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第七届全国工程地质大会征文
渝怀铁路圆梁山隧道桐麻岭背斜东翼岩溶
涌水突泥灾害与整治方案比选?
蒋良文1,2 易勇进1,2 杨 翔1,2 陶伟明1,2
（1.铁道第二勘察设计院，成都 610031；2.渝怀铁路圆梁山隧道动态设计组，重庆酉阳 409800）
摘 要：圆梁山隧道是在建铁路重庆至怀化线的关键性控制工程，隧道全长11.068km，最大埋深约780m。隧道施工穿越桐麻岭背斜东翼时，遇到了水平循环带岩溶强烈发育地段，该地段岩溶十分发育，且连通性好；加之数次强降雨，DK361+764、DK360+873等段多次突发大规模的涌水突泥砂、块石灾害，造成部分施工机具掩埋损毁，施工掘进严重受阻，蒙受巨大的经济损失，初步分析认为涌水突泥与地下暗河或岩溶泉群的主管道网络发生较为密切的联系，可以直接接受大气降水补给。为了确保隧道施工和运营安全，针对背斜东翼段岩溶发育情况、涌水突泥特征及其降雨影响程度，进行了泄水洞排水、平导排水、封堵和堵排结合四个整治方案比选，最终采用了泄水洞方案； 2003年5～9月雨季，背斜地区多次普降（特）大暴雨，DK361+764、DK360+873等地段又再二三地突发大规模的涌突水（泥、砂、块石），都通过兴修的泄水洞排泄掉了，隧道及其衬砌结构安然无恙，表明采用泄水洞方案整治背斜东翼段的岩溶涌水突泥灾害是正确的选择。 关键词：岩溶 水平循环带 涌水突泥 灾害 整治方案 桐麻岭背斜 圆梁山隧道
1.隧道地质地貌概况
圆梁山深埋特长隧道是在建铁路重庆至怀化线的关键性控制工程，隧道全长11.068km，隧道进口位于细沙河东岸的瞻家坝，进口里程DK351+ 465、路肩设计标高549.16 m；出口位于属麻旺河源头的炭厂河西岸，出口里程DK362+533、路肩设计标高503.74 m。隧道为预留复线条件、平导超前施工的单线人字坡隧道，人字坡顶里程DK355+820、路肩设计标高560.52 m。隧道最大埋深约780m，对应里程DK353+035、路肩设计标高552.16 m。隧道位于川东鄂西褶皱山地与贵州高原的接壤带，地处武陵山脉腹地，穿越乌江与沅江水系分水岭毛坝～圆梁山地区，为中、低山深切河谷地貌，地形条件十分困难，相对高差500~800余米，地貌形态明显受构造和岩性控制，具条带状展布特征。地质构造异常复杂，属川黔湘鄂褶皱带之秀山穹褶束与黔江凹褶束接合部，为燕山期形成的北东35°左右的盖层褶皱带，后期遭受了喜山期北东18°左右的褶皱改造。褶皱带南段呈北北东向，向北渐变为北东～北东东向，因而总体形貌呈向北西凸出的弧形（图1）。
隧道穿越的主要地质构造为毛坝向斜和桐麻岭背斜及其伴生或次生断裂等构造；其中DK357+665~DK362+533为寒武系（∈）、奥陶系（O）以碳酸盐岩沉积建造为主构成的桐麻岭背斜地段，岩性主要为灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩夹薄层泥、页岩、泥灰岩。桐麻岭背斜轴部通过青山、艮山、腴地坡等，长60Km，平面形态略呈“S”形延伸，存在三个高点，可分为南、中、北等三段。隧道穿越背斜地段属桐麻岭背斜北段，南由老鸹山进入，其高点位
于腴地坡稍北，呈短轴背斜，沿轴向南、图1 圆梁山隧道及附近地区遥感示意图（比例1：20万） * 基金项目：铁道部科技发展计划项目2001G009-A-1资助 ** 第一作者简介：蒋良文（1965—），男（汉族），四川仁寿人，博 士，高级工程师，主要从事工程地质、地质灾害、岩土工程等勘察设计与研究工作。E-mail:Teydkyjlw@263.net，Teydlcjlw@263.net。
