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２００６年６月
第３期（总９３） 铁道工程学报
Ｊｕｎ ２０ｏ６
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡＩＬＷＡＹ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＳＯＣＩＥＴＹ
ＮＯ．３（Ｓｅｒ．９３）
文章编号：１００６—２１０６（２００６）０３—００２１—０４
深埋隧道岩溶突水灾害的地质条件研究
白明洲 许兆义 王连俊 王 勐
（北京交通大学， 北京１０００４４）
摘要：研究目的：明确岩溶山区深埋隧道施工突水灾害形成的地质条件，给隧道施工地质超前预报工作提供技
术基础。
研究方法：在现场调研的基础上，对宜万铁路岩溶地区的隧道工程进行了多方面的分析。
研究结果：得出了深埋隧道施工过程中揭露的深部岩溶地质特征，岩溶洞穴、管道的形成与地层岩性、岩
层构造、褶皱形态、岩层产状、断层特征等岩性构造因素的相关性，以及岩溶地貌和地下水条件与隧道突水灾
害的关系。
研究结论：岩溶突水地质灾害可能发生的工程位置与岩性分异界面、岩层接触界面、褶皱核部转折端、断
层等地质因素有密切关系，这些部位是大型岩溶洞穴可能出现的位置，因此隧道线路上这些地质位置也是岩
溶突水灾害形成的可能部位。在此基础上提出了岩溶山区隧道施工过程中岩溶灾害危险地段的判定原则。
关键词：岩溶山区；深埋隧道；岩溶突水；灾害；地质条件
中图分类号：Ｕ４１６ 文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｋａｒｓｔ Ｗａｔｅｒ Ｂｕｒｓｔｉｎｇ Ｄｉｓａｓｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ
Ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｃａｖｉｎｇ
ＢＡＩ Ｍｉｎｇ—ｚｈｏｕ，ＸＵ Ｚｈａｏ—ｙｌ，ＷＡＮＧ Ｌｉａｎ—ｊｕｎ，ＷＡＮＧ Ｍｅｎｇ
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｔｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ中华好少年
ａｓｃｅｒｔａｉｎ ｇｅｏｌｏｇｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｋａｒｓｔ ｗａｔｅｒ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ
ｔｕｎｎｅｌ ｃａｖｉｎｇ ａｎｄ ｇｉｖｅ ａ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｇｅｏｌｏｇｙ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｇｏｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｕｎｃｏｖｅｒｅｄ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｅｐ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ ｋａｒｓｔ
