論巖溶區工程地質勘察問題與地質選線

李光偉

(中國鐵路總公司工程設計鑒定中心，北京　100844)

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論巖溶區工程地質勘察問題與地質選線

李光偉

(中國鐵路總公司工程設計鑒定中心，北京100844)

就巖溶區工程地質勘察中常見且重要的水文地質單元、工程地質測繪、巖溶水垂直分帶、管道流與擴散流、隧道突涌水定性評價、巖溶區危巖落石、巖溶水生態地質環境、覆蓋型巖溶和埋藏型巖溶、巖溶區選線設計等問題，從理論到實踐進行深入的分析與討論，并提出巖溶區地質選線的8條觀點和建議。

地質勘察地質選線巖溶水垂直分帶

中國巖溶區總面積約為344.3萬km2，約占陸地國土面積的35.8%，其中裸露巖溶面積為90.7萬km2。隨著鐵路建設標準的不斷提高和長大橋隧比重的增加，巖溶作為廣泛分布的不良地質問題對鐵路選線的影響和控制作用日趨明顯。結合近年來新建鐵路巖溶地質勘察設計中存在的問題，厘定5個方面的內容進行分析討論。

1　巖溶水文地質單元與巖溶隧道工程地質測繪

巖溶水文地質單元又稱巖溶水動力單元或巖溶水系統，屬于巖溶水文地質學中的術語。按國家標準《巖溶地質術語》(GBT 12329—1990)的定義，巖溶水文地質單元是指具有共同補給邊界，統一地下徑流場的某一巖溶地下水系的流域范圍。巖溶隧道的勘察均涉及一個或數個巖溶水文地質單元。不難理解，在《鐵路工程地質巖溶勘測規則》(TBJ 28—1991)相關條文中指出了要進行區域地質測繪和3 km以上巖溶隧道宜包括巖溶水的補給邊界或隔水邊界。這些條文雖未直接指明巖溶水文地質單元，但都隱含了在完整巖溶水文地質單元內進行工程地質測繪的必要性。因此，劃分巖溶水文地質單元和研究巖溶水補給、徑流、排泄特征對巖溶隧道水文地質勘察和選線設計至關重要。在鐵路行業相關規范規程、中鐵一院編著的《鐵路工程地質手冊》和中鐵二院編著的《巖溶工程地質》中未能充分重視和明確這個重要的概念，從而直接導致巖溶隧道區工程地質測繪范圍的不足和宏觀分析上的缺失。針對巖溶水文地質單元的工程地質測繪通常是大區域的，尤其是長大巖溶隧道，往往采取專項巖溶水文地質工作，屬于超常規的鐵路勘測范疇。

1.1巖溶隧道工程地質測繪的范圍和內容

巖溶隧道工程地質測繪的首要任務就是確定地質測繪和研究調查的范圍，也就是劃分巖溶水文地質單元邊界。巖溶水系統邊界一般由地表分水嶺邊界、隔水層邊界、地下分水嶺邊界和滯流邊界4種類型的不同組合界定。根據水系、地形、地貌、地層巖性、地質構造特征，平面上的邊界較易確定，但巖溶水系統深部邊界的確定往往很困難。由于隔水層(非可溶巖)的廣泛分布，一座長大巖溶隧道可能會涉及數個巖溶水文地質單元(巖溶水系統)，其匯水(集水)面積、邊界和規?？赡懿町惡艽?，在勘測設計中常重視規模較大的的巖溶水系統，輕視規模較小的巖溶水系統。因此，初測階段在巖溶區劃分沿線的水文地質單元和子單元十分重要。巖溶水系統的區域工程地質測繪和巖溶水系統分析是初測階段的主要工作，也是進一步開展綜合地質勘探的基礎。

地質測繪的內容在《鐵路工程地質巖溶勘測規則》中有較詳細的要求。下列問題的測繪調查需要特別補充強調：

①巖溶水系統的平面與深層邊界、邊界類型及組合特征。

②河流階地、夷平面、巖溶基準面、巖溶排水基準面。

③巖溶水系統匯水面積，可巖溶區集水面積，流向外源的地表徑流面積，可溶巖出露面積、分布特征和最低出露高程。

④可溶巖地表巖溶現象，包括巖溶盆地、洼地、漏斗、落水洞、豎井、干谷、盲谷、斷頭河、溶洞、溶穴、地下巖溶廊道等巖溶地表和地下形態。

⑤巖溶含水層、隔水層和弱透水層及其相互之間組合關系與特征。

⑥控水的斷裂和褶皺構造，可溶巖與非可溶巖界面。

⑦內源補給、外源補給、巖溶暗河、巖溶管道泉、巖溶裂隙泉。

巖溶區地質測繪是一項工作量較大的基礎性工作，往往被忽視。根據《工程地質測繪標準》(CECS 238：2008)規定，按1∶10 000比例尺測繪，大于20 m的地質現象都應該標注在圖件上。因此，巖溶區1∶10 000工程地質圖填繪內容很多，在勘測周期較短的條件下遺漏地質現象較常見。遙感調查，尤其是航空像片的工程地質解譯是一種事半功倍的手段，在測繪階段十分重要，鐵路系統雖然在規范規程上做了基本規定，但其優越性未能引起重視，應加大推廣應用力度。

