化馬隧道突涌水災害分析及涌水量預測

周 泉

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 工程概況

化馬隧道位于甘肅省隴南市宕昌縣境內，為一座雙線隧道，隧道全長12 580 m。進口端DK301+384—DK303+424段穿越二疊系灰巖地層，設計為12.8‰的單面下坡。

隧道范圍內主要有2條平行線路走向的河流，分別位于隧道西側約1.5 km距離的小岷江及東側約11 km距離的角弓溝。

化馬隧道進口端施工至DK302+926時，掌子面圍巖為二疊系灰巖，節理裂隙較發育，超長炮眼探測時，出現水流噴射距離瞬間達到25 m左右的高壓涌水。

2 補充勘察及成果分析［1］

長大深埋巖溶隧道地質勘察工作雖有初測、定測及補充定測三個階段，也采用了物探、鉆探及大量的地質調查等手段，但由于地下巖溶分布特征的復雜性、多變性、不確定性及前期勘察手段的局限性，仍難以保證勘察成果滿足施工需要。作為前期勘察延續的配合施工階段，具有針對性強、手段多樣、準確度高等特點，應做為巖溶隧道勘察的重要階段［2］。

為了掌握本次涌水的性質，補給、徑流和排泄條件及地下水空間分布特征，進行了航片判釋、大范圍的補充地質調查、水量和水壓監測、超前地質預報及水文地質分析評價等工作，為涌水處理方案提供了充分依據。

2.1 航片判釋

根據航片判釋(圖1)，二疊系灰巖南北兩側發育有F4，f36兩條斷層，山梁頂部發育溶蝕洼地群，地表植被不發育。小岷江左岸發育泉水(化馬神泉)，根據巖性及隧道與地下水補給、排泄的位置關系，初步確定地下水類型為巖溶水，需進一步查明巖溶水的補給、徑流、排泄特征。

圖1 航片判釋圖

2.2 地質調查

DK302+926出現涌水的地層為二疊系灰巖，出露范圍較寬，存在溶蝕洼地群，地表植被不發育，且灰巖與大里程方向的石炭系灰巖呈斷層接觸。為此對二疊系灰巖巖溶現象進行了補充調查，對地下巖溶水的補給、徑流、排泄條件進行了深入分析研究。

2.2.1 溶蝕洼地調查

對線路左側4.5～7.0 km處的分水嶺附近溶蝕洼地進行調查，溶蝕洼地總面積約12 km2，發育有溶蝕漏斗，整體形態呈零散及串珠狀分布，呈SN～N45°E方向線狀排列，主要受巖層及主構造線走向控制，洼地分布高程在3 012～3 187 m。

2.2.2 角弓溝河谷調查

角弓溝溝心高程約1 900 m，溝內水量較大，在二疊系灰巖出露段巖溶現象十分明顯，泉水發育，同時在角弓溝右岸化馬隧道側，有沿層理發育的伏流入口。

2.2.3 化馬神泉調查

小岷江河谷化馬神泉位于線路右側垂直距離約1 500 m處，高程1 310 m，一般流量8 000 m3/d(枯)～40 000 m3/d(豐)。化馬神泉附近沿河谷河床以上50～200 m沿層理零星見有洞徑＜2 m的干溶洞。分析認為化馬神泉為溶蝕洼地地下水集中排泄點。

對掌子面涌水及化馬神泉采樣，進行了水質分析化驗，結果見表1。

表1 水質分析化驗指標對照 mg/L

表1的水質分析結果顯示，隧道水與化馬神泉地下水中代表石灰巖的主要離子Ca2+和HCO－3的濃度十分接近。因此從水質分析結果來看，隧道水與化馬神泉水有明顯的相關性，可知隧道涌水襲奪泉水而來且連通性好［3］。

