歌乐山地区隧道工程诱发的岩溶塌陷发育规律与形成条件.pdf

DOI：10.16030/ki.issn.1000-3665.202208079姜巽，曹聪，刘智，等.歌乐山地区隧道工程诱发的岩溶塌陷发育规律与形成条件 J.水文地质工程地质，2023，50(5):181-191.JIANG Xun,CAO Cong,LIU Zhi,et al.Development and formation conditions of karst collapse induced by tunnel engineering in theGele Mountain areaJ.Hydrogeology&Engineering Geology,2023,50(5):181-191.歌乐山地区隧道工程诱发的岩溶塌陷发育规律与形成条件姜巽，曹聪，刘智，龚思宇，魏来，孙帆（重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队，重庆401147）摘要：歌乐山地区近年来因密集修建隧道工程诱发大量岩溶塌陷，然而对岩溶塌陷的分布、规模、成因和演化等尚缺乏系统性总结。通过资料整理、钻井资料分析、监测资料解译等手段，对歌乐山地区岩溶塌陷发育规律和形成条件进行了系统性分析，对致塌成因机理和演化过程进行了深入探讨，得出以下结论：岩溶塌陷多组群式发育在隧址区内第四系粉质黏土覆盖的宽阔岩溶洼地、沟槽或构造裂隙密集区；多级岩溶洞缝系统为岩溶塌陷的形成提供了良好的空间发育条件，致塌力主要来自隧道工程建设引发的地下水动力条件变化；岩溶塌陷主要成因机理是隧道工程建设改变局部地下水环境，在重建过程中产生的多效应致塌作用诱发易塌地质结构塌陷；岩溶塌陷发育演化包括孕育、形成、稳定 3 个时期。孕育期，隧道工程建设初步揭露富水岩溶缝洞系统，表层缝洞带内形成土体运移、坍塌的空间，覆盖层局部发生变形、脱落。形成期，隧道工程建设与运营通常采取引水排放措施，在引发的多效应致塌作用下岩溶塌陷最终形成。稳定期，隧道工程运营至一定阶段后，地下水环境逐渐趋于新的动态平衡，既有岩溶塌陷逐渐稳定，塌陷群不再向外扩展。研究结果可作为岩溶塌陷监测预警、生态修复和隧道规划等工作的参考依据。关键词：歌乐山地区；隧道工程；岩溶塌陷；地下水；监测预警中图分类号：P642.25 文献标志码：A 文章编号：1000-3665（2023）05-0181-11Development and formation conditions of karst collapse induced bytunnel engineering in the Gele Mountain areaJIANG Xun，CAO Cong，LIU Zhi，GONG Siyu，WEI Lai，SUN Fan（Nanjiang Hydrogeological Engineering Geological Team，Chongqing Bureau of Geology and Mineral ResourcesExploration and Development,Chongqing401147,China）Abstract：In recent years,intensive tunnel construction has induced a large number of karst collapses in the GeleMountain area.However,the distribution,scale,cause and evolution of karst collapses have not beensystematically summarized.By means of data collation,drilling data analysis,monitoring data interpretation andother working methods,this study systematically analyzes the development law and formation conditions of karstcollapse in the Gelle Mountain region,conducts in-depth discussion of the cave-causing mechanism and evolutionprocess,and comes to the following conclusions.Multiple groups of karst collapse are developed in the wide karst 收稿日期：2022-08-30；修订日期：2023-03-28投稿网址：基金项目：重庆市技术创新与应用发展专项重点项目(cstc2019jscx-dxwtBX0022)第一作者：姜巽（1992-），男，硕士，工程师，从事构造地质和水工环地质方面研究工作。