太行山隧道宽张裂隙成因演化机理分析

王延涛，曾宪明，何宝夫

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

山西中南部铁路通道为国家重点工程建设项目，起自瓦塘站，经山西、河南、至山东日照港，对落实国家中部崛起发展战略，对提高晋中南地区煤炭外运，保障国家能源安全供应具有重要意义。

太行山隧道位于山西省与河南省交界处，双洞单线，左线长18 095 m，最大埋深915 m，右线长18 080 m，最大埋深920 m，DK590+335～DK590+740段下穿露水河，最小埋深约14 m。受地形和露水河高程控制，整个隧道为单面坡。

太行山隧道位于太行山中山区，太行山复式背斜，地形陡峻，洞身深埋，上、下两套近水平地层，活跃的新构造运动及表生改造，塑造了特有的嶂石岩地貌(广义)。

嶂石岩地貌位于太行山中南部地质地理第二和第三阶梯过渡带，为新型砂岩地貌，1972年发现，1992年命名，上覆为喀斯特岩溶地貌，下部为石英砂岩地貌(狭义嶂石岩地貌)，具有“丹崖长墙连续不断、阶梯状陡崖贯穿全境、‘Ω’形嶂谷相连成套、棱角鲜明的块状结构、沟谷垂直自始至终”等五大特点，组成物质、形态、成因、演化独成体系，水文地质特性复杂而独特。

太行山隧道走行在有待深入研究的新型嶂石岩地貌区，其裂隙水具有独特性。Ω套谷，使补给区增大。剪胀作用，使地形急剧变化带、构造轴部发育深埋原生宽张裂隙，为地下水提供了储存空间。卸荷作用，使盘状宽谷两侧陡崖发育张性卸荷裂隙，阻断坡面地表径流。深埋原生宽张裂隙无疑控制着富水段的分布，控制着高压涌水，威胁隧道的施工安全和运营安全。而深埋原生宽张裂隙分布规律具随机性且宽窄不一，其成因机理对研究富水段分布具有重要的理论与现实意义。

1 地质背景

太行山隧道位于太行山复式背斜;由浊漳河、浊河、露水河切割形成的河间地块及林滤山(图1);由芣兰岩-奥治正断裂与王家庄-杨耳庄正断裂夹持，断层不甚发育，仅有小规模的平移断层及高角度的正断层，沿宽谷发育大规模的宽张裂隙。

研究区发育上、下两套近水平地层，上部由O2灰岩、O1白云岩、ε2+3灰岩构成的碳酸盐地层，下部由ε1、Zch砂岩、泥岩及页岩构成的碎屑岩地层，基底为太古界Az变质的片麻岩(图2)。

构造塑造地貌，地貌反映构造。太平洋板块扩张、印度板块扩张联合作用，新生代裂谷盆地断陷及坳陷，形成了中国地质地理第二、第三台阶和盆地，成为研究区构造-地貌演化的主要动力。

图1 研究区

图2 地质剖面

研究区太行山中南部地质地理第二和第三阶梯过渡带，新构造运动强烈，表现为大面积拱形隆起。第四纪上升幅度1 080～1 380 m，上升速度0.44～0.56 mm/a。在隆起过程中，既有时间上的间歇性，又有空间上的差异性，既有断块抬升性质，又有阶梯式抬升性质，生成太行山及河流切割谷地。

2 地貌演化

研究区地貌起于中新世初期(24Ma)，太行山顶部残留早第三纪末期形成的准平原。中新世初期喜山运动第二幕将太行山拱起形成山地夷平面，同时河流下切形成上部灰岩谷地。

中新世晚期至上新世早期喜山运动第二幕(11.6～3.2 Ma)逐步稳定，侧蚀扩谷形成宽谷和溶洞，形成上部喀斯特岩溶地貌。

上新世末期或第四纪初期(3.0～2.5 Ma)，喜山运动第三幕，研究区间歇强烈抬升山地夷平面抬升到1 400～1 500 m高程，宽谷抬升到1 100～1 200 m高程，新构造运动与表生改造联合作用形成部为石英砂岩地貌(狭义嶂石岩地貌)(图3)。