ａｒｅａ；ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｋａｒｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｉｔｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｌａｙｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｆｏｌｄ ｓｈａｐｅ，ｌａｙｅｒ ａｔｔｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒ；ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｋａｒｓｔ ｐｈｙｓｉｏｇｎｏｍｙ ａｎｄ ｕｎ—
ｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｕｎｎｅｌ ｋａｒｓｔ ｗａｔｅｒ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｉｔ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｓｏｍｅ ｔｕｎｎｅｌ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｏｆ Ｙｉｃｈａｎｇ——ｗａｎｚｈｏｕ
ｒａｉｌｗａｙ ｉｎ ｋａｒｓｔ ａｒｅａ．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：Ｉｔ ｉｓ ｃｌｅａｒｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｐｌａｃｅ ｏｆ脆山药怎么做好吃
ｋａｒｓｔ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｇｅｏｌｏｇｙ
ｌｏｃａｌｉｔｙ，ｓｕｃｈ ａｓ ｌｉｔｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ ｏｆ ｂｅｄ，ｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｆｏｌｄ ａｎｄ ｆａｕｌｔ．Ｈｕｇｅ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ｉｓ ｖｅｒｙ
ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｇｅｏｌｏｇｙ ｐｌａｃｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｊｕｄｇｉｎｇ ｋａｒｓｔ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｄａｎｇｅｒ ｓｅｇｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ
ＣＯＵｒｓｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｂｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｋａｒｓｔ ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ａｒｅａ；ｄｅｅｐ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ；ｋａｒｓｔ ｗａｔｅｒ ｂｕｒｓｔｉｎｇ；ｄｉｓａｓｔｅｒ；ｇｅｏｌｏｇｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
收稿日期：２００５—１１—２０
基金项目：铁道部科技开发计划项目（２００３Ｇ０３６—１）；北京交通大学科研基金项目（２００３ＳＭ０２０）