E-mail：通讯作者：曹聪（1985-），男，学士，高级工程师，从事水工环地质和生态环境保护方面研究工作。E-mail： 第 50 卷 第 5 期水文地质工程地质Vol.50 No.52023 年 9 月HYDROGEOLOGY&ENGINEERING GEOLOGYSept.，2023depression,trough or dense area of tectonic fissure covered by Quaternary silty clay in the tunnel site.The multi-stage rock cave and fracture system provide a good spatial development condition for the formation of karstcollapse,and the cave-inducing force mainly comes from the change of groundwater dynamic condition caused bytunnel construction.The main mechanism of karst collapse is that tunnel construction changes the localgroundwater environment,and the collapse of collapsible geological structures is induced by multi-effect caving inthe reconstruction process.The development and evolution of karst collapse includes three stages:incubation,formation and stability.In the incubation period the water-rich karst fissure and cave system are initially exposedduring tunnel construction.Space for soil migration and collapse is formed in the surface fissure and cave zone,and the local deformation and fall of overburden occur.In the formation period water diversion and dischargemeasures are usually adopted in tunnel construction and operation,and karst collapse is eventually formed underthe action of multi-effect collapse.In the stable period,after tunnel operation to a certain stage,groundwaterenvironment gradually tends to a new dynamic equilibrium,the existing karst collapse gradually becomes stable,collapse group no longer expands outward.The results can be used as reference for karst collapse monitoring andwarning,ecological restoration and tunnel planning.Keywords：Gele mountain；tunnel project；karst collapses；groundwater；monitoring and forewarning 岩溶地面塌陷（以下简称“岩溶塌陷”）是指开口岩溶洞隙与上覆土层（少数为松软岩层）中的水、气对盖层发生的力学效应，导致的地面塌陷。