黔張常鐵路巖溶發育規律研究

張志亮

(中鐵第一勘察設計院集團公司地路處,西安 710043)

擬建黔張常鐵路位于渝東南、鄂西南和湘西北三省交界地帶，線路全長約330 km，大部分行走于低中山、中低山區，地形條件差，地質條件復雜。沿線地層以碳酸鹽巖為主，巖溶極其發育，是控制線路方案的主要影響因素。在遙感判釋的基礎上，通過大面積地質調繪，并結合物探、鉆探及試驗測試等方法[1-4]，查明了沿線巖溶發育特征及分布規律，為線路方案的合理選擇提供了可靠的依據。

1 概述

線路地處揚子地臺中部，區內褶皺與斷裂經過多期次構造變動，形成北北東向和北東向褶皺及其伴生斷裂。地貌受構造控制明顯，形成北北東向和北東向山脈及小型山間盆地相間的地貌景觀。

黔張常鐵路總體走向為近東西向，與構造方向近乎垂直。沿線地層發育較全，寒武紀至第四紀地層均有出露，基巖主要為海相碳酸巖、淺海相碎屑巖、內陸湖相碎屑巖，其中碳酸巖段落約占50%，主要為震旦系、寒武系、奧陶系、二疊系以及三疊系灰巖、白云巖和泥灰巖等?？λ固氐孛舶l育，主要表現為峰叢、溶洞、暗河、落水洞、巖溶漏斗等。

沿線屬中亞熱帶山地季風濕潤型，氣候溫和，四季分明。年平均降水量1 300～1 600 mm，年最大降雨量2 167.2 mm，降水多集中在4～9月，約占全年降水量的70%。年平均蒸發量1 100 mm左右，年平均日照1 283.6 h。

針對沿線巖溶發育的特點，勘察期間首先通過遙感判釋對沿線巖溶發育分布進行分析，在此基礎之上進行大面積地面調查，進一步驗證、發現巖溶發育特性。進而針對工程設置，有針對性地布置大規模物探手段，對深層巖溶發育規律加以分析，并以此為基礎，布置鉆探進行驗證，最終取得對沿線巖溶發育規律的初步認識。

2 巖溶發育與巖性的關系

2.1 碳酸巖巖性對巖溶的控制作用

通過大面積的地質調查、遙感分析及鉆探、物探等手段，對沿線可溶巖地區各巖層的面巖溶率進行統計發現，巖溶的發育程度與巖性密切相關[5]。質純的灰巖比泥灰巖巖溶發育；厚層、巨厚層灰巖比薄層灰巖巖溶發育。例如，龍家寨向斜三疊系嘉陵江組(T2j)厚層灰巖、白云巖，溶蝕洼地密集，地下暗河發育，面巖溶率可達28.7%；而三疊系下大冶群薄層灰巖區，面巖溶率僅為4.8%，相差6倍以上。

巖溶發育的形態往往與巖性有關，例如暗河、溶蝕洼地等巨、大型巖溶現象多發育于厚層、巨厚層灰巖地層，而薄層、中厚層灰巖地層巖溶形態則以小型溶洞、落水洞等為主。碳酸巖層理也對巖溶發育形態有一定控制。由于地下水沿層理間裂隙滲流，沿線多見溶洞沿碳酸鹽層理延伸的現象。

2.2 碳酸巖和非可溶巖接觸帶與巖溶發育的關系

由于非可溶巖對巖溶水的相對隔水作用，相對隔水層對巖溶水起著限制、匯集、導向的作用，因此在可溶巖與非可溶巖接觸帶附近巖溶往往強烈發育，特別是由于構造的線狀特性，地下暗河沿接觸帶發育的現象非常普遍。如來鳳縣縣城西南老虎洞，為一處暗河出口，被當地居民作為飲用水來源，其洞口處在侏羅系砂巖與三疊系灰巖接觸帶處，且該暗河延伸方向基本沿巖層接觸帶方向。

