安六鐵路六枝至茨沖段隧道巖溶地質選線

周關學 付開隆 李 峰

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

安六鐵路是貴陽經安順至六盤水城際鐵路的重要組成部分。六枝至茨沖段隧道群是安六鐵路控制線位的重要工程區段，該段線路通過墮卻-郎岱背斜的可溶巖地層，并通過緊閉背斜兩翼隔水層封閉形成背斜翼部的富水區，地下暗河、溶蝕槽谷、洼地、落水洞、溶洞等巖溶形態強烈發育，水文地質條件復雜，隧道施工易產生突水、突泥及環境破壞等問題，涉及比較復雜和敏感的環境水文地質及施工安全問題[1]。為降低施工及環境風險，勘察期間把隧道區巖溶地質選線作為一個控制線路方案的重點，對穿越墮卻-郎岱背斜的各個方案作了大量地質工作，在綜合分析研究的基礎上，提出了線路避開行走地下水水平徑流帶和沿梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰巖地層接觸帶的取直方案和沿高速公路方案，爬高線位，提出線位沿長江水系與珠江水系分水嶺的推薦方案，隧道區方案示意，如圖1所示。

1 隧道區工程地質條件

1.1 地形地貌

測區屬構造低中山區地貌，地形上總體呈“人字型”，墮卻-郎岱背斜核部高，兩翼低。受地層巖性及地質構造控制，隧址區交替形成緩坡及溶蝕沖溝地貌。墮卻-郎岱背斜南翼為珠江水系，北翼為長江水系，線路沿長江水系與珠江水系分水嶺行進。背斜核部最高海拔標高 2 042.1 m，兩翼最低海拔標高 1 350 m，相對高差692.1 m。

圖1 隧道區方案示意圖

1.2 地層巖性

測區主要穿過石炭系及二疊系地層，石炭系上統馬坪群(C3mp)、中統黃龍群(C2hn)灰巖形成溶蝕臺地地形，兩翼出露二疊系下統棲霞組(P1q)、茅口組(P1m)富水性強的含水巖組和二疊系下統梁山組(P1l)、上統長興組(P2c)、大隆組(P2d)、龍潭組(P2l)及峨眉山玄武巖(P2β)含煤地層及相對隔水巖層。線路通過區段內主要巖性特征，如表1所示。

表1 隧道區通過主要地層巖性特征表

1.3 地質構造

測區大地構造屬揚子地臺之滇黔鄂臺褶帶，測區位于南嶺緯向構造帶之北，川滇經向構造體系之東，新華夏第三次隆起帶之西。北西向及黔西山字形構造帶控制著本區域巖溶的分布、發育規律。測區為墮卻-郎岱背斜，背斜軸向呈北30°西，核部地層為石炭系可溶巖，兩翼為二疊系、三疊系可溶巖與非可溶巖，兩翼不對稱，南翼受南丹紫云區域斷裂影響，巖層陡，地層缺失，北翼舒展，地層齊全。背斜軸部局部發育小型逆斷層，斷層破碎帶較窄，背斜軸部陡傾角張性裂隙極為發育[2]。

1.4 巖溶發育規律

隧址區位于長江水系與珠江水系分水嶺地帶，背斜核部為溶蝕臺地、槽谷發育區，巖溶強烈發育，溶蝕洼地、巖溶漏斗、落水洞、溶蝕裂隙(溶縫)、溶孔等巖溶形態沿構造線呈北西向呈串珠狀發育。背斜兩側深切溝谷內由梁山組含煤地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰巖地層的接觸地帶均有巖溶管道水的露頭及暗河出口，溶洞、地下暗河、巖溶大泉發育[3]。區內巖溶發育受地形地貌、地層巖性、地質構造等的影響，呈現出如下規律：

(1)背斜核部巖溶強烈發育

墮卻-郎岱背斜為緊密背斜，核部為C3mp、C2hn的可溶巖地層，兩翼局部含非可溶巖，背斜軸部縱向張裂隙極為發育，局部小型斷裂構造發育，為地表水的下滲、溶蝕提供了有利條件，溶蝕洼地、巖溶漏斗、落水洞等巖溶形態順構造線呈串珠狀發育，線位走行于淺表垂直發育的巖溶形態內，背斜核部巖溶強烈發育。

(2)背斜兩翼巖溶水特別豐富

墮卻-郎岱背斜兩翼為C3mp、P1l、P1m、P1q、P2l、P2β的可溶巖和非可溶巖地層，背斜北翼大面積地下匯水向北徑流，受梁山組煤系地層及峨眉山玄武巖等非可溶巖地層的分隔，巖溶水文地質系統十分復雜，在深切溝谷內由梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰巖地層的接觸地帶均出現溶洞、地下暗河、巖溶大泉[4]等，隧道沿可溶巖與非可溶巖界線靠可溶巖側順線路方向出現地下水水平徑流，巖溶水特別豐富。