岩溶塌陷形成需具备 3 大要素，即：溶蚀空间、一定厚度的覆盖层和诱发因素1。溶蚀空间与覆盖层组合的易塌地质结构，在自然条件下处于相对稳定状态。岩溶塌陷的形成常是真空吸蚀、潜蚀、重力、荷载、振动、失托、加荷、渗压效应等多种诱发机制复杂综合效应的结果2 5，按其主导因素可分为多种类型形成机理和致塌模式。程星等6分析了不同地质条件下岩溶致塌过程，将地质概化模型分为：单阻水盖层型、单透水盖层型、阻-透盖层型、透-阻盖层型、阻-透-阻盖层型、透-阻-透盖层型。郑晓明等7根据武汉市岩溶塌陷成果资料统计分析，构建了 9 种致塌模式，即：潜蚀-重力（自重）、垂直渗压-重力（自重）、吸蚀、振动-重力（自重和加载）、岩层顶板破坏-垂直渗压、岩层顶板破坏-渗流液化、崩解-土洞顶部破坏-加载（重力）、潜蚀-振动-加载、水击-渗流液化。罗小杰等8认为覆盖层土体工程地质性质决定了塌陷方式，提出了土洞型、沙漏型和泥流型的塌陷理论模式。隧道工程建设导致的城市管线渗漏和不良地质体失稳已成为现今诱发岩溶塌陷的主要因素之一9 12。近年来，随着重庆市中心城区“四山”隧道工程规划建设的推进，歌乐山岩溶山区地面塌陷频发，造成了严重的经济损失和社会影响，成为岩溶山区主要生态地质环境问题。前人对歌乐山地区岩溶塌陷的发育特征、形成机理、成因机制等方面开展过相关研究和阐述。付开隆13预测在新建隧道叠加影响下，既有岩溶塌陷区域将随地下水降落漏斗扩大而向漏斗边缘延伸。胡婷14将岩溶塌陷形成机制分为两种类型：直接垮塌型与土洞扩展型；张海坦等15分析了岩溶塌陷发展趋势和空间分布特征，认为岩溶塌陷形成主要通过地下水潜蚀作用，而陈洪凯等16通过建立土质盖层型地面塌陷演化模式，认为岩溶塌陷形成主要通过真空吸蚀作用。吴远斌等17将岩溶塌陷发生过程分为两个阶段、两种类型：疏干初期突涌型岩溶塌陷和疏干后期降雨型岩溶塌陷。局限于资料有限或只针对单个塌陷进行了研究，以往并未系统总结岩溶塌陷发育规律和形成条件，对隧道工程建设致塌成因机制和演化过程未进行深入分析和讨论。时空分布、灾损程度、影响深度和广度也出现了新变化，隐蔽性、突发性、反复性和难以预见性日渐突出。歌乐山地区岩溶塌陷主控因素有哪些？岩溶塌陷的结构、分布、规模等发育特征与隧道工程和地质环境背景有何内幕关系？隧道工程是怎样诱发岩溶塌陷的？形成机理和时空演化过程如何？怎样缓解隧道工程对岩溶区地质环境的持续影响？无论对于隧道工程诱发岩溶塌陷形成演化的全面认识或是防灾减灾整体把握都具有重要的意义。本文旨在前人研究成果的基础上，从系统性资料整理、钻井资料分析、监测资料解译等方面入手，系统性总结歌乐山地区岩溶塌陷发育规律和形成条件，分析隧道工程建设导致岩溶塌陷成因机 182 水文地质工程地质第 5 期理、致灾过程，更好地为当地生态环境保护和防灾减灾提供决策依据。1 歌乐山地质环境背景Qhel+dlQhml歌乐山岩溶塌陷区位于重庆中心城区中梁山中段，构造位置为观音峡背斜，构造行迹整体呈近 NNE向。研究区范围南北止于长江、嘉陵江，东西两侧以三叠系中统与上统地层界线为界，从背斜核部至两翼依次出露上二叠统长兴组（P3c）、下三叠统飞仙关组（T1f）和嘉陵江组（T1j）、中三叠统雷口坡组（T2l）、上三叠统须家河组（T3xj），第四系残坡积层（、）主要分布于岩溶区。研究区内 T1j、T2l 是优势含水层组，富水层集中在 T1j 中岩溶角砾岩段，背斜两侧 T3xj砂泥岩组合和轴部 T1f 钙质泥页岩起着纵向导水和横向阻水作用，从而限制了岩溶发育方向，使区内岩溶发育方向多与构造线一致，如图 1（a）所示。研究区地表在地质历史时期水力作用下形成了特殊的“一山二槽三岭”和“一山一槽二岭”岩溶槽谷地貌特征，如图 1（b）所示。岩溶槽谷区内溶蚀沟槽、漏斗、洼地、残丘等岩溶地貌十分发育，地势低洼区域多发育落水洞、漏斗、天窗等竖向岩溶管道，普遍充填覆盖数米至十余米的第四纪松散土层。岩溶区地质环境整体较为脆弱，在人类工程活动和极端自然条件影响下，极易导致岩溶洞缝系统中充填岩土体失衡，诱发岩溶塌陷。