安六鐵路六枝向斜隧道涌水分析及整治方案研究

周關學 馮 濤 曾 誠

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

1 研究背景

隧道涌水是隧道施工過程中，圍巖含水層的地下水在水頭壓力和其他壓力的綜合作用下，克服隔水層、斷層以及裂隙等阻力，以突然方式從隧道洞室周邊涌入坑道內的工程地質現象，是巖溶地區常見的地質災害[1]。巖溶隧道的涌水與地下巖溶管道和巖溶水發育程度密切相關，還突出表現為受地質構造和地貌的控制，如位于褶曲軸部的碳酸鹽巖，巖溶發育強度更甚于翼部，而褶曲翼部，不論向斜、背斜，如存在排泄基準面，則接近排泄基準面的部位，往往富有較為豐富的巖溶水[2]。地質勘察中要充分分析水文地質條件，采用多種方法準確預測隧道涌水量。線路選線應避開巖溶水富集地帶，盡量拔高線路標高，隧道縱坡采用人字坡。

2 工程概況

2.1 工程概況

安六鐵路東接滬昆客運專線安順西站，向西經六盤水市的六枝特區，于六盤水樞紐水城站接軌，后利用既有滬昆鐵路至六盤水站，運營長度124.65 km，設計速度250 km/h，是六盤水市至貴陽市的快速通道。其中巖腳至六枝南段約14.068 km，穿越六枝向斜，設置主要工程有巖腳隧道(2 407 m)、對門寨隧道(1 756 m)、大用隧道(2 160 m)、地宗隧道(3 045 m)、蘇家寨大橋(395 m)、上波帕大橋(468 m)下波帕大橋(442 m)，上波帕大橋(395 m)、下玉黑大橋(764 m)、龍潭大橋(503 m)等，橋隧總長 13 125 m，橋隧比93.30%，隧道最大埋深約135 m，橋梁最大墩高44 m。

2.2 工程地質特征

2.2.1地層巖性

本段線路主要穿過三疊系(T)和二疊系(P)地層，六枝向斜軸部主要為法郎組(T2f)、關嶺組(T2g)地層，兩翼主要為永寧鎮組(T1yn)、夜郎組(T1y)、大冶組(T1d)、大隆組(P2d)、長興組(P2c)、龍潭組(P2l)、峨眉山玄武巖組(P2β)等地層。地表覆蓋第四系全新統(Q4)黏土層。其巖性特征如表1所示。

表1 線路通過主要地層巖性特征表

2.2.2地質構造

大地構造屬于揚子地臺之滇黔鄂臺褶皺帶，處于南丹-紫云-水城斷裂帶上，呈NW-SE向延伸，位于一系列NW和NE向緊密全形褶皺和平行褶軸壓性沖斷層組成的“山”字型構造。六枝向斜北翼巖層產狀N85°W/32°SE，南翼巖層產狀N50°W/55°NE,有N45°E/90°和N55°W/90°兩組張性節理，在巖溶化作用下形成巖溶裂隙及巖溶管道，控制六枝向斜的地下水流向。

2.3 水文地質特征

2.3.1區域水文地質條件

測區位于長江水系與珠江水系的分水嶺地帶，南北兩側分屬不同的水文地質單元，地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致[3]。在分水嶺北部, 地下水流向北及東北方向，排向烏江；在分水嶺南部, 地下水流向南及南東方向, 流經六枝河支流，最后排向北盤江。測區地層巖性、地質構造和地貌控制著地下水流向[4]，六枝向斜屬于珠江流域北盤江水系，地表水由向斜兩翼峰叢向向斜軸部低洼溶蝕槽谷匯流入六枝河，后沿向斜軸部由北西向南東徑流，匯入北盤江。地表沖溝發育,軸部溶蝕槽谷內地表水及地下水豐富，水系發達。

