楓樹埡2 號隧道巖溶發育特征及影響因素分析

吳 苗， 唐 波， 謝增榮， 張陽華

（湖南省勘測設計院，湖南 長沙410000）

1 項目簡介

本項目隸屬于張家界桑植縣至永定市區二級公路，路線沿澧水河展布，全長57.52 km。 楓樹埡2 號隧道起訖里程K37＋160～K39＋048，長1 888 m，為單洞隧道，凈空斷面10.20 m × 8.35 m。

圖1 隧道線路及臺地景觀

隧道位于張家界西北的武陵山脈中，澧水河谷左岸；澧水河該段因地質運動活躍，切割劇烈，故山高谷深，呈U 型；河谷階地不發育，多急流湍灘，兩側山體多為70°以上的近垂直陡崖，落差可達400 m以上，而以灰巖為主的山體山頂多呈臺地狀。 隧道洞身穿越一處臺地，隧道最大埋深約345 m。

圖2 桑樹塔地下河出口

2 勘察工作介紹

本次勘察采用了地質調繪、工程物探、鉆探等多種勘察手段。

2.1 地質調繪

隧址區及其附近發現3 條地下河匯入澧水，分別是駒馬莊地下河（里程K35＋000）、桑樹塔地下河（里程K39＋160）、鴨坪地下河（里程K41＋760）；在本隧道大里程出口端外120 m 的路基右側，澧水河岸發現桑樹塔地下河出口，該地下河與本隧道地質聯系最為緊密。

本區域屬于裸露型巖溶，巖溶強烈發育特征明顯。 在桑樹塔地下河上游方向的三家館、曉村、桑樹塔（見圖3）等地發現巖溶洼地、漏斗、落水洞、消水點等數十處，多呈線狀分布。 落水洞多分布于巖溶洼地，深度可達十數米深；因地下河流域多為中低山溝谷峰叢地貌，巖溶洼地面積大都偏小，規模較大的幾處巖溶洼地分別位于曉村和桑樹塔；還發現數處面積達半個足球場大小的漏斗，深度可達20 ～30 m及以上，植被繁茂；巖溶洼地的低洼處或山腳零星分布有泉眼。 另在隧道洞身所經臺地的臺面上可見小型巖溶洼地分布，但落水洞、消水點、漏斗等少發育，只發現幾個小泉眼。 調查區域內農田普通漏水。 該類地貌特征間接揭示可耕種土地的稀少與貧瘠。

隧道沿線地表及地下河流域表層巖溶帶普遍發育，據野外觀測，隧道沿線表層巖溶帶一般厚度小于5 m，地下河流域地表其厚度略大，個別地方可達12 m；形態主要表現為石芽發育，石芽經溶蝕形態各異，呈盆狀、坐椅狀，石芽間距從數十厘米至數米不等，溶縫、溶槽在石芽之間向下發育；巖溶山坡表面形態溝壑縱橫、覆蓋土層較薄，一般在1 ～2 m，局部溶槽內可達10 m 以上。 隧道上方臺地及后半段山腰位置，因流水沖刷，土壤菲薄，巖石多裸露，石芽林立，且發現數處水平向發育的溶洞。

圖3 區域地質構造簡圖

《20 萬大庸幅區域水文地質普查報告》記載：桑樹塔地下河發育于帚狀構造中部奧陶系下統O1厚層灰巖中，由六條支流組成，主河道沿帚狀構造的斷裂帶發育；主、支流河道均呈弧形向北西凸出，嚴格受帚狀構造控制（見圖3），其分布區漏斗、洼地呈串珠狀分布；地下河系出口高于澧水河床，流量268.57 L／ s，排向澧水。