JP P3ch 嘉 陵江新北碚2#隧道北碚2#隧道绕城高速施家梁隧道渝武高速北碚隧道龙凤、新龙凤隧道兰渝铁路龙凤隧道轨道6#线隧道蔡家隧道（规划）歇马隧道土主隧道新兰渝线隧道（在建）轨道13#线土主隧道（规划）井口隧道（规划）渝怀铁路隧道轨道1号线隧道西永隧道（规划）双碑隧道成渝客运专线隧道（在建）渝遂高速大学城隧道襄渝铁路隧道成渝高速公路隧道白市驿隧道（规划）白市驿隧道（规划）轨道12号线华岩隧道（在建）陶家隧道（规划）华福隧道铁路环线西彭隧道（规划）轨道5#线西彭隧道（在建）长 江龙凤桥镇白市驿镇天池村歌 乐 村歌 乐 山 镇中梁镇永宁寺村龙泉村地下水分水岭F1T3xjT3xjT3xjT3xjT2l+T1jT2l+T1jT1j+T2lT2l+T1jT1fT1fT1f4T1f3T1f3T1f2T1f2T1f1JJJ侏罗系T3xj上三叠统须家河组T2l中三叠统雷口坡组T1j下三叠统嘉陵江组T1f下三叠统飞仙关组P3c上二叠统长兴组 观音峡背斜枢纽隧道行迹塌陷点塌陷群白庙子逆断层F1岩溶区砂岩灰岩泥岩碎屑岩区隧道地下水排泄出方向 地下水径流方向700500300高程/mF1AA10303 km016 km东槽谷西槽谷山岭山岭山岭AA（a）歌乐山地区岩溶塌陷及隧道分布情况图（b）歇马隧道NW-SE向水文剖面图A-A（剖面位置见A）N 图 1 歌乐山地区岩溶塌陷与隧道工程关系图Fig.1 Relationship between karst collapse and tunnel engineering in the Gele Mountain area 2 隧道工程诱发岩溶塌陷的发育规律近年来，在隧道工程活动和极端气候双重背景胁迫下，岩溶塌陷地质灾害呈高发频发态势。自 1971年 1 月襄渝铁路隧道工程建设开始，拉开了歌乐山地区交通廊道的大规模建设序幕。地下交通廊道建设多数贯穿含水层，造成水动力条件整体大幅变化，岩溶塌陷也由此时突增。19712019 年间，相继建设了渝怀铁路隧道、双碑隧道、华福隧道等 18 条穿山廊道，如图 1（a）所示，密度达 0.358 条/km，建设密度和强度世界罕见，地下水日均漏失总量约为 11.60104 m3/d，对隧址区地质环境的破坏十分强烈，截至 2019 年 12月，岩溶槽谷地区内岩溶塌陷数量达到 327 处，现已突破 500 处。2.1 与隧址区耦合歌乐山地区岩溶塌陷均分布在隧址区内，通过随2023 年姜巽，等：歌乐山地区隧道工程诱发的岩溶塌陷发育规律与形成条件 183 机抽样分析研究区内隧道工程与岩溶塌陷分布耦合关系（表 1）可知，隧道轴线向两侧延伸 500 m 范围内为岩溶塌陷密集发生区域，向外侧延伸逐渐减少，直至 1 000 m 以外。隧道工程密集建设区域岩溶塌陷发育也最为密集，其中交通廊道规划建设集中区歌乐山镇-中梁山镇区域最为突出，如图 1（a）所示。在隧址区，岩溶塌陷主要沿层间裂隙、构造裂隙以及岩溶洼地、沟槽展布，尤其在构造裂隙密集发育区域、岩溶沟谷交汇部位密集发育，与地质环境背景和致塌因素密切相关。表 1 歌乐山地区典型隧道工程与岩溶塌陷分布耦合关系表Table 1 Characteristics of karst collapse caused by typicaltunnels in the Gele Mountain area and its influence 序号隧道名称塌陷数量/处与隧道轴线的距离/m1 0001襄渝铁路隧道2918832双碑隧道78621243轨道1号线4736924新兰渝铁路隧道5142635歇马隧道3621114合计2411764616注：数据统计与核查截止时间为2019年12月。2.2 与岩溶区耦合歌乐山地区所在观音峡背斜核部出露的 T1j、T2l为连续沉积的碳酸盐岩，是岩溶地貌极易发育层段。岩溶发育史经历了盆地期、盐井沟期、嘉陵江期等历史时期，形成了复杂岩溶洞缝隙系统，为岩溶塌陷的发生提供了有利的时空条件。据统计，研究区内塌陷主要分布在碳酸盐岩层段（表 2），其中嘉陵江组一段（T1j1）和三段（T1j3）灰岩段相对最多，嘉陵江组一段（T1j1）灰岩区最为发育，而嘉陵江组二段（T1j2）和四段（T1j4）岩溶角砾岩、白云岩，以及厚度较薄的 T2l 白云岩、泥质白云岩夹岩溶角砾岩，不支持发育大型溶蚀孔洞，岩溶塌陷数量相对较少，飞仙关组三段（T1f3）受控于岩性组合和构造条件，地表露头多呈斜坡地形，极少发育大规模的洼地和槽谷，土体覆盖较薄，岩溶洞缝较少发育，岩溶塌陷发育数量最次。