方振華 許衛(wèi)武 羅明磊 王 科 馮 濤 丁浩江

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2.中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024；3.西南交通大學(xué)，成都 610031)

巖溶陷落柱多發(fā)育于煤系地層，一般情況下，巖溶陷落柱的產(chǎn)生與可溶性巖層、地下水徑流、貫穿陡傾節(jié)理、層滑構(gòu)造等條件有關(guān)[1]，易造成突水、地面塌陷和影響洞室穩(wěn)定性等問(wèn)題，嚴(yán)重影響高速鐵路建造施工及運(yùn)營(yíng)安全[2]。為確保在巖溶陷落柱地質(zhì)條件下施工的安全性，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)巖溶陷落柱的成因及施工技術(shù)進(jìn)行研究。尹尚先等系統(tǒng)闡述了華北型煤田陷落柱及其突水的研究歷程，歸納了巖溶陷落柱空間形態(tài)特征、充填物特點(diǎn)、揭露特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等[3]；伍永平等采用理論分析與數(shù)值模擬等手段，分析開(kāi)采過(guò)程中圍巖支承壓力演化過(guò)程、圍巖變形破壞規(guī)律、滲流演化特征等問(wèn)題[4]；張紅梅通過(guò)決策樹(shù)分級(jí)歸類(lèi)法、多源信息復(fù)合預(yù)測(cè)法，對(duì)深部巖溶陷落柱空間位置及其充水性進(jìn)行預(yù)測(cè)[5]；王義海通過(guò)研究構(gòu)造及地下水控制下巖溶陷落柱柱體形成及發(fā)育規(guī)律，揭示不同尺度構(gòu)造對(duì)巖溶陷落柱形成的控制作用[6]。

綜上所述，巖溶陷落柱在煤系地層中較為常見(jiàn)，在鐵路隧道中較為罕見(jiàn)，且少有相關(guān)研究，以下基于成貴高鐵鐵盔山隧道工程實(shí)例，結(jié)合高鐵隧道建設(shè)中罕見(jiàn)的巖溶陷落柱地質(zhì)條件，分析論述鐵盔山隧道巖溶陷落柱的成因，為以后的巖溶地區(qū)工程建設(shè)提供參考借鑒。

1 工程概述

成貴高鐵鐵盔山隧道位于貴州省黔西縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)為單洞雙線無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)速度250 km/h，于2019年12月16日通車(chē)運(yùn)營(yíng)。鐵盔山隧道全長(zhǎng)5 227 m，起止里程為DK466+785～DK472+012，中心里程DK469+398.5，最大埋深380 m。進(jìn)出口設(shè)置平導(dǎo)輔助施工。

2017年2月28日，超前平導(dǎo)施工至PDK469+395，掌子面遇松散堆積不良地質(zhì)體并出現(xiàn)涌水，且涌水量持續(xù)增大至10 000 m3/d以上，施工風(fēng)險(xiǎn)高，向前掘進(jìn)困難。4月27日，為控制平導(dǎo)和正洞施工風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全，決定在平導(dǎo)掌子面后方40 m線路右側(cè)施作迂回導(dǎo)坑，繞避不良地質(zhì)體[9]。9月7日，迂回導(dǎo)坑施工至YHK0+215，轉(zhuǎn)入原平導(dǎo)線位。原平導(dǎo)PDK469+395處掌子面施作混凝土墻加固，并保留出水口為正洞及迂回導(dǎo)坑施工排水降壓，效果良好。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地形地貌

隧址區(qū)屬云貴高原峰叢谷地地貌，線路高程為1 140～1 490 m。隧道進(jìn)出口地面坡度較緩，隧道洞身段地表拔起高度較大，頂部發(fā)育多條沖溝。

