岩溶地质论文：岩溶地质特点与处理策略

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本文作者：程传军作者单位：中铁第五勘察设计院集团有限公司

水文地质条件和岩溶发育特征

1．水文地质条件

隧址区背斜轴部的碳酸盐岩为岩溶含水岩组，属强富水岩组。背斜两翼三叠系上统须家河组的长石石英砂岩、长石岩屑砂岩，为层间承压孔隙裂隙含水岩组，属中等富水岩组。隧址区内的断裂带F3、F4、F5断裂带及影响带发育了部分张扭性裂隙带，沿断裂带溶蚀裂隙、溶洞、落水洞发育，具有强的富水性和渗透性。这些断裂带为导水构造。三叠系上统须家河组（T3xj）泥、页岩夹煤层层位，渗透性和富水性差，为相对隔水层。背斜轴部嘉陵江组碳酸盐岩直接出露于岩溶槽谷，为地下水补给天窗，主要接受大气降水和地表水补给，两侧斜坡地带接受大气降水补给后，一部分在槽谷两侧以泉点形式排泄，沿河沟排出槽谷外。槽谷底部接受大气降水补给后，直接沿岩溶裂隙、落水洞下渗形成地下水，沿岩溶管道运移。

2．岩溶出露形态

隧址区背斜轴部纵张裂隙发育，为地下水对可溶岩地层产生溶蚀作用创造了十分有利的地质条件，岩溶形态表现为溶蚀槽谷、溶蚀洼地、落水洞、水平溶洞和溶隙等，岩溶发育规模极不均一，最大有数米落水洞，小至数毫米的溶隙和溶孔。从对核部隧道南部采石场的地表调绘可知，地表张裂隙发育，张开度宽3~5cm，局部可达10cm，可见发育深度最大达30m，局部段为粘土充填。另外，洞身段有三条断层通过，地面调查和物探信息显示，在这些断层及影响带范围内有岩溶裂隙和溶洞发育。

3．岩溶发育规律

（1）岩溶发育的呈层规律。隧址区由南向北可见魏家槽、韩家槽、魏家槽、赵家湾、周家槽（南侧）、干田坝、周家槽（北侧）等条状串珠状溶蚀洼地组成的溶槽。溶蚀洼地、槽谷、落水洞系统都集中分布于含盐溶角砾岩层的三叠系下统嘉陵江组（T1j）第四段层位，而以灰岩、白云岩为主，不含盐溶角砾岩层的三叠系下统嘉陵江组（T1j）第三段灰岩溶蚀现象则以溶丘、残丘、溶蚀裂隙为特征。岩溶形态及岩溶化程度的差异，显示可溶性碳酸盐岩类中可溶性成分的种类、含量对溶蚀现象发生的难易程度有突出影响，岩溶在嘉陵江组顶部第四段内盐溶角砾岩与白云质灰岩、灰岩接触带、第四段白云岩与第三段灰岩接触带发育最为强烈。（2）溶蚀现象受地质构造影响显著。在沥鼻峡背斜核部呈条带状分布的串珠状溶蚀洼地与干谷坝断裂带（F3）走向一致。而在背斜西翼分布的岩溶槽谷形态，明显受区域横张裂隙控制的侵蚀、溶蚀沟谷影响，槽谷呈等间距平行排列。

岩溶工程地质问题及处理措施

1．塌方和冒顶

隧道碳酸盐岩按岩溶化程度可分为强岩溶化岩体和岩溶化岩体。强岩溶化岩体发育层位主要是三叠系下统嘉陵江组四段（T1j4）、二段（T1j2）和嘉陵江组三段（T1j3）季节交替带、三叠系中统雷口坡组（T2l）和断层破碎带和影响带。三叠系下统嘉陵江组四段（T1j4）和三叠系中统雷口坡组（T2l），其岩体为含盐溶角砾岩、角砾状灰岩可溶性碳酸盐岩。其中盐溶角砾岩岩体强度低，该层部分段呈泥质胶结状，少量为泥夹石状，强度低，完整性差。嘉陵江组三段（T1j3）断层破碎带及影响带，岩体为可溶性碳酸盐岩，岩体破碎，溶孔、溶隙和垂直溶隙发育。岩溶化岩体发育层位主要是三叠系下统嘉陵江组四段（T1j4）、三段（T1j3），该层位岩性为灰岩、白云岩。围岩级别取决于岩块坚硬程度、岩体完整性、构造和地下水条件。岩溶对围岩级别的影响主要表现为降低了岩体完整性和存在大量的岩溶地下水，从而降低了围岩级别［3］。强岩溶化岩体中存在大量的Ⅴ级和Ⅳ级围岩，岩溶化岩体中也存在大量的Ⅳ级围岩，这些区段在施工过程中易塌方、冒顶。

2．涌水、突水和突泥

地质测绘、钻探、钻孔水文地质试验、高密度电法高密度电法物探均显示，在强岩溶化岩体区段存在大量的岩溶裂隙，局部还存在溶洞，渗透系数大。钻孔抽水试验和注水试验显示渗透系数K=0.45~4.5m/d。利用地下水径流模数法和大气降水入渗法对隧道各区段的平水期和丰水期涌水量进行计算和预测。结果显示，隧道平水期涌水量达14,880m3，丰水期涌水量达52,080m3。强岩溶化岩体、中等岩溶化岩体段总长约1,610m，占隧道总长的48%，但其平水期涌水量约14,400m3，约占隧道总涌水量的97%。可见，在将来施工过程中，该隧道的涌水量绝大部分将来源于强岩溶化和中等岩溶化岩体，岩溶大大增加了该隧道的涌水量。另外洞顶地表存在水塘、水田，局部可能存在联通至洞身的地下水通道（溶洞、岩溶裂隙等），因此隧道开挖过程中将易突水、突泥。初步估算，在强岩溶化岩体和岩溶化岩体段，隧道外水压力可达0.66MPa~0.95MPa，最大突水量可达106,000m3/d。

3．岩溶可能引发隧道施工过程中的环境地质问题

隧道建设将降低地下水位，尤其是在和嘉陵江组碳酸盐岩含水层分布区，成为隧道区及其邻近的排泄基准面，并可能贯通裂隙与地表水体连通，影响甚至疏干地表水体。

4．岩溶地质问题处理措施

（1）对岩溶引起的隧道崩塌、冒顶等围岩稳定性问题，建议在施工过程中加强超前地质预报，推行信息化设计、新奥法等先进的施工方法和施工工艺，对Ⅲ、Ⅳ级围岩分布大力推行光面爆破，努力维护围岩稳定性。组成V级围岩的嘉陵江组四段盐溶角砾岩夹白云质灰岩和断层破碎带及影响带，施工时应采用导洞或台阶分部开挖，二次复合支护。（2）对于强岩溶花和岩溶化岩体大量涌水、突水、突泥和地表水疏干问题，应加强施工过程中的超前地质预报，根据超前预报信息，采取合适的防治措施。对强岩溶化岩体和岩溶化岩体采取短进尺掘进、小药量爆破。对可能发生大量又涌水、突水和突泥地段进行钻孔泄水或者提前围岩灌浆处理。施工中的涌水应采取以堵为主进行处理，防止大面积涌水、突水、突泥和地表水体疏干。