在岩溶区内岩溶塌陷多分布于槽谷内地势低洼的沟槽、洼地等充填松散土体的负地形区域，极少分布于残丘、斜坡等地势相对较高的位置。2.3 与构造迹线耦合歌乐山地区岩溶塌陷的分布与构造地质条件关系如图 1（a）所示，整体展布与观音峡背斜轴向一致，且主要发育在褶皱构造的核部、扬起端、倾伏端及其两翼收敛转折端和断裂构造叠加复合部位。是因燕山期以来多期次、多方向的挤压、剪切、抬升等构造作用，致使歌乐山所在的观音峡背斜中能干性强的中下三叠统碳酸盐岩暴露地表、岩体破裂，张性、剪性、压扭性构造裂隙十分发育，是天然的区域性地下水补给、径流、排泄的主要导水通道，为岩溶作用发育提供了理想环境，为岩溶塌陷的形成提供了空间条件，又以大倾角张性裂隙是最为理想的发育环境。如：歇马隧道诱发的中梁镇新发村塌陷群，发育在白庙子断裂带内，形成沿断裂带呈串珠状发育的新发村蓝莓谷、大烂池、蓝莓园 3 个塌陷群（图 2），塌陷群整体展布长度达 1.2 km，而相邻东槽谷永宁寺陈家坡地区无大构造裂隙发育，岩溶塌陷发育规模相对较小。2.4 塌陷群式发育截至 2019 年 12 月，歌乐山地区发育 26 个塌陷群，涵盖了歌乐山地区约 92%地面塌陷，以中梁镇歌乐山镇一带最为密集，如图 1（a）所示。在南北 7 km范围内 4 条隧道诱发了 12 个塌陷群，塌陷群面积约2.2 km2，严重胁迫场镇安全。塌陷群多发育在隧址区内宽阔岩溶洼地、沟槽或构造裂隙密集区（表 3），该地段水动力和交互作用活跃，密集发育落水洞、漏斗、天窗等竖向岩溶通道，而在残丘、峰丛等地段地下水动力较弱，岩溶塌陷不发育或单一出现。塌陷群发育形态特征与构造裂隙产状、岩溶洼地形态、横切沟相适应，空间形态多呈条带状、树杈状、串珠状、藕荷状。塌陷群分布密集程度、范围大小、形态特征、塌陷数量受到隧道工程建设密度和地质环境背景联合控制。3 隧道工程诱发岩溶塌陷的形成条件 3.1 易塌地质结构歌乐山地区易塌地质结构主要发育在有第四系地层覆盖的三叠系下统碳酸盐岩岩溶槽谷内，结构中底部为槽谷底部的落水洞、溶蚀漏斗、溶缝等管道空间，上覆厚 38 m，第四系松散土层，覆盖层为多层次土体结构，底部发育卵石层及砂层，向上逐渐过渡为 表 2 歌乐山地区岩溶塌陷与地层分布情况一览表Table 2 Karst collapses and stratigraphic distribution in theGele Mountain area 分布地层T1j1T1j2T1j3T1j4T2lT1f3合计塌陷数量/处160476927168327注：数据统计截止时间为2019年12月。184 水文地质工程地质第 5 期黏土层。如双碑隧道建设引发的凌云水库塌陷群内T1 塌陷，联井剖面 BB和覆盖层结构简图揭示下伏可溶岩石中发育向南东延伸岩溶管道，管道内充填大量松散土体和灰岩砾石（图 3a），覆盖层厚 24 m，层内发育厚约 1.5 m 成层性的卵石层和砂砾层（图 3b、图 3c），其上过渡为黏土层。3.2 溶蚀空间条件歌乐山地区岩溶区内 32 个溶蚀空间点位，发育了多级近水平岩溶空间（表 4），由下至上依次发育大泉或暗河、有水溶洞或暗河、干溶洞或季节性充水溶洞、干溶洞或伏流、干溶洞或地下大厅，每级水平岩溶空间之间多以竖向管道连通，形成横向-垂向多级岩溶洞缝系统，为岩溶塌陷的形成提供了良好的空间发育条件，表层缝洞带内溶蚀空间多被松散土体充填。3.3 覆盖层条件歌乐山地区岩溶塌陷多发生在第四系覆盖层范 T1xjJ1zT1lT1jT1fT1lT1lT1xj0200 m大烂池歇马隧道zk13F1新发村蓝莓谷塌陷群永宁寺陈家坡塌陷群70z k 9新发村大烂池塌陷群新发村蓝莓园塌陷群zk9T1xj观音峡背斜枢纽隧道行迹水体地下水监测井塌陷点地层代号白庙子逆断层F1图 2 中梁镇新发村岩溶塌陷展布图Fig.2 Distribution of karst collapses in the Xinfa Village of Zhongliang Township 表 3 中梁镇-歌乐山镇塌陷群情况一览表Table 3 Collapse groups from Zhongliang Town to Geleshan Town 序号主要隧道工程主要塌陷群塌陷数量/处 