2.2 地層巖性

除進(jìn)出口斜坡地帶上覆第四系全新統(tǒng)坡洪積黏土，坡殘積松散堆積粉質(zhì)黏土夾碎石角礫外，隧道洞身主要穿越松子坎組薄至中厚層狀泥頁(yè)巖、泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾石膏，茅草鋪組薄至中厚層狀泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r夾頁(yè)巖、溶塌角礫巖，以及3條斷層破碎帶。其中，隧道中部約3 km長(zhǎng)度上覆獅子山組薄至中厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖夾薄層頁(yè)巖、溶塌角礫巖地層[10]。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧區(qū)構(gòu)造體系主要屬新華夏系，隧道通過(guò)的假角山—馬場(chǎng)復(fù)式背斜形成于燕山構(gòu)造旋回期，主要由多個(gè)北北東向褶曲組成。隧道穿越了該復(fù)式背斜的次級(jí)褶曲—鐵盔山向斜。鐵盔山東西兩側(cè)各發(fā)育一條北東東向的壓扭性逆沖斷層，斷距達(dá)數(shù)百米，中部向斜亦同時(shí)形成，進(jìn)而形成最大高差達(dá)近500 m的鐵盔山(見(jiàn)圖1)。

圖1 隧址區(qū)構(gòu)造體系

2.4 水文地質(zhì)特征

鴨池河是隧區(qū)最大的地表水體，于隧道出口前方通過(guò)，線路附近河底高程約為750 m，河面寬100～200 m，沿途接受眾多支流、暗河等的補(bǔ)給，水量頗豐。老校溝為隧道進(jìn)口端的侵蝕基準(zhǔn)面，高程約1 060 m，雨季水量較大。

隧道中部上覆獅子山組地層，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地表發(fā)育有洼地、漏斗、落水洞等巖溶形態(tài)，有利于大氣降水滲入地下，形成豐富的巖溶水，而下伏的松子坎組地層中泥、頁(yè)巖透水性和含水性均差，總體上構(gòu)成隔水巖層，使得向斜核部具有較好的蓄水作用。巖溶水將匯集于隧道中部鐵盔山盆狀向斜核部地層接觸帶附近。最終主要通過(guò)暗河、巖溶大泉等通道徑流排泄。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，隧道進(jìn)口D4K467+872右側(cè)1 034 m有一處大型下降泉點(diǎn)，出露高程1 161 m，枯季流量達(dá)1 000 m3/d，雨季流量大于3 000 m3/d；隧道出口線路右側(cè)200,540 m和左側(cè)300,620 m有5處泉水出露，其高程為950～1 000 m，其中線路右側(cè)540 m處泉水流量約1 000 m3/d，于山腰陡崖上呈瀑布狀下泄，其余泉點(diǎn)流量約200 m3/d。

3 不良地質(zhì)體概述

3.1 空間分布特征

鐵盔山隧道出口平導(dǎo)施工至PDK469+395時(shí)遇松散堆積體，為了查明掌子面前方松散堆積體發(fā)育范圍，于平導(dǎo)、迂回導(dǎo)坑、正洞共實(shí)施23個(gè)超前水平鉆孔，合計(jì)深度974.5 m，其中取芯439 m/10孔。對(duì)鉆孔鉆進(jìn)及取芯情況進(jìn)行分析，結(jié)合正洞上、下臺(tái)階開(kāi)挖揭示圍巖情況及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，查明了堆積體的分布范圍，其在隧道高程面大致呈圓形，縱向尺寸約54 m，橫向尺寸約60 m，平面位置為DK469+341～DK469+402段線路右側(cè)2.8～63 m，侵入正洞范圍主要為DK469+353～DK469+392段線路右側(cè)2.8 m至右邊墻，見(jiàn)圖2。

圖2 鐵盔山隧道巖溶陷落柱形態(tài)及平面范圍示意

于正洞實(shí)施16個(gè)隧底鉆孔，孔深30～90 m不等。鉆孔揭示堆積體范圍內(nèi)，隧底以下巖體破碎，巖質(zhì)不新鮮、具風(fēng)化現(xiàn)象，裂隙面多見(jiàn)明顯水蝕痕跡，呈褐黃、灰褐色，且?guī)r層間夾黏土層，綜合判識(shí)為泥質(zhì)白云巖、頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r及白云巖質(zhì)塊石角礫堆積體(見(jiàn)圖3)，巖塊中含薄層、脈狀石膏。鉆孔取芯也未見(jiàn)完整巖層。由此可見(jiàn)，此堆積體呈柱狀分布形態(tài)，向隧頂、隧底延伸。