2.3.2巖溶水的補給、徑流、排泄

測區屬亞熱帶季風高原高山氣候，雨量充沛，多年平均年降雨量 1 487.6 mm，最大日降雨量 206.9 mm，年蒸發量1 300.8 mm，雨季多集中在5～8月，為地下水的補給提供了較為充足的水源。地下水類型為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水，巖溶水豐富。地下水由翼部向軸部匯聚，形成較為完整的補給、徑流、排泄空間分布。六枝向斜兩翼煤系地層為補給區，地表沖溝匯聚了大量地表水，地表水主要靠大氣降雨補給，地表溝水在可溶巖與非可溶巖分界線形成斷頭溝、落水洞[5]，地表水以洼地、落水洞、溶腔、裂隙匯入地下巖層，補給地下形成地下水。向斜兩翼碳酸鹽可溶巖地層為地下水徑流區，在新構造應力場的作用下，測區N45°E/90°、N55°W/90°兩組張性節理裂隙處于拉張狀態，為地下水儲存和運移創造了有利條件，地下水在深部巖溶水以網絡狀巖溶裂隙管道、暗河等運移[6]。向斜軸部溶蝕槽谷為排泄區，地勢低洼，為測區的地下水排泄基準面，地下水以下降泉的形式排泄在六枝河內，在六枝河兩岸出露了天生橋、下波帕、玉黑達沖、上玉黑、地宗等暗河[7]。

3 隧道涌水分析及水量計算

經過水文地質分析，對六枝向斜的巖腳、對門寨、大用、地宗等隧道的涌水段落進行涌水量計算。

3.1 洼地法

洼地法計算隧道涌水量的公式：

Q=F×X×(1/T) ×0.1×0.6×α

(1)

式中：F——洼地地表匯水面積(km2)；

X——測區日最大降雨量(mm)；

T——洼地等效消水天數(d)；

α——降雨入滲系數。

各隧道采用參數及涌水量計算結果如表2所示。

表2 洼地法計算隧道涌水量匯總表

3.2 井泉補給法

通過較長時間觀測隧道井泉點流量，繪制流量折線圖，來預測隧道涌水量的方法叫井泉補給法。

巖腳隧道涌水量計算公式：

Q總=Q1+Q2+Q3+Q4

(2)

式中：Q1——DK 32+922右側418 m泉點流量；

Q2——DK 33+009右側232 m泉點流量；

Q3——既有巖腳寨隧道進口暗河口流量；

Q4——黑曬村大用鎮引用水源井點流量。

巖腳隧道地下水排泄到天生橋至黑曬沖溝內，沖溝內發育4個井泉點，2016年6月28日至2016年6月30日，六枝地區降特大暴雨，經統計，各井泉點最大流量分別為：27 648 m3/d、21 168 m3/d、39 657 m3/d和 42 163 m3/d，故預測巖腳隧道出口最大涌水量為 130 636 m3/d。

3.3 溶腔壁水位痕跡法

地下水在地下暗河或溶蝕通道內水平流動時，常會在溶腔壁上留下水位痕跡線，隧道開挖會揭示溶腔壁的歷史上最高水位痕跡線，根據水位痕跡線與隧道軌面標高的關系，分析判定地下水對隧道影響程度。在對門寨隧道DK 34+120.9左側50 m和DK 34+404.75左側10～19 m兩處溶腔內發現積水潭，并在溶腔壁上發現水位痕跡線。

(1)DK 34+120.9左50 m溶洞底部有地下出水點，呈積水潭，溶洞大廳溶壁可見水流痕跡線?，F場測得DK 34+120.9左側50.11 m處溶洞壁水淹痕跡高程為 1 330.99 m，DK 34+126.848左側12.230 m處溶洞壁水淹痕跡高程為 1 341.35 m，溶洞內集水潭水位比隧道底板底面標高低31.8 m，從而判斷隧道處于地下水垂直循環帶內。

