高速铁路隧道岩溶陷落柱成因及工程地质特征分析

方振华 许卫武 罗明磊 王 科 冯 涛 丁浩江

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；
2.中铁十二局集团有限公司，太原 030024；
3.西南交通大学，成都 610031)

岩溶陷落柱多发育于煤系地层，一般情况下，岩溶陷落柱的产生与可溶性岩层、地下水径流、贯穿陡倾节理、层滑构造等条件有关[1]，易造成突水、地面塌陷和影响洞室稳定性等问题，严重影响高速铁路建造施工及运营安全[2]。为确保在岩溶陷落柱地质条件下施工的安全性，国内外众多学者对岩溶陷落柱的成因及施工技术进行研究。尹尚先等系统阐述了华北型煤田陷落柱及其突水的研究历程，归纳了岩溶陷落柱空间形态特征、充填物特点、揭露特征、结构构造等[3]；
伍永平等采用理论分析与数值模拟等手段，分析开采过程中围岩支承压力演化过程、围岩变形破坏规律、渗流演化特征等问题[4]；
张红梅通过决策树分级归类法、多源信息复合预测法，对深部岩溶陷落柱空间位置及其充水性进行预测[5]；
王义海通过研究构造及地下水控制下岩溶陷落柱柱体形成及发育规律，揭示不同尺度构造对岩溶陷落柱形成的控制作用[6]。

综上所述，岩溶陷落柱在煤系地层中较为常见，在铁路隧道中较为罕见，且少有相关研究，以下基于成贵高铁铁盔山隧道工程实例，结合高铁隧道建设中罕见的岩溶陷落柱地质条件，分析论述铁盔山隧道岩溶陷落柱的成因，为以后的岩溶地区工程建设提供参考借鉴。

成贵高铁铁盔山隧道位于贵州省黔西县境内，设计为单洞双线无砟轨道，设计速度250 km/h，于2019年12月16日通车运营。铁盔山隧道全长5 227 m，起止里程为DK466+785～DK472+012，中心里程DK469+398.5，最大埋深380 m。进出口设置平导辅助施工。

2017年2月28日，超前平导施工至PDK469+395，掌子面遇松散堆积不良地质体并出现涌水，且涌水量持续增大至10 000 m3/d以上，施工风险高，向前掘进困难。4月27日，为控制平导和正洞施工风险，确保施工安全，决定在平导掌子面后方40 m线路右侧施作迂回导坑，绕避不良地质体[9]。9月7日，迂回导坑施工至YHK0+215，转入原平导线位。原平导PDK469+395处掌子面施作混凝土墙加固，并保留出水口为正洞及迂回导坑施工排水降压，效果良好。

2.1 地形地貌

隧址区属云贵高原峰丛谷地地貌，线路高程为1 140～1 490 m。隧道进出口地面坡度较缓，隧道洞身段地表拔起高度较大，顶部发育多条冲沟。

2.2 地层岩性

除进出口斜坡地带上覆第四系全新统坡洪积黏土，坡残积松散堆积粉质黏土夹碎石角砾外，隧道洞身主要穿越松子坎组薄至中厚层状泥页岩、泥质白云岩、灰岩、泥质灰岩夹石膏，茅草铺组薄至中厚层状泥质白云岩、泥质灰岩、灰岩夹页岩、溶塌角砾岩，以及3条断层破碎带。其中，隧道中部约3 km长度上覆狮子山组薄至中厚层状灰岩、泥质灰岩、泥质白云岩夹薄层页岩、溶塌角砾岩地层[10]。

2.3 地质构造

隧区构造体系主要属新华夏系，隧道通过的假角山—马场复式背斜形成于燕山构造旋回期，主要由多个北北东向褶曲组成。隧道穿越了该复式背斜的次级褶曲—铁盔山向斜。铁盔山东西两侧各发育一条北东东向的压扭性逆冲断层，断距达数百米，中部向斜亦同时形成，进而形成最大高差达近500 m的铁盔山(见图1)。