1.2巖溶水系統分析

地質測繪是巖溶水分析的基礎，巖溶水系統分析通常有三個階段，即定性分析研究、定量分析研究和巖溶水文地質條件工程評價。定性分析研究主要包括氣象水文、地貌地質的環境條件分析，邊界性質、補給排泄形式的邊界條件分析，含水層、弱透水層和隔水層性質的蓄水構造結構分析，補給、徑流、排泄水動力場，水化學場和水溫度場的水流系統分析。定性分析的根本目的在于綜合研究特定條件下巖溶水系統的各種特征，從而掌握巖溶水系統的本質，形成巖溶水文地質概念模型；定量研究階段主要是應用數學模擬方法進行研究，目前鐵路部門應用較少；巖溶水文地質條件工程評價在巖溶水系統分析的基礎上進行，評價的內容包括巖溶發育程度及其分布特征、巖溶水垂直分帶、工程范圍內水文地質條件及環境水文地質問題、巖溶隧道突涌水的方式(溶洞突水、管道涌水、裂隙涌水、裂隙滲水滴水)、隧道分段涌水量預測、選線設計建議等。

2　巖溶水垂直分帶的重要性

2.1巖溶水垂直分帶

巖溶水的垂直分帶模型對鐵路工程而言是一個實用性很強的概念，可直接用于鐵路平縱斷面的選擇和優化。鐵路部門習慣上采用前蘇聯索洛科夫的4個垂直分帶，即垂直滲流帶、季節變動帶、水平徑流帶和深部緩流帶(見圖1)。地質部門習慣上分為表層巖溶帶、包氣帶、季節交替帶、淺飽水帶、壓力飽水帶和深部緩流帶，地質部門的分帶更多地考慮了水資源的開發利用。水平徑流帶對應于淺飽水帶和壓力飽水帶，特別是壓力飽水帶對巖溶隧道工程施工和巖溶水環境的影響巨大。

圖1　巖溶地下水垂直分帶

2.2巖溶水垂直分帶討論

巖溶水垂直分帶并不能全面反應巖溶含水介質的特征和巖溶水流狀態。阿特金森1985年提出了三重介質模型，即孔隙-裂隙-管道組合模型，相應的水流狀態為擴散流(達西流)、混合流和管道流(紊流)(見圖2)。巖溶水介質模型實際應用上多采用雙重介質模型，即巖溶管道流和溶隙擴散流共存。前者起主要排泄功能，后者則起調蓄功能。兩種含水介質對暴雨脈沖事件的響應及排泄動態的影響截然不同，在水文過程線上，巖溶管道流(尖峰脈沖)代表暴雨洪水期峰值流量，擴散流則代表基流部分。管道流對暴雨響應快，動態變化大，最大與最小流量之比可達10∶1～1 000∶1，而擴散流則反應慢，動態變幅小，最大與最小流量之比一般小于10∶1。由于巖溶發育條件的復雜性，兩種介質比例的分配因巖溶水文地質單元各異，在各垂直分帶上的比例也不盡相同。大量巖溶隧道施工揭示：在垂直徑流帶、季節交替帶和水平徑流帶內，依然存在大量由原始成巖孔隙、裂隙、層面裂隙組成的基巖孔隙度擴散流。同樣，在以擴散流為主的深部緩流帶內，仍然不能排除有巖溶管道流的存在。這些理論上的模型簡化了巖溶水系統的復雜性，實際上巖溶水系統由于受控的地質因素較多，其水流狀態異常復雜。過去認知的深部緩流帶巖溶不發育，以擴散流為主，忽視了存在管道流的可能性，這也是穿越深部緩流帶隧道頻頻出現突水事故的根源，例如大瑤山隧道、園梁山隧道、歌樂山隧道等。

圖2　含水介質三端分類

還有一個值得討論的問題就是虹吸循環帶。已經有越來越多的學者認為，在巖溶暗河和大泉排泄區存在一個較深厚的虹吸循環帶，這個帶總體上屬于壓力飽水帶下部范圍，這就完全顛覆了在巖溶大泉或暗河口以下的含水層巖溶發育微弱、含水不豐富的傳統認知。按此理論，水平徑流帶的厚度是巨大的，大瑤山隧道、園梁山隧道、歌樂山隧道施工均有特大型突水、突泥，也揭示了深部巖溶管道存在的可能，由此看來，洞身位置仍在壓力飽水帶內。深部緩流帶的概念在北方地區或者在地下水分水嶺的補給區可能才有一定的實際意義，比如精伊霍鐵路北天山隧道，隧道埋深近千米，施工中僅揭示出巖溶裂隙水，未見巖溶管道流的發育。