圖3 水平鉆孔及隧底以下90 m鉆孔揭示情況

3.2 物質(zhì)組成

根據(jù)掌子面揭示情況，松散堆積體主要為碎塊石夾黏土，碎塊石母巖成分主要為泥質(zhì)白云巖、頁(yè)巖、灰?guī)r等，夾少量黏土，結(jié)構(gòu)紊亂，具有一定膠結(jié)性，巖塊棱角分明，塊徑0.2～2 m不等，自穩(wěn)性較差。

圖4 PDK469+395平導(dǎo)情況

3.3 現(xiàn)場(chǎng)水文觀測(cè)情況

該不良地質(zhì)體附近地下水流量約為130 m3/d，隨后水量逐漸增大，并呈季節(jié)性變化，豐水期流量一般為6 000～12 000 m3/d，最大值約40 000 m3/d。

3.4 不良地質(zhì)體定性

綜合分析隧區(qū)地形地質(zhì)條件、水文地質(zhì)及掌子面圍巖情況，認(rèn)為該不良地質(zhì)體是巖溶洞穴塌陷的產(chǎn)物。它是下伏可溶巖地層發(fā)育形成巖溶地下水管道和大型溶洞后，多因素耦合作用下，溶洞頂板相對(duì)軟弱的巖層失穩(wěn)并循環(huán)、持續(xù)陷落堆積形成的柱狀堆積體。

4 巖溶陷落柱成因分析

一般認(rèn)為，巖溶陷落柱是溶洞上覆的非可溶巖層塌陷而形成的現(xiàn)象[11]。其發(fā)育是多種地質(zhì)因素共同作用的結(jié)果，往往需經(jīng)歷孕育、發(fā)生、發(fā)展的復(fù)雜過(guò)程[12]。

(1)可溶巖地層

該巖溶陷落柱發(fā)育于松子坎組，地層中含灰?guī)r、石膏等可溶性巖石；下伏的茅草鋪組地層巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，具備發(fā)育形成巖溶洞穴的基本條件。這種上部為弱-非可溶性巖層，下部為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的疊置結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足陷落柱產(chǎn)生的條件。

(2)良好的地下水徑流條件

向斜構(gòu)造往往是地下水儲(chǔ)水構(gòu)造，大量地表水由淺部獅子山組巖溶含水層滲入地下，下伏松子坎組地層透水性差富水性弱，地下水沿層面運(yùn)動(dòng)向核部匯集，因此，鐵盔山向斜核部地下水富集，形成隧道上覆巖溶地下水向斜蓄水構(gòu)造的格局。隧區(qū)地下水排泄基準(zhǔn)面為鴨池河，河面高程為840 m，地表高程為1 400～1 450 m，地下水動(dòng)力條件好。鴨池河河谷切入茅草鋪組地層，強(qiáng)烈的水動(dòng)力條件使得茅草鋪組中巖溶空間極為發(fā)育，并逐步形成區(qū)域巖溶地下暗河系統(tǒng)。

隧區(qū)地下水在向斜核部匯集后，沿核部豎向張裂縫向下運(yùn)動(dòng)，最終向鴨池河排泄。良好的地下水徑流條件，導(dǎo)致地下水運(yùn)動(dòng)非?；钴S，使得巖溶豎向發(fā)育成為可能。陷落柱形成后，破碎的“柱體”具有良好的滲透性，成為上下貫穿的巖溶地下水集中排泄、徑流通道，直至巖溶陷落柱發(fā)育終止。

(3)侵蝕性的地下水

地下水侵蝕性越強(qiáng)，越有利于溶洞發(fā)育。隧道穿越的松子坎組地層含石膏，且水樣存在較強(qiáng)硫酸鹽侵蝕(侵蝕性等級(jí)為H3)。

(4)特殊的構(gòu)造部位

該巖溶陷落柱形成于鐵盔山盆狀向斜核部區(qū)域，豎向張性節(jié)理發(fā)育。洞身巖層以薄至中厚層狀為主，巖體被切割成大小不一的塊體。巖層底部形成巖溶空腔后，在重力作用下易發(fā)生坍塌陷落，使得陷落柱不斷向上發(fā)育。

巖溶陷落柱的形成須具備上述條件，缺一不可。鐵盔山隧道揭示的巖溶陷落柱是沿鐵盔山盆狀向斜核部豎向縱張裂隙發(fā)育的溶洞垮塌堆積物，在地質(zhì)歷史時(shí)期，向斜核部可溶巖地層中不斷形成溶蝕-溶洞-垮塌堆積的循環(huán)往復(fù)作用，最終形成巖溶塌落柱。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果，判定該巖溶陷落柱直徑達(dá)60 m(隧道高程處)，發(fā)育高度為200～300 m，見(jiàn)圖6。