图1 隧址区构造体系

2.4 水文地质特征

鸭池河是隧区最大的地表水体，于隧道出口前方通过，线路附近河底高程约为750 m，河面宽100～200 m，沿途接受众多支流、暗河等的补给，水量颇丰。老校沟为隧道进口端的侵蚀基准面，高程约1 060 m，雨季水量较大。

隧道中部上覆狮子山组地层，岩溶发育强烈，地表发育有洼地、漏斗、落水洞等岩溶形态，有利于大气降水渗入地下，形成丰富的岩溶水，而下伏的松子坎组地层中泥、页岩透水性和含水性均差，总体上构成隔水岩层，使得向斜核部具有较好的蓄水作用。岩溶水将汇集于隧道中部铁盔山盆状向斜核部地层接触带附近。最终主要通过暗河、岩溶大泉等通道径流排泄。经现场调查，隧道进口D4K467+872右侧1 034 m有一处大型下降泉点，出露高程1 161 m，枯季流量达1 000 m3/d，雨季流量大于3 000 m3/d；
隧道出口线路右侧200,540 m和左侧300,620 m有5处泉水出露，其高程为950～1 000 m，其中线路右侧540 m处泉水流量约1 000 m3/d，于山腰陡崖上呈瀑布状下泄，其余泉点流量约200 m3/d。

3.1 空间分布特征

铁盔山隧道出口平导施工至PDK469+395时遇松散堆积体，为了查明掌子面前方松散堆积体发育范围，于平导、迂回导坑、正洞共实施23个超前水平钻孔，合计深度974.5 m，其中取芯439 m/10孔。对钻孔钻进及取芯情况进行分析，结合正洞上、下台阶开挖揭示围岩情况及超前地质预报资料，查明了堆积体的分布范围，其在隧道高程面大致呈圆形，纵向尺寸约54 m，横向尺寸约60 m，平面位置为DK469+341～DK469+402段线路右侧2.8～63 m，侵入正洞范围主要为DK469+353～DK469+392段线路右侧2.8 m至右边墙，见图2。

图2 铁盔山隧道岩溶陷落柱形态及平面范围示意

于正洞实施16个隧底钻孔，孔深30～90 m不等。钻孔揭示堆积体范围内，隧底以下岩体破碎，岩质不新鲜、具风化现象，裂隙面多见明显水蚀痕迹，呈褐黄、灰褐色，且岩层间夹黏土层，综合判识为泥质白云岩、页岩、泥质灰岩及白云岩质块石角砾堆积体(见图3)，岩块中含薄层、脉状石膏。钻孔取芯也未见完整岩层。由此可见，此堆积体呈柱状分布形态，向隧顶、隧底延伸。

图3 水平钻孔及隧底以下90 m钻孔揭示情况

3.2 物质组成

根据掌子面揭示情况，松散堆积体主要为碎块石夹黏土，碎块石母岩成分主要为泥质白云岩、页岩、灰岩等，夹少量黏土，结构紊乱，具有一定胶结性，岩块棱角分明，块径0.2～2 m不等，自稳性较差。

图4 PDK469+395平导情况

3.3 现场水文观测情况

该不良地质体附近地下水流量约为130 m3/d，随后水量逐渐增大，并呈季节性变化，丰水期流量一般为6 000～12 000 m3/d，最大值约40 000 m3/d。

3.4 不良地质体定性

综合分析隧区地形地质条件、水文地质及掌子面围岩情况，认为该不良地质体是岩溶洞穴塌陷的产物。它是下伏可溶岩地层发育形成岩溶地下水管道和大型溶洞后，多因素耦合作用下，溶洞顶板相对软弱的岩层失稳并循环、持续陷落堆积形成的柱状堆积体。

一般认为，岩溶陷落柱是溶洞上覆的非可溶岩层塌陷而形成的现象[11]。其发育是多种地质因素共同作用的结果，往往需经历孕育、发生、发展的复杂过程[12]。

(1)可溶岩地层

该岩溶陷落柱发育于松子坎组，地层中含灰岩、石膏等可溶性岩石；
下伏的茅草铺组地层岩溶强烈发育，具备发育形成岩溶洞穴的基本条件。这种上部为弱-非可溶性岩层，下部为岩溶强烈发育的叠置结构满足陷落柱产生的条件。