塌陷群面积/km2发育特征1土主隧道新兰渝铁路隧道渝怀铁路隧道龙泉村欧家院塌陷群61.20塌陷群长轴方向与主岩溶沟槽拟合，整体呈串珠状2石院村仙米山塌陷群40.053茅山峡村大龙井塌陷群290.15塌陷群受控于低洼沟槽、洼地，与1组“X”型构造裂隙（节理）联系紧密，主控裂隙产状为S120272，S232568，整体呈条带状4轨道1号线隧道茅山峡村黑天池塌陷群50.05塌陷群长轴方向受岩溶沟槽控制，整体呈条带状5茅山峡村双水井塌陷群60.08塌陷群明显沿构造线方向发育，主控裂隙产状为S122065，整体呈条带状6余家湾村水库塌陷群280.08塌陷群与岩溶洼地形态拟合，整体呈藕荷状7余家湾村上下堰塌陷群80.07塌陷群明显沿构造线方向发育，向横切沟明显适应，主控裂隙产状为S122368，整体呈条带状8双碑隧道金刚村新庙塌陷群70.01金刚村新庙塌陷群、龙塘坎塌陷群、方堰塘塌陷群，均向横切沟适应，受控于1组层间裂隙，产状为S08455，整体呈串珠状9金刚村龙塘坎塌陷群210.1610金刚村方堰塘塌陷群60.0211廖家店塌陷群100.10塌陷群与1组“X”型节理裂隙联系紧密，塌陷沿该裂隙发育方向分布，整体呈树杈状12凌云水库塌陷群160.23凌云水库塌陷群、枫香园塌陷群和立信学校塌陷群长轴方向与主岩溶沟槽适应，整体呈条带状合计1462.22023 年姜巽，等：歌乐山地区隧道工程诱发的岩溶塌陷发育规律与形成条件 185 高程/m5101644zy3Qhal+plQhal+plzy4zy507 m010 mBBB506502498494490486482预测塌陷影响范围（a）凌云水库塌陷群T1塌陷NWSE向剖面图B-B（剖面和井位置见d）（b）TI塌陷沟槽照（c）T1塌陷覆盖层结构简图（d）T1塌陷平面展布图黏土层68 cm74 cm黏土层砂砾层砾石层砾石层灰岩层灰岩层砂砾层cB黏土灰岩角砾溶蚀洞缝地下水监测井zy3地下水位线地层代号T1j1砂砾层506.44505.46505.92507.49505.09505.22505.44504.66505.95507.96507.33508.45507.70506.29506.19507.87509.17508.31508.04505.72505.18zy3 505.05 27.90 3.40-zy5507.50 30.20 3.80-zy4506.77 39.80 0.70-327045T1潜在塌陷范围NB图 3 凌云水库塌陷群 T1 塌陷易塌地质结构图Fig.3 Geological structure of the T1 collapse group near the Lingyun Reservoir 186 水文地质工程地质第 5 期围内，易发程度受覆盖层岩性和塌陷坑洞跨比控制。通过塌陷区与非塌陷区土体性质对比发现（表 5），塌陷区充填、覆盖土体主要粉质黏性土，为异地搬运沉积物，易饱水和软化，易被潜蚀、掏空。粉质黏土的分布区域可作为歌乐山地区判别岩溶塌陷区域的主要指标之一。洞跨比指岩溶管道洞口直径与土层厚度之比，通过中梁镇矿山坡-石院村 133 个岩溶塌陷洞跨比可知（表 6），塌陷区洞跨比2 的塌陷共 75 个，所占比例最大，为 56.4%。表明研究区内洞跨比 12 时较易产生塌陷，2 的地段最易产生塌陷，当洞跨比1，发生塌陷的可能性减小。表 6 中梁镇矿山坡-石院村地面塌陷洞跨比统计表Table 6 Tunnel span ratio of ground collapses from Kuangpo toShiyuan Village of Zhongliang Township 塌陷区洞跨比2塌陷数量/个174175所占比例/%12.830.856.4注：若洞口为椭圆和多边形，按长轴进行计算统计。3.4 致塌力条件 3.4.1 隧道工程导致地下水动力条件变化研究区地下水影响岩溶塌陷主要表现在埋藏条件的动态变化上，通常地下水埋深较大的地段（如南北两侧近长江、嘉陵江排泄地段）不易发生塌陷，而在地下水埋深较浅地段易于塌陷的发生，原因在于浅表水动力条件大幅动态变化更容易破坏盖层原有平衡。建设期隧道工程揭露三叠系中-下统岩溶含水层段引发涌突水，导致地下水水位、水力坡度发生大幅变化，叠加季节性的丰水-枯水期变动影响，致使浅表水动力条件更为活跃，对覆盖层与竖向岩溶管道充填土体的潜蚀、冲蚀作用加剧，致使岩溶塌陷发生。在区域地下水动力条件达到新动态平衡之前，隧道工程建设诱发的地下水动力条件变化是诱发岩溶塌陷主要因素。