（道路与铁道工程专业论文）圆梁山深埋长隧道毛坝向斜段深岩溶及其突水的研究.pdf

摘要 摘要 长大隧道的岩溶突水是国内外隧道施工中的重大灾害，但隧道岩溶突水的预报防治一直 没有很好解决，一个主要原因是对岩溶发育基本规律的研究还不深入长期以来在对深埋岩 溶特征获取上，除了仅有的钻孔资料，其他物探方法均为间接判译，使获得的岩溶信息往往 一孔之见，铁路勘测调查范围狭小的特点很难识别岩溶水系统的空间结构、地下水变化及与 隧道的空间联系。限制了岩溶发育深度研究的发展。 近年，我国岩溶山区深埋长大越岭铁路隧道成为主要设计类型，深部岩溶突水对施工造 成了极大的危害，且大量突水导致地面生态环境恶化等连锁反应。因此开展岩溶隧道突水相 关的各类基础理论研究具有现实意义。+ 解决深埋岩溶隧道突水问题的前提是要预测出隧道线位上是否存在充满大量水体及与 之连通道的溶洞管道，这就必须掌握隧道线路上岩溶的发育程度及分布特征。本文以铁道部 科研项目“渝怀线铁路圆梁山隧道深部岩溶与岩溶水发育特征研究”为基础，对毛坝向斜段揭 露的深埋岩溶，表层岩溶发育特征及水源环境，深部岩溶水流的穿层运移形式及径流模式， 岩溶水流的连通特征等进行了系统研究，提出了隧道建设中需要考虑的三个岩溶集中发育带， 深部管道流的径流途径模式，隧道线路危险段地质预测方法。主要研究结论如下： 1 毛坝向斜是多期地质构造综合作用形成的船形的构造形态，在向斜中形成了独立的地 下水循环系统。 2 毛坝向斜深部岩溶与表层岩溶的分布特征及影响因素具有致性，可以通过表层岩溶 发育环境推定深部岩溶基本分布规律。 3 针对隧道高程揭露的几个大型溶洞( 埋深8 0 0 m ) ，通过隧道排水对地表水的影响监测 和溶洞沉积物的物源研究证明：浅表层与深部岩溶的关系密切，深部岩溶水来自向斜现代槽 谷洼地汇水和一、二级夷平时期发育的溶洞管道汇水；而且深部岩溶水水化学成分及c 0 2 含 量分析结果表明，深部岩溶仍在继续发育。 4 通过表层岩溶和溶洞的调查分析认为：管道流是毛坝向斜深埋地下水的主要运移形式， 循环途径主要为；槽谷、洼地等汇水系统落水洞等水流补给系统一一暗河管道径流系 统一一排泄系统。该区充沛降水补给和深部大型管道溶洞求是产生隧道突永的主要原因。 5 隧道旖工揭露的几个深埋大型溶洞，在发育深度上远远低于地下水在向斜区内的最低 排泄点，而主要发育在深部含水层的底板或相对隔水层顶板附近，最易出现在核部区岩层产 状由水平转变为倾斜岩层的部位。因此，岩溶发育深度不能简单的用当地侵蚀基准面或排泄 基准面笼统的确定，而是受含水层与隔水层界面的分布、构造形态、岩溶发育阶段，附近地 。 l 捕要 表水系的分布等因素综合控制。 6 认为隧道突水的线路危险段地质预测方法与危险段内超前预报法相结合进行深埋隧道 突水灾害预测工作是非常必要的。 关键词：圆梁山隧道深部岩溶岩溶突水管道流发育深度地质预测 2 a b s t r a c t a b s 。i r ca ：i b u r s t i n go f k a r s tw a t e ri nt h el o n ga n dd e 印t u o n e li sa d i s a s t e rd u r i n gt u n n e lc o n s t r u c t i o na l l o v e rt h ew o r l d h o w e v e r , t h ed i s a s t e rf o r e c a s ti sr e l a t i v e l yd i f f i c u l tb e c a u s eo fp o o ru n d e r s t a n d i n g o ft h er u l e so f k a r s td e v e l o p m e n lu pt on o w , i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i nt h ed e 印k a r s tc h a r a c t e r i s t i c s , w h i c hi so n l ya c q u i r e dd i r e c t l yf r o ml i m i t e di n f o r m a t i o no f s e v e r a lb o r e h o l ed a t ao ri n d i r e c t l yf i - o m o t h e rg e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n g i na d d i t i o n , t h ei l a r r o wr a i l w a yi n v e s t i g a t i o na l s oc a r m o ti d e n t i f yt h e s p a t i a ls r u c r l r eo f k a r s tw a t c q s y s t e ma n di t sr e l a t i o n s h i pt ot u n n e l s a l lt h e s er e s t r i c tt h ea d v a n c e s t u d y i