(2)良好的地下水径流条件

向斜构造往往是地下水储水构造，大量地表水由浅部狮子山组岩溶含水层渗入地下，下伏松子坎组地层透水性差富水性弱，地下水沿层面运动向核部汇集，因此，铁盔山向斜核部地下水富集，形成隧道上覆岩溶地下水向斜蓄水构造的格局。隧区地下水排泄基准面为鸭池河，河面高程为840 m，地表高程为1 400～1 450 m，地下水动力条件好。鸭池河河谷切入茅草铺组地层，强烈的水动力条件使得茅草铺组中岩溶空间极为发育，并逐步形成区域岩溶地下暗河系统。

隧区地下水在向斜核部汇集后，沿核部竖向张裂缝向下运动，最终向鸭池河排泄。良好的地下水径流条件，导致地下水运动非常活跃，使得岩溶竖向发育成为可能。陷落柱形成后，破碎的“柱体”具有良好的渗透性，成为上下贯穿的岩溶地下水集中排泄、径流通道，直至岩溶陷落柱发育终止。

(3)侵蚀性的地下水

地下水侵蚀性越强，越有利于溶洞发育。隧道穿越的松子坎组地层含石膏，且水样存在较强硫酸盐侵蚀(侵蚀性等级为H3)。

(4)特殊的构造部位

该岩溶陷落柱形成于铁盔山盆状向斜核部区域，竖向张性节理发育。洞身岩层以薄至中厚层状为主，岩体被切割成大小不一的块体。岩层底部形成岩溶空腔后，在重力作用下易发生坍塌陷落，使得陷落柱不断向上发育。

岩溶陷落柱的形成须具备上述条件，缺一不可。铁盔山隧道揭示的岩溶陷落柱是沿铁盔山盆状向斜核部竖向纵张裂隙发育的溶洞垮塌堆积物，在地质历史时期，向斜核部可溶岩地层中不断形成溶蚀-溶洞-垮塌堆积的循环往复作用，最终形成岩溶塌落柱。结合区域地质条件及现场勘探结果，判定该岩溶陷落柱直径达60 m(隧道高程处)，发育高度为200～300 m，见图6。

图6 铁盔山向斜核部岩溶陷落柱发育示意

为了研究陷落柱的形成过程，采用三维离散元软件3DEC进行了数值模拟[13-14]。以图5所示的纵断面为原型，建立如图7(a)所示的数值计算模型。模型竖向高760 m，水平方向长1 880 m，纵向宽10 m。根据1号断层和4号断层的产状，模型中设置了2组优势节理，节理间距为10 m，以此来分析结构面对陷落柱演化的控制作用。围岩岩体采用Mohr-Coulomb本构模型，其中，岩体重度γ=25 kN/m3；
体积模量K=10.28 GPa；
剪切模量G=6.77 GPa；
黏聚力c=3 MPa；
内摩擦角φ=53°；
抗拉强度T=1 MPa；
节理法向刚度n=2.11 GPa/m；
切向刚度s=0.86 GPa/m；
黏聚力cj=0.1 MPa；
内摩擦角φj=35°。

图5 DK469+382正洞掌子面线路右侧情况

设计了3个对比工况，具体分析如下。

工况一(无节理围岩+溶洞)设围岩为均质岩体，无节理切割，在初始应力场基础上模拟溶洞形成，以分析均质围岩中陷落柱的形成可能性。

工况二(节理围岩+溶洞)设围岩为节理岩体，2组节理切割，在初始应力场基础上模拟溶洞形成，以分析节理岩体围岩中陷落柱的形成可能性。

工况三(节理围岩+溶洞+地下水)在工况二的基础上，于580 m(高程1 300 m)处施加地下水位，以分析地下水条件下节理岩体围岩中陷落柱的形成可能性。

图7列出了数值模拟结果，图7(a)为无节理围岩溶洞形成后的竖向位移云图。溶洞形成后，围岩的最大竖向位移位于溶洞顶部，为0.1 m量级，等值线形态符合卸荷回弹规律，但没有明显的位移间断区，表明均质围岩不会形成陷落柱。

