云南柴石滩水库灌区工程隧洞施工岩溶暗河探测

周延国 万伟锋 王耀军

摘要：云南柴石滩水库灌区工程隧洞施工开挖过程中揭露一超大溶洞，给隧洞施工带来了较大安全隐患及投资风险。分析了隧洞区工程地质及水文地质条件，基本查明了隧洞周边及洞内的岩溶暗河地质发育特征。采取了三维激光扫描仪测量岩溶空腔地形、地质雷达探测夹层岩体可靠性的联合探测方法，获取了岩溶暗河的三维结构和内部特征。有针对性地提出了洞轴线向右偏移的处理对策。处理方案实施后，隧洞开挖顺利、安全地穿越了岩溶暗河。

关键词：隧洞开挖;岩溶暗河探测;岩溶空腔;三维激光扫描仪;雷达探测;云南柴石滩水库

中图法分类号：TV554文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.007

文章编号：1006 - 0081（2021）03 - 0042 - 07

1 研究背景

岩溶地质问题是工程建设中的重要地质难题。在隧洞工程建设中，隧洞穿过可溶性岩层时，溶洞位于隧道底部，隧道基底处理难度大;溶洞位于隧道顶拱，容易发生坍塌，岩溶洞穴的存在给隧道开挖和运营的安全造成了严重威胁[1]。

在云南省柴石滩水库灌区工程隧洞施工开挖过程中，于桩号Z1+099.09向上游方向揭露超大溶洞暗河，給隧洞施工带来了极大安全隐患，需尽快制定安全可靠的穿越溶洞施工方案，否则，将导致施工工期延长，工程投资增加。快速、准确地探测隧洞岩溶暗河的位置、空间分布形态，可为工程实施方案的制定提供可靠的地质信息，并为施工和运行期的安全提供有力保障。

2 隧洞区工程地质及水文地质条件

2.1地形地貌

隧洞区内地貌类型主要为深切河谷地貌及侵蚀溶蚀低中山缓丘地貌。南盘江在区内为横向河谷，河流由东流向西，河谷多呈U形。在高程1 750～1 900 m间古夷平面明显，漏斗、溶蚀洼地较发育，南盘江从该夷平面下切达200余米，形成高原深谷。

2.2地层岩性

隧洞沿线出露地层为元古界震旦系、下古生界寒武系下统。

（1）元古界震旦系（Z）。①震旦系南沱组（Zbn），岩性为紫色冰碛砾岩夹砂岩，厚约35 m，该层主要分布于隧洞进口。②震旦系陡山沱组（Zbd），顶部为约1m厚的细砾岩，中部为厚层状粗粒石英砂岩，下部为厚层细粒石英砂岩，硅质胶结，岩性坚硬，层厚约25 m。与上部灯影组第一层为假整合接触。该层主要分布于隧洞前段。③灯影组（Zbdn），浅灰、灰白色厚层、块状白云岩、灰质白云岩为主夹硅质条带，总厚393.5 m，该层分布于隧洞中、前段。

（2）下古生界寒武系下统（∈1）。①渔户村组（∈1y），总厚约142 m，下段（∈1ya）以灰绿、紫红色粉砂岩、页岩为主，厚约110 m;上段（∈1yb）以含磷硅质白云岩及泥质灰岩为主，厚约30 m。该组分布于隧洞中段。②筇竹寺组（∈1q），灰黑色、灰绿色页岩夹薄层粉砂岩，具球状风化特点，厚约272 m，岩性及厚度稳定，出露在大龙兑村附近隧洞后段[2]。