n go f t h ed e p t ho f k a r s t r e c e n t l y , t h ed c e pa n dl o n gt u n n e li st h em a i nt y p eo f r a i lt u n n e li nt h ek a r s ta r e a s , w e s tc h i n a t h ed i s a s t e rt oc o n s t r u c t i o ni st h ed e 印b u r s t i n go f k a t s tw a t e r f u r t h e r m o r e ，d r a i no f h u g ev o l u m e o f w a t e r w i l l w o r s e t h er e g i o n a le n v i r o n m e n l t h e r e f o r e ，i t i s n e c e s s a r y t os t u d y t h e t h e o r i e so f t h e b u r s t i n go f k a r s tw a t e r b e f o r ec o n s t r u c t i n gr m l w a yt u n n e li nt h ek a r s ta r e a so f o u rc o u n t r y t h eb a s i so fr e s o l v et h ew a t e rb u r s t i n go fd e e pt u n n e l si st ou n d e r s t a n dt h ed e v e l o p m e n ta n d d i s t r i b u t i o n o f k a r s t i i i t h es u r r o u n da r e a s o f t h er a i l w a y l i n e s a n d t h e n t o f o r e c a s t w h e t h e r t h e r e a r e f l o w so fk a r s tw a t e ro nt h el i n e so fr a i l w a yt u n n e l s s u p p o r t e db yt h ep r o j e c t “s t u d yo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so f d e e pk a r s ta n dk a r s tw a t e ri nt h ey u a n l i a n g s h a nt u n n e l so f y u - h u a ir a i l w a f f r o m t h em i n i s t r yo f r a i l w a y so f c h i n a , t h i sp a p e rs t u d i e st h ec h a m c t e r i s t i c so f t h ed e 印k a r s tb yt u n n e l c o n s t r u c t i o n , t h ed e v e l o p m e n to fs h a l l o wk a r s ta n dt h ew a t e rs o u r 。ee n v 缸o n m e n t , t h ed r a i nm o d e l o fd e e pk a r s tw a t e r , t h ec o n n e c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i co f t h ek a r s tw a t e ri nt h em a o b as y u n l i n er e g i o n , t og i v eag e o l o g i cw a yt oj u d g et h es e c t o ro fk a r s tw a t e rb u r s t i n ga l o n gt h et u n n e ll i n ea n dt o s u p p l yt h et l l r e em a i nk a r s td e v e l o p m e n tz o n e s ，t h ed r a i np a t h so f d e e pk a r s tw a t e ra n dg e o l o g i c a l f o r e c a s t m e t h o d s o n w a t e r - b u r s t f o r e c a s t t h e m a i n c o n c l u s i o n sa t - e b e l o w ： 1 m a o b as y n c l i n ei sab o n t - e s q u es t r u c t u r ep r o d u c e db ym u l t i p l es