作者简介：白明洲，１９６７年出生，男，副教授。
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２２ 铁道工程学报 ２００６年６月
岩溶（喀斯特）在中国咳嗽用英语怎么说
分布广泛，在建和已建成的
许多深埋隧道就穿越岩溶区＿１］，随着岩溶地区深埋长
隧道的增多，施工中遇到的岩溶突水、涌泥等灾害逐渐
增多，它不但影响施工进度，同时也严重危及施工人员
生命安全，甚至导致地表岩溶塌陷的加剧 ］。岩溶突
水灾害与大型岩溶洞穴和管道的发育密切相关 “］，
本文根据宜万铁路岩溶地区隧道施工开挖过程中遇到
的岩溶突水问题，以野外地质调查为基础，分析了岩溶
地区深埋隧道的岩溶灾害形成的地质条件基础，对野
三关、八字岭、齐岳山等隧道岩溶管道发育规律进行了
研究。
１隧道工程概况
隧道皆位于鄂西碳酸盐岩分布的山区中，地质构造
复杂，地表分布大量汇集降水的岩溶洼地、槽谷，其中有
落水洞或漏斗等竖向管道，在隧道的进出口以及隧道经
由地段的上部等分布有暗河或溶洞和大泉，其中就有清
江、梅水和泥溪河等地表水的发源地。地质条件造成地
下岩溶管道中储存有大量地下水和沉积的泥砂。
齐岳山隧道地处湖北省利川市城外西偏北２３ ｋｍ
处，东起野茶乡乐园沟，向北西垂直穿越齐岳山及第三
纪夷平面荆竹园等，在百丈沟下真咀出口，全长１０ ４６３ ｍ，
洞身最大埋深６７０ ｍ。
野三关隧道位于巴东县野三关镇附近的宛口河和
支井河之间，全长１３ ８４６ ｍ。
八字岭隧道东起榔坪的救古坪河，西至巴东的木
龙河，隧道所经地形最大标高１ ３６０ ｍ，隧道最大埋深
６９５ ｍ。３座隧道属于同一个地质单元，地层岩性特征
基本一致（如表１所示），仅在齐岳山隧道部分地段穿
越侏罗系地层 ，３座隧道地理位置如图１所示。
表１隧址区可溶岩地层对比表
系 统 组 代号 齐岳山隧址区 八字岭隧址区
地层系统 野三关、
Ｔ白云岩、白云角
Ｊ 砾岩
ｌ
、
灰质白云岩 白云岩
、
灰岩及
嘉 Ｔｌ Ｊ 泥质灰岩、 角砾状灰岩
陵 灰质白云岩
江 薄层
组 Ｔｌ Ｊ 薄层、中厚层灰岩 局部见泥质成分
、
中厚层灰岩，
—
二 下
叠 ＴｌＪ 薄层状灰岩、 浅红色、灰白灰岩
统 泥质白云岩 且蠕虫状结构
系 Ｔｌｄ 灰岩砂屑鲕粒灰岩
大 Ｔｌｄ 灰岩、底部紫红 微晶灰岩夹中
冶 色、灰黄色页岩 厚层灰岩
组 Ｔ１ｄ 灰岩
Ｔ页岩夹泥灰岩
ｌ
ｄ 灰岩夹泥灰岩 炭质
、
钙质页岩
续表１隧址区可溶岩地层对比表
系 统 组 代号 齐岳山隧址区 八字岭隧址区
地层系统 野三关、
长 含燧石结核灰岩；
兴 Ｐ２ｃ 生物碎屑灰岩夹
组 硅质灰岩；燧石结 含燧石结核灰岩
上 核条带灰岩
统 吴 Ｐ２Ｗ。 硅质灰岩；含燧石 硅质页岩夹碳质
家 结核灰岩 页岩
—
＿—— 坪 上部为碳质页岩、 燧石结核灰岩夹
叠 组 Ｐ２Ｗ 煤层夹泥灰岩；底 页岩；硅质钙质页
部为粘土岩 岩夹煤层
系 茅 燧石结核
、
条带灰
口 ｐｌｍ 岩；瘤状灰岩、泥
下 组 质灰岩
栖 生物碎屑灰岩、瘤
统 霞 微晶灰岩燧石结
组 微晶灰岩夹页
ｐｌｑ 核
、
岩
图１隧道地理位置示意图
２深部岩溶管道与地层岩性关系
结合３个隧道地层特征，对二叠系和三叠系下统
中碳酸盐岩层中岩溶发育特征进行讨论。在碳酸盐岩
体中，除化学沉积外，还有碎屑沉积，如：嘉陵家组中的
角砾灰岩，茅口组的瘤状灰岩，长兴组灰岩中的燧石结
核等条带等。燧石结核及燧石条带与灰岩接触界面附
近易溶蚀，这在厚层长兴组灰岩，茅口组灰岩中表现突
出，其原因在于以ＳｉＯ 为主要成分的结构致密的燧石
结核与其同生的碳酸盐间形成易溶一难溶界面。水流
最易沿此界面进行溶蚀，水流沿着此界面逐渐淘蚀，使
结核孤立，以至于最终剥离。嘉陵江组角砾灰岩，成分
虽属于碳酸盐型，但砾石与胶结物间多孔隙，水流易在