3 巖溶發育與構造的關系

3.1 巖溶發育與褶皺的關系

巖溶水沿地層層理及節理裂隙滲流，因此巖溶發育形成明顯的沿褶皺走向發育的特點。褶皺核部由于地應力集中，節理裂隙密集，透水性強，有利于碳酸巖的溶蝕發育。因此褶皺核部較翼部巖溶發育更為強烈。根據鉆孔資料統計，在褶皺軸部及其附近，巖溶發育，見洞率高，溶洞的規模也較大。圖1為龍家寨向斜核部巖溶發育分布情況，可見巖溶基本沿向斜走向發育，且核部發育更為集中、強烈。

圖1 龍家寨向斜溶蝕洼地、地下暗河

3.2 巖溶發育與斷層的關系

區內斷裂多為北北東向、北東向壓性或壓扭性斷裂，一般延伸長且深，斷裂帶附近裂隙比較發育且密集，有利于巖溶的發育。對區內共統計2 256個溶蝕洼地，其中發育在斷裂帶的有432個，占19.1%。溶蝕洼地一般沿斷裂帶呈串珠狀，長軸方向與斷裂方向一致，規模較大。圖2為張家界車站附近棋盤狀斷層帶附近巖溶發育情況，可見巖溶漏斗極其發育，并呈串珠狀，形成暗河入口。

圖2 張家界車站附近棋盤狀斷層帶

3.3 巖溶發育與節理裂隙的關系

區內節理大體可分為3組，分別為北北東向、北東向及東西向。其中北北東向和北東向節理多分布于背斜核部，特別是背斜傾伏端，一般具張性。東西向節理一般為剪性節理。張性節理一般寬度0.2～2 cm，節理面粗糙，有利于巖溶發育。垂直構造線發育的橫向地下河及沿背斜傾伏端發育的縱向地下河，多與張性節理有關。

4 巖溶發育與地形地貌的關系

4.1 巖溶發育與地形的關系

地形坡度大小與巖溶發育有一定的關系。地形平緩地區溶蝕洼地、落水洞、巖溶漏斗、溶洞、地下河等大型巖溶比較發育，區內發現的溶蝕洼地基本發育于緩坡或山間盆地等平緩地形地區，地形陡峻地區大型巖溶基本不發育，地表僅可見溶蝕裂隙、溶槽、溶溝、石芽等小型巖溶。

分水嶺地區是巖溶水的補給區，垂向巖溶發育強烈，溶蝕洼地、巖溶漏斗和落水洞等垂直巖溶形態廣泛發育；河谷地區是巖溶水的排泄區，水平巖溶作用強烈，暗河、溶洞等水平巖溶形態廣泛發育。

4.2 巖溶發育與高程的關系

巖溶發育在高程上具有明顯的垂直分帶性的特點。根據酉水河谷及其兩岸的附近地帶發現的溶洞統計(圖3)，大體可分為3層，基本與各級夷平面相當。第一層：一般高程960～1 320 m，共發現12個溶洞；第二層：一般高程400～620 m，共發現31個溶洞；第三層：一般高程200～480 m，共發現27個溶洞。以上資料說明第二、三層巖溶比較發育，一般高出酉水河床30～150 m，為水平巖溶發育帶。

圖3 酉水河沿岸溶洞洞口高程投影

根據對區內暗河出口高程的統計，其高程表現出明顯的垂直分帶性分布規律，一般略高于當地的侵蝕基準面，在河流和溪溝兩側形成瀑布。

4.3 巖溶發育與侵蝕基準面的關系

侵蝕基準面控制著區域內巖溶發育的下限。沿線地形變化大，各地侵蝕基準面高程相差很大。根據鉆孔揭示，巖溶發育最大深度多在侵蝕基準面以下100～200 m。以龍家界向斜二疊系灰巖為例，該處侵蝕基準面高程458 m，鉆孔揭示的巖溶發育最大深度高程為332 m，即侵蝕基準面以下162 m。