從地面補充調查分析，二疊系灰巖地下水以大氣降水通過洼地補給，巖溶水系統走向與構造線走向基本一致，在小岷江以泉水形式排泄(圖2，圖3)。

圖2 地質調查成果平面示意

圖3 地下水徑流剖面示意

2.3 水量、水壓監測

DK302+926發生突涌水后，對涌水量進行了監測，涌水量保持在(1.5～7.0)×104m3/d，總體特征是隨開挖進度、大氣降水變化而變化，并表現出靜儲量變化對涌水量影響極大(圖4)。

圖4 涌水量觀測曲線

對已封閉的超前鉆孔水壓進行了觀測和量測，2011年1月5日初始超前鉆孔實測水壓在2.0 MPa左右，至2011年9月水壓無變化。根據水量水壓觀測分析，地下水連通性較好，補給來源豐富。

2.4 掌子面超前地質預報［4-5］

突涌水以來，為查明掌子面前方、隧道周邊，特別是頂底板巖溶發育狀況［6］，按照長短結合，以短為主的原則，先后進行了TSP、紅外探水、地質雷達及電法超前預報及超前探孔工作。

2.4.1 物探預報［7］

探地雷達、紅外探水及電法在此隧道實際利用價值不大，探地雷達受掌子面平整度影響，紅外探水受洞內其他因素干擾，電法受水泵漏電影響。TSP方法數據可靠、結論準確，故質量較高，預報長度104 m，含4個物性分帶。分析結論如下(圖5):①存在強反射界面，推斷局部節理裂隙發育，圍巖含水;②強反射界面密集分布，推斷節理裂隙發育，為主要賦水段;③沒有明顯的反射界面存在，圍巖動力學參數基本在該類巖石的正常波動范圍之內，推斷巖體完整性相對較好，圍巖含水量相對降低;④圍巖波速值出現明顯的降低，泊松比增大，動態楊氏模量明顯降低，推斷為破碎帶的可能性較大，有富水或發育巖溶的可能性。

圖5 預報位置及推斷結果示意

掌子面前方物性分帶的主要特征為:總體上各帶與隧道軸線呈大角度斜交，各分帶邊界在右邊墻先于左邊墻出現;反射界面主要發育在測試斷面下部(測試斷面距隧道底面高度1 m左右)，傾向與目前掌子面附近圍巖基本一致。

2.4.2 超前水平鉆孔

為查明掌子面前方工程地質、水文地質特征并達到釋能降壓［8］的目的，在掌子面布置了超前水平鉆孔。通過超前探孔判斷前方巖溶水突涌水界面不規則，且水壓高，說明前方儲水體具有連貫性好、補給穩定的特點。

3 涌水原因分析

3.1 巖性及構造因素

二疊系灰巖為碳酸鹽巖石，構成了巖溶形成的內在因素和物質基礎。該套灰巖地層兩側發育斷層，為相對隔水帶，即形成了封閉的可溶巖儲水體，嚴格地控制了巖溶的發育和空間分布格局，地下水徑流通道與巖層走向、構造線方向一致。

本區新構造運動以差異升降為主要特征，第四紀以來受喜馬拉雅造山運動的影響，該區卷入青藏高原總體隆升，使山地高程達3 700 m以上。其它地區以升降運動為主，形成高山、深谷的特殊地貌。水文網深切，小岷江階地高程可達200 m，導致地下巖溶水流通管道空間位置、水頭差變化，隧道正處于現今巖溶通道的水平徑流帶內，且水壓高。

3.2 自然條件

隧道所屬區為溫帶半濕潤氣候與高寒濕潤氣候的過渡帶上，最高氣溫35℃，最低氣溫－16.9℃，年平均降水量583.9 mm，年平均蒸發量1 234.1 mm。地表植被不發育，致使地下水碳酸鹽濃度較高，水流循環速度快，有機酸含量等適合形成中等發育的巖溶裂隙及小管道［9］類型的巖溶。

3.3 良好的補徑排條件

雞公坪溶蝕洼地群面積達12 km2，且溶蝕漏斗發育，有利于地表水匯集、下滲;地下水以巖溶裂隙水、小管道水形式徑流，連通性好;該巖溶水以泉水的形式排泄，水量大，隨季節變化大。