2.3 地质构造

隧洞区内受岚光山向斜与牛头山复背斜控制，构造线与区域NNE向构造体系一致，呈向NW倾斜的单斜构造。区内出露断层多沿NNE向延伸，岩层总体倾向W～NW，倾角一般为15°～40°，局部可达50°。其中，F3断层出露于大柴石滩村西侧，走向NE10°～30°，倾向280°～300°，倾角44°～68°，具压扭性，断层破碎带宽5～15 m，断层带物质为角砾、糜棱岩、断层泥，局部石墨化，延伸长度大于2 km，为区域性逆断层。Zbdn逆冲于∈1地层之上。总干渠1号隧洞中段穿越该断层。隧洞区的平面及剖面地质图见图1、图2。

2.4 岩溶水文地质条件

从区域新构造背景条件分析，隧洞沿线属新构造运动相对稳定区域，除发育洼地、落水洞等垂向形态溶蚀现象外，尚有水平状溶洞等溶蚀现象发育。区内山顶地表多见有洼地、落水洞发育，地表水系罕见，大部分降雨渗入地下。南盘江岸坡地层中发育2层水平向溶洞，下层靠近河床，高程在1 550 m附近，距河床高度小于5 m;上层发育高程一般在1 600 m左右，距河床高度约50～70 m。岩体中存在地下水集中径流的岩溶管道，地下水多沿岩溶管道以大泉的形式向南盘江河谷排泄。

3 隧洞区岩溶暗河地质调查分析

3.1 隧洞周边地区岩溶暗河调查

通过地质调查，隧洞沿线穿越两条岩溶暗河系统，分别命名为①号暗河（“落水洞”暗河）系统和②号暗河（“双龙洞”暗河）系统。两条暗河呈近平行分布，走向北东，和岩层走向和区域构造线走向基本一致，暗河均沿震旦系灯影组白云岩分布（与九乡溶洞为同一套地层）。两条暗河的进出口较为明确，上游分别对应有地表水流和落水洞，下游分别对应南盘江左岸的两处泉水，见图1。其中，①号暗河为Z1+099.09 m桩号处发育发现的溶洞和暗河;②号暗河推测发育在Z1+575 m桩号附近，施工过程中发现有溶塌和小落洞。

3.2 隧洞洞内岩溶暗河调查

隧洞开挖揭露的地层岩性主要为震旦系灯影组（Zbdn）中厚层状砂质白云岩、局部夹薄层状泥质白云岩。岩层整体产状倾向W～NW、倾角25°～38°，倾向出口方向。

整体来看，该溶洞在垂向上基本以隧洞底板高程1 605 m为界，将该溶洞分为上下两层。上层溶洞沿隧洞轴线方向洞深约40 m，高度约30 m，分布高程在1 605 ～1 635 m。上层溶洞以洞轴线为界，左右两侧（面向进口方向）岩溶现象存在一定差异，洞轴线及其左侧溶蚀塌落强于洞轴线右侧，左侧溶洞宽且高，最高距上层底板约30 m，宽敞似大厅，并发育天生桥、石柱及石幔等，滴水点较多并见有线状流水，溶塌堆积体较厚。洞轴线右侧逐渐变窄，呈长廊状，基本为干洞，仅在洞顶有潮湿及少量滴水，顶部发育石钟乳，规模较小，长度一般在5～30 cm，底板见有石芽，生长规模也较小，上层溶洞底板堆积溶塌块石及淤积粉细砂等，见图3。

下层溶洞沿隧洞轴线方向洞深约30 m，高约20 m，垂直于洞轴线方向最宽约80 m，下层溶洞分布高程1 585～ 1605 m。该溶洞在洞轴线左侧现有天窗，中下部堆积了约厚10 m的溶塌块石，底部有水平支叉溶洞与地下暗河相连。根据地质调查分析，地下暗河在该塌腔溶洞附近截弯取直，地下暗河整体上形成了上窄底寬的倒V形地下河谷，但在局部地段呈低矮的管道形河道，暗河两侧陡壁较多，石柱、石幔较发育，河底卵石较多，暗河水流量30～40 L/s，见图4。