胶结物中形成大量溶孔。所以在界面上发育大量溶
孔、小型溶洞，并为岩溶进一步发育提供了良好的物质
基础。岩层中易溶特殊矿物成分对岩溶的发育有着重
要作用，由于在Ｔ１ｊ和Ｔ ｄ地层中存在石膏和硫铁矿
等特殊成分，它们与水作用形成对碳酸盐岩有很强的
侵蚀性的地下水，导致溶蚀作用加剧，从而使Ｔ１ｊ和
Ｔ１ｄ深部岩溶管道大量发育。在齐岳山背斜西翼Ｔｌｊ
岩层中夹有纤维状的石膏（ＣａＳＯ ・２Ｈ Ｏ），在东翼大
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第３期 白明洲许兆义王连俊王勐：深埋隧道岩溶突水灾害的地质条件研究 ２３
冶组岩层中发现黄铁矿（ＦｅＳ ）呈星点状分散分布，局
部较集中。在齐岳山隧道里程ＤＫ ３６１＋９２０处揭露的 直立、倒转，西翼稍缓约４５。～５０。，核部由Ｐ２Ｗ 非碳
溶洞水，现场用试纸测试ｐＨ值约５．８，为偏酸性水，与
中规模最大的背斜。东翼陡地层倾角７０。～８０。，局部
酸盐组成，两翼则由碳酸盐岩Ｐ Ｃ、Ｔ，ｄ、Ｔ，ｊ地层组成，
硫铁矿氧化体有密切关系。
３岩层构造对岩溶发育的影响
一
般认为，厚层及巨厚的碳酸盐岩层中，成分均
一
，
结晶颗粒粗大，因此溶解度大，所以容易发育岩溶。
大量野外观察发现在构造强烈地区，薄层灰岩与厚层 和ＣａＳＯ ・２Ｈ Ｏ存在，又使地下水具有较强的溶蚀能
灰岩交界处往往容易发育溶洞。隧道工程区在大冶
组、嘉陵江组有大量薄层夹中厚小故事大哲理
层灰岩，长兴组中有厚
层夹薄层灰岩，由于构造强烈岩层层面张开程度远大
于节理裂隙面，这些层面成为地下水的良好通道。如
八字岭隧址区密水洞、响洞坪等大型岩溶洞穴都发育
在岩层厚度小于１０ ｃｍ左右的嘉陵江组薄层灰岩中。
在齐岳山、野三关隧道发现强烈褶皱地段的大冶组灰
岩中，往往夹杂有小溶洞，并填充有泥土沉积物质。隧
址区大冶组、嘉陵江组的薄层灰岩岩层倾角陡立，层面
间的张开程度非常大，且裂隙发育，使得薄层灰岩极为
破碎，为岩溶发育创造了良好空间。这种发育特征在
朝阳洞、大鱼泉溶洞及八字岭密水洞等溶洞中非常明
显。
总之，岩层的构造特性在一定程度上会弥补可溶
岩溶解的差异性，甚至成为影响岩溶发育的主要因素。
４褶皱形态与岩溶发育
褶皱的不同部位变形机理不同，岩体破裂程度不
同，直接影响到岩溶的发育和富水条件。在岩性条件
相同的情况下，褶皱构造中岩溶发育的特点是核部强
于翼部，背斜倾伏端或向斜挠起端及各类褶皱构造的
转折部位，岩层走向及倾向均发生改变。同时由于岩
层弯曲产生的二次构造应力场的作用造成这些部位岩
体破碎，有利于岩溶的发育。齐岳山隧道碳酸盐岩地
层主要分布在齐岳山背斜；八字岭隧道有约２／３线路
穿越秋树岭一叉叉包一张三坡向斜，仅有很短段穿越
尖山坡背斜；野三关隧道在进口穿越了二溪河一柳山
拐由碳酸盐岩层组成的背斜，出口穿越苦桃溪一支井
河可溶岩单斜（支井河向斜东翼）。从齐岳山背斜、秋
树岭一叉叉包一张三坡向斜和苦桃溪一支井河单斜等
３个构造单元的岩溶发育特征可以看到褶皱构造与深
层岩溶管道的发育有密切关系，主要特点是在向斜构
造的核部转折端附近是大型岩溶洞穴和管道形成的有
利部位。
齐岳山隧道的碳酸盐岩层分布段，为单式的高角
度背斜，大致呈北东一南西向展布，是北北东构造体系
山顶由海拔１ ７００～１ ８００ ｍ的第一级夷平面和１ ５００
～
１ ６００ ｍ的第二级夷平面组成，其上发育有大型岩溶
槽谷、洼地，其中有落水洞或漏斗，为降水汇集和转入
地下提供有利条件，由于核部的非可溶岩层的阻水作
用，使地下水分流于两翼，加之Ｔ，ｄ、Ｔ，ｊ地层中有ＦｅＳ
力，所以齐岳山背斜两翼岩溶管道发育，如图２所示。
降雨人渗
ｌ ｌ ｌ
Ｐｚｗ隔水层
图２齐岳山背斜简化示意图
八字岭隧道穿越秋树岭一叉叉包一张三坡向斜，