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北两端逐渐倾伏，向北于大竹园伸出本区；区内长11.7Km，轴线为N20～30°E，两翼倾向东缓(40～50°)、西陡(50～80°)，轴面东倾，轴部紧密。短轴背斜南段老鸹山至大洞山轴部被断层破坏。背斜核部出露最老的地层为寒武系中统高台组（∈2g），两翼依次为寒武系中统高台组（∈2g）、平井组（∈2p）上统毛田组（∈3m）、耿家店组（∈
；背斜地段发育分布F1、F2、F01等三3g）和奥陶系（O）碳酸盐岩为主的地层（图2）
条顺地层走向发育的纵向压性断层；受多期构造演化的强烈影响，其核部呈M型的复式背斜，顺层裂隙与横向裂隙强烈发育。背斜轴部成山（NNE向延伸），两翼成谷，岩溶地貌十分发育，具有明显的台地特征，即标高1100～1150m，950～1050m，700～800m三级台地。标高1100～1150m台地有几十厘米厚的残积层及形态不完整的古老洼地；标高980～1050m台地两翼均有保存，东翼分布于徐家～杨家盖一线，表现为小型的槽谷、洼地、峰丛或缓坡等，缓坡地带也保存有数十厘米厚的残积粘土，西翼分布于三潭村等，表现为缓坡、小型的槽谷和洼地等；标高700～800m台地在东西两翼均有规模较大的溶蚀槽谷和峰丛地貌，槽谷内发育串珠状洼地，洼地长轴方向与背斜轴部延伸方向一致，因此，背斜地段存在利于岩溶和岩溶水发育的条件。在施工期间，圆梁山隧道桐麻岭背斜东翼即隧道出口段DK361＋764、DK360＋873地段多次发生大规模涌水突泥砂灾害。
N26°E/30°SE重 庆N23°E/55°NWN31°E/42°SEN24°E/55°NW冷水河N30°E/51°NWC[3g]C[3g]~F[01]~C[2p]~N27°E/72°NW 怀 化N21°E/43°SEC[2g]~C[2g]~C[2p]~C[2p]~F[2]C[3g]~C[3m]~O[1n+f+h]F[1]C[2g]~200.47642.91DK360+873大规模岩溶涌水突泥地段DK361+764大规模岩溶涌水突泥地段图2 圆梁山隧道桐麻岭背斜地质剖面示意图（比例1:10000）
2.桐麻岭背斜段岩溶水补、迳、排特征
背斜东西两翼为志留系非可溶岩所限，四周被地表水系所切割，地表河流切穿可
溶岩与非可溶岩接触带的标高即为本区岩溶水的排泄基准面，且地表分水岭和地下分水岭基本一致，大气降水为地表水和地下水的唯一补给来源。与背斜轴线走向一致的近南北向的尖山子（标高1185.5m）～圆梁山（1202m）～烂板凳（1156m）～大洞山（又称大董山、1151.7m）～茶园（1030.4m）一线地带为本区背斜东西翼之分水岭。近东西向的老山（标高1218.3m）～尖山子（1185.5m）一线地带为本区背斜西翼之东西向分水岭。该分水岭以南的西翼岩溶水主要以泉或泉群的形式顺层向南纵向排泄为主，局部横向排泄。该分水岭以北的蕨台坝～大洞山地段大部分背斜西翼岩溶水通过横向裂隙以泉或泉群的形式排泄向冷水河（也称后河）纵向河谷，冷水河的纵向河谷可作为该地段岩溶水局部排泄基准面；该段部分岩溶水和大洞山以北的西翼岩溶水主要以地下暗河或岩溶泉群的形式顺层向北纵向排泄向横向切穿背斜的冷水河谷为主，据调查，在此河谷段内西翼所出露的主要排泄暗河或泉群（如鸦雀口暗河）最低标高为520m。
烂板凳～抱木坪～龚家坪一线地带为本区背斜东翼之东西向分水岭。该分水岭以北（抱木坪～黄泥溪～大水井一带及以北）的东翼岩溶水大部分以地下暗河或岩溶泉群的形式顺层向北纵向排泄向冷水河横向河谷，其主要排泄点～头咀暗河出露的标高为520m、出露的最低岩溶泉（游鱼泉）标高为474m；抱木坪～黄泥溪～大水井地段
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部分东翼岩溶水通过横向裂隙以泉或泉群的形式排泄向猪扒河，泉出露的标高为650m～550m。该分水岭以南（龚家坪～桃子坪～甲洲一带）大气降水潜入地下后，主要沿纵向层间裂隙和横向裂隙迳流，向麻旺河排泄，这可以由麻旺河西岸较为密集的泉点和暗河露头得到证明。由二个大泉群组成的娃娃泉群（暗河）是该分水岭以南大部分岩溶水以地下暗河或岩溶泉群的形式主要顺层向南纵向排泄向麻旺河的主要排泄点，其出露的标高为430m左右；龚家坪--桃子坪地段部分岩溶水通过横向裂隙以泉或泉群的形式排泄向麻旺河。麻旺河西岸密集的泉点多数出露的标高为450m～500m，桃子坪东北沟中泉点出露的标高为600m左右。