3.3 隧道岩溶区地质风险分析

（1）岩溶洞穴的存在使隧道全部或部分悬空，将极大降低隧道的使用安全可靠度[3]。

（2）岩溶水等可溶性物质含量增高时，水的流通将给隧道结构带来侵蚀作用，影响隧道使用寿命。

（3）岩溶洞穴堆积物因松软易坍塌下沉，改变洞穴周边的应力分布形态，影响隧道结构稳定。

4岩溶暗河发育形态探测

4.1 探测技术选择

根据岩溶地质调查分析，溶洞暗河在总干渠1号隧洞的分布具有成层性，整体来看可分为2层，上层溶洞底板堆积了溶塌块石及粉细砂，下层溶洞空腔最高达20 m，底部为溶塌块石堆积体，其厚度不小于5 m。原设计隧洞洞线需要穿越上层溶洞块度大于1 m的松散堆积区，施工处理难度较大。同时，上下两层溶洞之间的隔层岩体厚度小于4 m，局部厚度为0 m，底板岩体不可靠，存在较大的安全隐患。所以，穿越松散岩体堆积区和下部溶塌空腔区的叠加区域需采取稳妥的工程处理方案。工程处理方案设计的前提是需要勘测查明原设计隧洞轴线，以及轴线左右两侧一定范围上下两层溶洞空腔的空间形态，同时也要勘测查明两层溶洞之间隔层岩体中是否存在空腔，并评价岩体的可靠性。

由于溶洞内溶塌堆石较多、且凌乱，地形起伏变化大，勘察工作条件受限，采用常规的方法测量溶洞空腔的空间位置，测量难度较大且存在较大的安全隐患。采用三维激光扫描仪，可使岩溶空腔的测量工作大大简化，快速且安全性高，同时，三维激光扫描仪可对已经呈现出来可视的上下两层溶洞给出三维空间分布形态，有利于设计施工方案的制定[4-5]。

地质雷达可以探测出10～20 m厚度岩体中未知的、不可视的岩溶空腔以及堆积体的厚度，可对底板岩体可靠性进行地质评价，隔层岩体的探测可采用地质雷达技术。

4.2地质雷达探测

沿隧洞左右壁、底板、顶拱共布置5条地质雷达测线，在溶洞右侧（面向进口方向）布置5条，物探各测线的探测成果表见表1。

4.3 三维激光扫描

通过三维激光扫描仪对溶洞进行了空间测量，准确、快速获取溶洞的三维结构和内部特征，并构建成图5溶洞三维模型。三维模型灰色的部分为溶洞空腔，从左视图可清晰看出溶洞大致分为上、下两层，而1号隧洞正好从这两部分中间穿过。从右视图可看出上下两部分空间整体形状如两个顶角相对的三角形，中间空间小，往右上、左下空间体积逐渐变大，也就是空腔变大。从整体的空间布局看，1号隧洞左边及下方空腔较大，左边空腔距隧洞中轴线的距离有十余米，下方空腔距隧道底板仅有3～4 m。图中“通道”位置表示通过该处可以继续向前行走[6]。

（1）上层岩溶空腔的三维模型（图6）。上层岩溶空腔的左前方为一个21m×28m×32m的大空腔，与大空腔连接的有洞口2和洞口3，洞口2为一个倾斜向下的斜坡，人携带安全设施可下至暗河底部，该处与洞口1下面的空腔相连接;洞口3位于上部空腔，洞长1m左右。上层岩溶空腔的前方及右侧为一顺岩层面发育的较窄空腔，坡度近30°向上发展，上部变窄，溶腔高不足1 m，溶洞右侧为上层溶洞底板，底部分布有冲积砂土，两侧分布溶塌块石，溶洞右侧结构整体来说较为简单。上层发育的洞口1和洞口2两处天窗与下层岩溶空腔相连，溶洞与隧洞的交汇部位堆积有溶塌碎块石，块度0.5～3.0 m。