t a g e so ft e c 州ce n , r e f l t s ， w h i c hf o r m e da l li n d c p d c n tw a t e rc y c l es y s t e mi n t h em a o b as y n c l i n e 2 t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dh l _ t l u e n c ef a c t o r so ft h es h a l l o wa n dd e e pl l t s t sa t h e s a m e t h u s ，i ti st ob ef o r e c a s t e dt h ed i s t r i b u t i o n so fd e e p k a r s tf r o mt h ef e a t u r e sa n d h y d r o c h e m i s t r yo f t h es h a l l o w k a r s t 3 t h em o n i t o r i n go fi n f l u e n c eo fs u r f a c ew a t e rb yt u n n e ld r a i n i n gw a t e ra n dt h es t u d yo ft h e s o l n c e so fd e p o s i t si nt h es e v e r a ll a r g ec a v e sw i t h8 0 0 md e p t hr e v e a l e db yt u n n e l sr e v e a lt h e a 伍1 1 i 哆b e t w e e nd e 印a n ds u r f a c ek a r s t s t h ek a r s tw a t e ri l lt h ed e c pi sf r o mt h ec a t c h m e n to f p r e s e n tk a r s tt r o u g ha n dt h ek a r s tc o n d u i td e v e l o p e dd u r i n gf o r m a t i o no ft h e f i r s ta n ds e g o n d p l a n a t i o n t h eg e o c h e m i c a ld a t aa n dc 0 2c o n t e n t so f t h ed e c pk a r a tw a t e ri n d i c a t et h a tt h ed e 印 k a r s ti ss t i l ld e v e l o p i n g 3 a b s t r a c t 4 t h em a i nw a yo f w a t e rf l o wi nt h ed e p t ho f m a o b as y n c l i n ei sc o n d u i tf l o w , w i t ht h ep a t h so f k a m td e p r e s s i o n ，s i n k h o l e u n d e r 轳o u n dw a t e r , d r a i np o r t , a n ds oo n t h em a i nf a c t o r so fw a t e r b u r s t i n ga r ep l e n t e o u ss u p p l yo fp r e c i p i t a t i o na n dp l e n t e o u sk a r s tw a t e ri n t h el a r g ea n dd e e p t u n n e l si nt h ea r e a 5 s e v e r a ll a r g ed e e p l y - b u r i e dk a r s tc a v e sr e v e a l e dd u r i n gt h et m m e lc o n s t r u c t i o n , m a i n l yo c “i k n e a rt h eb o a o mb e d so fd e e pa q u i f e r so rt h ea p i c a lb e d so fa q u i t a r d s ，e s p e c i a l l ya tt h et r a n s i t i o n p l a c e sw h e r eh o r i z o n t a lr o c kl a y e r sb e c a m ei n c l i n e d t h e i rd e p t h sa l ef a rb e l o wt h el o w e s td r a i n a g e l o c a t i o n so fg r o u n d w a t e ri nt h es y n c l i n ez o l l e t h e r e f o r e ，t h ed e p