如：中梁山北段歇马隧道（图 1b），位于地下水水平径流循环带内，在隧道建设前地下水位埋深较浅，2015 年 11 月隧道工程揭露断层破碎带，引发大规模持续涌水，东、西槽谷地下水位突降约 50 m，叠加季节性枯水期-丰水期变动，地下水位频繁波动，诱发大规模塌陷，在 2015 年 11 月2016 年 8 月塌陷密集发生，共计 33 处（图 4）。3.4.2 大气降水大气降水是不可忽视的重要致塌因素，降雨补给变化导致地下水丰水-枯水期的波动，改变水动力条件，雨水的浸润使覆盖层饱水、软化，弱化其土力学性质。降雨量达到极值状态对岩溶塌陷发生有着密切影响，控制着研究区塌陷发生时间节点。对研究区岩溶塌陷高发期（20112013 年多条隧道共同建设时期）与降雨量进行统计（图 5），发现岩溶塌陷数量变化明显与降雨量折线耦合，当月降雨量达到100 mm 时，塌陷开始发生（2011 年 4 月），月降雨量超过200 mm 时，塌陷数量陡增（2011 年 10 月、2012 年 5 月和 9 月）。表 4 歌乐山地区典型岩溶管道高程统计表Table 4 Elevation data of typical karst pipelines in the GeleMountain area 序号溶蚀空间类型标高/m数量/处1大泉或暗河29530512有水溶洞或暗河37038023干溶洞或季节性充水溶洞42044064干溶洞或伏流45547545干溶洞或地下大厅50052046竖向岩溶管道15注：共统计32个溶蚀空间点，其中竖向岩溶管道在295 m以上的多个高程均有分布，数量约占50%。表 5 塌陷区与非塌陷区土体性质对比表（据文献 18 修改）Table 5 Comparison of soil properties in the collapse area and non-collapse area(modified after Ref.18)序号地段取样组数/组液限范围土体性质塌陷数量/处1茅山峡村大龙井塌陷群1625.330.3粉质黏土292石院村仙米山塌陷群623.831.1粉质黏土43新发村塌陷群1627.829.6粉质黏土284庆丰山村塌陷群1128.935.1粉质黏土55龙泉村塌陷群1525.429.6粉质黏土306余家湾村水库塌陷群822.932.1粉质黏土287新开寺村陈家堡塌陷群825.830.2粉质黏土108中梁镇新华村五香庙1147.551.8次生红黏土、红黏土无塌陷9九龙坡区油麻天池532.646.4粉质黏土、次生红黏土无塌陷2023 年姜巽，等：歌乐山地区隧道工程诱发的岩溶塌陷发育规律与形成条件 187 4 隧道工程诱发岩溶塌陷成因机理及演化过程 4.1 隧道工程诱发岩溶塌陷成因机理分析歌乐山地区岩溶塌陷的形成，主要是隧道工程建设改变了地区局部水文地质环境，在其重建地下水环境过程中产生多类型的致塌作用诱发隧址区易塌地质结构塌陷。当隧道工程掘进破坏碳酸盐岩含水层段中-深部循环带时，往往引发岩溶含水层地下水大量漏失，导致隧址区地下水位迅速降低，造成地下水动态平衡被破坏，水力坡度增大、流速加快，地下水低势头区逐渐向隧道拟合（图 6a-d）。地下水环境大幅变化导致岩溶洞缝系统中充填岩土体失去原有地下水的浮托力，叠加丰水期-枯水期地下水位波动对充填岩土体的潜蚀、冲蚀、软化以及真空吸蚀（负压）、气爆（正压）等多效应致塌作用下，原有浅表竖向管道中充填土体逐渐失去土力学平衡，在地下水裹挟下充填土体和松散碎屑堆积物沿多级序的岩溶洞缝系统运移，后缘势必会形成临空塌陷空间（图 6b），黏土的性质覆盖层中通常会形成空腔型土洞（图 6c）。土洞内在拱顶拉张破坏和拱趾剪切破坏共同作用下，覆盖层内形成多条张性裂缝（图 6c），覆盖层稳定性进一步降低，土洞底部向下塌落而逐渐扩大。最终土洞顶板及以上土体整体向下塌落或整体发生运移，形成塌陷坑或已有塌陷的二次破坏（图 6d）。4.2 隧道工程诱发岩溶塌陷演化过程讨论歌乐山地区岩溶塌陷发育过程大致可分为 3 个发育阶段（图 7）：孕育期、形成期、稳定期。