地調工作初步驗證了區域地質資料所記載的桑樹塔地下河位置、規模、流域，追溯到3 條分支。 但因野外工作季節為旱季12 月，地下河出口流量小于1 L／ s，漏斗、落水洞等大都處于干涸狀態，泉眼流量變小，溪溝多為干溝；區域資料顯示本地下河流量可達268.57 L／ s，調查時間為1976 年10 月。 其流量動態變化與湘西北地區的降水變化不謀而合，因每年12 月～次年2 月為旱季，3～5 月為雨季，而隨著9月降雨量增加，地下水位和泉水流量在10 月中旬達到一年中的第二個高峰。 由此可見，地下河水為代表的管道流及巖溶泉水為代表的裂隙流主要靠大氣降水通過漏斗及巖溶洼地集中灌入式或者分散漫流式補給，其次還通過溶溝、溶縫等接受入滲滲漏式補給。

該區地下水排泄受澧水主干控制，桑樹塔地下河出口處高程約為220 m，該段澧水河谷高程為180～190 m 左右，其排泄基準面與侵蝕基準面落差約為30～40 m。

2.2 工程物探

采用高頻大地電磁測深法（EH4）沿隧道布設縱剖面測線一條，長度1 950 m，測點間距為25 m。 物探分析成果如下：

①K38＋000～K38＋150 段，為第一段異常區，電阻率等值線大面積凹陷，呈相對低阻狀，推測為地下水系流經區或大型含水溶洞，寬度約為150 m，核心區寬度約為50 m。 該處隧道埋深約200 m。

②K38＋625～K38＋750 段，為第二段異常區，電阻率等值線大面積凹陷，呈相對低阻狀，推測為地下水系流經區或大型含水溶洞，寬度約為125 m，核心區寬度約60 m。 該處隧道埋深約120 m。

③K37 ＋245 ～K37 ＋285、K37 ＋673 ～K37 ＋715、K38＋446～K38＋529、K847＋880 推測可能為溶洞，為小型異常區。

2.3 鉆探

于里程K38＋640 處（位于物探推測的第二段異常區）布置鉆孔，孔口高程574.5 m，鉆孔孔深133.2 m，孔深118 m 處為隧道頂板。 鉆探揭示地層如下：0～0.5 m 為耕植土，0.5～4.0 m 為中風化灰巖，4.0 ～4.8 m 為全填充溶洞，4.8～133.2 m 為中風化及微風化灰巖（在深度55.0 ～63.0 m 段巖芯較破碎，RQD為50% ～60%左右，大量出現半邊柱狀巖塊，巖芯斷面有磚紅色鐵銹及少量黃色泥痕，見輕微溶蝕跡象，說明水量較小，處于裂隙水階段；85.0 ～86.5、90.0 ～92.5、104.0～10.5.0、106.0～106.5、123.8 ～125.0 m 可見半邊柱狀巖，裂面有鐵銹及泥痕，但巖芯采取率較好，RQD 可達80%以上；其他段灰巖巖芯完整新鮮，幾無溶蝕痕跡，尤其是深度85.0 m 以上的灰巖）。鉆孔穩定水位為81.0 m，抽水試驗時水量很小。

鉆孔巖芯說明以下情況：①表層巖溶帶厚度＜5 m；②地下水較貧乏，巖溶弱發育且處于早期狀態；③因地勢高，本段除局部坡凹低洼處外，降雨多形成了坡面流以地表徑流形態流失，表層巖溶水僅沿淺部風化裂隙順坡快速徑流，徑流深度影響深度約為5 m，深部地下水主要補給來源不是該段的大氣降雨入滲。

但是灰巖區巖溶發育千變萬化，以點概面不可行，本鉆孔不能代表全段隧道。

2.4 小結

隧址區屬于裸露型巖溶，巖溶形態主要有溶溝、溶槽、溶縫、溶隙、洞穴、石芽等，巖溶地貌為臺地溶丘洼地，臺地上土壤菲薄且保水性差，耕地多為旱地；隧道出口端外的桑樹塔地下河流域巖溶形態更為極端，巖溶洼地、漏斗、落水洞等呈線狀分布。 物探分析得出隧道K38＋000～K38＋150 段、K38＋625 ～K38＋750 段巖溶強烈發育，有大型含水溶洞或地下河發育的可能。 故勘察綜合判斷隧道后半段（K37＋780～K39＋048）灰巖區，巖溶中等～強烈發育，在物探推測異常區不排除有桑樹塔地下河某分支流經的可能性。