5 地質選線

通過廣泛收集資料，結合細致的現場調查工作，仔細分析區域內巖溶發育規律，對于鐵路選線具有重要的意義[6-7]。

5.1 平面選線

根據調查分析劃分出巖溶發育程度、巖溶水富水程度[8]，對巖溶強烈發育區和強富水區，采取盡量繞避的原則。無法繞避時，則盡量以最短距離通過，以減少巖溶和巖溶水對工程的影響。對不同的線路方案進行比選，統計不同方案分別通過的各級別巖溶發育區的長度，結合工程設置，特別是隧道通過巖溶區的長度，選擇最優方案[7]。

如圖4所示，線路在桑植車站附近通過青安坪向斜儲水構造，該向斜暗河、大型溶洞等巖溶及巖溶水現象極其發育。對該段落巖溶和巖溶水發育規律進行分區，在此基礎上進行選線工作。最終線路方案沿非巖溶區向北繞行約5 km后，選擇在該向斜構造寬度相對較窄、巖溶發育相對較弱處通過。

圖4 線路平面繞避向斜儲水構造

5.2 高程選線

巖溶發育在高程上具有明顯的垂直分帶性[9]，如圖5所示為峰叢洼地處巖溶水垂直分帶特征。其中，垂直循環帶和季節變化帶附近地下水運動方式以垂直運動為主，水量較小。水平循環帶又稱為飽水帶，地下水運動方向以水平運動為主，巖溶管道常表現為形狀不規則的暗河。根據巖溶水垂直發育規律，隧道工程在高程上應盡量避開水平循環帶，隧道洞身處于垂直循環帶或深部的虹吸管式循環帶及深部循環帶為宜，以減少突涌水的危害。

圖5 峰叢洼地處巖溶水垂直分帶特征

6 結論

巖溶地區地質勘探一直是工程地質界的難題。巖溶的分布規律影響因素極多[10，11]，且一般埋藏較深、不均勻性強，因此表現出偶然性大、“表里不一”等特點[12]，其分布規律難以掌握。黔張常鐵路通過大規模巖溶區，通過多種勘察手段的應用，對各種巖溶現象進行匯總，總結巖溶發育規律主要受巖性、構造、地形地貌等因素控制。對巖溶發育規律的認識和總結，可以為鐵路選線提供可靠的依據，并對其他巖溶地區工程地質工作具有較好的參考價值。

[1] 鐵路第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999：369-386．

[2] 尹國榮.巖溶區勘察方法及橋梁樁基施工技術[D].長沙：中南大學，2009:15-60．

[3] 呂小應，胡子平.宜萬鐵路工程特點難點分析及對策措施.鐵道標準設計，2006(3)：70-72．

[4] 朱自強，王戰軍，等.綜合物探方法在湘西巖溶勘察中的應用[J].公路，2012(4)：48-53．

[5] 韓寶平.微觀喀斯特作用機理研究[M].北京：地質出版社，1998：5-18．

[6] 胡子平.宜萬鐵路齊岳山隧道選線、施工與管理[J].鐵道標準設計，2010(8)：12-19．

[7] 黃樹標.可溶巖地質問題及鐵路勘察設計原則淺議[J].鐵道標準設計，2008(5)：21-25．

[8] 熊道錕.巖溶發育強度垂直及其工程意義[J].四川地質學報，2004，24(2)：113-195．

[9] 熊道錕，傅榮華.巖溶發育強度垂直分帶方法[J].巖土工程技術，2005，19(3)：113-118．

[10] 毛燁峰，伍進.巖溶發育控制因素及發育規律淺析[J].西部探礦工程，2009，4(10)：80-85.

[11] 金新峰.宜萬鐵路沿線巖溶發育規律及其對隧道工程的影響[J].中國地質科學院學報，2007，3(25)：27-56．

[12] 薛斌，韓小敏.宜萬鐵路巖溶隧道地質綜合超前預報技術[J].鐵道標準設計，2010(8)：72-77．