孕育期：研究区三叠系中-下统碳酸盐岩出露区在经历多期次岩溶发育史后，在槽谷地区发育了复杂的地下岩溶洞缝系统，多级次管道沿单/双侧岩溶槽谷或 涌水量/（m3d1）10 0008 0006 0004 0002 00002014年12月2015年1月2015年2月2015年3月2015年4月2015年5月2015年6月2015年7月2015年8月2015年9月2015年10月2015年11月2015年12月2016年1月2016年2月2017年1月2017年2月2016年3月2016年4月2016年5月2016年6月2016年7月2016年8月2016年9月2016年10月2016年11月2016年12月zk13水位zk9水位3涌水量塌陷数量/处1133336652钻孔水位/m530510490470450图 4 2014 年 12 月2017 年 2 月歇马隧道涌水量-地下水位-岩溶塌陷监测数据折线图（井位见图 2）Fig.4 Line chart of water inflow-groundwater level-karst collapse monitoring data in the Xiema Tunnel from December 2014 toFebruary 2017(see Fig.2 for drilling location)降雨量降雨量/m塌陷数量塌陷数量/处300280260240220200180160140120100806040200111098765432102011年01月2011年2月2011年3月2011年4月2011年5月2011年6月2011年7月2011年8月2011年9月2011年10月2011年11月2011年12月2012年1月2012年2月2013年1月2013年2月2013年3月2013年4月2013年5月2013年6月2012年3月2012年4月2012年5月2012年6月2012年7月2012年8月2012年9月2012年10月2012年11月2012年12月图 5 2011 年 1 月2013 年 6 月歌乐山地区降雨量及地面塌陷统计图Fig.5 Rainfall and ground subsidence in the Gele Mountain area from January 2011 to June 2013 188 水文地质工程地质第 5 期横切沟谷发育，提供了良好的空间发育条件。表层缝洞带中充填了大量随地表或地下径流运移来的第四系松散土体及少量砂砾，形成了相对稳定的易塌地质结构。隧道工程建设势必会穿越碳酸盐岩含水层段，当隧道工程沟通了断裂带裂隙、溶隙、管道缝洞系统时，可造成突发性涌水、突泥，地下水位突发性骤降，充填土体受裹挟沿多级次岩溶管道发生位移或流失，在表层缝洞带中形成土体运移、坍塌的空间。易塌地质结构中覆盖层内向下渗流和重力对土体的拖拽力与颗粒之间的联合抗塌应力相抗衡，在此期间拖拽力小于或等于抗塌应力，覆盖层内发育多组张性环形裂缝，中心向下坳陷，底板局部发生脱落。形成期：为了保证隧道工程安全建设，通常采取的引水排放措施，导致隧址区地下水位持续下降，形成以隧道为轴线向南北两侧扩展的地下水降落漏斗。在此期间地下水动力条件的大幅变化引发一系 Qhal+plQhal+plQhal+plQhal+pl隧道隧道隧道下三叠统嘉陵江组第四系残坡积层地下水位线地下水等势线溶蚀缝、洞 断裂、裂缝水土流失方向灰岩残积层Qhal+plT1jT1jT1jT1jT1j（a）地质结构自然稳定状态（b）竖向管道充填土体发生位移（c）覆盖层内发育空腔型土洞（d）岩溶塌陷最终形成图 6 歌乐山地区岩溶塌坑陷形成过程示意图Fig.6 Schematic diagrams of the formation process of karst collapses in the Gele Mountain area Tj1涌水排泄表层缝洞带表层缝洞带表层缝洞带岩溶沟槽岩溶槽谷区山岭区岩溶塌陷区SE隐伏岩溶 塌陷区Tj1涌水排泄岩溶沟槽岩溶槽谷区山岭区岩溶塌陷区SE隐伏岩溶 塌陷区岩溶沟槽岩溶槽谷区山岭区岩溶塌陷区SE隐伏岩溶 塌陷区Tj1灰岩（b）形成期（a）孕育期（c）稳定期残积层涌水排泄方向涌水排泄地表径流水土流失方向隧道涌水断裂、裂缝溶蚀缝、洞砂岩泥质灰岩白云岩第四系残坡积层Qhal+plT3xj上三叠统须家河组T2l中三叠统雷口坡组T1j下三叠统嘉陵江组Qhal+plQhal+plQhal+plT3xjT3xjT3xjT2lT2lT2lT1jT1jT1j图 7 歌乐山地区隧道工程诱发岩溶塌陷概化模式图Fig.7 Conceptual models of karst collapses induced by tunnel engineering in the Gele Mountain area2023 年姜巽，等：歌乐山地区隧道工程诱发的岩溶塌陷发育规律与形成条件 189 列多效应致塌作用，覆盖层内拖拽力大于临界抗塌应力，导致底板持续向下脱落形成