分析一個巖溶水系統，愈靠近分水嶺，巖溶水動力條件越弱，巖溶也就越不發育，愈是靠近排泄區，巖溶水動力條件越強烈，巖溶越發育。在垂向上，水平徑流帶，特別是巖溶水強徑流帶附近，巖溶水動力條件最強烈，巖溶最發育。季節交替帶次之，垂直滲流帶再次之，深部緩流帶巖溶水動力條件最弱，一般情況下巖溶發育較弱，但不能排除沿構造斷裂帶發育溶洞、溶隙帶的可能。從巖溶地下水面或地下水浸流面分析，補給區水位高、水流小，排泄區水位低、水量大，補給徑流區則是連接兩者的紐帶。

2.3巖溶水垂直分帶與隧道突涌水

巖溶隧道涌水問題研究一般涉及突涌水方式、涌水量、水壓、季節變化四個方面，這些都與巖溶水垂直分帶的研究與劃分密切相關。突涌水方式就是管道流、擴散流或混合流的問題。在巖溶隧道水文地質條件評價時，定量預測隧道分段涌水量與水壓及季節變化較為困難。巖溶隧道突(涌)水的定性評價又過于簡單，也缺乏統一的描述尺度和界定?？梢钥隙ǖ氖莾H有分段涌水量的預測是不夠的，水壓和突(涌)水方式才是巖溶隧道設計施工最應關注的問題。鑒于目前隧道突(涌)水定性評價的雜亂性，厘定統一的描述標準是必要的，而水壓、突(涌)水方式和季節變化是關鍵因子。水壓因素建議使用高壓(>0.5 MPa)、壓力(<0.5 MPa)的量化指標，突涌水的方式建議采用溶洞突水、管道突(涌)水、裂隙涌水、裂隙滲水滴水四種方式。季節性的影響還是雨季、旱季分別評價更為貼近實際。表1結合巖溶水的垂直分帶給出了筆者劃分的主要思路。巖溶隧道一旦出現壓力巖溶水和高壓巖溶水區段，都需要重新進行方案研究，優化隧道平縱斷面。

表1　巖溶隧道突涌水方式與巖溶水垂直分帶

2.4巖溶水垂直分帶與線路高程

綜合巖溶水、水壓和巖溶發育程度等因素，宏觀上垂直滲流帶始終是風險最小、相對安全的地帶。自由坡地段線路應抬高線路高程，盡量靠近補給區，緊坡地段線路則應靠近河谷排泄區。水平徑流帶的巖溶管道水最豐富，壓力飽水帶的工程風險最大。設計選線中應盡量避免走在水平徑流帶內，深部緩流帶由于存在巖溶管道流的可能性，巖溶水壓大，施工風險高，也應盡量避免穿越。季節變動帶由于巖溶管道及巖溶強烈發育，季節性洪水的危害也較突出，如長昆客專、云桂鐵路部分巖溶隧道走在季節變動帶內，季節性巖溶水壓較高，雨季對隧道安全產生不利影響，不得不增設泄水洞排水。長期排水可能還會對巖溶石山生態系統造成影響，在條件允許時隧道工程也應盡量避繞季節變動帶。

3　巖溶區危巖落石

巖溶孤峰、峰林及峰叢地貌，山坡陡峻，亂石嶙峋，常見危巖落石發育，已成為巖溶區選線設計不得不重視的又一類頻發地質災害。一般說巖溶突水突泥影響施工階段的施工安全與進度，危巖落石則在雨季頻發，更多的是危害鐵路運營的安全，這在客運專線設計中尤其重要。但危巖落石問題和巖溶、巖溶水問題的解決是相矛盾的，避免危巖落石最直接的方法就是壓低線路高程，采用更長隧道減少隧道洞口的數量。解決巖溶水問題又要求盡量抬高線路高程，兩者是截然相反的思路，巖溶區地質選線的困難也在于此。唯一的方法就是加強巖溶區危巖落石調查，盡量選在山嘴或低緩的巖溶山丘、山嘴進洞，沒有條件時應把運營安全放在首要地位，適當壓低線路高程，采用較長的隧道來避免危巖落石對運營的危害。

