昭通隧道巖溶水文地質特征及突涌水危險性評價

陳明浩 鄧宏科 張廣澤 付開隆

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

昭通隧道位于四川盆地南緣與云貴高原之間的斜坡過渡帶[1]，處于線路逐漸走高“上臺階”的地形梯度帶中。隧道全長 16 255 m，進口高程 1 532 m，出口高程 2 019 m，最大埋深990 m，縱斷面為30‰單面上坡。昭通隧道是渝昆高速鐵路的控制工程[2]，也是全線高壓富水巖溶隧道的代表性工程。

1 工程地質特征

1.1 氣象水文

測區屬康滇溫帶、暖溫帶半濕潤氣候區，總體特點是溫涼，四季溫差明顯，干雨季分明。氣候明顯受地形影響，特別是受高程控制，垂直分帶性明顯，水平變化不大。研究區水系發育，屬長江水系之金沙江流域，隧道進口段發育龍潭河，由南向北經洛澤河、關河，流入金沙江；隧道出口段發育廣東河，匯入段家石橋水庫，經牛欄江流入金沙江。

1.2 地層巖性

隧址區早中泥盆世主要發育陸相、海陸交互相、濱海～淺海相砂巖、頁巖、灰巖、白云巖等，晚泥盆世主要發育淺海、海灣或瀉湖相灰巖、白云巖；早石炭世大塘早期昭通一帶為濱海沼澤相含煤砂頁巖沉積，中晚石炭世為濱海、淺海相的灰巖；早二疊世為濱海沼澤相含煤砂巖、頁巖夾灰巖沉積，而后海侵擴大，直至茅口晚期，多為淺海相灰巖沉積。隧道地層巖性特征如表1所示。

表1 昭通隧道地層巖性特征表

1.3 地質構造

隧址區大地構造背景位于揚子亞板塊之滇東拗褶帶，由一系列大致平行呈“多”字型排列的不同規模褶皺、壓扭斷裂和與其近直角相交的張性斷裂組成。北東向構造為測區主干構造，大致沿N40°E方向延伸，褶皺相對開闊平緩，協調對稱，局部受斷裂構造破壞，完整性差，并有軸面倒轉現象。隧道位于箐門背斜SE翼，穿過大關口斷裂以及派生的小褶曲、小斷層、節理裂隙等。

(1)箐門背斜

自箐門起往北東經新華、花園，全長22 km。組成該背斜的最老地層為下泥盆統翠峰山組(D1c)，最新為上二迭統玄武巖(P2β)。西翼傾角30°～40°，東翼傾角20°～30°，兩翼不對稱。受新寨斷裂影響，北東段局部發生倒轉，軸面傾向南東，箐門以南被第三系不整合覆蓋，推測作為第三系的基底構造往南西繼續延伸。

(2)大關口斷裂

斷裂近南北向，傾西，傾角80°，中部略向西凸出，往北經小龍洞、魯門、郭家坪、山王廟、水營和老營盤，全長42 km。兩側地層產狀紊亂，巖體破碎，局部地段擠壓成透鏡體，透鏡體長軸與斷裂走向一致，片理化明顯。

2 巖溶發育特征

2.1 巖溶發育程度

巖溶作用的發生、發展和結果主要受巖石可溶性、透水性、水的溶蝕力和水的流動等因素的綜合控制[3]，并受當地氣候、水文、地質等自然因素的影響和制約。隧址區主要發育二疊系下統茅口～棲霞組(P1m+P1q)、中下石炭統(C2+ C1)、石炭系下統巖關階～上泥盆統～曲靖組(C1y+D3+D2q)3套可溶巖。

中下石炭統(C2+ C1)和石炭系下統巖關階～上泥盆統～曲靖組(C1y+D3+D2q)的厚層白云巖、灰巖分布于面積較大的高原臺面，洼地、漏斗、落水洞、溶洞等大型巖溶形態較多，構成峰叢洼地或峰叢谷地地貌，巖溶發育程度為強烈[4]。茅口～棲霞組(P1m+P1q)厚層灰巖分布于高臺地邊緣，地形陡峻，以溶隙為主，局部可見洼地、漏斗、落水洞等負地形，巖溶中等發育[5]。

2.2 巖溶發育規律

(1)在水平分帶規律方面

箐門背斜構造控制了巖溶發育方向和不同地段巖溶發育程度的差異性，巖溶形態展布方向與所處構造的延伸方向基本一致。在平面上，不同性質的含水層呈北東向條帶相間排列格局，有利于巖溶水在可溶巖與非可溶巖交界處的可溶巖一側聚集，形成巖溶強烈發育且富水的條帶。

