巖溶臺地高壓富水特長隧道勘察的精細化探索

張鵬, 李振興， 駱偉， 馬德青， 潘曉東， 鄔遠明

(1.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司， 長沙 410219； 2.中南公路建設及養護技術湖南省重點實驗室， 長沙 410219; 3.中國地質科學院巖溶地質研究所， 桂林 541004)

隨著中國交通強國建設的推進，高速公路建設場地正由地形地質條件簡單轉為地形地質復雜，地形地質復雜場地不可避免地涉及到巖溶臺地。高速公路線路穿越巖溶臺地，多采用越嶺隧道形式。然而隧道穿越巖溶臺地時往往會面臨突水突泥風險[1-3]，從而增加施工難度及危害后期的運營安全。一方面高速公路建設轉向地形地質條件復雜場地，勘察難度越來越大；另一方面由于勘察市場的萎縮造成競爭加劇?？辈焓袌龈偁幍挠^念由原來的成果主義轉變為實力主義，故對于重大的、地質條件復雜的項目，特別是巖溶臺地隧道，高精度的探測也由施工地質預報階段部分地向勘察階段轉化，勘察精度就尤為重要。

由于巖溶的隱伏性，巖溶的地下形態、規律無法精確查清，在斷層-復式向斜復合構造條件，巖溶及巖溶水特征更是復雜，需要精細化勘察進一步的探索。巖溶隧道勘察方法手段主要有地質調繪、物探、鉆探、現場試驗等，在施工階段還包括地質超前預報。目前，學者們針對巖溶隧道勘察方法手段開展了大量研究，但都存在一定的不足。首先，學者們常針對某個方面或某個點進行精細化的研究，如電磁波CT[4-5]、大地電磁測深法[6-7]、可控源音頻大地電磁法(controllable source audio frequency magnetotelluric method，CSAMT)[8-9]等物探方法在隧道勘察中的應用,而隧道勘察是系統性的、綜合的，也正因為勘察范圍過于寬泛，往往對于勘察系統的精細化缺乏深入地研究；其次，眾多勘察方法手段的研究多集中在物探方法和預測方法，多反映在間接性的、帶有預測性的研究方向，如采用關聯函數與加權平均法[10]、復勢法和圓島模型[11]等方法進行突水突泥預測，而對于能直接揭露地層關系的勘察手段研究甚少，如如何通過鉆探精確揭露隧道地層含水層和涌水量；再次，大量隧道勘察方面研究多集中在施工階段的地質超前預報[12-14]，盡管對隧道施工起到最直接的作用，但對設計方案的優化和工程概預算是事后控制。

綜上，巖溶隧道應在施工前進行綜合的精細化勘察研究?；诖?，以國家G59高速公路張家界—官莊段沅古坪隧道為研究對象，在研究鉆探精確揭露地層含水層的基礎上，結合前期資料、地質調繪、物探、評價方法等內容的精細化研究，對巖溶臺地隧道勘察精細化進行探索。

1 研究區工程背景

張家界—官莊高速公路屬于國家高速縱向主線呼和浩特—北海國家高速公路的一段，編號G59。起點位于張家界，連接已建的常張高速，終點位于官莊，連接在建的官莊—新化高速公路，主線長82.3 km。橫跨湖南省西北部武陵山區，地形起伏大，地質條件復雜。沅古坪特長隧道為張家界—官莊高速中的控制性工程。隧道位于張家界永定區沅古坪鎮西北側，距張家界市14 km，距沅古坪鎮約2.5 km，分離式隧道，分左右兩洞，右洞全長5 121 m，左洞全長5 182 m，屬特長隧道，縱坡8‰，最大埋深423 m。

隧道地層以碳酸鹽巖為主，穿越郭家界向斜，地形倒置，向斜成山，隧道區海拔高程一般605～923 m，隧道進出口處沖溝海拔447～450 m，為巖溶臺地地貌，如圖1所示。隧址區控制性褶皺為郭家界向斜，并發育多個次級褶皺及斷裂，具有斷層-復式向斜復合構造的顯著特征，向斜核部地段地下水豐富且壓力較大。所研究隧道為復式向斜盆狀構造富水巖溶臺地特長隧道。

