巖溶區鐵路工程地質研究

趙 寧

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

巖溶是一種特殊的地質構造，其主要的定義就是可溶于水的巖石在地下遺跡地表，以化學溶蝕為主要運動的地質現象。巖溶活動可以依附的巖石種類很多，有碳酸巖石，比如石灰巖或者是白云巖；有發生在硫酸鹽巖石當中的，比如石膏以及硬石膏；有對應發生在鹵素鹽類巖石，比如巖鹽或者鉀鹽當中。這其中分布最廣泛的就是碳酸鹽類別構建下的巖溶分類。巖溶在我們國家分布非常廣泛，尤其是以南方最為常見。僅僅是在云貴高原的相關省份，碳酸鹽的巖層露出面積就占了省份總面積的一半左右。舉個例子，宜萬鐵路的總長度約為378 km，沿途經過的159座隧道當中涉及的高風險巖溶隧道就占據了34座，占所有隧道的21%。

1 鐵路視角下的巖溶與地質構造

巖層本身形狀發展趨勢是緩慢傾斜的，地下水就以水平運動為主要形態進行流動，同時巖溶本身的形態主要還是水平流動。當巖層本身比較傾斜，陡峭程度比較高的時候，地表水一般來說會沿著層理進行下滲作用，同時地下水的活動速度也比較激烈，巖溶的發育方向也會受到當前的層面影響。

對于巖溶水來說，單層破碎帶和風化裂隙等等地質結構，都是巖溶水在重力作用下的活動通道。這些地質結構給巖溶水提供了非常良好的條件，用來進行水文循環作用。同時巖溶本身的形狀和方向，以及對應的規模和數量都跟巖溶水本身的活動相關。鐵路襄渝線途徑的黑水河隧道當中，就會遇到沿著地質順層結構控制下的斷裂帶進行發育的縫隙狀巖溶管道構建。襄渝線的另一個隧道——趙里溪隧道就屬于內沿水平裂隙地質構造的水平垂直洞穴結構，同時這些洞穴也受到層間裂隙的控制。不管是水平裂隙還是層間裂隙，都在構造斷裂面的控制范圍下。

2 鐵路視角下的巖溶與非溶性巖石界面

可溶巖一般常和其他類型的巖石，比如頁巖以及泥灰巖，又或者是千枚巖以及層狀火成巖等非溶性巖層間隔形成。在這種環境之下，各種非溶性巖石組成的界面就會給巖溶水本身的循環流通造成極大的限制，讓每一層可溶性巖石本身的地下水具有各自獨立的內循環系統。因為巖層的阻擋，這些地下水循環系統之間基本上沒有什么關聯，同時巖溶本身的發育也受到附近的非溶性巖石的界面阻隔。一般來說這種發育集中于非溶性巖石本身的界面結構附近。比如說對黑水河越嶺隧道結構進行分析，山洞整體結構是建立在寒武系的碳酸鹽類巖石框架當中的，然后在進行施工的時候，根據施工對應的開挖結構以及鉆孔得到的地質結果，我們可以知道，可溶性巖石以分層的形式被夾雜在非溶巖石界面當中進行發育，但是這些被分層的巖溶之間并沒有產生多少聯系，尤其是在水循環上的聯系。同樣以該條隧道為例，如果我們進行勘察的話，從地表開始測算到120 m左右的深度內，巖溶自身發育程度非常猛烈，結構也都不一樣，形態變化萬千，但是當深度達到了150 m的時候，巖溶發育就相對之前出現了明顯的劣化，其主要的發育形態就轉為了縫隙狀管道。此時巖溶管道本身一般就會以斷裂帶為依托，在可溶性巖層的引導下，與非溶性巖層進行充分的接觸并且發育自身，然后在此基礎上形成大流量的承壓水流，直接噴涌到坑道當中。