3 巖溶發育的控制因素

3.1 地層巖性

3.1.1 巖性介紹

隧道前半段（K37＋160 ～K37＋780） 巖性為寒武中上統婁山關組（∈2－3ls）白云巖；后半段（K37＋780～K39＋048） 巖性為奧陶系下統南津關組（ O1n） 灰巖、分鄉組及紅花園組（O1f＋h）灰巖；

據研究，湘西北地區，寒武系婁山關組以結晶白云巖為主；南津關組灰巖主要為灰白至深灰色厚層-巨厚層粒屑灰巖、結晶灰巖、生物碎屑灰巖夾白云質灰巖，該組屬于奧陶下統底界，位于湘西北寒武-奧陶過渡處，界線明顯，前者以白云巖為主，后者以結晶及生物碎屑灰巖為主間夾白云質灰巖。 分鄉組和紅花園組主要為灰色厚層狀粒屑灰巖，多具細至中粗粒結構，并有白云質灰巖夾其間。

3.1.2 巖石特征對巖溶發育的影響

首先，巖石的巖性成分與結構特征是巖溶發育與否的基礎。 巖石化學成分、結構、構造對巖溶發育強度影響，直接表現于巖石相對溶解速度。 奧陶系上述兩組灰巖多為厚層的質純碳酸鹽巖，其化學成分決定其具有更高的巖石溶解速度及溶解量。 寒武系婁山關組白云巖，成分為白云石，相對溶解速度慢，巖溶發育微弱。

其次，巖性的組合特征對巖溶發育強度有影響。碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖，或碳酸鹽巖中的巖溶發育相對強弱巖層的接觸界面是地下水運移的場所，往往在接觸界線的碳酸鹽巖一側，巖溶極為發育。 當然在本段，目前尚未有直接證據證明該點，只從隧道物探EH4 縱剖面圖上，發現在白云巖與灰巖交界處的灰巖一側，電阻率等值線大面積凹陷，呈相對低阻狀，推測為大型含水溶洞。

再次，巖層的產狀對巖溶發育強度有一定影響。本段白云巖產狀為270° ～290°∠30°，灰巖產狀為115°∠15°。 一般產狀平緩的巖層發育程度相對較低，而產狀大于20°的巖層巖溶發育程度相對較高，厚度也較大。 從本區的褶皺中也可看到，在軸部的巖層轉折部位產狀變陡，形成地下河和漏斗、落水洞等的幾率更高，而褶皺翼部的舒展平緩巖層中巖溶發育相對弱。 造成這種現象可能主要有兩個方面的原因，一是巖層產狀較陡，特別是20° ～30°時，有利于地表水流沿巖層層面向下運動，入滲速度快、入滲量大，且同時具有物理營力和化學營力；二是產狀較陡的巖層所經受的應力比平緩巖層大，巖石本身較破碎或裂隙發育，層面裂隙變得寬張。 在下節地質構造中有更加具體和詳細的討論。

3.1.3 小結

巖溶發育強度遵循灰巖＞白云質灰巖＞泥質灰巖＞白云巖＞泥灰巖由強至弱的發育規律，遵循純碳酸鹽巖較不純碳酸鹽巖由強至弱的發育規律。 地調工作及物探結論，都表明了本隧道白云巖區巖溶微弱發育，灰巖區巖溶強烈發育。

3.2 地質構造

3.2.1 褶皺、斷裂

從區域地質簡圖（圖3）中可看出，隧道前后、以桑樹塔地下河為中心的前后三條地下河范圍內，發育一組北北東向的帚狀構造，由4 條斷裂、4 條褶皺組成，統稱為三家館帚狀構造。 位于桑樹塔地下河附近的為⑵號壓扭性斷裂、②號背斜、③號向斜，但影響桑樹塔地下河形成發育的絕不止這三條構造，比如⑶號斷層雖是鴨坪地下河的始作俑者，但其對桑樹塔地下河的形成影響不容小覷。