圖6 鐵盔山向斜核部巖溶陷落柱發(fā)育示意

5 陷落柱形成控制因素的數(shù)值模擬

為了研究陷落柱的形成過(guò)程，采用三維離散元軟件3DEC進(jìn)行了數(shù)值模擬[13-14]。以圖5所示的縱斷面為原型，建立如圖7(a)所示的數(shù)值計(jì)算模型。模型豎向高760 m，水平方向長(zhǎng)1 880 m，縱向?qū)?0 m。根據(jù)1號(hào)斷層和4號(hào)斷層的產(chǎn)狀，模型中設(shè)置了2組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，節(jié)理間距為10 m，以此來(lái)分析結(jié)構(gòu)面對(duì)陷落柱演化的控制作用。圍巖巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，其中，巖體重度γ=25 kN/m3；體積模量K=10.28 GPa；剪切模量G=6.77 GPa；黏聚力c=3 MPa；內(nèi)摩擦角φ=53°；抗拉強(qiáng)度T=1 MPa；節(jié)理法向剛度n=2.11 GPa/m；切向剛度s=0.86 GPa/m；黏聚力cj=0.1 MPa；內(nèi)摩擦角φj=35°。

圖5 DK469+382正洞掌子面線路右側(cè)情況

設(shè)計(jì)了3個(gè)對(duì)比工況，具體分析如下。

工況一(無(wú)節(jié)理圍巖+溶洞)設(shè)圍巖為均質(zhì)巖體，無(wú)節(jié)理切割，在初始應(yīng)力場(chǎng)基礎(chǔ)上模擬溶洞形成，以分析均質(zhì)圍巖中陷落柱的形成可能性。

工況二(節(jié)理圍巖+溶洞)設(shè)圍巖為節(jié)理巖體，2組節(jié)理切割，在初始應(yīng)力場(chǎng)基礎(chǔ)上模擬溶洞形成，以分析節(jié)理巖體圍巖中陷落柱的形成可能性。

工況三(節(jié)理圍巖+溶洞+地下水)在工況二的基礎(chǔ)上，于580 m(高程1 300 m)處施加地下水位，以分析地下水條件下節(jié)理巖體圍巖中陷落柱的形成可能性。

圖7列出了數(shù)值模擬結(jié)果，圖7(a)為無(wú)節(jié)理圍巖溶洞形成后的豎向位移云圖。溶洞形成后，圍巖的最大豎向位移位于溶洞頂部，為0.1 m量級(jí)，等值線形態(tài)符合卸荷回彈規(guī)律，但沒(méi)有明顯的位移間斷區(qū)，表明均質(zhì)圍巖不會(huì)形成陷落柱。

圖7(b)為節(jié)理巖體在溶洞形成初期的圍巖豎向位移云圖，可見(jiàn)到明顯的節(jié)理控制作用。最大位移仍然位于拱頂區(qū)域，但具有明顯的位移間斷，位移大于0.14 m的區(qū)域位于兩組節(jié)理之間。隨著時(shí)間推移，這種位移特征并不會(huì)隨著塌落的發(fā)展而改變，如圖7(c)所示，塌落體的位移已遠(yuǎn)大于1.2 m，形成了明顯的塌落體范圍，但塌落體依舊局限在兩組節(jié)理限定的范圍內(nèi)。

在地下水的疊加作用下，塌落體的范圍繼續(xù)擴(kuò)大(并不局限在兩組節(jié)理范圍內(nèi))，真正形成了陷落柱，見(jiàn)圖7(d)。位移大于1.0 m的區(qū)域明顯，呈柱體狀位于拱頂上部。

圖7 陷落柱模擬的豎向位移云圖(單位：m)