圖1 沅古坪隧道地形地貌

2 精細化勘察思路

工程勘察的主要目的在于找出潛在工程地質問題，為規避和預防工程風險提供地質依據。收集和分析區域地質資料、前期勘察成果、前人研究成果及類似工程案例，找出主要的水文與工程地質問題，針對這些問題進行水文地質與工程地質調繪和地球物理探測，在此基礎上構建地質模型，并采用有針對性的水文地質鉆探、工程地質鉆探、現場監測與測試及數值仿真等方法與手段，對地質模型進行驗證、豐富與優化。

通過對區域地質資料、類似工程案例及研究成果的綜合分析，研究對象處于復式向斜巖溶臺地，其主要的水文地質與工程地質問題為復雜的巖溶體系及巖溶水特征，對應的工程風險為高水壓力對隧道結構的影響、突水突泥問題，故勘察工作應針對巖溶與地下水系統來展開?？辈旃ぷ鲬ㄟ^水文地質與工程地質調查相結合、物探與鉆探相結合、現場測試與專家系統相結合、定性與定量相結合、解析法與數值模擬相結合等多維度勘察技術，宏觀到微觀層層推進，最終精細刻畫研究對象的地質條件。研究對象的勘察思路如圖2所示。

圖2 勘察技術路線圖

3 勘察精細化實施

3.1 前期資料分析精細化

勘察前需收集與項目相關的資料并進行分析，如區域地質資料、前期勘察成果、前人研究成果及類似工程案例等。

通過對區域地質資料特別是區域水文地質資料的分析，基本掌握場地地貌類型及特征、挽近構造活動、巖溶發育規律、巖溶水的排泄特征等。1∶10 000地形圖中多隱含大量地質信息，特別是巖溶地質信息，包括巖溶洼地、落水洞、溶洞、地下水流向等。通過分析1∶10 000地形圖可盡可能多地獲取場地地質信息。查閱文獻類比類似工程的地質模型及巖溶成災機制。收集周邊已施工的項目，了解實地巖溶發育規律、地下水的排泄規模等。

3.2 地質調繪精細化

根據研究對象的特點，確定地質調繪的范圍為10 km×10 km，調查內容主要包括研究區的地層巖性、地質構造、巖溶形態及分布情況、巖溶地下水及地下河的發育規律、發育特征、富水性特點及巖溶水補給、徑流、排泄條件。本次研究除采用常規的調查與走訪，還開展了地下水示蹤試驗、水化學分析、流量監測及雨量監測。

示蹤試驗的目的在于查明地下水運動途徑、速度等水文地質條件，了解地下水系統的補給范圍、徑流特征、與相鄰系統的關系，確定分水嶺的位置，地下河系通的連通、延展與分布情況，調查地下水的轉化關系以及巖溶水的滲漏通道等。圖3為巖溶示蹤試驗。圖4為地下水排泄口流量監測。

圖3 巖溶示蹤試驗

圖4 地下水排泄口流量監測

根據S022泉水中熒光素鈉的濃度變化曲線可初步判斷巖溶通道較為順直通暢，如圖5所示。

圖5 熒光素鈉濃度變化曲線

流量監測及雨量監測的目的在于確定地下水對降雨的響應關系、為構建隧道所涉及地下水系統的地下水數值模擬提供基礎數據及監測隧道施工和運行后對其周邊地下水的襲奪量并計算隧道的涌水量。

3.3 地球物理探測精細化

本研究隧道巖性主要為碳酸鹽巖，巖石的風化程度和巖體強度不是研究的重點，而巖性差異、巖溶特征及構造特征是本次研究的重點。故采用多種物探手段的綜合物探方法，包括CSAMT、地質雷達和高密度電法。