從區域地質圖可看出，駒馬莊—桑樹塔—鴨坪的澧水走廊帶為一大型復式向斜構造，地層從寒武下統∈1～寒武中上統∈2－3～奧陶下統O1～寒武中上統∈2－3變化，遵循老～新～老的漸變規律，軸部地層為奧陶下統O1灰巖。 前中后所處地貌單元形態也佐證該點（下節介紹）。 該向斜兩側分別是①號、④號背斜，核部發育③號向斜及⑵號壓扭性斷裂，兩翼巖層被⑴號斷裂、⑶號斷裂及其衍生斷裂縱切。

②號背斜：軸線北北東（約30°），長約11 km，與⑵號壓扭性斷裂伴生。 軸部翼部地層均為奧陶系下統分鄉組與紅花園組（O1f＋h） 灰巖，傾向傾角不明。與線路不相交，但是其軸部影響了桑樹塔地下河某一分支上游段的發育。

③號向斜：為直立水平褶皺，軸向北東（40° ～55°），出露長度＞8 km。 幅寬4 ～5 km，長寬比大于2 ∶1。 其樞紐向南仰起，揚起角為5°。 軸部出露奧陶紀地層溫塘組（O3w），兩翼出露奧陶紀地層紅花園組及分鄉組（O1f＋h） 和南津關組（O1n），北西翼巖層傾向120° ～145°，傾角10° ～16°；南東翼巖層傾向320° ～345°，傾角8° ～16°。 與線路相交于里程K40＋180，該向斜軸部發育地下河某一分支。

⑵號壓扭性斷裂：為正斷層，走向北北東（30° ～40°），斷面傾向南東（130°），傾角75° ～80°，長度約17 km，寬度10 ～20 m，其中分布有破碎巖塊及斷層角礫巖，成分主要為灰巖。 斷層位于奧陶紀分鄉組與紅花園組（O1f＋h） 灰巖中，斷層南東盤下降、北西盤上升，與路線相交于K39＋160 ～K39＋200，即隧道出口端外。 該斷裂帶上發育桑樹塔地下河主河道，長約6.2 km，地下河上部落水洞、巖溶洼地等呈線狀分布，源頭為三家館的大型漏斗，經曉村—桑樹塔，匯入澧水河。

⑶號斷裂：為正斷層，性質不明。 總體為北東東向展布，呈弧形彎曲，長度為14.5 km。 其南西段走向北北東（35°），斷面傾向北西（305°），傾角70°。斷層北西盤下降， 主要為奧陶紀地層南津關組（O1n）、分鄉組與紅花園組（O1f＋h）；南東盤上升，為寒武紀婁 山關組（ ∈2－3ls），地層斷距100 ～200 m。斷層破碎帶寬約5 m，破碎的巖塊及斷層角礫巖其成分為白云巖及灰巖。 順斷裂發育鴨坪地下河。

3.2.2 構造特征對巖溶發育的影響

從上述構造發育特征，綜合巖溶發育規律，得出以下推斷：a、大型復式向斜軸部斷裂及裂隙發育，是地下水徑流的良好通道和巖溶發育的主導因素，它控制巖溶發育的方向；斷裂帶內多為破碎灰巖塊及灰巖為主體的斷層角礫巖，溶蝕速度較快，且壓性斷裂外帶其裂隙頗為發育，成為地下水活動的通道，沿⑵號北北東向壓扭性斷裂發育地下河主河道；b、②號背斜及③號向斜高陡的軸部應力集中，張性節理發育、巖體強度降低，從而在物理營力和化學營力的雙重作用下，風化加速，縱向斷裂及裂隙進一步發育，地下水徑流通暢，巖溶發育；沿其軸線發育地下河某個分支，其上漏斗、落水洞等呈線狀發育，巖溶洼地多依托于山間谷地發育，數量有限。 c、復式向斜內，背斜、向斜相間排列、緊密相連，⑵號與⑶號斷裂共同造就了③號向斜，使得曉村～桑樹塔一線的奧陶系下統O1灰巖局部下降，兩側的寒武系中上統∈2－3白云巖相對抬升，為該線發育地下河創造先天條件。

