青山隧道涌水成因分析及處治措施研究

朱 峰

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

仁遵高速公路是《國家公路網規劃》(2013年-2030年)中G42滬蓉高速的聯絡線G4215成都至遵義聯絡線的組成部分，是《貴州省高速公路網規劃(加密規劃)》基礎網聯絡線。

項目建成后對促進貴州省北部地區旅游業的開發，提升遵義地區經濟社會的總體水平，實現全省決戰脫貧攻堅、決勝同步小康具有重大意義。

1 工程概況

青山隧道地處貴州省遵義市紅花崗區巷口鎮沙坪村附近，全長2427.2m，為分離式隧道。該隧道圍巖主要以粉質粘土、中風化白云巖為主，青山隧道遵義端根據巷口立交需要將青山隧道右線遵義段洞口段加寬為四車道隧道斷面，該隧道系貴州省內單洞四車道斷面最大的公路隧道。該區段地質較差且存在一定的淺埋、偏壓影響，圍巖和臨時開挖邊坡整體穩定性差，成洞困難，施工安全風險高。且隧道工區內巖溶水文地質條件復雜、巖溶強烈發育，導致隧道巖溶問題突出。

K53+140～K53+420段為Ⅳ級圍巖，采用CD法施工，K53+172～K53+154段右側導洞施工過程中連續在拱頂區域出現溶洞，并在K53+169處出現塌方冒頂，地表出現直徑約20m的圓形塌坑。隧道左側上臺階導洞施工至K53+152處時，左側拱腳出現冒水現象，左側導洞下臺階施工至K53+152處時，左側側壁揭露出一處溶洞。2021年1月-6月，該溶洞多次出現涌水現象，涌水量較大，需對該溶洞進行專項的水文調查并制定相應的處置措施。

圖1 冒頂處地表塌坑平面位置圖

2 巖溶水文地質調查

2.1 巖溶調查

區內巖溶地層主要為二疊系中統西霞茅口組(P2q+m)、上統龍塘-長興組(P3l+c)灰巖、三疊系下統夜郎組(T1y)泥質灰巖，其中P2q+m、P3l+c地層在隧道區內分布較廣，巖溶較為發育[1]。

調查區內主要發育青崗山-六井溝地下河系統、沙溝灣東部-天生橋地下河系統，其中僅青崗山-六井溝地下河系統經過隧址段。青山隧道出口段(ZK52+700～K53+300)處于青崗山-六井溝地下河系統內，該處巖溶管道對隧道施工具有一定影響。

2.2 水文調查

2.2.1地下水含水(透水)巖組的劃分

根據工作區內各巖組地層巖性、巖石組合關系及其含水性和富水性之不同，劃分為松散巖類弱含水巖組、碎肩巖類裂隙含水巖組、碳酸鹽巖巖溶含水巖組三大水文地質巖組。

2.2.2地下水類型

根據本區含水層介質性質，將地下水分為碳酸鹽巖巖溶水和基巖裂隙水兩大類型；根據地層巖性及其組合特征，巖溶水又可以分為碳酸鹽巖裂隙溶洞水和碎肩巖夾碳酸鹽巖溶裂隙溶洞水等兩種類型。從分布面積以及出露水點的總數來看，巖溶水是本區最為重要的地下水類型，基巖裂隙水分布雖較廣，但出露泉點較少，流量亦均較小。此外，尚有分布零星的第四系松散堆積孔隙水，因面積小，對隧道影響較小，未單獨劃分。