可控源音頻大地電磁作為貫通隧道的物探方法初步查明場地的地層巖性、巖溶發育特征和構造特征所表現的異常區，地質雷達查明淺覆蓋巖溶區的異常帶，并與可控源音頻大地電磁成果相互驗證，高密度電法為解決可探源音頻大地電磁法產生的淺部盲區的物理探測，作為可控源音頻大地電磁的一種補充。

根據研究隧道的特點，布置貫通的CSAMT測線，對隧道全線進行控制和初步探測。結合探測成果和地質調查成果分析，隧址區主向斜(郭家界向斜)核部區巖溶強烈發育，為加強對隧道強巖溶區段的控制，在此區段進行加強物探，K16+790～K18+690段隧道右洞及K16+790～K18+690段左洞外側90 m處地表巖溶發育段分別布置可控源音頻大地電磁法物探測量。

因隧道洞身貫穿郭家界向斜蓄水構造，受向斜蓄水構造控制核部地下水富集形成富水區塊，預估涌水量大且發生風險程度高，需進一步開展水文地質勘察，弄清強巖溶帶位置，獲取涌水量評價預測的水文地質參數。故在隧道核部強巖溶帶集中分布區采用高分辨率的地質雷達法(25 MHz低頻探地雷達地球物理探測)，布置于K16+780～K18+200段，以探測向斜軸部附近溶洞裂隙的展布情況，與可探源音頻大地電磁法及鉆探相互驗證，進一步分析突水突泥風險。工作量布置如圖6所示。

圖6 隧道工程地質平面圖

3.4 地質鉆探精細化

隧道工程地質鉆探的目的主要是對異常的驗證及推測地質模型的查證。本次研究的目的主要是要驗證各物探異常帶及查證大湖村段、郭家界向斜段含水層位置、厚度及水文地質參數等。故本次研究的地質鉆探采用工程地質鉆探和水文地質鉆探相結合的方法。鉆孔工作量布置如表1所示。

表1 隧道鉆孔布置

工程地質鉆探采用常規的繩索取芯鉆探方法，水文地質鉆探采用空氣潛孔錘+孔內電視復合法，通過監測空氣潛孔錘在水文地質外鉆探過程中出水的流量的變化，來確定地下水含水層的厚度，快速準確區分含水層與隔水層[15]。

由于空氣潛孔錘鉆探工藝采用空氣做為循環介質，如吹出的是干粉可判斷是隔水層，吹出來的是水或泥漿則可判斷是含水層，如圖7所示，到第二個隔水層時，吹出水量則會保持不變，通過這個原理能識別含水層和隔水層的位置和厚度。

圖7 空氣潛孔錘水文鉆探

進行鉆探前，在鉆孔附近開挖水渠，并在鉆孔附近及水渠中鋪設防滲膜，盡可能使鉆井過程中噴出的地下水集中排泄到水渠中。在水渠下游設置三角堰板或矩形堰。在堰板上游安放在線監測儀器記錄水位及電導率變化，記錄間隔時間10 s，安放時將檢測儀器探頭的底部與堰板的直角處保持在同一水平高度。如圖8所示。

①為鉆孔連接水渠；②為流量監測裝置；③為三角堰或矩形堰；④為水渠；⑤為水位監測探頭

連續監測空氣潛孔錘施工吹出水量變化，繪制變化過程與施工深度關系曲線，結合孔內電視成果，分析水文與工程地質結構，獲取更準確豐富的水文地質參數。

3.5 評價精細化

對于巖溶隧道來說，最關心的是突水突泥風險和涌水量預測。突水突泥風險和涌水量預測精細化的基礎為水文地質條件的精細化，也就巖溶地下水系統劃分的精細化。

根據1∶10 000水文地質詳勘對工作區地層結構等情況調查后確定的地質界線和構造線，結合地層含水性分析(手段：實測剖面、裂隙測量、巖溶點統計、泉點統計、水文地質試驗、水文地質測井、鉆孔成像、地球物理探測等)評價確定的含水層與隔水層，確定地下水與地表水的循環轉化關系，查清局部徑流系統的補給排泄條件，再根據斷裂的壓扭性質調查判斷斷層的導水性及褶皺構造調查確定褶皺區域富水條件。在以上成果基礎上，根據地表分水嶺、地層巖性、補排特征、構造及地形等特征，對研究區域劃為不同的地下水系統，明確隧道所穿越的地下水系統。