但是，因為上述褶皺多為緊密褶皺，共生于這片寬度不足4 km 的區域，尤其是②號背斜至⑶號斷裂之間寬度不足2 km，使得其含水層露頭寬度小，不利于接受大氣降水滲入補給。 且本復式向斜不是儲水構造，呈簸箕狀，北東高、南西低，地下水向南西澧水河排泄；其北部的更高級剝夷面與其水力聯系較弱或者已被阻斷，地下水跨區域的徑流補給量不足。同時，因構造所在區域為峰叢溝谷地貌（只澧水岸邊為臺地），地形坡降大，水力坡度也大，而流域較短，物理營力相對更強。 上述因素共同造就了，地下河主要補給來源為大氣降雨形成的地表徑流，地表徑流匯入漏斗、洼地中的落水洞，且因徑流途徑短，出口流量隨降雨量而顯著變化；地下河流量動態變化幅度大，為季節性間歇性河，枯水期流量小于1 L／ s（2017 年12 月底調查），甚至發生斷流，豐水期可達268.57 L／ s，瞬時流量與雨強息息相關；同時桑樹塔地下河流域巖溶極其發育，分支眾多，且洞徑較大，出口甚至高達8～10 m；巖溶管道的大尺寸，又進一步加劇了流量動態變化幅度。

3.2.3 小結

沿⑵號北北東向壓扭性斷裂發育地下河主河道；沿②號背斜及③號向斜軸向，漏斗、落水洞等呈線狀發育，其下應發育了地下河其他支流。 雖未在隧道所在臺地上找到大型漏斗、天窗等，但在臺地分水嶺往北1 ～2 km 外（分脈埡） 發現有中等巖溶洼地、大型蓄水漏斗（深度＞100 m），故仍無法判斷是否有某地下河分支經過臺地、穿越隧道，匯入主干。

3.3 地形地貌及排泄基準面

3.3.1 地形地貌

順澧水流向，地貌從峰叢溝谷～中臺地溶丘洼地～高臺地溶丘洼地變化，這主要由構造運動、地層巖性與溶蝕作用塑造。 而在桑樹塔～鴨坪段，緊鄰河谷左岸的地貌形態為低臺地溶丘洼地，這是受風化作用、溶蝕作用改造形成。

隧道洞體位于中臺地下，隧道出口端外為低臺地溶丘洼地。 地形高差的密集變化，既進一步加強了外部的物理營力作用，同時也加大了裂隙水的運移速度，為巖溶發育提供助力。

從桑樹塔地下河、鴨坪地下河的流域地貌分析，它們的共同之處有：其均發育于海拔為500 ～800 m左右的峰叢溝谷地貌（圖4 幅范圍外），該地貌利于地表水的匯聚，地下水的補給、運移；其均排泄于澧水河岸海拔為430～470 m 低臺地前緣，排泄面高程約為220 m，這是因為兩條地下河均位于澧水斷裂以北，本區域排泄基準面是由澧水及其支流控制。其流域通道所經均為兩種地貌單元之間的低洼過渡區，或為向斜軸部（桑樹塔地下河），或為向斜→背斜的翼端轉折處（鴨坪地下河），且都有大型斷裂伴生。