(2)在垂直分帶規律方面

測區巖溶以垂直溶蝕與水平溶蝕交替的規律出現，這種不同高程上的多梯級發育特征主要受地形地貌、地質構造、地層巖性、地殼間歇性上升與河流下切等因素控制。通過對研究區碳酸鹽巖的巖溶發育高程進行特征統計，巖溶洼地發育高程為2 256～2 858 m，落水洞發育高程為2 287～2 861 m，溶洞發育高程為886～2 970 m。最大高程和高高程段主要以發育巖溶洼地、落水洞、溶洞為主，中低高程段巖溶發育逐漸減弱，巖溶泉發育數量逐漸增多，有利于巖溶水的排泄。

3 巖溶水系統

3.1 地下水類型

測區巖溶發育，地下水類型主要為巖溶水。根據地層巖性、巖溶發育程度及富水性差異，將巖溶含水層分為純碳酸鹽巖類、次純碳酸鹽巖類(碎屑巖夾碳酸鹽巖)和不純碳酸鹽巖類(互層巖溶水)3類[6]，隧道巖溶含水巖組劃分及富水性特征如表2所示。

表2 昭通隧道巖溶含水巖組劃分及富水性特征表

3.2 巖溶水補徑排條件

測區地下水補給源主要為大氣降雨，受地形地貌、巖性、構造、降雨量等因素控制，不同地區的補給特征存在較大差異。巖溶洼地、巖溶槽谷等負地形具有較大的匯水面積，為地表水補給地下水的良好通道；巖溶強烈發育區，大氣降水可通過落水洞等豎向通道灌入式補給地下水；非可溶巖區地表水也是巖溶地下水的一個重要補給來源。此外，在地質構造強烈發育地區，導水斷層增大了地下水補給的范圍和規模，加強了地下水間的水力聯系。

地下水的徑流條件主要受巖性、構造、地形、排泄基準面控制[7]，在不同區段具有不同特征。石人坪子、馬店地區地下水徑流主要受巖性和構造控制，地下水向北徑流至龍潭河排泄。小龍洞地區地下水徑流受分水嶺和構造控制，大致向南流動，以地下暗河的形式排泄。

根據巖性組合特征、構造特征和地貌形態，測區地下水排泄形式主要以泉點和地下暗河為主。區域巖溶地下水的最低排泄基準面一般為地表河流，巖溶地下水在徑流過程中遇非可溶巖、斷層錯斷、河流切割時，多以泉點或暗河形式排泄，當巖溶介質較為均勻時，地下水呈線狀方式向河流排泄。

根據巖溶水循環過程中的水力學性質特征，巖溶地區含水層由地表至地下可劃分為垂直入滲帶、季節變動帶、水平徑流帶和深部緩流帶4個水動力帶[8]。水平徑流帶、垂直入滲帶和季節變動帶厚度普遍較大，在河谷附近或臨近排泄區時厚度則會很薄。垂直和季節變動帶為非飽水帶，水平和深部緩流帶為飽水帶。

3.3 巖溶水文地質單元劃分

巖溶水文地質單元是根據地層巖性、地質構造、地形地貌、可溶巖與非可溶巖的接觸關系及空間展布特征、氣象和水文等條件的差異性，將隧址區劃分為若干單元。每個單元的地下水類型、賦水特征及運移規律相同或相似，具備相對獨立的邊界和補給、徑流及排泄條件。

根據巖溶水文地質單元劃分依據，結合野外調查情況，將區內水文地質單元邊界劃定為：東部以洛澤河為排泄邊界，東北部以龍潭河為排泄邊界，南東部以摸洛河為排泄邊界，南部以段家石橋水庫為排泄邊界，南西部以昭通盆地為排泄邊界，中部以二疊系梁山組(P1l)和石炭系下統大塘階舊司段(C1dj)為物理隔水邊界。根據上述邊界及分水嶺將其劃分為3個等級的水文地質單元分區。

(1)一級水文地質單元的劃分以東部洛澤河為排泄邊界，將研究區劃分為1個一級單元，即洛澤河水文地質單元(YH-1)，其屬于金沙江水系。

(2)二級水文地質單元以區域地表分水嶺為隔水邊界、以龍潭河和段家石橋水庫為排泄邊界，在一級水文地質單元的基礎上分為2個二級水文地質單元，即龍潭河水文地質單元(YH-1-1)和摸洛河水文地質單元(YH-1-2)。這2個二級水文地質單元均是洛澤河的支流，也屬于金沙江水系。洛澤河是昭通隧道隧址區地下水(巖溶水)的排泄基準，而金沙江則是控制區域地下水流動的基準面。

(3)三級水文地質單元根據可溶巖與非可溶巖的空間組合關系可分為6個三級水文地質單元，即昭通盆地水文地質單元、小龍洞水文地質單元、官家坡～挖飄沖水文地質單元、河壩水文地質單元、大寨水文地質單元和石人坪子～銅鼓村水文地質單元。