核部由Ｔ ｊ地层组成，东翼由ｓ、Ｄ、Ｃ、和Ｔ ｄ组成，而
西翼则由Ｐ和Ｔ，ｄ组成，轴向东段为Ｎ８０。～９０。Ｅ，西
段则为Ｎ５０。～６０。Ｅ，两翼地层倾角２０。～３０。较缓，而
核部地层倾角为６０。～８０。，甚至直立。大型溶洞管道
都分布在向斜核部附近，如张三坡伏流口及双子座男性格
密水洞暗
河、响水洞漏斗套叠的竖井，牛鼻子洞暗河出口都位于
秋树岭一叉叉包一张三坡等，如图３所示。
密水洞 向斜轴面
丁
ｌ——－７ Ｓ ｌ
Ｉ Ｉ
＼
＼Ｅｇ０Ｗ／ＳＬ４０／ ＼
、
ｌ＿／
兰！ ９
图３八字岭隧道地下暗河管道进口位置示意图
野三关隧道穿越多个褶皱构造单元，其中隧道洞身
位于碳酸盐岩层中的褶皱构造有三斗山向斜、二溪河一
柳山拐背斜和支井河向斜的东翼，即苦桃溪一支井河单
斜。该区褶皱的最大特征是以Ｔ１为核部组成的ＮＥ向
的向斜叠加在由Ｐ，（地表出露为Ｐ，，隧道洞身为ｓ～Ｄ）
为核部的东西向的石马坝背斜之上，岩溶主要发育在叠
加部位及其附近，如由向背斜叠加生成的周家包次级背
斜上的多处溶洞。另外，在向斜与背斜叠加处发育的苦
桃溪，在其上发育有大量溶洞和大泉，发育在翼部的支
井河谷有多个暗河出口，如图４所示。
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２４ 铁道工程学报 ２００６年６月
｜蔷
５岩层产状及断层与岩溶管道的发育
注：囫灰岩； 砂页岩；［ ］溶腔
图５地堑型断层与岩溶发育关系示意图
６突水灾害与岩溶地貌和地下水关系
岩溶的形成是可溶性岩石与地下水共同作用的结
果。地表岩溶洼地、槽谷为汇集降水形成的暂时洪水
提供了有利的场所，而岩溶洼地、槽谷中的落水洞或漏
斗使洪水转入地下，成为地下水补给区。如齐岳山隧
道的１ ７００—１ ８００ ｍ第一级夷平面和１ ５００—１ ６００ ｍ
第二级夷平面上发育的岩溶洼地、槽谷及其中的落水
洞或漏斗成为地下水的补给，如图６所示。而野三关
隧道和八字岭隧道在１ １００—１ ３００ ｍ的岩溶槽谷最发
育，间或有岩溶洼地和其中的落水洞或漏斗构成地下
水的补给。齐岳山上的１ １００—１ ２００ ｍ第四级夷平面
和１ ３００—１ ４００ ｍ第三级夷平面后缘为暗河出口或溶
洞和大泉是地下水的排泄点；野三关和八字岭隧道则
是以支井河及其支流泗渡河谷中暗河出口、溶洞和大
泉为排泄点。在补给区和排泄点间，是地下水径流区，
也是深层岩溶管道的形成地段。
齐岳山
野茶坝
磊熏 孥 南坪 鱼泉 菇
庙子 、 形容雪景的句子
石硐子煤矿 矿
图６齐岳山隧道夷平面和溶洞分布高程示意图（单位：ｍ）
７ 主要结论
通过以上分析对深埋隧道施工中岩溶突水灾害形
成的地质条件得到以下认识：
（１）在隔水层与岩溶含水层交界面附近，如Ｔ，ｄ，
隔水层与Ｔ ｄ：岩溶含水层交接面附近、Ｐ：１３＋Ｔ，与
ＰｚＷ 交界面附近、Ｔ ｊ岩溶含水层与Ｔ：ｂ隔水层界面
附近的岩溶管道可能最发育。如齐岳山背斜德胜场危
险段、朝阳洞一大小鱼泉危险段等。
（２）由于区内构造变形强烈，岩层层面张开程度
大，构成地下水运动的良好通道，所以该区岩溶管道多
沿着岩层走向发育。
（３）碳酸盐层中含有ＦｅＳ：、ＣａＳＯ ・２Ｈ：Ｏ等特殊
成分，在它与地下水共同作用下，形成酸Ｉ生水或大量游
离ＣＯ：，使碳酸盐易于溶蚀而形成岩溶管道。
（４）根据区内地下水的补给区和地下水排泄点
之间的岩溶管道的连通性、溶洞调查的结果，结合区内
岩溶发育规律找出地下水的运动方向，特别是地下水
运动途径，进而确定岩溶管道的平面位置，依据当地岩
溶发育深度和岩溶管道的平面分布位置确定隧道施工
过程中的岩溶突水危险地段，这是隧道岩溶突水危险
地段地质分析的基本原则。
参考文献：
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（编辑马丽）