图3 地貌演化时序

早更新世太行山地抬升(0.061～0.17 mm/a)向源侵蚀分水岭西移。

早更新世晚期(1Ma)趋于稳定，表生改造形成1 100 m高程宽谷。

中更新世初期继承早期构造抬升(0.17～0.32 mm/a)，抬升幅度85～160 m，形成太行山背斜，原生剪涨裂隙形成雏形，向源侵蚀研究区河间地块形成。

中更新世中、晚期(0.5～0.12 Ma)趋于稳定，表生改造宽谷进一步扩展，形成盘谷。

晚更新世初期强烈抬升(0.39～0.78 mm/a)，抬升幅度27～55 m，盘谷导致上覆厚度差异，抬升过程中，剪胀作用，致使地形急剧变化带浅表层形成原生宽张裂隙，河流下切形成自相似极强的沟谷。

晚更新世晚期(0.05 Ma～11 ka)趋于稳定，表生改造沿浅表层宽张裂隙形成Ω套谷雏形。

早中全新世初期为更强烈抬升(2.1～5.7 mm/a)抬升幅度7～20 m，盘谷、沟谷致使上覆厚度差异更为明显，抬升阻力差异性增强，在Ω套谷口、地形急剧变化带原生宽张裂隙继承发展，深度加深，密集程度加强，河流下切形成的沟谷，但自相似削弱。

中全新世(7.5～3.0 ka)趋向稳定，沿原生宽张裂隙、卸荷裂隙，在横向楔状侵蚀、掏蚀卸荷等表生改造作用下，上部Ω套谷相向崩塌形成长崖、方山，下部沿裂隙形成裂隙谷、隘谷、嶂谷，塑造出特有的嶂石岩地貌。

晚全新世至今再一次抬升(3.6～5.3 mm/a)，抬升幅度11～16 m，河流持续下切，嶂石岩地貌进一步雕塑(图4)。

图4 地貌特征

3 宽张裂隙成因演化机理

研究区地貌起于中新世初期，宽张裂隙与地质构造运动同步，始于太行山背斜形成期，经过3次地表改造，上覆荷载差异性逐渐增强，在3次间歇抬升过程中，原生宽张裂隙继承并发展形成深埋原生宽张裂隙(图5)。

基于早更新世晚期(1 Ma)形成的宽谷，中更新世初期继承早期构造抬升，太行山背斜形成，在背斜轴部、宽谷两侧地形及地质岩性薄弱地段形成原生或潜在的剪涨裂隙，自相似极强。

图5 宽张裂隙成因演化机理

中更新世中、晚期，地表改造，沿剪涨裂隙、卸荷裂隙下切，重力作用、侧蚀、向源侵蚀形成盘谷，地形差异增强。

晚更新世初期强烈抬升，继承已有剪涨裂隙向纵深宽大发展，且密集程度增强，同时，在地形急剧变化带形成原生剪涨裂隙。

晚更新世晚期，地表改造增强，剪涨裂隙、卸荷裂隙继续下切，重力作用、侧蚀、向源侵蚀形成盘Ω谷，地形更加破碎，自相似变差，熵值变大，规律变差。

早中全新世初期为更强烈抬升，已有宽涨裂隙差异化发展，覆盖厚度薄地形变化差异小的区域，Ω谷附近剪涨裂隙向宽大密集方向发展，地形急剧变化带向纵深方向发展。

中全新世，地表改造，上部形成长崖、方山，下部形成裂隙谷、隘谷、嶂谷，期间形成Ω套，嶂石岩地貌框架，嶂石岩地下水文环境形成。

晚全新世至今再一次台升，区域侵蚀基准面下降，已有宽涨裂隙继续向下发展，已有沟谷、套谷支解，嶂石岩地貌进一步雕塑。

综上，太行山隧道宽张裂隙为继承原生剪涨裂隙，伴随太行复式斜的形成、嶂石岩地貌的塑造而演化形成的，经历4次抬升，3次地表改造，在地形急剧变化过渡带集中分布深埋原生宽张裂隙。

4 宽张裂隙分类及特征

原生剪涨裂隙继承演化、嶂石岩地貌塑造综合作用，形成3类宽张裂隙(图6)。

图6 宽张裂隙分类

盘谷深埋宽张裂隙:分布在河流侵蚀地貌盘谷地形急剧变化过渡带，多次继承发展演化而成，埋深大，间距大、孤立分布。

套谷深埋宽张裂隙:分布在嶂石岩地貌套谷地形急剧变化过渡带，多次继承发展演化而成，埋深大，成带集中分布。

嶂谷宽张裂隙:分布在嶂石岩地貌裂隙谷、隘谷、嶂谷地形破碎区，原生、继承发展演化而成，埋深浅，孤立、成带集中分布，伴随卸荷裂隙。

5 宽张裂隙水文地质特征

盘谷深埋宽张裂隙:上下两套地下水含水系统。上部为溶洞含水系统，大气降水补给，富水，管道分布，在盘谷沿区域隔水层以下降泉水形式排泄。下部为碎屑岩含水系统，深埋宽张裂隙贯通上部含水层越流补给，地表裸露大气降水、泉水二次补给，循环慢，排泄量少，以静态水储存。涌水量大，衰减慢，稳定，出水孤立。