图7(b)为节理岩体在溶洞形成初期的围岩竖向位移云图，可见到明显的节理控制作用。最大位移仍然位于拱顶区域，但具有明显的位移间断，位移大于0.14 m的区域位于两组节理之间。随着时间推移，这种位移特征并不会随着塌落的发展而改变，如图7(c)所示，塌落体的位移已远大于1.2 m，形成了明显的塌落体范围，但塌落体依旧局限在两组节理限定的范围内。

在地下水的叠加作用下，塌落体的范围继续扩大(并不局限在两组节理范围内)，真正形成了陷落柱，见图7(d)。位移大于1.0 m的区域明显，呈柱体状位于拱顶上部。

图7 陷落柱模拟的竖向位移云图(单位：m)

该岩溶陷落柱是由岩溶洞穴顶板岩层自下而上不断坍塌陷落堆叠而成。结合现场钻探取芯及施工揭示情况，该岩溶陷落柱碎块石堆积体已具一定胶结性，说明在一定的历史时期内隧底未再发生坍塌，也表明柱体底部较大型的岩溶水流通道已基本被堵塞，未再发生大规模的物质搬运。因此，该岩溶陷落柱现状整体稳定。

6.2 力学特性

根据现场实施水平及竖向钻孔分析，岩溶陷落柱主要成分为泥质白云岩、页岩及灰岩质碎块石，含薄层、脉状石膏，其间页岩具泥化现象，岩块之间具有一定胶结性，整体呈碎块石夹黏土状，力学性能较差。另外，岩溶陷落柱的形成是一个循环陷落的过程，受长期的卸荷作用以及上部岩体陷落撞击作用后，柱边岩体不断形成环状裂隙带、破碎带，导致岩体结构强度降低。

不难看出，陷落柱柱体及柱边围岩属地质体薄弱带，结构强度较低，工程力学性质较差，应进行相应的加固处理。

6.3 水文地质

陷落柱柱体堆积物质胶结程度不足，可成为导水通道，现场揭示岩溶陷落柱处涌水量较大(40 000 m3/d)，可见该岩溶陷落柱为典型的导水陷落柱，且位于地下水垂直强径流带上。同时，陷落柱柱边环状破碎裂隙带在隧道开挖后，因应力释放使裂隙尖端不断扩展、延伸，甚至贯通，引发突涌水。现场施工至岩溶陷落柱附近500 m时，隧洞内逐渐出现涌突水现象，出水量达10 000 m3/d以上。

另一方面，隧洞开挖后，地下水径流路径发生改变，将向洞周运移，地下水持续的运移、下渗、冲刷将导致隧底以下岩溶陷落柱内颗粒物质的不断流失，并将加速其间薄层、脉状石膏的溶解，可能会引起沉降。因此，应对拱墙范围和隧底进行注浆处理，从而尽量减少或避免地下水朝隧道范围的运移，以保证隧道结构的安全。

(1)该岩溶陷落柱埋深>200 m，地面物探检测(大地电磁法)也未揭示明显异常，具有显著的隐蔽性。施工揭示后，补充了区域水文地质调查工作，通过立体式(竖向、水平、上仰、斜下)钻探并于地层变化、地质突变等关键段落进行取芯验证，辅以洞内TSP、地质雷达法等综合物探检测手段进一步查明其空间发育情况。钻探过程中，采用旁压试验、动探试验、室内试验等方法查明了地基承载力等工程力学参数。通过洞内取样水质检测进一步查明了地下水的侵蚀性。

(2)该陷落柱是弱-非可溶性的三叠系中统松子坎组地层向岩溶强烈发育的三叠系下统茅草铺组地层塌陷产生的，说明这种岩溶陷落柱也可以发育于其它具备类似地质环境及形成条件的地层，有别于以往的案例(多揭示于煤系地层)。

(3)隧道施工遇类似大型导水岩溶陷落柱时，宜先施作迂回导坑，并利用迂回导坑进行泄水降压，再施工正洞，可有效降低高压涌水、突泥等地质灾害风险。