据调查，冷水河与猪扒河交汇处标高为467m，在此横穿背斜的河谷地段内所出露的最低岩溶泉（游鱼泉）标高为474m，故认为背斜北端东西翼可能在标高450m以下岩溶基本不发育。背斜西翼蕨台坝～大洞山段，地下水大部分以向冷水河（又称后河）横向排泄为主，冷水河标高660m可作为该地段岩溶发育的最低标高。背斜东翼烂板凳以南地区的抱木坪至甲洲一线，地下水主要以向麻旺河排泄为主，麻旺河在甲洲的标高385m应可作为该地段背斜东翼岩溶发育的最低标高。
综上所述，背斜无统一的岩溶水系统，大气降水为岩溶水的唯一补给来源，大气降水除部分形成地表径流外，大部分潜入地下，形成岩溶地下径流，最终排向地表水系，其补、迳、排特点是：分区段分散补给、主要沿纵向层间裂隙和横向裂隙相对集中迳流、分区段与子系统相对集中以泉、暗河等形式排泄。
3.背斜东翼段隧道施工涌水涌泥砂灾害及分析
3.1施工涌水涌泥砂灾害概述
隧道出口段施工开挖穿越背斜东翼至核部岩溶水垂直循环带—→季节变化带—→水平循环带地段—→深部缓流带时，遇到了东翼岩溶强烈发育地带（即地下暗河或岩溶泉群的管道网络发育地带），加之数次强降雨，从而遭遇DK361+764、DK360+873等地段多次突发大规模的涌水突泥（砂、块石）灾害，造成施工机具掩埋损毁，施工掘进严重受阻，蒙受巨大的经济损失（参见表1及续表1）。
3.2涌水突泥分析
DK361＋764、DK360＋873等地段各涌水点、特别是DK361＋764涌水突泥具有比较明显的特征，施工开挖时涌水多表现为喷射涌突水、水浑浊、并携带大量泥砂，初始水量特别大，洪峰持续时间短，涌水很快锐减而趋于平稳。
DK361＋764地段涌水突泥点封堵后具有向别处转移的特征；DK361+764右侧边墙顺层坍塌倾斜洞穴顶部岩溶管道于2002年2月11日被全部封堵，地下水被堵于岩溶管道中，导致水位上升，水压增大，地下水为寻找新的出口，冲破DK361+764线左侧拱腰处相对薄弱的围岩（此处原为一溶蚀裂缝，图3），造成该拱腰处于2002年2月22日和2002年3月3日两次突发大规模涌突水，涌水过程中夹带大量泥砂和碎块石。后来该通道被碎块石和泥砂封堵，仅有少量裂隙水流出，水较清澈。当隧道DK361+764段被清底后，由于基底上部反压力减小，地下水冲破左边墙基底较为薄弱的围岩，致使该处突发大规模涌突水。初步分析认为DK361+764右侧岩溶管道、左边墙拱腰涌水点、左边墙基底涌水点三处岩溶水通道应具有密切联系，应为同一地下水系（图3）
DK361+764从刚开始突水时的间歇性突水、突水高峰前伴随气流、堵水后出水点的多处转移、直至从出水口大量抛射岩块等现象，分析认为该段岩溶极为发育，存在许多枝状排水网络，隧道未直接揭露天然岩溶主管道。
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表1 桐麻岭背斜东翼DK361+764、DK360+873等地段大规模的涌水突泥灾害简表1 时 间 2001．7．14 位置里程 DK361+764 掌子面 触发因素 施工爆破 涌 突 水 情 况 突发大规模高压涌水突泥，最大涌水量达63m3/s，涌水洪峰水位高达2.5～3.0m，射距达25m，洪峰持续时间28分，总涌水量约11×104m3。 再次突水突泥，喷射距离达40m。此次洪峰持续时间1小时20分，涌水（泥）总量60×104m3，此后，涌水量基本稳定在3000 m3/d～ 4100 m3/d。 8日再次发生突水涌砂，最大涌3水量3.5m/s； 9日最大涌水量34.5m/s，10日最大涌水量8m3/s，12日最大涌水量6.5m3/s。