4　巖溶水生態地質環境

表層巖溶帶、淺飽水帶、壓力飽水帶是巖溶區水資源的重要蓄水部位。隧道施工對巖溶水生態環境的影響有兩方面：一是隧道排水截流襲奪巖溶管道水流，導致暗河系統或巖溶泉域的流量損耗，影響生活生產；一是施工排水污染暗河或巖溶泉，導致水質變差。表層巖溶帶水是巖溶山區存儲于可溶巖地表強巖溶化的溶隙及溶孔中的巖溶水，一般厚度為5～30 m。表層巖溶泉是山區人畜用水和分散農田灌溉的重要水源，當隧道淺埋時，可能影響表層巖溶帶的人畜用水和生態環境。

巖溶山區的暗河和巖溶泉，多已被生活、生產活動利用，比如發電、灌溉農田等。位于水平帶內的隧道施工排水勢必會襲奪巖溶水系統的管道水流，從而破壞巖溶泉域或暗河系統的生態，給人們的生產生活帶來影響。比如大瑤山隧道班古坳巖溶槽谷，由于地下水漏失，導致地面水田改為旱地，歌樂山隧道巖溶突水也導致較嚴重的地表失水。

無論從自身施工風險出發，還是從保護巖溶水資源出發，隧道都應避免設置在淺埋和水平徑流帶內。

5　覆蓋型巖溶和埋藏型巖溶

巖溶含水巖組按埋藏條件可分為裸露型、覆蓋型和埋藏型三種最基本的類型。

5.1覆蓋型巖溶

覆蓋型巖溶是指被松散堆積物覆蓋的巖溶。覆蓋型巖溶區的地下巖溶管道發育，巖溶地下水埋藏通常較淺，巖溶水位變幅和巖溶水交替作用強烈。對工程而言，覆蓋型巖溶涉及地面穩定性和巖溶(土洞)塌陷?；鶐r的巖溶發育程度、土層的性質和厚度、地下水的活動特征、震動荷載等是巖溶塌陷形成的基本條件。土洞塌陷是覆蓋型巖溶區地面失穩的極端形式，地下水的活動是土洞的形成、發展以致破壞的最活躍因素，特別是水位在基巖頂面附近上下波動的幅度和頻度，對潛蝕、崩解和搬運土粒的速度起重要作用。土洞塌陷是覆蓋型巖溶區地面塌陷最常見的形式之一，直接影響橋梁和路基的安全，在地質勘察和選線設計中應引起高度重視。在地面有塌陷史，勘探揭示土洞，水位在土石界面附近強烈波動的覆蓋型巖溶區應優先優化線路方案予以繞避，不得不通過時，宜多設置橋梁通過。例如貴廣鐵路桂林段，通過桂林巖溶孤峰平原，地面塌陷嚴重，選線設計時選擇了以砂泥巖隧道群繞避巖溶平原的方案，再如長昆客專湖南段，覆蓋型巖溶區的基巖溶洞呈串珠狀發育，選線設計時選擇了以橋代路。

5.2埋藏型巖溶

埋藏型巖溶是指巖溶含水巖組埋藏于非可溶巖基巖之下的巖溶。在以前，鐵路建設中遇到埋藏型巖溶的情況較少，但隨著隧道長度的不斷加大，已有較多的隧道涉及到埋藏型巖溶問題。埋藏型巖溶含水巖層富水性較均勻，巖溶地下水具有統一的水動力場，多為承壓水，具有較高的水頭，而且由于埋藏較大，巖溶水文地質單元的邊界不易確定，巖溶水補給、徑流和排泄的水流系統不清，從而給隧道施工帶來很多不確定的地質風險。凡穿越埋藏型巖溶的隧道多為Ⅰ級風險隧道，例如南三龍鐵路南門口隧道、鄭萬客專香樹灣隧道、小三峽隧道和大瑞鐵路的保山隧道等。鑒于埋藏型巖溶水文地質條件的復雜性，在選線設計中應盡量避免穿越。

6　結論

①巖溶隧道工程地質測繪范圍和巖溶水系統分析應涵蓋完整的巖溶水文地質單元。

②巖溶水垂直分帶分析研究是巖溶水系統分析的重要內容，也是指導巖溶區選線設計的重要依據。

③南方地區要謹慎認識深部緩流帶的有利面，重視虹吸循環帶問題。

④巖溶區選線設計應力求使巖溶隧道走行于巖溶水垂直滲流帶內，隧道突涌水的定性評價應力求量化。

⑤重視巖溶區危巖落石問題。

⑥鐵路選線和隧道勘察設計應重視隧道排水對巖溶區水環境的影響。

⑦不穩定的覆蓋型巖溶區，選線設計時應盡量減少穿越長度。

⑧盡量避免隧道位于埋藏型巖溶區。

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Discussion on the Problems of Engineering Geological Surveying in Karst Area and Geological Route Selection

LI Guangwei

2016-02-23

李光偉(1959—)，男，1982年畢業于西南交通大學鐵道工程地質專業，高級工程師。

1672-7479(2016)02-0012-04

P642.25

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