4 涌水量預測

4.1 靜儲水估算

隧道涌水主要由動儲量和靜儲量組成。巖溶地區地下水由于存在有溶隙、管道、溶洞等形式的儲存空間，根據長時間水量觀測總結出，巖溶地區地下水的靜儲量水是隧道涌水的重要組成部分，不可忽視。

根據涌水特征，DK320+926段靜儲量按影響寬度5 km，靜水頭高度100～300 m，裂隙及巖溶率5% ～10%計算，靜儲水量＞1 000萬m3。

4.2 動儲量預測

受水壓、影響寬度、巖溶裂隙率控制的靜儲量計算方法簡單。動儲量計算方法很多，但各種方法都有其適用范圍，存在一定局限性，現簡述如下。

1)枯水期地下水徑流模數法與水理統計法計算的巖溶隧道枯水期涌水量應較接近，但由于未考慮隧道與含水體相對位置關系，且地表徑流并不能代表地下水排泄量，所以造成較雨季的隧道實際涌水量明顯偏小。

2)降雨入滲法是水均衡的簡易算法，是非均質地層計算隧道涌水量的最典型、最常用的方法。但往往用匯水面積替代集水面積，入滲系數受時間、空間、氣象條件影響較大，故計算結果偏差較大。適用于對涌水量做宏觀、概略的預測。如正確取值則可以準確計算隧道涌水量。

3)洼地入滲量法、泉流量匯總法的應用條件為封閉洼地內大氣降水全部直接進入隧道，隧道施工影響范圍所有泉水水量的總和，即為地下水總排泄量，以隧道開挖后將襲奪全部泉水為前提。該方法計算結果與實際相差較大。

4)水文地質比擬法［10］、涌水曲線反饋分析法［11］均需建立在隧道涌水長期觀測數據的基礎上，如水文地質條件相同，涌水規律總結準確，則預測水量精度高，但工作量大，周期長。

因此，根據不同的補給條件、邊界條件，應選擇正確的計算方法，準確預測涌水量。

可溶巖地層隧道涌水量一般多為非均質地層，地下水流動多處于紊流狀態，根據隧道涌水情況及涌水發生后進行的補充調查、超前地質預報等工作綜合分析，宜采用降雨入滲法計算涌水量。

式中:Q為隧道通過含水體地段的雨季涌水量或設計頻率暴雨涌水量，m3/d;α為降雨入滲系數;X為設計頻率降雨量，mm;A為隧道集水面積，km2;η為地下水涌入系數，一般取η=0.2～0.6。

該地區一次最大降水量59.5 mm，匯水面積8.83 km2，α 取值0.5，計算補給量為52 539 ～157 617 m3/d。

5 結語

1)隨著我國經濟的發展，社會需求的增大，施工技術水平的提高，大量高等級鐵路得以修建。復雜地質條件下的長大隧道越來越多，同時帶來了巖溶隧道突水、突泥、淹井等重大地質災害事故頻發，對工程造成重大損失，嚴重影響施工進度。因此，論文以化馬隧道進口突涌水為例，介紹了巖溶隧道勘察方法及涌水災害形成原因，并對隧道涌水量預測方法進行分析、總結，對巖溶隧道工程、水文地質勘察具有借鑒意義。

2)隧道施工發生洞內突涌水現象，應通過地質調查查明其補給及排泄特征，初步判定地下水通道的走向;并輔以洞內地質超前預報等手段，查明隧道通過段落地下水空間分布特征，正確指導施工方案選擇，避免事故發生。

3)巖溶隧道涌水量的預測，因補給條件不同，邊界條件限制，計算結果與實際會出現較大的偏差，因此定量評價還有待進一步研究。

4)通過涌水成因分析及涌水量的預測，考慮水壓的高壓力狀態，最終提出了迂回坑道的處置方案，取得了良好的效果。

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