2.2.3地下水補、徑、排特征分析

(1)地下水補給

巖溶水主要由大氣降水補給。在盲谷地段，地表水則轉化為地下水。大氣降水補給地下水的多少取決于如下諸因素：

①巖溶發育程度：大氣降水入滲地下補給地下水是通過巖體內的洞隙來實現的，垂向或斜向巖溶洞隙越發育、規模越大，則降雨入滲量占其降雨總量的百分比就越大，反之則小。

②斷裂構造發育程度：斷層和裂隙破壞了巖體的完整性，特別是當斷層規模較大、破碎帶較寬、構造巖膠結程度差的張性斷裂，其間的不連續結構面便成為降雨入滲的通道。

③植被發育程度:在有植被或植被茂密的地段，降水易形成地表水的滯流局面，從而延長入滲補給時間，入滲水量也就隨之增大。相反，降水便很快順坡面流失至蒸發掉。

其次，地下水另一補給源是匯集而來的地表河水。主要表現在地表水突然灌注于盲谷末端或盲谷內的落水洞中變成地下水或伏流。并且多數地表水還包含了來自巖溶區的外源水。

地下水的越層補給方式主要存在某些斷裂和巖溶管道中地下水侵蝕能力強的地段，致使相對較薄的隔水層不起作用而不同含水層的地下水發生越層補給。

(2)地下水徑流

巖溶地下水徑流場結構、徑流途徑都較復雜。主要受巖溶發育程度、可溶巖與非可溶巖組含水關系、地質構造、水文網切割及水動力模式等因子控制。

受巖溶發育程度差異性的控制，巖溶水徑流網絡可分兩種形式：

①以巖溶管道流為主的徑流型式。巖溶強烈發育的結果，在巖體內形成了各大小不一的巖溶管道，有單管道系統，也有樹枝狀管道系統。流域內地下水的大部分都是集中在這些巖溶管道中賦存并徑流的。它們控制著地下水的總體空間分布與流向。域內各地下河系統即屬這一類型。

②以巖溶裂隙流為主的徑流型式。在巖溶發育相對較弱的巖體內，僅有溶隙(包括構造裂隙、層間裂隙、風化裂隙)網絡形成。地下水則在這些空間相對狹小的溶隙內賦存與徑流。它們有的與地下河管道構通，成為枯季地下河水的補給源，有的則直接以溶洞泉或表層巖溶帶巖溶泉泄出地表。

(3)排泄特征

區內巖溶地下水的排泄方式主要以地下河出口集中排泄為主，其次為分散排泄。

①地下河出口集中排泄：其特點是地層產狀較為平緩，地表溶蝕劇烈，以發育巖溶管道水為主，具有排泄迅速、流量大、動態極不穩定的特點。

②分散排泄:主要分布在表層溶蝕裂隙發育部位。大氣降水通過地表巖溶形態滲入地下，地下無統一的流向，泉水的出露與地形條件關系密切，具有分散補給、分散徑流的特征。以溶隙為主，巖溶泉零星分布，泉流量一般較小，季節性變化明顯，在枯季或干旱時易斷流。

2.2.4巖溶水系統

巖溶水系統是指有水力聯系的、具有獨立的巖溶水補徑排關系的巖溶地質體及賦存于其內的巖溶水所構成的有機整體。

本區氣候濕潤，雨量充沛，大氣降水及地表水為地下水補給的主要來源，巖溶區以裸露型為主，地表巖溶形態十分發育，降水及地面徑流通過地表大量的負地形如落水洞、洼地、天窗、溶縫、溶溝、溶槽等，滲入巖溶管道和裂隙之中轉化為巖溶地下水，在巖溶含水介質中徑流，受當地侵蝕基準面的影響，最后以地下河和巖溶泉的形式集中排泄于泥橋河。巖溶水的分布受地層巖性、地形地貌、構造、巖溶發育程度、水文氣候、土壤、植被等多種因素的影響。

根據研究區的巖溶水文地質調查結果分析，巖溶地下水系統的空間分布主要受地形地貌、地質構造共同控制，主要表現在：巖溶水系統的空間總體展布是受北東向展布的松林—巖孔背斜、龍井坡(F2)斷層的控制，整體可劃為天生橋地下河系統、六井溝地下河系統。

六井溝地下河系統位于調查區中部，順層發育于三疊系下統夜朗組一二段灰巖地層，出口位于巷口鎮六井溝，呈裂隙狀溶洞，高程908m。地下河主管道長約1.0km，地下河總體延展方向為70°。