t h so f k a r s td e v e l 唧tc a l ln o t b es i r 印l yd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ol o c a le r o s i v ed a t u mp l a n eo rd r a i n a g ed a t u mp l a n e ，b u ta r e c o n 仃o h e db yt h ed i s t r i b u t i o n so f t h ei n t e r f a c e sb e t w e e na q u i f e r sa n da q u i t a r d , r e g i o n a ls t r u c t u r e s ， s t a g e so f k a r s td e v e l o p m e n t ，a n dd i s t r i b u t i o n so f s u r r o u n d i n gs u r f a c ew a t e r , e t c 6 i ti ss i g n i f i c a n tt of o r e c a s tt h eb u r s t i n go fk a r s tw a t e ri nd e e p l y - b u r i e dt u n n e l su s i n gt h e c o m b i n e dg e o l o g i c a lf o r e c a s tm e t h o d sw i t ha d v a n c ef o r e c a s tm e t h o d sa tt h ed a n g e r o u ss e c t i o n s a l o n gt h et u n n e l s k e y w o r d s ：y u a n l i a n g s h a nt u n n e l ；m a o b as y n c l i n e ；d e e p - k a r s t ；k a r s tw a t e rb u r s t i n g ；c o n d u i tf l o w ； t h ed e p t ho f d e v e l o p m e n t ；g e o l o g i c a lf o r e c a s t 4 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究目的和意义 深埋长大隧道在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通工 程运行质量等方面具有不可替代的作用。随着我国西部大开发进程的加快，西部 地区在铁路，公路、水电等领域将会修建更多的长大隧道工程。数量多、长度大、 大断面、大埋深将是未来我国隧道工程发展的总趋势( 王梦恕1 9 9 8 ) 。 长大深埋隧道施工中，高压涌( 突) 水是经常遇到的主要地质灾害。就目前来 看，隧道涌水灾害的超前预报，尤其是勘测设计阶段的超前预报，精度总体不高， 甚至出现相当大的偏差。如襄渝线大巴山隧道预测涌水量4 ，1 4 x1 0 4 m 3 d ，施工时最 大涌水量达到2 0 5 5 x1 0 4m 3 d ：川黔线娄山关隧道预计涌水量6 0 0 1 0 4 m 3 d ，施 工最大涌水量为3 2 0 1 0 留d ；贵昆线岩脚寨隧道预计涌水量0 6 6x1 0 4 m 3 d ，施 工最大涌水量达1 0 0 8x1 0 4 一d 。灾害预测偏差将影响施工组织，制约施工进度， 造成巨大经济损失，有时会产生严重的伴生环境问题( 黄润秋) 。 造成深埋隧道涌( 突) 水灾害超前预报精度偏低的主要原因是： 其一，由于隧道埋深大，一般无法通过加大常规勘探力度来获取足够的预测 信息。如2 4 5l ( 1 n 挪威l a e r d a l 隧道、1 8 4k m 秦岭隧道及5 6 9k m 瑞士c - o t t h a r d 隧道的最大埋深分别达到1 4 0 0 m 、1 7 0 0 m 和2 5 0 0 m ，对深部岩溶特征获取上，已有 的研究成果主要是依托岩溶区地表调查及仅有的钻孔资料取得的，获得的岩溶信 息往往一孔之见，超前预报的难度很大。 其二，铁路勘测调查范围狭长特点又很难查清岩溶水系统的空间结构、地下 水变化及与隧道的空间联系，限制了深岩溶发育规律的深入研究( 韩行瑞2 0 0 4 ) 。 其三，目前深埋隧道涌水预测可以借鉴的研究成果主要集中在裂隙岩体方面， 而隧道涌水灾害发生频率最高、损失最严重的一般都是岩溶隧道。据不完全统计， 国内外隧道日涌水量超过l o x l 0 w d 的大型涌突水事件中7 0 都发生在岩溶隧道 中，如欧洲阿尔卑斯山隧道及其他越岭隧道：我国3 0 余座岩溶长隧道中约4 0 发 生过大于l o x1 0 4 一d 的严重涌突水( 刘丹1 9 9 8 ) ；在西南、中南地区建设的1 7 座 岩溶长隧道中近5 0 发生过较大岩溶涌水灾害( 陈成宗1 9 9 3 ) 。