泥質(zhì)、粉質(zhì)黏土半充填型溶洞為主，碎石和塊石填充次之，無充填型溶洞最少。

2.6 溶蝕通道

隧址區(qū)溶蝕通道發(fā)育較弱，僅在左洞的進(jìn)口灰?guī)r地層與出口白云巖地層分別揭示一條溶蝕通道，這表現(xiàn)出隧道巖溶發(fā)育的選擇性和不均勻性。根據(jù)現(xiàn)場揭示情況來看，兩條溶蝕通道均位于隧道左洞拱腳部位，通道發(fā)育方向沿可溶巖層面發(fā)育為主，延展方向與巖層傾向相一致。通道斷面均呈現(xiàn)管隙狀、裂隙狀等不規(guī)則形態(tài)，斷面寬度介于1～7 m，長度不詳，底部有較多粒徑不等的不同形狀鵝卵石。溶蝕通道常年有水流出，雨季時(shí)涌水量劇增，通過示蹤試驗(yàn)（顏料標(biāo)記試驗(yàn)）發(fā)現(xiàn)，進(jìn)出口溶蝕通道的水流均與地表沖溝內(nèi)落水洞的水流相通，表明隧址區(qū)地表巖溶與地下巖溶具有連通性，因此隧道溶蝕通道在雨季時(shí)涌水量劇增。

3 巖溶發(fā)育特征原因分析

3.1 地層巖性條件

巖石中可溶物質(zhì)含量是控制巖溶發(fā)育規(guī)模和強(qiáng)度的主導(dǎo)因素。從研究區(qū)巖溶發(fā)育的情況來看，巖溶主要集中在隧道進(jìn)口與出口處，溶洞多發(fā)育于灰?guī)r、白云質(zhì)巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r地層，泥質(zhì)白云巖、膏溶角礫巖地層則相對較少。

3.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造條件

隧址區(qū)無斷層和褶皺直接通過，但在隧道出口附近有龍池湖斷層，導(dǎo)致出口端節(jié)理裂隙密集，巖體破碎，為地表水或地下水提供良好的通道，并增加水與可溶巖的接觸面，因此在出口端地表和地下巖溶都異常發(fā)育，甚至出現(xiàn)大型的溶蝕通道。溶蝕通道發(fā)育延展方向與巖層傾向相一致（圖6），巖溶的發(fā)育方向受巖層產(chǎn)狀控制顯著。

圖6 進(jìn)口溶蝕通道地質(zhì)橫剖面圖Fig.6 Geological cross section diagram of entrance dissolution channel

3.3 地形地貌條件

地形地貌控制著地下水的重力勢能、補(bǔ)給、徑流和排泄，是控制巖溶發(fā)育的另一重要因素[1]。在隧道進(jìn)出口段地形陡峭，溝谷集中，地表水通過溝谷內(nèi)分布的落水洞、裂縫及附近的土洞補(bǔ)給地下水，使得隧道進(jìn)口、出口段地下水豐富。雨季時(shí)具有短時(shí)流量大、流速急等特點(diǎn)，導(dǎo)致隧道進(jìn)口與出口段巖溶發(fā)育，甚至出現(xiàn)少量大型溶蝕通道。此外，隧址區(qū)受徐溝及龍池河區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面影響，地下水于隧道進(jìn)口區(qū)段及出口區(qū)段集中排泄，加之進(jìn)出口地形陡峭，地下水水力坡度大，流速急，機(jī)械侵蝕能力較強(qiáng)，進(jìn)一步導(dǎo)致進(jìn)出口段巖溶發(fā)育及出現(xiàn)規(guī)模較大的溶蝕通道。如圖7所示。

圖7 廟子坪隧道進(jìn)口段工程地質(zhì)平面圖Fig.7 Engineering geological plan of Miaoziping tunnel import section

3.4 水文地質(zhì)條件

水是巖溶發(fā)育的一個(gè)基礎(chǔ)條件，水的徑流大小和運(yùn)動(dòng)方向分別控制著巖溶的發(fā)育強(qiáng)烈和發(fā)育方向。隧址區(qū)降雨豐沛，多年平均年降水量達(dá)1 335.5 mm，降雨滲入地表后主要以垂直運(yùn)動(dòng)補(bǔ)給地下水，因此在地表淺層巖溶以豎向發(fā)育為主，如隧道進(jìn)出口的呈豎向發(fā)育的落水洞、土洞等。隨后地下水再沿著巖層的產(chǎn)狀方向集中排泄于徐溝和龍池河，因此在隧道進(jìn)出端巖溶發(fā)育方向大多與巖層產(chǎn)狀一致，并且?guī)r溶較洞身發(fā)育。巖溶水在運(yùn)移過程中，運(yùn)移方式大致經(jīng)歷了“大氣降水-基巖孔隙水-裂隙脈狀水-巖溶管道水”等演化歷程，是巖溶水逐漸由分散滲流狀態(tài)過渡到集中匯流狀態(tài)的過程[1]。

3.5 氣候條件

隧址區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候類型，具有冬暖夏熱、熱量充足、降水豐沛，如該區(qū)域年雨日霧日多達(dá)300天左右，素有“華西雨屏”之稱[13]。充足的雨水補(bǔ)給為巖溶發(fā)育提供了有利條件。

4 巖溶發(fā)育的工程效應(yīng)

4.1 巖溶對圍巖變形的影響

隧址區(qū)揭示半露溶洞較多，并且以小于10 m3溶洞溶腔為主。為了便于分析，本文采用文獻(xiàn)[14]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將巖溶劃分為四種類型：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）。以上述分類為依據(jù)分析巖溶規(guī)模及發(fā)育部位對隧道穩(wěn)定性的影響。