3 和巖溶有關的主要鐵路施工地質案例分析

巖溶的特殊地質條件給鐵路施工所帶來的影響是全面的。（1）巖溶水本身會直接沖涌到隧道內部，或者是鐵路橋梁的基坑深處，對橋墩或者是路基進行長時間的浸泡，并且直接導致路基出現下沉的災害。（2）隧道圍巖的成洞性，以及鐵路路基或鐵路橋梁本身基坑附近對應位置的邊坡穩定性也會造成很大的影響。（3）由于巖溶自身的物理特點，松軟的洞穴填充物將會給鐵路的隧道洞穴，或者是鐵路基坑的防護邊坡帶來坍塌的后果；由于巖石本身的化學性質，山坡上的石灰巖也會引起路基邊坡本身的不穩定結構失衡，直接導致隧道的涌水突泥以及鐵路的路基沉陷。這三點是在云貴高原上進行鐵路施工時最常遇到的地質災害，對于鐵路的施工也是損失最大的。

我們在進行鐵路修建的時候，巖溶涌水是必須要進行防備的核心問題之一，尤其是在我們把隧道施工放在穿越巖溶地層的環境時更是如此。一般有兩種情況需要面對這樣的穿越：首先是針對巖溶化地層構建的越嶺隧道，其次是相距河谷距離比較遠的長隧道。在云貴高原，面對這兩種情況的時候，巖溶涌水的情況幾乎是每一個溶洞都會遇到。比如襄渝線的黑水河隧道就是典型的巖溶不良地質案例。這個隧道的總長度是5 400 m，整體洞身是由多種巖層構建出的復合型地質結構，包括白云質灰巖等各種可溶性巖層。整個巖石當中的溶蝕現象相對來說比較普遍，含有充沛的地下水。在5 400 m的隧道總長度當中，大約有六處溶洞自身的涌水量每天可以達到1 000 t左右，整條隧道每天可以達到的最大涌水量為17 萬t，即使是在正常情況下也可以達到5 萬t。在進行該隧道施工的過程中，當施工人員利用平行導坑對寒武紀灰巖進行挖掘的時候，曾經挖出過一個規模巨大的涌水溶洞構建，洞口打開時涌水水柱本身的噴射高度最高達到了1 500 cm，同時在水中被一起噴射出來的還有大量的泥沙石塊，單日噴水量達到了15 萬t并且連噴數日。當幾天之后單日噴水量降低到1 400 t左右時，施工人員進入洞穴檢查情況時發現，大量的涌水和砂石已經把坑道給堵得嚴嚴實實，整個工程都被迫停工全力清理砂石。另一個案例就是宜萬鐵路的馬鹿箐隧道曾經在DK225+978位置遇到過一個溶洞。在修建這段鐵路的時候，該溶洞一共突水14次，每一次突水均為爆發式噴射。其中的一次突水短短10 min之內就噴射出5 萬t水流，堪比一個大型水庫的單次泄水量。這次施工泄水的瞬間突水量之大也刷新了世界鐵路建設史上的一個記錄。

在巖溶平原以及對應的洼地和谷底當中分布著第四紀構建下的松散土層。一般來說當基層巖溶發育的時候，地下水流極有可能造成地面的塌陷活動。黎湛鐵路K148曾經創紀錄的一夜之間出現了407個塌陷洞穴，導致路基大面積下沉，通車路線全部中斷；來合鐵路的路段則一夜之間出現了25個塌陷洞穴，路基直接報廢；由于溶洞出險造成的鐵路道砟水平位置下降，鐵路懸空的情況也很多；浙贛鐵路分宜站曾經處出現過71處下沉，泰安站也曾出現過26次下沉，并直接撕裂了站房。這些災害無論是時間還是空間都無法預測，是復雜地質條件下鐵路修建的一個難題。

4 結語

巖溶對鐵路的危害很大。比如巖溶水的侵蝕以及地面塌陷等都是鐵路在巖溶地面上進行施工的重大問題。鑒于巖溶地質的高度復雜性，需要更多的研究來打開局面，解決這個工程上的難題。