通過隧道洞身揭露的區域巖溶層段、巖溶層段中的巖溶水系統及類型、隧道洞身所處巖溶水動力分帶及隧道洞身巖溶及巖溶結構面發育強度及空間位置的分析建議評價指標層次結構，采用層次分析法對隧道穿越的地下水系統進行突水突泥風險評價，劃分出高風險、中風險和低風險3個等級，為隧道設計與施工提供地質依據。

隧道涌水量對不同地下水系統進行分段預測，在巖溶發育強烈區(落水洞、巖溶裂隙和地下河發育)采用雨期洼地入滲系數法，巖溶發育相對較弱段采用大氣入滲系數法和徑流模數法，郭家界向斜核部采用靜儲量和雨期動儲量法。

考慮到隧道區水文地質條件復雜，采用數值模擬預測來校核解析法成果。數值模擬基于多孔等效介質模型，采用RIVER和DRAIN模塊分別概化模擬巖溶管道水流和隧道排水過程。其中DRAIN模塊中隧道僅起排水作用，RIVER模塊允許巖溶管道水與周圍含水層水流交換，可以模擬巖溶地下河管道，使模擬結果更加精確。

4 成果分析

4.1 前期資料分析

經過對區域水文地質普查報告[16]的分析，隧址區為低山臺地溶丘洼地地貌，按標高可分為高、中、低臺地，3個臺地溶丘洼地分別以大湖村、柏楊坪村及峰火村為典型代表，3個臺地地面標高分別為800～900、580～750、370～450 m。這3個臺地代表3個夷平面。區域挽近構造運動跡象以間歇的繼承性的掀斜運動為主，夷平面自北西向南東微微傾斜。巖溶受巖性、成層厚度影響具順層發育特征，受地質構造影響，皺褶核部較兩翼發育，張性構造較壓(扭)性構造發育，低級夷平面水平巖溶數量與規模超過高級夷平面。地下水的富集多富集在張性構造中，巖溶管道多順直，且低級夷平面多為高級夷平面的排泄基準面。

通過分析統計隧址區的地表巖溶形態與規模，可初步分析出隧道涌水量和巖溶地下水的流向。

由圖9(a)可以看出，巖溶洼地，該巖溶洼地的儲水體積為18×104m3，消散時間為3 d，隧道穿越此洼地時，則可初步判斷該巖溶洼地在最不利工況下貢獻的隧道涌水量為6×104m3/d。由圖9(b)可以看出：地下水的排泄口和地下水入口，再結合地表巖溶，初步判斷地下水流向。

圖9 平面圖上的地質信息

向斜核部排泄基準面以下是否存在深部巖溶是關鍵，這關系到是否存在管狀高水頭壓力。根據張倬元等[17]對圓梁山隧道毛壩向斜深飽水帶特大型充填溶洞的形成及充填物成災機制分析，認為灰巖巖體中的寬大縱張裂隙和層間滑脫空間形成了兩斷層間初始而且通暢的倒虹吸循環通道，兩斷層的地下水頭差，使地下水由源向匯流動，形成了通暢的倒虹吸循環，最終形成深飽水帶的大型溶洞。該研究提示排泄基準面以下也可能產生大型巖溶，需結合場地的實際情況根據巖溶產生的四要素進行分析。大量實例表明，巖溶隧道最主要的問題就是突水突泥問題[18-19]。

4.2 地質調繪成果分析

通過詳細的地質調繪，基本查明地形地貌、地層巖性、地質構造、巖溶發育規律、巖溶地下水系統等水文地質與工程地質條件，構建了水文地質與工程地質概化模型。

隧址區共發育7條斷層和8條褶皺，斷層由F35控制，其余6條斷層均為F35的次生構造，褶皺由f23郭家界向斜控制，和其余7條褶皺組成復式向斜，各種構造形成了斷層-復式向斜復合構造，如表2、圖10所示。