尽管岩溶研究具有 十分悠久的历史，而且也已积累了若干重要的研究成果，仍然不能有效指导深埋 北京交通大学博士学位论文 岩溶隧道的涌水预测问题，例如管道化岩溶发育的极限深度等问题还有待深入研 究( 黄润秋) 。 随着近年来西南地区长大深埋隧道普遍展开，工程上遇到的深层岩溶问题会 越来越多，大长度，大断面的开挖为现场勘查山体内部岩溶的发育特征、研究深 部岩溶形成机理提供了真实丰富的第一手资料，因此，抓住目前岩溶区正在修建 大量隧道的有利时机，积极开展与岩溶隧道突水相关的各类基础理论研究具有现 实意义。 本文以铁道部科研项目“渝怀线铁路圆梁山隧道深部岩溶与岩溶水发育特征 研究”为基础，对毛坝向斜段揭露的岩溶特征及区域内岩溶发育进行对比分析， 通过沉积学原理对不同深度沉积物质进行物源对比研究，追溯出毛坝向斜岩溶活 动特征，并从工程服务的角度出发，确定出几个岩溶集中发育带，并提出隧道线 路危险段地质判断方法。为今后岩溶区铁路隧道选线设计、施工、排水等方案提 供正确依据。 1 2 铁路隧道岩溶涌( 突) 水灾害研究概况 岩溶灾害研究中，危害地基稳定的岩溶塌陷问题相对广泛，因此浅层岩溶形 态发育特征研究较为深入( y u a n l 9 8 7 ，c h e n l 9 9 4 ，l i 6 0 n g y u l 9 9 9 ) 。岩溶隧道突水 问题在二十世纪5 0 年代末以前，国内还缺乏专门研究，主要工作限于利用常规的 勘查方法查明隧道含水层围岩中地下水的赋存规律，分析隧道开挖的水文地质及 工程地质条件，确定地下水的富集带以及潜在的隧道涌水通道，如断裂带、岩溶 管道等。此后，日本学者高桥彦治在修建北陆隧道中，首次提出了简便的涌水量 计算方法，并汇集到1 9 6 2 年报告关于隧道涌水的应用地质考察中，隧道涌水 问题逐渐建立起体系( 高桥彦治t 9 8 8 ，1 9 8 9 ) 。1 9 8 8 年国际隧道工程大会以“隧道 与水”为主题出版了来自3 0 个国家学者的1 6 0 篇论文，内容涉及到隧道设计、施 工和运营中水引起的问题的各个方面( 刘丹1 9 9 5 ，1 9 9 8 ，j m a n u e ls e r r a n o1 9 8 8 ) ， 为以后隧道涌水研究确定了基础。 1 2 1 岩溶区隧道涌水量预测研究现 隧道水问题的关键是涌水量大小问题，在隧道涌水量计算预测方面，日本大 岛洋志等1 9 8 7 年提出三类预侧方法：一类以经验或统计资料为基础的预测，如枯 2 第1 章绪论 水流量模数法、渗入系数法、比拟法、水均衡法等。一类是以水力公式为基础的 预测，主要包括大岛洋志公式，雅可布公式等。以及我国的一些经验公式( 朱大力 2 0 0 0 ，聂志宏、张弥2 0 0 0 ) 。一类是依据水的汇入排出的模拟方法为基础的预测， 包括伊腾洋、佐腾邦明等人的非稳定流计算式。 基于隧道涌水更多的是来自裂隙介质或裂隙岩溶介质这一认识，从6 0 年代起， 诸多学者开始把注意力由研究孔隙介质中孔隙水渗流转向集中研究裂隙介质中裂 隙水的水力特性和流动规律上，提出不少裂隙水渗流的理论模型，以b a r e n b l a n t t ( 2 9 6 0 ) 、w a r r e m 、r o o t ( 1 9 6 3 ) 等的“双重介质摸型”，r o m ( 1 9 9 6 ) 和s n o w ( 1 9 6 9 ，1 9 7 2 ) 等的“独立裂隙一块体介质模型”最具代表性和影响力。并针对于岩溶水，提出 了多种岩溶水预测模型，如岩溶泉流的解析模型等。在此基础上，借助电子计算 机，采用数值方法计算预测隧道涌水量。 我国学者在涌水量预测方法上主要有：以水文统计法、水流渗入法为主的非 确定性统计模型，以非稳定性理论等为基础的确定性数学模型，以灰色理论等为 基础的随机性数学模型。其中非确定性统计模型法原理简单、使用方便，但计算 结果相对较为粗略；确定性数学模型法中，解析法数学推导严密，但适用条件荷 刻，参数的准确获取并非易事，应用大受限制，而数值法只要地质模型正确，往 往能获得较好结果，但对勘探试验、地质分析的要求高( 毛建安、石中平1 9 9 8 ，陈 南祥1 9 9 7 ，徐则民、杨立中1 9 9 9 ，李兴高、刘维宁2 0 0 2 ，郑黎明1 9 9 8 ，王延福1 9 9 8 ， 黄涛1 9 9 9 ，勤虎1 9 9 5 ) 。基于以上理论模型，工程活动中常运用以下几种方法来进 行涌水量研究： 地下水动力学法：但其预测精度受到地形、人力、物力、经费等诸因素影响， 如大巴山隧道采用此法预报涌水量为4 1 4 x1 0 4 3 d ，而实际涌水量是预测的几倍； 岩脚寨隧道预测涌水量为0 。6 6 x1 0 4 m 3 d ，而实际是涌水量预测的几十倍：其他岩 溶隧道诸如：大寨、娄山关、南岭、梅花山、燕子岩等均采用此法预报，预报与实 际结果均相差很大( 蒙彦2 0 0 3 ) 。 水均衡法：根据水均衡原理查明隧道旌工期水均衡各收入、支出部分之间的 关系进而获得施工段的涌水量。如李彦军( 2 0 0 0 ) 结合水文地质条件及水力学特征 用水均衡法作为新寨岩溶隧道涌水量计算方法；屈科、许模( 2 0 0 1 ) 等在缺少足够 的水量动态资料情况下对圆梁山隧道毛坝向斜段岩溶水流量进行了均衡分析。水 均衡法能在查明有保证的根本补给来源的情况下确定隧道的极限涌水量值，能给 3 北京交通大学博士学位论文 出任意条件下进入施工地段的总的“可能涌水量”，但不能用来计算单独隧道的 涌水量。 