2 隧道區水文地質條件

2．1 區域水文地質條件

區域內巖溶水文地質條件控制著線路方案的選擇。玉和頂和冷壩后山為測區最高點，標高為 2 042.1 m，線路沿長江水系與珠江水系分水嶺行進，地表水分水嶺也是地下水分水嶺，南側為珠江水系北盤江流域，以牂牁江為最低點；北側為長江水系烏江流域，以三岔河為最低點。背斜軸部縱向張裂隙極為發育，為地表水入滲溶蝕提供了良好通道，南翼地下水自北向南或徑流，北翼地下水自南向北或徑流，在深切溝谷內由梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰巖地層的接觸地帶均會出現巖溶管道水露頭、巖溶大泉及暗河口。地下水運動的總趨勢是南北分流，向北匯入長江水系三叉河烏江流域，向南歸入珠江水系牂牁江北盤江流域，匯入長江水系三叉河烏江流域的地下河有罵支-龍潭地下河、解板塘-洞口地下河、播洞-下鍋廠地下河、龍井-大地頭地下河、小黑舍-龍井溝地下河、雙龍潭地下河等；匯入珠江水系牂牁江北盤江流域的地下河有中壩水庫地下河、二道巖地下河、艾家坪地下河、猴兒關左家寨地下河、茨沖地下河等。該段線路隧道區水文地質圖及兩側流域內巖溶大泉及地下河統計表[5]，如圖2和表2所示。

圖2 隧道區水文地質示意圖

2.2 巖溶水的補給、徑流、排泄

墮卻-郎岱背斜地貌上呈“人字型”形態，核部高山，兩翼低谷，在空間上整體連續分布，形成背斜核部溶槽洼地的補給區。山嶺斜坡含水補給徑流區，兩翼低洼處受梁山組煤系地層及峨眉山玄武巖等非可溶巖地層分隔而形成排泄區，背斜核部巖溶地下水與東西兩翼地層的水力聯系，形成墮卻-郎岱背斜較完整的補給、徑流、排泄區域性水文地質單元。

墮卻-郎岱背斜為玉和頂-冷壩后山脈向南、向北地表水和地下水匯流的分水嶺，玉和頂-冷壩后一帶山嶺高程在 1 800～2 040 m，南北兩側均為地勢相對較低的槽谷地形，兩翼最低海拔標高 1 350 m，相對高差450～690 m。隧道區背斜軸部溶溝、溶槽、落水洞發育，地下水主要接收大氣降水補給，大氣降水通過巖石的孔隙、裂隙、溶蝕管道補給地下水，一部分補給深層地下水，一部分以裂隙泉、巖溶泉或地下暗河的形式排出地表。在兩翼深切溝谷內的梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰巖地層的接觸地帶有巖溶管道水露頭及暗河出口，地下水具有區域性排泄的特征。深層巖溶地下水[6]向下游區域基準面運移排泄，構成地下水運動總趨勢為分別向南、向北分流，向北匯入長江水系三叉河烏江流域，向南歸入珠江水系牂牁江北盤江流域。于排泄基準面以暗河或泉的形式排泄，具有分散補給、集中排泄的特點，具有雨后水量暴增并含泥砂的山區型巖溶水特征。

表2 各流域內巖溶大泉及地下暗河統計表

圖3 隧道區巖溶水補給、徑流、排泄與隧道關系圖

2.3 隧道方案與巖溶水的位置關系

圖3給出了隧道區巖溶水補給、徑流、排泄與隧道的關系，從圖中可以看出：

(1)比較方案 (經雙龍潭取直方案C3K線) 長嶺崗隧道

該方案位于墮卻-郎岱背斜北翼，線路左側地勢較高，線位處地勢低洼，相對高差450～690 m。隧道主要位于地下水集中排泄區，長嶺崗隧道距離水打田暗河口300 m，距梁山組煤系地層400 m，受梁山組煤系地層及峨眉山玄武巖等非可溶巖地層的分隔，該方案有3座長4～5 km和1座長約7 km隧道的巖溶水文地質系統十分復雜，隧道與暗河交叉，位于巖溶水水平徑流帶內，隧道施工運營中可能會遇到突水、突泥、水壓大、軌底上拱等巖溶地質災害。