6 該巖溶陷落柱工程地質(zhì)特征分析6.1 整體穩(wěn)定性分析

該巖溶陷落柱是由巖溶洞穴頂板巖層自下而上不斷坍塌陷落堆疊而成。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆探取芯及施工揭示情況，該巖溶陷落柱碎塊石堆積體已具一定膠結(jié)性，說(shuō)明在一定的歷史時(shí)期內(nèi)隧底未再發(fā)生坍塌，也表明柱體底部較大型的巖溶水流通道已基本被堵塞，未再發(fā)生大規(guī)模的物質(zhì)搬運(yùn)。因此，該巖溶陷落柱現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。

6.2 力學(xué)特性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施水平及豎向鉆孔分析，巖溶陷落柱主要成分為泥質(zhì)白云巖、頁(yè)巖及灰?guī)r質(zhì)碎塊石，含薄層、脈狀石膏，其間頁(yè)巖具泥化現(xiàn)象，巖塊之間具有一定膠結(jié)性，整體呈碎塊石夾黏土狀，力學(xué)性能較差。另外，巖溶陷落柱的形成是一個(gè)循環(huán)陷落的過(guò)程，受長(zhǎng)期的卸荷作用以及上部巖體陷落撞擊作用后，柱邊巖體不斷形成環(huán)狀裂隙帶、破碎帶，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。

不難看出，陷落柱柱體及柱邊圍巖屬地質(zhì)體薄弱帶，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，工程力學(xué)性質(zhì)較差，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的加固處理。

6.3 水文地質(zhì)

陷落柱柱體堆積物質(zhì)膠結(jié)程度不足，可成為導(dǎo)水通道，現(xiàn)場(chǎng)揭示巖溶陷落柱處涌水量較大(40 000 m3/d)，可見(jiàn)該巖溶陷落柱為典型的導(dǎo)水陷落柱，且位于地下水垂直強(qiáng)徑流帶上。同時(shí)，陷落柱柱邊環(huán)狀破碎裂隙帶在隧道開(kāi)挖后，因應(yīng)力釋放使裂隙尖端不斷擴(kuò)展、延伸，甚至貫通，引發(fā)突涌水。現(xiàn)場(chǎng)施工至巖溶陷落柱附近500 m時(shí)，隧洞內(nèi)逐漸出現(xiàn)涌突水現(xiàn)象，出水量達(dá)10 000 m3/d以上。

另一方面，隧洞開(kāi)挖后，地下水徑流路徑發(fā)生改變，將向洞周運(yùn)移，地下水持續(xù)的運(yùn)移、下滲、沖刷將導(dǎo)致隧底以下巖溶陷落柱內(nèi)顆粒物質(zhì)的不斷流失，并將加速其間薄層、脈狀石膏的溶解，可能會(huì)引起沉降。因此，應(yīng)對(duì)拱墻范圍和隧底進(jìn)行注漿處理，從而盡量減少或避免地下水朝隧道范圍的運(yùn)移，以保證隧道結(jié)構(gòu)的安全。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)該巖溶陷落柱埋深>200 m，地面物探檢測(cè)(大地電磁法)也未揭示明顯異常，具有顯著的隱蔽性。施工揭示后，補(bǔ)充了區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查工作，通過(guò)立體式(豎向、水平、上仰、斜下)鉆探并于地層變化、地質(zhì)突變等關(guān)鍵段落進(jìn)行取芯驗(yàn)證，輔以洞內(nèi)TSP、地質(zhì)雷達(dá)法等綜合物探檢測(cè)手段進(jìn)一步查明其空間發(fā)育情況。鉆探過(guò)程中，采用旁壓試驗(yàn)、動(dòng)探試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)等方法查明了地基承載力等工程力學(xué)參數(shù)。通過(guò)洞內(nèi)取樣水質(zhì)檢測(cè)進(jìn)一步查明了地下水的侵蝕性。

(2)該陷落柱是弱-非可溶性的三疊系中統(tǒng)松子坎組地層向巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的三疊系下統(tǒng)茅草鋪組地層塌陷產(chǎn)生的，說(shuō)明這種巖溶陷落柱也可以發(fā)育于其它具備類(lèi)似地質(zhì)環(huán)境及形成條件的地層，有別于以往的案例(多揭示于煤系地層)。

(3)隧道施工遇類(lèi)似大型導(dǎo)水巖溶陷落柱時(shí)，宜先施作迂回導(dǎo)坑，并利用迂回導(dǎo)坑進(jìn)行泄水降壓，再施工正洞，可有效降低高壓涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。