4 隧道涌突水危險性評價

4.1 隧道涌水量預測

隧道涌水量預測準確性主要取決于對隧洞充水條件的正確分析以及計算參數和計算方法的合理選用。昭通隧道通過龍潭河水文地質單元(YH-1-1)和摸洛河水文地質單元(YH-1-2)，根據地形地貌條件、巖溶發育特征、含水層地下水的分布及賦存情況，結合勘察成果，將隧洞總體分為14段，其中包氣帶1段，徑流帶13段。包氣帶采用大氣降雨入滲法，徑流帶采用地下水動力學法，分段對隧洞涌水量進行預測[9]，隧道分段涌水量預測結果如表3所示。

表3 昭通隧道分段涌水量預測表

由表3可以看出，垂直入滲帶隧道正常涌水量為181.4 m3/d，水平徑流帶或深部緩流帶隧道正常涌水量為 229 338.2 m3/d。隧道單位涌水量低于5 m3/d·m的長度占全隧長度的30.2%，大于10 m3/d·m的長度占全隧長度的53.3%。這表明隧道50%以上長度存在大涌水可能。另外，雨季涌水量將會進一步增大，由于隧道經過高位巖溶槽谷帶，在可溶巖段及可溶巖和非可溶巖接觸帶發生涌水突泥的可能性較大。

4.2 隧道涌突水危險性評價

依據成都理工大學前期關于西南山區巖溶隧道涌突水災害危險性評價系統的研究成果，由巖石的可溶性(K1)、地質構造因素(K2)、地表匯水條件(K3)、地下水化學特征(K4)和隧道埋深與地下水位的關系(K5)組成巖溶隧道涌突水危險性評價指標體系。根據隧址區的巖溶發育特征，初步考慮將隧道涌突水危險性劃分為5個等級[10]，其危險程度從高到低分別為極危險區(Ⅴ)、高危險區(Ⅳ)、中危險區(Ⅲ)、較危險區(Ⅱ)和低危險區(Ⅰ)。分值滿分若設置為100分，分值越高，發生災害的危險性越高，則劃分的5個等級所對應的分值依次為>77、62～77、38～62、23～38和<23。將昭通隧道分為14段，對5個評價指標賦值進行危險性評價。隧道涌突水危險性THK分級評價如表4所示，隧道縱斷面危險性等級分級如圖1所示。

圖1 昭通隧道縱斷面危險性等級分級圖

表4 昭通隧道涌突水危險性THK分級評價表

從表4和圖1可以看出，隧道涌突水在空間結構上差異顯著，隧道通過高危險區3段，中危險區9段，低危險區2段。高危險區主要位于DK 374+807～DK 375+069(P1)、DK 377+370～DK 377+245(C3)、DK 377+824～DK 378+059(C1y)段的地層中，地表峰叢～落水洞發育，構造裂隙發育，匯水條件優越，地表水極易匯聚下滲，隧道發生涌突水的潛在風險高。隧道危險性等級劃分長度如圖2所示。

從圖2可以看出，隧道處于中危險區的長度最長，約占隧道總長度的59.1%；較低危險區的長度次之，約占隧道總長度的35.8%；高危險區的長度最短，僅占隧道總長度的5.2%。

4.3 地下水環境影響評價

隧道施工在含水巖體中開展，不可避免地會對隧址區地下水環境產生一定影響，對地下水的疏干和改造作用尤為突出。隧道開挖將使其成為新的排泄通道，改變地下水補給、徑流和排泄條件，造成隧道影響范圍內地下水水位下降，地表井泉點干枯，影響當地居民的生產生活用水。此外，地下水疏干并帶走其中充填的顆粒物質還可能誘發地表塌陷。在調查的43個測區泉點中，有12個無影響，17個影響較小，14個影響嚴重。嚴重影響的泉點多出露在線路附近或泉的補給通道上，影響較小的泉點多出露于更接近補給區或距離隧址區較遠的可溶巖地帶。

5 結束語

渝昆高速鐵路昭通隧道隧址區發育二疊系(P)、石炭系(C)、泥盆系(D)碳酸鹽巖和碎屑巖地層，工程地質及水文地質條件復雜。本文通過對隧址區地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質等條件的研究，分析了巖溶發育程度和巖溶發育規律；根據巖溶水補徑排條件，進行了水文地質單位的劃分；并在水文地質分區的基礎上，進行了隧道涌水量預測和隧道涌突水危險性評價。昭通隧道涌突水危險性總體為中危險，其中高危險段占總長度的5.2%，主要位于棲霞組(P1q)、上石炭統(C3)、巖關階(C1y)地層中，這與巖性、地形及構造有關。本文研究成果可為巖溶地區高壓富水隧道的勘察設計提供參考借鑒。