非线性理论方法中，常用神经元网络专家系统、系统辨识法等。如徐则民，黄 润秋等( 2 0 0 2 ) 运用此法对渝怀铁路圆梁山特长隧道涌水量及疏干影响范围进行了 预测和评估。其他方法主要有地下径流模数法、降水入渗法、地下径流深度法和 地球物理化学法( 李文兴1 9 9 6 ) 。 1 2 2 岩溶涌( 突) 水预报技术研究 隧道旌工期地质超前预报由来很久，英、法、日、德等国家均将此列为隧道 工程建设的重要研究内容。在我国隧道施工期地质超前预报研究始于上世纪5 0 年 代末，但真正应用于隧道工程建设( 包括其他地下工程) 是在上世纪7 0 年代，基本 上分为地质法，钻探法，物探法几大类。随着科技手段和先进设备不断升级的环 境下，各类预测手段也不断提高，如运用环境同位素技术、浅层反射波法、层析 成像技术，地质雷达检测方法，隧道内反射地震预报方法，t s p 超前预报技术，t r t 反射地震层析成像方法等。但这类先进设备的其实用性和推广性也还有待加强( 刘 志刚，2 0 0 3 、刘秀峰2 0 0 3 、余中明1 9 9 9 、高克德1 9 9 4 、赵永贵2 0 0 3 、朱宝龙2 0 0 3 ) 。 1 2 3 隧道岩溶涌突水预测存在的问题 随着深埋长大隧道的发展，岩溶地质体高度的不确定性和复杂性越发充分表 现出来。而目前隧道涌水量的计算的仍是处于近似计算的水平，根据现有资料对 预测涌水量与实际涌水量的粗略对比统计表明，两者误差小于2 0 的隧道仅占总数 的1 5 ，而误差超过5 0 的隧道占总数的7 5 以上，部分隧道的误差竟达数到数十 倍( 刘丹1 9 9 8 ) 。其中岩溶地区隧道突水灾害比例更大。如渝怀线铁路圆梁山深埋 隧道，仅不到3 公里的毛坝向斜段就意外揭露出3 个大型含水溶洞管道，造成严重 突水灾难。 这与隧岩溶道涌( 突) 水灾害特征有密切关系，大多数岩溶隧道都是穿越分水 岭或河闻地块，至少有两个旎工口，至少有一面可以自然排水。另一面如果是逆 坡施工，用水泵排水，其扬程也不过几十米。因此，对隧道而言，一般在1 1 0 4 m d 以下的涌水对工程不会造成很大的危害。特别是裂隙状涌水、小股溶洞水，一般 都不会构成很大危害。据我国3 0 余座岩溶长隧道的统计，约4 0 发生过1 1 0 4 m 3 d 第1 章绪论 以上的大型涌突水( 徐刚民2 0 0 3 ) ，其中约3 0 9 6 发生过5 o i o 3 d 以上的重大型涌 突水，约2 0 发生过l o 0 1 0 4 m 3 d 以上的特大型涌( 突) 水。真正对施工、运营安 全造成危害的是单个涌水段涌水量1 o 1 0 4 m v d 以上的大型涌水，特别是5 o 1 0 4 m 3 d 以上的重大型涌( 突) 水，其中涌水量1 0 o 1 0 4 m d 以上的特大型涌( 突) 水往 往造成灾害性后果。因此，对于岩溶隧道造成灾害的是是重大型及特大型涌( 突) 水( 韩行瑞2 0 0 4 ) 。而这类涌突水往往是隧道线路段上的大型岩溶管道及溶洞储水 被揭露而造成的。这类深埋于山体内的溶洞储水量几乎不能够被现有的各类涌水 计算方法预测出来。 这与岩溶发育规律的研究还不深入，没能根据地质分析、物探、钻探等综合 判断隧道溶洞的准确分布位置有重要关系。所以解决问题的关键并不在于去寻求 新的计算方法，而是应在对岩溶地质体进行全面深入认知研究，为数学模型的建 立提供更为客观清晰的岩溶地质模型，所以如何尽量查明隧道地区的岩溶发育规 律，岩溶水流特征，建立符合客观实际的岩溶水文地质概念模型，这对隧道涌水 量预测具有现实性意义。 1 3 岩溶研究概况 1 3 1 岩溶基础研究特点概述 岩溶最早是作为一种地貌类型来认识，我国古代许多典籍和地方志中都对石 灰岩地形和岩洞形态特征进行过描述记载，明代地理学家徐霞客曾详细记录了我 国云贵地区各种石灰岩地形景观。十九世纪南斯拉夫学者c v i j i c j 研究了喀斯特 高原石灰岩地形，命名这种石灰岩地貌为喀斯特地貌( 中国科学院地质研究所岩 溶研究组1 9 8 7 ) 。 岩溶研究内容主要是基于岩溶地貌特征及岩溶作用发展的机理。岩溶发育特 征的较早论述是c v i j i c l g l 8 年提出了循环发育的五个重要的条件：大规模分布的 巨厚石灰岩体，下伏弱透水的隔水层，可形成表层径流模式的表层隔水层，位于 海平面之上的地质序列，岩溶循环的足够时问。s p a r k s ( 1 9 6 1 ) 在岩溶作用机理 化学分析基础上，建立了岩溶发育理想化的模型图解，提出了岩溶发育青年期， 成熟期，成熟后期以及老年期的形态特征，这是岩溶发育阶段特征较早划分，后 期研究者常以此作为判断一个区域岩溶发育阶段的参考。 北京交通大学博士学位论文 在岩溶地貌形态及发育影响特征的研究中，针对不同区域特征，研究方法及 对象各异。w r i g h t ( 1 9 6 4 ) 、w r a y ( 1 9 9 7 ) 、s h a d e ( 2 0 0 2 ) 等从可溶岩的岩性特征上， 对比分析了碳酸盐岩与硫酸盐岩不同的岩溶发育及地貌特征。a 1s a y a r ia n dz o t l ( 1 9 7 8 ) 、j a d o a n dj o h n s o n ( 1 9 8 3 ) 从第四纪气候演变等角度分别研究了美国r i y a d h 东南部d a h lh i t 地区的岩溶地貌，推断出该区岩溶发育史及影响因素。