圖4 隧址區地貌分區略圖

3.3.2 排泄基準面

從地調成果看，桑樹塔地下河主河道及支流其上游發育高程大約是350 ～380 m（三家館漏斗頂地面高程約為450 m），埋深約70～100 m；經過曉村溶丘洼地時，地面高程約480 ～500 m，地下河高程未知，埋深未知；最后匯聚臺地前緣洼地時，地面高程約456 m，地下河出口高程約220 m，埋深約236 m。地下河主河道長約6.2 km，三家館～曉村直線距離約4.5 km，曉村～臺地前緣直線距離約1.7 km，故地下河道平均坡降約2.6%。 從出口處觀察，地下河道內多陡坎和跌水。 以漏斗、洼地、地下河入口及地下河出口高差確定的巖溶強發育深度，在本段約為100～236 m。

排泄基準面對巖溶發育下限起著一定的控制作用。 巖溶發育深度由水系上游至下游逐漸增加，即依附排泄基準面的降低而增加，遠離排泄基準面的巖溶發育深度較淺，接近排泄基準面的巖溶發育深度較深。

3.4 隧道內巖溶發育情況推測

通過對巖溶發育控制因素的分析，可嘗試推測隧道灰巖段有沒有大型地下河分支或含水溶洞發育的可能。

匯集以下數據：隧道所在臺地臺面高程約530～660 m，澧水河谷高程180 ～190 m；隧道洞身高程415 ～460 m，出口端略高；地下河出口高程約220 m。

隧道出口端外即為一處低臺地溶丘洼地，桑樹塔地下河出口掛于洼地下方巖壁。 首先，洞身內第一段物探異常區（K38＋000 ～K38＋150 段）至地下河出口的直線距離約1 km，該點臺面高程635 m，洞頂高程為445 m 左右，與地下河出口高差約225 m，如有地下河分支，其河道坡降將達到22.5%；流域過短、坡降過大，該點發育東西方向地下河分支（匯入桑樹塔地下河） 的可能性較小。 其次，地下河管道需有充足的徑流補給才能發育，前文已論述過臺面上的降雨對其地下水的補給有限，臺地平均海拔為530～660 m，其地上分水嶺海拔約760 m，往北高程逐漸降低，鄰區地下水跨域分水嶺往南補給臺地的可能性較小；雖在臺地分水嶺以北，發現有大型漏斗、巖溶洼地，但其可能是其他流向的地下河的組成部分。 最后，隧道前半段白云巖區面積過窄，其地表水匯聚能力有限，而其西側（往隧道小里程方向）地勢陡降，坡陡谷深，白云巖區主排泄方向可能往西。綜上，臺地上發育地下河分支的可能性較小。

但是因臺地前緣巖溶發育深度可達236 m，在白云巖與灰巖交界處灰巖一側，發育大型溶洞的可能性存在，但不一定形成了地下徑流。

第二段物探異常區（K38＋625 ～K38＋750 段），物探顯示其電阻率等值線凹陷程度遠小于第一疑似點；且其距離地下河出口更近，高差更大，發育地下河分支的可能性更小。 該處可能發育水平溶洞、或有巖溶裂隙水賦存。

4 結論

隧址區及其前后均屬于裸露型巖溶，地表巖溶強烈發育，且發現有3 條大型地下河，對隧道建設潛在影響很大。 我們通過鉆探、物探、地質調查等多種勘察手段，力圖揭示隧道洞身范圍巖溶發育特征、發育強度，初步結論為洞身范圍及上下發育地下河的可能性較小，發育大型溶洞的可能性存在。

碳酸巖區巖溶發育變化莫測，而其極端巖溶形態對工程建設的影響巨大。 采用單一的鉆探手段無法揭示一個段落內的全貌，甚至會誤導得出相反的結論；輔助以工程物探，因物探的多解性，對異常區的判別也可能有誤；故首先當以全面的地質調查開篇，通過一條線、一個面內的地表巖溶及地下巖溶發育情況及特征分析，推測隧道線路范圍內巖溶發育程度，再輔助以物探及鉆探，以尋找并確認巖溶發育異常強烈區。

當追索潛伏巖溶時，也可進行示蹤試驗，但因地形復雜，可操作性較差，本次未采用該手段。