套谷深埋宽张裂隙:上下两套地下水含水系统。上部为溶洞含水系统，大气降水补给，富水，管道分布，在套谷下部沿区域隔水层以下降泉水形式排泄栈台。下部嶂石岩含水系统，砂岩陡崖、裂隙谷、隘谷、嶂谷发育，沿陡崖及套谷宽张裂隙极其发育，上部为溶洞含水系统以泉形式排泄至栈台的第四系堆积层内，一般地貌条件下，形成地表径流排向沟谷，在嶂石岩地貌沟谷两侧楔状裂缝、卸荷裂隙发育阻止地表径流形成，再次转变为地下水，以静态水储存，形成富水区。涌水量大，衰减慢，稳定，成带集中出水(图7)。

图7 套谷深埋宽张裂隙水文地质特征

嶂谷宽张裂隙:嶂石岩含水系统，砂岩陡崖、裂隙谷、隘谷、嶂谷发育，沿陡崖及套谷宽张裂隙极其发育，大气降水形成地表径流排向沟谷，在嶂石岩地貌沟谷两侧楔状裂缝、卸荷裂隙发育阻止地表径流形成，转变为地下水，以静态水储存，由于地形支离破碎，含水体孤立且连同性差。涌水量初期大，衰减快，不稳定，出水孤立。

综上，宽张裂隙水文地质特征为“套谷汇水，盘谷控制，二次补给，裂隙富水”，隧道涌水主要来源为上部岩溶泉水二次补给及含水层静储量。

Ω沟沟口及地形急剧变化带富水，深埋宽张裂隙产生高压涌水，威胁隧道施工安全和运营安全。

6 结论和建议

(1)研究区太行山中南部地质地理第二和第三阶梯过渡带，新构造运动强烈，表现为大面积间歇性拱形隆起。

(2)地貌演化起于中新世初期，喜山二幕形成盘谷、喀斯特岩溶地貌，喜山三幕形成Ω套谷、狭义嶂石岩地貌。

(3)太行山隧道宽张裂隙为继承原生剪涨裂隙，伴随太行复式斜的形成、嶂石岩地貌的塑造而演化形成的，经历4次抬升，3次地表改造，在地形急剧变化过渡带集中分布深埋原生宽张裂隙。

(4)原生剪涨裂隙继承演化、嶂石岩地貌塑造综合作用，形成水文地质各异的盘谷深埋宽张裂隙、套谷深埋宽张裂隙嶂谷宽张裂隙3类宽张裂隙。

(5)宽张裂隙水文地质特征为“套谷汇水，盘谷控制，二次补给，裂隙富水”，隧道涌水主要来源为上部岩溶泉水二次补给及含水层静储量。

(6)盘谷深埋宽张裂隙涌水量大，衰减慢，稳定，出水孤立;套谷深埋宽张裂隙涌水量大，衰减慢，稳定，成带集中出水;嶂谷宽张裂隙涌水量初期大，衰减快，不稳定，出水孤立。

(7)Ω沟沟口及地形急剧变化带富水，深埋宽张裂隙产生高压涌水，威胁隧道施工安全和运营安全。

［1］ 中华人民共和国水利部．岩土工程基本术语标准［S］．北京:中国计划出版社，1999．

［2］ 铁道部第一勘测设计院．铁路工程地质手册［M］．北京:中国铁道出版社，1999．

［3］ 郭康．嶂石岩地貌之发现及其旅游开发价值［J］．地理学报，1992(5)．

［4］ 郭康，邸明慧，马辉涛．主宰“嶂石岩地貌”的两种坡面发育模式［J］．地理学与国土研究，1997(1)．

［5］ 翁金桃，陈旸，刘新号，郑富盈．太行山南端岩溶洞穴及其形成环境［J］．中国岩溶，1990(1)．

［6］ 吴忱，张秀清，马永红．太行山、燕山主要隆起于第四纪［J］．华北地震科学，1999(3)．