d a v i e sa n d l e g r a n d ( 1 9 7 2 ) 、w h i t ee t a l ( 1 9 9 5 ) 分析了美国岩溶地貌形态的分布及发育特征。 h e r a km 等( 1 9 7 2 ) 对a m s t e r d a m 重要的岩溶地貌分布及形成因素进行了研究。许多 学者( p o w e r se ta 1 1 9 6 6 ，a is a y a r ia n dz o t l1 9 7 8 ，j a d oa n dj o h n s o n l 9 8 3 ，6 r o s c h e ta 1 1 9 8 7 ，e r o l l 9 8 9 ，e d g e l l l 9 9 0 ，s h e h a t ae ta 1 1 9 9 0 ，v a s l e t1 1 9 9 1 ，a m m a r l 9 9 7 ) 对a r a b i a 东部岩溶区进行了大规模研究，分析了该区岩溶形态特征与其碳酸盐岩 建造的密切关系。 我国岩溶区域分布广，地质条件复杂，在国际岩溶研究中具有地域上的优势 ( s w e e t i n gmm 1 9 9 5 ，杜恒俭1 9 8 1 ) 。在对西南岩溶综合调查研究中，依据地壳发 展阶段划分岩溶发育的大历史阶段，根据溶洞层与夷平面阶地的对比及溶洞或洞 穴的沉积物的年代等来划分小阶段。在岩溶分布上，分析研究了同一流域内岩溶 地貌景观的差异性原因。在影响特点上，提出岩组、地质构造为岩溶发育的物质 基础，地下水为岩溶作用的主动力，岩石裂隙是影响管道溶洞、漏斗、暗河发育 的重要因素，而岩溶化程度取决于地质发展历史、地形地表和地下排水网的因素。 另外一些学者从化学角度提出岩溶发育规律与岩性纯净程度有关，进而推广到层 面裂隙水流为水循环和溶蚀作用的主要途径，峡谷发育与河流流向与岩层倾斜的 密切关联( 杜恒俭等1 9 8 1 ，袁道先1 9 9 7 ，卢耀如1 9 9 9 等) 。 总体讲，近百年来，岩溶学经历了形态描述，成因演化假说、背景条件分析 到目前水一岩相互作用机理几个阶段( 袁道先1 9 9 7 ) 。目前岩溶则涉及到岩溶生态和 地质环境研究；岩溶动力学研究，岩溶水资源调查研究，岩溶洞穴等方面( 如岩溶 天坑等) 的研究。在研究方法上总结出了岩溶发育研究必须以系统思想为主导的系 统论方法( 朱远峰1 9 8 0 ) 。 这些岩溶特征研究成果被广泛应用到工程地质灾害的研究中。为解决目前深 埋隧道遇到的深部岩溶发育问题提供良好参照条件。 6 第l 章绪论 1 3 2 岩溶应用研究特点 在应用研究领域里，一部分是开展古岩溶发育规律与储油构造关系的研究， 指导油田勘查工作及岩溶地区矿产地质的勘查工作：一部分研究影响工程活动关 系的岩溶灾害问题。 工程活动中涉及到的岩溶问题主要是岩溶地质灾害及预测防治( 如岩溶塌陷， 岩溶渗漏，岩溶涌突水等灾害问题) ，研究内容涉及到岩溶发育规律、岩溶探测技 术和测试技术等，其研究深入程度与工程建设的发展密切相关。如我国的五十年 代，为发展水电事业，展开的西南岩溶区的勘察研究为我国岩溶研究提供了宝贵 的资料，此时期的重点科研项目“我国岩溶分布发育规律及其改造利用”和l ：2 0 万区域水文地质普查成果成为我国岩溶工程地质灾害研究的基础( 全国喀斯特研 究会议论文选集1 9 6 2 ) 。t r u d g i l l 等( 1 9 8 5 ) 在对a r a b i a 区岩溶形态特征基础上， 系统评价了该区溶洞体系的发展对工程建筑的危害，并进行了工程地质灾害分级， f o o k e sa n dh a w k i n s ( 1 9 8 8 ) 把岩溶发育特征与工程地质灾害分级联系在一起，对 温带结晶石灰岩地区的岩溶发育程度进行了五级划分，并阐明了每一级岩溶区的 工程地质特征与工程勘察的重点。r o b e r th a c k ，r a f i g z z a m ( 2 0 0 4 ) 则根据岩溶 地质特征，结合物探、钻探等技术综合分析岩溶溶洞及岩溶塌陷分布特征，对高 速铁路岩溶灾害进行预测。 灾害类型研究上，对浅部的岩溶塌陷问题研究更为深入广泛。我国设立了包 括“中国南方岩溶塌陷研究”、“中国北方岩溶塌陷研究”在内的一大批与岩溶塌 陷有关的项目，并进行着“中国岩溶塌陷地理信息系统”的研究与开发工作。在 国际上召开了数届“国际岩溶塌陷会议”，相关论文涉及岩溶塌陷监测预报，信息 管理及防治等方面( h e r b e r t g s t a n 9 1 a n d l 9 8 7 ，y up 1 9 9 4 、雷明堂1 9 9 8 ) 。 对于深部岩溶灾害问题，一般多集中在煤田建设方面，如我国煤田开采过程 中的岩溶水灾害问题进行的统计分析，巷道中岩溶地质构造对水流运移的影响， 通过含水碳酸岩岩层与巷道的距离特征等建立巷道突水安全厚度指标来评价岩溶 灾害( w a n f a n gz h o u 、g o n g y ul i 2 0 0 1 ，z h o uw f l 9 9 7 ) ，矿山岩溶突水及水流控制研 究( l ij k 、z h o uw 1 9 9 0 ，1 9 8 8 ) ，通过岩溶水压特性分析对岩溶区矿井巷道岩溶灾 害及安全性评价( k e s s e r uz 等1 9 9 7 ) 。