4.1.1 溶洞規(guī)模的影響

廟子坪隧道左線出口ZK23+532—K24+090段，該段圍巖均為Ⅳ級。針對所揭露的小型、中型、大型溶洞斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中ZK23+850斷面無溶洞，ZK23+745斷面處有小型溶洞，ZK23+300斷面處有中型溶洞，ZK23+410處有大型溶洞（溶蝕通道）。針對不同規(guī)模的圍巖拱頂及周邊收斂進(jìn)行監(jiān)測（圖8）。

由圖8可知，不同規(guī)模溶洞的圍巖位移隨時(shí)間變化曲線呈現(xiàn)以下一些特征：（1）不同規(guī)模溶洞的圍巖位移隨時(shí)間變化趨勢基本一致，均為先快速增大然后逐漸減小并最后趨于某穩(wěn)定值；（2）小型溶洞對隧道變形影響較小，大型溶洞對隧道變形影響較大，大型溶洞所在斷面的拱頂下沉值與周邊收斂值均為無溶洞或小型溶洞的3倍，但均在隧道安全允許值內(nèi)；（3）溶洞規(guī)模對隧道拱頂下沉及周邊收斂的影響整體表現(xiàn)為大型溶洞>中型溶洞>小型溶洞>無溶洞的變化規(guī)律。

圖8 邊墻處不同規(guī)模溶洞的圍巖位移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響

由圖9可知，溶洞位于隧道不同部位的圍巖位移隨時(shí)間變化曲線展現(xiàn)以下一些特點(diǎn)：（1）不同發(fā)育部位溶洞所在斷面拱頂沉降及周邊收斂變化規(guī)律一致，變化速率均呈先增后減并最終趨于某穩(wěn)定值的變化趨勢；（2）不同位置溶洞對隧道變形均有一定影響，拱底溶洞對隧道拱頂下沉影響較小，拱頂溶洞對隧道拱頂下沉影響較大，約為無溶洞的3倍；（3）溶洞位于拱頂對隧道周邊收斂影響較小，溶洞位于邊墻時(shí)對周邊收斂影響較大，約為無溶洞的2倍；（4）不同位置溶洞所在斷面的圍巖下沉值及收斂值均未超過隧道安全允許值；（5）不同位置溶洞對隧道拱頂下沉的影響表現(xiàn)為溶洞位于拱頂處>邊墻處>拱底處>無溶洞，而對周邊收斂的影響規(guī)律為溶洞位于邊墻處>位于拱底處>位于拱頂處>無溶洞。

圖9 溶洞位于不同部位的圍巖位移Fig.9 Displacements of surrounding rock at different positions of karst caves

4.2 巖溶涌水

廟子坪隧道揭露的兩條溶蝕通道常年有較大水流，據(jù)施工及設(shè)計(jì)單位所提供資料，隧道進(jìn)口溶蝕通道雨季（6—9月）最大涌水量約6 400～10 000 m3/d，出口溶蝕通道最大涌水量 為20 000～50 000 m3/d，特 別 是7?8月期間測區(qū)暴雨頻發(fā)，受洞內(nèi)外巖溶連通性的影響，隧道的溶蝕通道涌水量劇增（圖10）。較大的涌水量易導(dǎo)致洞內(nèi)施工人員、機(jī)具、電纜等被淹或沖毀而發(fā)生安全事故，圖11（a）。在非雨季，進(jìn)口最大涌水量為4 000～5 340 m3/d，出口最大涌水量8 000～15 000 m3/d。由于隧道為正坡，使得出口段洞內(nèi)長期大量積水，嚴(yán)重影響隧道安全和進(jìn)度，如圖11（b）所示。

圖10 廟子坪隧道最大涌水量統(tǒng)計(jì)圖（2019.04—2019.12）Fig.10 Statistical diagram of maximum water inflow in MiaoZiPing tunnel (2019.04—2019.12)

圖11 廟子坪隧道洞內(nèi)涌水Fig.11 Water gushing in MiaoZiPing tunnel

5 結(jié)論

通過開展地質(zhì)調(diào)查、示蹤試驗(yàn)（顏料標(biāo)記試驗(yàn)）及現(xiàn)場監(jiān)測，探究隧址區(qū)巖溶發(fā)育特征及工程效應(yīng)，得出以下結(jié)論：

（1）隧址區(qū)巖溶發(fā)育，特別是隧道進(jìn)出口段。地表巖溶形態(tài)多樣，主要表現(xiàn)為巖溶干溝、落水洞、土洞、溶孔、溶隙、溶縫等；地下巖溶相對單一，以溶洞、溶蝕通道、巖溶裂隙發(fā)育為主。

（2）隧址區(qū)巖溶在多溶控因素的耦合作用下表現(xiàn)出顯著的不均性、集中性、方向性、聯(lián)通性的發(fā)育特征。其中巖層巖性、地形地貌、水文地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造主要使得巖溶發(fā)育具有不均性和集中性；水文地質(zhì)與地形地貌主要控制著巖溶發(fā)育方向和巖溶是否連通；氣候則更進(jìn)一步促進(jìn)巖溶發(fā)育。

（3）隧道受地表巖溶影響較小，受埋藏型溶洞的影響較大，主要表現(xiàn)為對隧道穩(wěn)定性影響和隧道涌水。其中巖溶規(guī)模及尺寸對隧道穩(wěn)定性有一定影響，但影響范圍相對有限；而涌水使得隧道長期積水，甚至在雨季時(shí)使施工人員、機(jī)械等被淹或沖毀，對隧道安全、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)等造成嚴(yán)重影響。