15日涌水量基本稳定在3000 m3/d。9月～10月上旬连续天晴，涌水量小于300m3/d。 涌突泥砂块石情况 灾害损失 DK361+7642001．7．26 掌子面右侧下方 施作超前探水孔震动 高压突出大量黄泥夹少量造成施工机具细砂和灰岩小碎块石，隧底掩埋损毁，掘进全被淤积，洞口淤积深度停工12日，估1.2～1.5m，掌子面最大淤深计损失百万余5m，洞内淤积量1.5×104m3 元。 洞内淤积泥砂高度达0.8m。备注：在DK361+ 造成部分施工机具764～+755附近，右边墙掩埋损毁，掘进停呈现大于5.4m×3.4m×工6日，估计经济10.0m(高)的顺层坍塌倾损失数十万余元。 斜洞穴，顶部发育岩溶管道。 2001.8.8 ～15 DK361+764右侧边墙顺层坍塌倾斜洞穴顶部岩溶管道 8日开始降雨，9日至11日连降暴雨 伴随涌突出大量泥砂和灰岩小碎块石。 造成部分施工机具掩埋损毁，掘进停工15日，估计经济损失数十万余元。 2001.10月中旬～11月初 DK361+764右侧边墙顺层坍塌倾斜洞穴顶部岩溶管道 DK361+764洞穴顶部岩溶管道封堵位置处预埋的排水管 DK361+764左边墙拱腰处 持续降小到中雨 2002.2.21 ～22 20日晚～22日晨普降大雨 +764右侧洞穴及顶部岩溶管道封堵造成高水压 2002.3.3 2002.3.10 DK361+764左边墙基底岩溶管道 +764边墙岩溶管道封堵造成高水压 2002.4. 5 ～4.15 DK360＋ 860、＋873、＋890、＋施工爆破 895、＋920、＋950处 并携带大量黄泥、夹少量连续发生大规模涌突水，涌水中细砂和灰岩砾石与碎量达1 m3/s～1.2m3/s （即块石。 8.6～10×104m3/d），最大涌水备注：2002年2月11日量出现在连续降小到中雨7~8隧道正洞出口天以后，最大涌水量可达1.5 DK361+764处线右侧顺m3/s（即约13×104m3/d）。 层坍塌倾斜洞穴及顶部岩溶管道封堵工作结束。 321日7点涌水量2.5 m/s，11堆积泥砂约0.2～0.3m。 点后涌水量3m3/s；22日晨涌备注：由于水压增大，水量有所增大， 8点起涌水量DK361+764左边墙拱腰3.3 m3/s，至20点10分涌水量处突然涌出一直径约达3.6 m3/s，涌水洪峰达0.6m；0.5m股状水。 23日9点涌水减小，恢复施工。 3日13点10分突然一声巨响，伴随涌突出大量中细砂+764左边墙拱腰处原直径和少量灰岩砾石与碎块0.5m的股状水突然增大至石，堆积泥砂达0.5～1.2m，最大涌水量3.5 m3/s，涌0.8m。 水洪峰持续10小时42分。 8日9点+764左边墙基底岩溶点道处开始冒水，水量不大， 10日凌晨4点57分， +764地段刚完成清底时左边墙基底处伴随涌突出大量中粗砂突发大规模涌突水，5点03分和灰岩砾石与碎块石，突涌水至洞口，持续时间2小时，3泥砂总量约1400 m，其其间最大流速1.3m/s，最大涌中冲出块石的最大体积水量7.6m3/s，涌水洪峰高达达1.61m×0.52m×1.1m，到7点涌水减弱，7点0.40m。 30分时流速0.5m/s，涌水量3m3/s，8点30分时流速0.3m/s，涌水量0.4m3/s，该处涌水量基本稳定在5000 m3/d。 DK360+873～+950段多处（DK360＋860、＋873、＋890、＋895、＋920、＋950）施工开伴随涌突出少量中黄泥挖时发生较大规模涌突水，涌细砂。 水量10000 m3/d ～ 15000 m3/d，涌水量比较稳定。 造成部分施工机具掩埋损毁，掘进停工20日，估计经济损失百万余元。 造成掘进停工2日，估计经济损失数万余元。 造成掘进停工5日，估计经济损失十万余元。 造成部分施工机具掩埋损毁，掘进停工10余日，估计经济损失数十万余元。 造成施工受阻，掘进停工5日，估计经济损失数万余元。 4