圖10 隧道縱斷面圖

表2 隧道區域褶皺統計

地表巖溶呈多尺度、多樣化發育，溶隙、溶縫、溶槽、巖溶漏斗、落水洞、天窗、豎井、溶蝕洼地、巖溶槽谷及不同巖溶形態的復合發育等。地下巖溶以溶孔、裂隙管道型溶洞和地下河管道為主，具有顯著密集性、不均勻性及差異化發育特征。

巖溶生成條件常與一定構造線有關，多沿層面、節理裂隙、褶皺及斷層所形成的結構面發育，形態多呈呈裂縫狀，洞高遠大于洞底寬度，洞頂板呈“∧”形，溶洞廊道平直，少有較大洞室或廳堂。根據對隧道左側2 km處的相同地質條件下的洞灣引水隧道的調查，揭露出地下巖溶的形態、規模和水平方向的線巖溶率，如表3所示?？梢钥闯?，在尚未發現明顯地表巖溶的地段的水平線巖溶率可達11%，可做為隧道水平線巖溶率的依據之一。

表3 隧道區域斷層統計

根據地表分水嶺、地層巖性、補排特征、構造及地形等特征，將研究區域共劃為17個地下水系統，隧道穿越9個地下水系統，如圖11所示。

圖11 隧道區巖溶水系統分區圖

4.3 地球物理探測成果分析

本次洞身采用的物探為CSAMT和地質雷達兩種方法，物探成果如圖12、圖13所示。結合地質調查和鉆探也充分地驗證異常帶，如表4所示。

表4 物探異常驗證一覽表

圖12 隧道可控源音頻大地電磁成果

圖13 隧道地質雷達成果

4.4 地質鉆探成果分析

地質鉆探主要目的是驗證各物探異常帶及查證水文地質參數等目的。工程地質鉆探在表5中已對物探異常驗證進行說明，不再贅述。就水文地質鉆孔ZK02為例進行說明。ZK02位于大湖村，鉆孔直徑Φ=168 mm，隧道K15+480標段處，鉆孔高程為807 m。鉆孔實施深度為315 m，揭露地層為探溪組(C—3-4t)的泥質條帶灰巖。潛孔錘流量監測變化曲線如圖14所示。

圖14 ZK2鉆孔涌水量監測成果

表5 洞灣引水洞巖溶發育情況統計

可以看出，該鉆孔第四系約為5 m，在鉆進過程中5～102 m段無水吹出，在102 m以下鉆進過程中，逐漸有水吹出，據流量監測顯示，在102～132 m，吹出水量緩慢上升，出水量最終穩定在2.55 L/s，因此判斷該段為含水段1。在132～158 m處，吹出水量保持不變，判斷該段為隔水段1。隨后，在158～165 m處吹出水量又逐漸上升，最終穩定在4.7 L/s，判斷該段為含水段2。在165～189 m處，吹出水量無變化，判斷該段為隔水段2。在189～211 m處，吹出水量又出現了緩慢上升，并最終穩定在6.2 L/s，判斷該段為含水段3。此后，在鉆進過程中吹出水量基本保持不變，判斷在211～315 m均為隔水層。

綜合來看，鉆孔ZK02一共揭露了3個含水段，分別為102～132、158～165、189～211 m，如圖15所示。在這三段單獨吹出水量分別為2.55、2.15、1.5 L/s，最終的靜止水位為22.4 m，最終表現地下水高程為784.6 m，隧道承載的管狀水頭為286 m。流量變化曲線全程均出現鋸齒狀變化，結合施工過程發現，潛孔錘吹出地表碎石部分為非飽水狀態，吹出地表后吸收部分水量導致流量減小，尤其是開始揭露含水段時三角堰測定流量變幅最為明顯。