研究侧重于防治技术的研究，涉及深部岩 溶发育规律特征的很少( 王军2 0 0 2 ) 。 7 北京交通大学博士学住论文 近年随着西部岩溶区铁路建设加快。过岭深埋隧道开挖中遇到的岩溶涌( 突) 水灾害问题骤增，促使铁路隧道的深部岩溶灾害研究成为一个重点。 1 3 3 与深埋铁路隧道相关的几个岩溶问题 1 3 3 1 岩溶发育深度及深岩溶的研究 根据r 1 c 索科洛夫的水动力分带模式，在厚层平缓碳酸盐岩区，从分水岭地 段到河谷排水地段的地下水在垂向上划分为：垂直循环带，地下水位季节变动带， 水平循环及虹吸循环带，谷底循环带以下的深循环带等，基于此，把区域内受河 流谷底影响的水平循环带以下，郎深循环带内发育的岩溶定为深岩溶。对于深岩 溶反映特征，由于谷底循环带以下地下水流速度相对缓慢，碳循环相对较弱，判 定地下水中的游离c 0 2 铈t 少，所以一般认为，深岩溶区域形不成大型岩溶管道，仅 发育有溶孔和溶隙。所以一般认为，岩溶化程度随着深度的增加而逐渐减弱。 在应用中，不同研究领域对深岩溶概念理解与研究重点都不同。油田建设中， 深岩溶是作为油气储集层来研究，理解为不受地表侵蚀基准面控制环境条件下的 深埋藏岩溶作用，多与古岩溶相伴，并划分为压释水岩溶和热水岩溶两种类型， 其埋深以两三千米计，其研究目的是揭示不同时期岩溶作用的机制、发育演化特 征及其与油气富集关系( 中国科学院地质研究所岩溶研究组1 9 8 7 ，夏e t 元2 0 0 1 ， 黄尚瑜1 9 9 7 ，李定龙1 9 9 9 ) 。 工程建设中，较先接触到深岩溶的主要以煤田建设及水工建筑为主( 如前所 述) ，在勘察过程中，发现地面或当地河谷等侵蚀基准面以下仍然发育的大型溶洞。 最早记录有：长江宜昌峡江面以下1 2 0 的溶洞，四川猫儿峡、贵州乌江峡谷等也 有类似情况。广西合山煤矿在一3 3 4 米出依然有溶洞；云南东北高原一矿区地面以 下1 1 3 米处发现高2 0 米、宽1 4 米的大溶洞。美国佛罗里达州地下5 0 0 米一8 8 4 米 处发育的溶洞层。 但研究重点放在了揭露了这类岩溶后引发的灾害评价及防治技术，以及各种 物探技术的应用方面。对于为什么在深部发育有大规模的岩溶并未有深入进行。 只是随着这类深岩溶的揭露，改变了人们一直以来认为的侵蚀基准面为岩溶发育 深度极限的认识，并承认了岩溶发育极限深度应该是含水层的底板。在此基础上 划分出几种可能发育深部岩溶的特殊类型：断裂带引起的深岩溶发育，深层 硫化床氧化带导致的深岩溶发育，埋深很大的压力水头高的承压含水层内的深 8 第l 章绪论 岩溶，埋藏深岩溶等( 全国喀斯特研究会议论文选集1 9 6 2 ) 。 但隔水底板以上厚达百米甚至千米的可溶岩层，其发育深度特征及深岩溶分 布规律进行专门研究的不多，何宇彬( 1 9 9 7 ) 把发育深度的形成环境概括为两大系 统：浅部开放( 常温常压) 系统和深部封闭系统，浅部系统以地下水溶蚀作用为 主，其深度受排水基准面的影响，洞穴发育一般在河水面以下5 0 1 2 0 m 范围内。 确立了压力水头与谷底承压水径流深度的正相关关系。对于深部岩溶洞穴的发育 依旧继承前人观点，认为主要受到断裂构造、硫化床氧化带、新构造运动等的控 制。 目前，深岩溶灾害成为铁道工程研究领域的一个关注焦点。在分析岩溶发育 深度时，基于垂直分带及传统理论，以隧道所在区的水流最低排水基准面作为岩 溶发育的深度控制线( 何字斌1 9 9 7 ，王科、许模2 0 0 3 ，将良文2 0 0 1 ) 。在此基础上再 局部考虑断层、硫化床等特殊影响因素，并且在水文调查中，把当地泉群、暗河 口等地下水集中排泄带作为岩溶强烈发育的下限，以下深度的含水层岩溶发育微 弱，属于“深部缓流带”，不会产生严重的溶洞涌水。 但随着高大山区深埋铁路隧道建设的增加，当地集中排泄水流带以下深部岩 层被揭露出大型含水溶洞：如目前在宜万线上的齐岳山隧道区，当地排泄点为 1 2 0 0 m 左右，其以下9 0 0 m 仍然多处发现大型岩溶管道，而圆梁山深埋隧道仅毛坝 向斜段就在当地水流排泄带下约3 0 0 m 处揭露出3 个大型溶洞。这与我们传统认识 相差甚远。 l - 3 3 2 岩溶水流特征研究 最初关于岩溶水的讨论是在上世纪初，1 9 0 3 年g r u n d 首先提出了“潜水说”： 法国学者f k a t z a r 提出灰岩含水层中管道水的重要意义，由此认为不能把岩溶化 的灰岩体看作是具有统一水位面的含水体，即“孤立水流说”随后俄国a a 克鲁 别尔1 9 1 2 年提出了调和论“岩溶水循环论”，认为岩溶水动态随时问变化，由开始 的孤立水流变为潜水；同时在垂向上，潜水流见于浅部，孤立水流见于深都。以 后对这三种理论的不断争论促进了对含水介质认识的深化。到了3 0 一7 0 年代，随着 示踪技术不断完善，基础理论学科、边缘学科的深入推动了岩溶水文研究进展， 1 9 7 5 年，岩溶水首次作为国际性水文地质大会的主题，i a h 出版了“h y d r o g e o l o g y o fk a r s t i ct e r r a i n s ”系统地研究了岩溶区的水文地质学问