(2)在DK 34+404左側10～19 m處，溶洞底有緩慢流動的流水溝，并呈積水潭，水位在隧底以下10.1 m，積水潭水位標高為 1 368.65 m(2017年12月8日測量)，洞壁可見歷史最高水位線標高 1 371.77 m，該水位較筏板頂面低約3.5 m。2018年8月7日，暴雨使積水潭向上返水，最高水位高程達 1 374.07 m，較筏板頂面僅低1.2 m，由于施工破壞了溶洞內地下水的徑流通道，地下水流動受阻，隧底溶洞內地下水上升，涌水至隧底，造成隧底水害。

3.4 實測斷面流量法

為準確計算隧道涌水量，將隧道出水點及涌水點的地下水集中匯入隧道中心水溝，實測中心水溝斷面流量的方法即為實測斷面流量法。

大用隧道出口DK 38+320～DK 38+710段位于六枝向斜軸部，向斜軸部發現大型充填溶洞[8]，并出現溶腔涌水現象，施工中在里程 DK 38+710、DK 38+704、DK 38+480、DK 38+430、DK 38+415、DK 38+352、DK 38+325、DK 38+320共8處出現出水點及涌水點。2017年5月1日至2017年8月17日對其進行了一個雨季的觀測，并繪制了流量曲線折線圖。其中2017年6月11日六枝地區出現特大暴雨，隧道涌水點匯入中心水溝的水量為隧道最大值。采用中心水溝實測斷面流量法計算隧道最大涌水量，流量計算公式為：

Q=L/T×S

(3)

式中：L——指定流距；

S——水流截面面積；

T——時間。

經計算，大用隧道六枝向斜軸部 DK 38+320～DK 38+710段隧道涌水量為 152 064 m3/d。

3.5 流量匯總法

實測隧道每個出水點及涌水點的流量，逐點匯總其流量，來估算隧道涌水量的方法叫流量匯總法。

地宗隧道進口DK 42+200～DK 42+411和 DK 43+325～DK 43+496段地表水沖溝、洼地、落水洞、斷頭溝發育，隧道洞身發育地下暗河及巖溶管道水，隧道開挖時出現了涌水現象，其中 DK 43+418處拱頂涌水最大量，呈放射狀涌出。通過2017年4月24日至2017年9月7日對隧道涌水量的觀測，發現在2017年6月22日和2017年6月30日兩次時間點出現隧道涌出水量最大。隧道觀測出水點位置及最大流量值匯總如表3所示。

表3 地宗隧道涌出水點位置及流量匯總表

經計算，地宗隧道進口DK 42+200～DK 42+411和DK 43+325～DK 43+496兩段隧道涌水量總計153 854 m3/d。

4 隧道病害整治方案研究

位于六枝向斜的4座隧道在施工過程中都出現了較大涌水，因此，本文研究了設置泄水洞的方案來整治隧道涌水。經分析，4座隧道涌水都位于地下水上游側，故將泄水洞設置于上游來水側。巖腳隧道和對門寨隧道位于六枝向斜的北翼，地下水由線路右側流向左側，故巖腳隧道和對門寨隧道泄水洞設置于線路右側來水側；大用隧道位于六枝向斜軸部，隧道施工中左、右側邊墻均出現了涌水，故大用隧道向斜軸部段左、右側均設置泄水洞；地宗隧道位于六枝向斜南翼，地下水由線路左側流向右側，故地宗隧道泄水洞設置于線路左側。結合隧道縱坡及人字坡情況，泄水洞順坡排水。

4.1 巖腳隧道

進口里程DK 30+694，出口里程DK 33+105，全長 2 407 m，進口以16‰上坡，出口以3‰下坡。施工揭示 DK 32+343～DK 32+360段暗河管道出現涌水、涌泥沙，DK 32+908處有巖溶涌水情況，計算隧道涌水量約 149 000 m3/d，經研究，于隧道 DK 32+300～DK 33+101段線路右側設置泄水洞，泄水洞長 824 m，并于 DK 32+343、DK 32+360、DK 32+908共3處設置集水廊道，巖腳隧道泄水洞平面如圖1所示。