（2）下层岩溶空腔的三维模型（图7）。下层空腔位于隧道的正下方，垂直于洞轴线方向最长约87 m，沿洞轴线方向最长28 m，空腔最大高度约17 m，该空间高程从隧道与溶洞的交界处开始向隧道掘进方向逐渐降低。空腔内大块碎石分布较广，其分布如图7所示;洞1、2、3分别为可延伸区域，其中沿洞2、洞3向右及向左行走均可见暗河。

4.4 勘测成果分析

以三维激光扫描图为基础，分别绘制洞轴线、洞轴线右侧5 m、20 m、25 m典型断面图，然后叠加地质雷达探测成果，典型剖面见图8～11。根据典型剖面图得到如下结论。

（1）桩号Z1+106.09～Z1+099.09段隧洞已经开挖完成，根据地质雷达及三维激光扫描成果分析，隧洞下部存在一空腔区，隧洞底板与下部空腔底板之间岩体的厚度为4～5 m。

（2）桩号Z1+099.09～Z1+084.09段上层溶洞为松散堆积区，同时，隧洞底板与下层溶洞空腔区之间岩体的厚度较薄，小于4 m，局部岩体厚度为0，形成一天窗。

（3）桩号Z1+084.09后续段虽然洞底也存在空腔区，但隧洞底板与空腔顶板之间的岩体厚度大于7 m。桩号Z1+079.09前方岩体相对较完整。

（4）隧洞右侧的岩溶发育程度弱于其左侧，尤其是右侧距现洞轴线20～25 m范围下部溶塌空腔发育程度明显弱于洞轴线及其左侧，建议洞轴线向右侧偏移的方案。

5 工程处理对策

根据探测成果，采取了调线穿越方案，隧洞轴线向右侧（面向隧洞进口方向）偏移23 m，基本避开空腔。调线后，隧洞轴线长度比原线路增加7.91 m。调线后平面见图12。

通过开挖，揭露地质条件与探测分析结果基本一致，顶拱部分较薄岩体存在塌落风险，经管棚加强支护已安全通过。底板虽然也存在小型溶洞，但通过回填和加厚二次衬砌厚度，对工程安全基本无影响，目前，工程已顺利穿越岩溶暗河空腔区。

6 结 语

云南柴石滩水库灌区工程隧洞开挖揭露了规模较大的岩溶空腔、暗河，通过分析隧洞区工程及水文地质条件，调查了隧洞周边及洞内的岩溶暗河地质发育特征。采用三维激光扫描仪与地质雷达对岩溶暗河进行联合探测，基本查明了岩溶空腔、暗河的空间形态及隔层岩体的地质特征，为处理方案的设计提供了可靠的地质信息，并有针对性地提出了洞线向右偏移的处理对策。调线方案开挖实施后，揭露的地质情况与联合探测成果基本一致，隧洞开挖安全、顺利地通过了岩溶暗河区。该联合探测方法具有较好安全性、经济性、便捷性和有效性，可在类似工程中推广应用。

参考文献：

[1]王剑. 隧道岩溶地质的处理与施工技术的研究进展[J]. 科学技术创新，2018（15）：142-143.

[2] 黄河勘测规划设计研究院有限公司. 云南省昆明市柴石滩水库灌区工程初步设计阶段工程地质勘察报告[R]. 郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2015.

[3] 马先超. 岩溶地段隧道处理措施探讨[J]. 湖南交通科技，2009，35（1）：122-124.

[4] 曹飞. 三维激光扫描测量技术及其应用[J]. 内蒙古煤炭经济，2017（13）：35-67.

[5] 王莫. 三维激光扫描技术在故宫古建筑测绘中的应用研究[J]. 故宫博物院院刊，2011（6）：143-156.

[6] 吕宝雄，巨天力. 三维激光扫描技术在水电大比例尺地形测量中的应用研究[J]. 西北水电，2011（1）：14-16.

（编辑：李 慧）