圖15 ZK2鉆孔揭露的溶蝕裂縫

4.5 風險評價

本研究的風險評價主要包括隧道涌水量預測評價和突水突泥風險評價。涌水量預測評價包括解析法和數值法。突水突泥風險評價采用層次分析法。涌水量預測考慮枯水季節、50、100、150 mm降雨量不同工況進行計算。通過解析法計算，隧道在枯水期的涌水量經評估為5.802×104m3/d，日降雨量為50、100、150 mm時涌水量分別為12.59×104、19.76×104、26.93×104m3/d，其中靜儲量為5.4×104m3/d，具體成果如表6所示。

表6 隧道分段涌水量計算結果

通過模型模擬運算，得到多年平均降水條件下一個水文年(12個月)的隧道涌水量，預測涌水量一月最小，為4.43×104m3/d；5月最大，涌水量為14.6×104m3/d。模擬預測日降雨量為50、100、150 mm情況下，涌水量分別為18.84×104、24.49×104、30.41×104m3/d。

兩種方法計算的總體趨勢是一致的，考慮到數值模擬模型的簡化對計算的影響以及解析法結合了大量工程實踐的經驗，最終按解析法取值。

突水突泥風險評估利用層級分析法對隧道穿越的9個地下水系統對隧道涌水風險進行評估，評估結果如表7所示。

表7 隧道突水突泥風險等級劃分

存在高風險的為大湖村巖溶泉系統(Ⅰ2-1-1)在隧道K14+660～K15+660里程段和柏楊坪巖溶地下河系統(Ⅰ2-1- 4)在隧道的K17+490～K18+360里程段。其中，K14+660～K15+660里程段高風險為高水頭導致，K17+490～K18+360高風險則主要由向斜蓄水構造導致地下水儲量豐富引起的。

5 結論

以G59呼北高速張家界至官莊段沅古坪隧道為研究對象，為查明隧道水文地質與工程地質條件，在水文地質與工程地質調查、地球物理探測、地質鉆探及工程評價等方面進行了精細化勘察的探索，得出如下結論。

(1)巖溶臺地高壓富水特長隧道精細化勘察應在收集和分析區域地質資料、前期勘察成果、前人研究成果及類似工程案例的基礎上，找出主要的水文與工程地質問題，針對這些問題進行水文地質與工程地質調繪和地球物理探測，在此基礎上構建地質模型，并采用有針對性的水文地質鉆探、工程地質鉆探、現場監測與測試及數值仿真等方法與手段，對地質模型進行驗證、豐富與優化。這種勘察技術思路具有推廣應用價值。

(2)巖溶隧道主要的問題是水文地質問題，應加強水文地質研究，特別是要根據地表分水嶺、地層巖性、補排特征、構造及地形等特征劃分地下水系統，共劃為17個地下水系統，隧道穿越9個地下水系統，以便進行涌水量預測及突水突泥風險評價。

(3)采用CSAMT進行物理探測普查和地質雷達進行精查相合的綜合物探方法，揭示出研究區地質體的異常，地質調查與鉆探驗證異常符合性良好。

(4)常規的水文地質鉆探難以精確刻畫水文地質結構，采用空氣潛孔錘-孔內電視復合方法查清了大湖村段水文地質結構，共揭露了3個含水段，分別為102～132、158～165、189～211 m，在這三段單獨吹出水量分別為2.55、2.15、1.5 L/s，最終的靜止水位為22.4 m，最終表現地下水高程為784.6 m，隧道承載的管狀水頭為286 m。

(5)涌水量預測評價包括解析法和數值法，考慮枯水季節、50、100、150 mm降雨量不同工況進行計算，最終按解析法150 mm降雨量工況的26.93×104m3/d涌水量進行設計。

(6)對9個巖溶地下水系統采用層次分析法進行突水突泥風險評價，高風險主要高水頭及向斜蓄水構造富水造成的，分布在大湖村巖溶泉系統地下水系統及柏楊坪巖溶地下河系統。