圖1 巖腳隧道泄水洞平面示意圖

4.2 對門寨隧道

進口里程DK 33+844，出口里程 DK 35+600，全長 1 756 m，全隧以5‰單面上坡。施工過程中，DK 34+120～DK 34+215、DK 34+343～DK 34+440 2段遇到巖溶管道及溶洞大廳，DK 34+410～DK 34+415左側積水潭洞壁歷史最高水位高程 1 374.074 m，極端暴雨后的出水量約 41 000 m3/d。經研究在 DK 33+844～DK 34+747.22段線路右側增設泄水洞，泄水洞全長982 m，并于 DK 34+404、DK 34+740兩處設置集水廊道。對門寨隧道泄水洞平面如圖2所示。

4.3 大用隧道

進口里程DK 36+898，出口里程DK 39+054，全長 2 156 m，進口至DK 37+500為25‰下坡，DK 37+500至出口為10‰下坡。DK 38+710～DK 38+320段位于六枝向斜核部，為排泄基準面，有較為豐富的巖溶水，施工過程中多次揭示溶洞及溶蝕裂隙，且溶洞有股狀水流出或涌水，極端暴雨后DK 38+390～DK 38+900段線路右側涌水量為 78 200 m3/d，DK 38+300～DK 38+600段線路左側涌水量為 109 200 m3/d，實測DK 38+320～DK 38+710段隧道最大涌水量為=1 526 00 m3/d。經研究，在DK 38+55.45～DK 38+545.55段設置左線泄水洞； DK 38+301.7～DK 39+064.99段設置右線低位泄水洞；DK 38+277.23～DK 38+470段設置右線高位泄水洞；于 DK 38+570處設置下穿正洞段連接左右線泄水洞，并于 ZDK 38+266.7、ZDK 38+395、ZDK 38+445、ZDK 38+495、ZDK 38+540、Y1DK 38+292、Y2DK 38+479、Y1DK 38+430、Y2DK 38+679.3、Y2DK 38+703.1共10處設置集水廊道。大用隧道泄水洞平面如圖3所示。

圖2 對門寨隧道泄水洞平面示意圖

圖3 大用隧道泄水洞平面示意圖

4.4 地宗隧道

進口里程DK 41+720，出口里程DK 44+765，全長 3 045 m。進口至DK 44+050為20‰上坡，DK 44+050至出口為10.2‰的下坡。施工過程中DK 41+746～DK 41+890、DK 42+201～DK 42+411、DK 43+325～DK 43+668 等段落多處揭示大溶洞及溶蝕裂隙，且有股狀水流出或涌水，地表洼地出現巖溶塌陷、開裂、坍方冒頂、水井失水干枯等環境地質問題[9]。極端暴雨后涌水量為 144 800 m3/d， 2016年5月至2018年7月隧道最大涌水量 153 854 m3/d。經研究從DK 41+720～DK 43+710段左側設置泄水洞，泄水洞長2 017 m，并于XDK 41+741、XDK 41+863、XDK 42+115、XDK 42+135、XDK 42+210、XDK 42+245、XDK 42+260、XDK 42+402、XDK 43+337、XDK 43+420、XDK 43+475、XDK 43+495、XDK 43+671共13處設置集水廊道。地宗隧道泄水洞平面如圖4所示。

圖4 地宗隧道泄水洞平面示意圖

5 結論

線路選線應避免隧道通過富水向斜地下暗河徑流排泄區，必須通過時，應盡量拔高線路標高，將隧道設置于巖溶水的垂直循環帶內，隧道縱坡采用人字坡。

對巖溶隧道建議采用封閉洼地法、溶腔壁地下水位痕跡線法、井泉補給法及隧道內溶洞涌水量觀測等多種方法預測隧道涌水量，綜合對比分析后確定推薦隧道涌水量。

在隧道來水側設置泄水洞，并于泄水洞與正洞出水點設置集水廊道，通過對地下水進行充分引排，確保隧道襯砌結構及后期鐵路運營的安全。