(2)推薦方案(經墮卻-郎岱背斜分水嶺方案CK線)長地隧道

該方案位于長江水系烏江流域和珠江水系北盤江流域地表水和地下水的分水嶺地帶，方案沿山脊行進，線位行走較高，大部分以淺埋、小隧道為主，隧道區地下水主要接收大氣降水補給，大氣降水通過巖石孔隙、裂隙、溶蝕管道補給地下水。線路位于巖溶水補給區，隧道洞身位于巖溶水垂直滲流帶，巖溶水對隧道影響小，但背斜軸部縱向張裂隙極為發育，為地表水入滲溶蝕提供了良好通道，使洞身溶洞、溶腔、溶蝕裂隙等巖溶形態強烈發育。

3 隧道方案比選

本文研究了沿高速公路經巖腳鎮方案(C2K方案)、經雙龍潭取直方案(C3K方案)和沿長江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)，從工程地質、水文地質條件等對三個方案進行比選。

3.1 方案概況

3.1.1 經雙龍潭取值方案(C3K方案)

該方案起點C3K 50+000，終點C3K 96+845，線路長46.845 km，長度3 km以上的隧道5座，最長隧道長約7 km。可溶巖地層(C3mp、C2hn 、P1m、P1q)長37.57 km，占80.20%，P1l含煤地層占7.08%，P2β火成巖占12.72%。該段線路位于背斜北翼，左側地勢較高，線位地勢低洼，相對高差450～690 m，左側大范圍匯水區，線路沿梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰巖地層接觸地帶行進，靠灰巖側集中大量地下水順線路方向水平徑流，巖溶及巖溶水風險很大，隧道施工可能會遇到突水、突泥等巖溶地質災害。

3.1.2 沿高速公路經巖腳鎮方案(C2K方案)

該方案起點C2K 50+000，終點C2K 97+200，線路長49.200 km，較雙龍潭取直方案長近3 km。線路位于背斜北翼更北端，線路基本沿C3mp、P1m、P1q灰巖地層與P1l、P2l、P2β煤系地層分界線行進，在梁山組和龍潭組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰巖地層的接觸地帶。靠灰巖側集中大量地下水順線路方向水平徑流，巖溶及巖溶水風險大[7]，隧道施工可能會遇到突水、突泥等巖溶地質災害。線位多處穿越小煤窯采空區，沿可溶巖與非可溶巖界線施工風險及運營風險大，地質條件較差。

3.1.3 沿長江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)

該方案起點CK 50+000，終點CK 97+200，線路長48.46 km，長度3 km以上的隧道2座，地層C3mp、C2hn 、P1m、P1q，長46.02 km，占94.96%， P1l含煤地層占3.55%，P2β火成巖占1.49%。方案沿102省道行走于分水嶺地帶，沿山脊行進，線位行走標高較高，以淺埋、小隧道為主，隧道區地下水主要接收大氣降水補給，降水通過巖石的孔隙、裂隙、溶蝕管道補給地下水。線路位于巖溶水補給區，隧道洞身位于巖溶水垂直滲流帶，巖溶水對隧道影響小。

3.2 方案比選

沿高速公路經巖腳鎮方案(C2K方案)和經雙龍潭取直方案(C3K方案)線路均位于墮腳-郎岱背斜北翼，左側地勢高，線位地勢低洼，高差達690 m，大面積地下水以暗河形式向線位低洼處匯聚，受梁山組和龍潭組煤系地層及峨眉山玄武巖等非可溶巖地層分隔，在深切溝谷內均有巖溶管道水露頭和暗河出口，在梁山組煤系地層或峨眉山玄武巖與相鄰灰巖地層接觸地帶靠灰巖側集中大量地下水順線路方向水平徑流，巖溶及巖溶水風險大，隧道施工可能會遇到突水、突泥等巖溶地質災害。小煤窯采空區及煤系地層對隧道施工及運營風險也大。沿長江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)，線路沿山脊行進，行走標高較高，以淺埋、小隧道為主，線路位于巖溶水補給區，隧道洞身位于巖溶水垂直滲流帶，巖溶水對隧道影響小。故建議采用沿長江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)。

4 研究結論

本文對六枝至茨沖段隧道結合工程地質、水文地質情況進行線位方案比較。推薦采用沿長江水系與珠江水系分水嶺方案(CK方案)。

(1)該方案線路沿山脊行進，行走標高高，隧道位于巖溶水補給區，隧道洞身位于巖溶水垂直滲流帶內，隧道縱坡設計成人字坡，順坡施工[8]，大大降低了隧道施工中巖溶突水、突泥等地質災害風險和環境危害。

(2)該方案巖溶水風險較低，但背斜軸部張節理發育，加上線路標高較高，以淺埋短隧道為主，圍巖級別以Ⅲ級為主，施工中掌子面遇到溶洞及溶蝕破碎帶的機率增多，應加強配合施工的地質工作。

(3)巖溶隧道的地質選線應先進行大面積區域工程地質、水文地質專題研究，再根據具體地質條件，綜合分析確定巖溶隧道。