六井溝地下河系統是單管道型地下河系統，該地下河系統結構相對簡單，以一條北東偏東向的主管道為主，以洼地降水匯入補給和落水洞灌入補給為主。地下河主管道由西南向東北徑流，匯集青崗山一帶的地表徑流，經洼地(QS18、QS21)以及塌陷坑(QS17)補給，于巷口鎮六井溝出水溶洞(QS03)出露，形成地表徑流，最后匯入泥橋河，注入湘江。

本地下河與隧道有密切的水力聯系，是隧道形成涌水的重要條件之一。

六井溝地下河管道與隧道關系剖面圖見圖2。

圖2 六井溝地下河管道與隧道關系剖面圖

3 成因分析

3.1 示蹤實驗

根據巖溶水文地質調查，六井溝地下河系統具有示蹤試驗投放、接收點條件分析如下：

六井溝地下河系統青崗山一帶，發育兩個洼地，消水洞(QS18、QS21)未見明顯消水口，為了摸清該區與六井溝地下河的水力聯系，同時確定系統南部邊界，由于QS21雨期也未見地表徑流，故只選取QS18消水洞作為示蹤投放點，并于降雨時進行投放示蹤劑(2021年6月30日)。

另隧道上方有一塌陷坑，本塌陷坑(QS17)位于隧道右線右側上方(K53+160附近)，為進一步證明塌陷坑與隧道的聯系，摸清該點與六井溝地下河出口之間的水力聯系，選取QS17作為示蹤試驗的投放點，枯水期無水流入，并于降雨時進行(2021年6月30日)。

同時，為了掌握隧道上方的洼地及塌陷坑與隧道的水力聯系，選取隧道涌水點(YK53+152)為示蹤試驗接收點。

(1)示蹤試驗實施

試驗情況見表1。

(2)示蹤試驗接收點監測方法

表1 試驗情況表

熒光光度計FL30-662型自動監測。

(3)示蹤試驗結果

由圖3可知，在塌陷坑(QS17)處投放熒光素鈉，在隧道涌水點(K53+152處)接收到，呈較好的曲線，由于投放點至接收點徑流路徑較短，故峰值更為明顯。由圖可知，QS17處投放熒光素鈉(2021年7月1日10時至16時降雨21.2mm，示蹤劑隨地表徑流進入塌陷坑)約36h后，隧道K53+152處就有明顯的接收值，按照投放點至接收點間距離0.1km為計，地下水在該段地下河管道中徑流速度277.8m/h。

隧道涌水點(K53+152處)有著良好的穿透曲線，表明隧道涌水點與地表塌陷坑彼此連通。

同樣由圖3可知，在消水洞(QS18)處投放的羅丹明B在K53+152處未接收到，呈水平線。其原因是投放點位于左線上方，而接收點則處于右線右側。從地下水流方向看，地下水從右線流向左線，因

圖3 K53+152處接收點示蹤結果

此投放點處于地下水系統下游，在涌水點接收不到示蹤劑是必然的結果。

3.2 涌水分析

3.2.1涌水來源

通過隧道涌水點及地表調查有以下認識：

(1)涌水點處的溶洞向出口端斜向下發育，受地層巖性組合控制。

(2)涌水點處溶洞具有沉積韻律的塑性淤泥充填物，為長時間沉積所致。

(3)涌水點處溶洞底部沉積有黃色淤泥和褐色細砂，為地表水帶入。

(4)涌水點上游區域為青崗山—六井溝巖溶水系統的主要補給區。

(5)巖溶水系統地下水運移緩慢，局部管道淤堵狹窄。

(6)煤礦采空區形成的“積水廊道”是隧道間歇性涌水的來源之一。

綜上所述，涌水點上游區域為青崗山—六井溝巖溶水系統的主要補給區，隧道涌水來源主要為青崗山一帶洼地匯集強降雨形成的地表徑流。特別是棄渣土場的塌陷坑及洼地，水文地質試驗(示蹤試驗)已證明這一論斷。

3.2.2涌水量估算

本隧道段(K52+970～K53+150段)主要穿越三疊系下統夜郎組中下段地層，巖性主要為泥質灰巖、灰巖、泥巖，屬區域性弱巖溶層段，且該隧道段發育的巖溶管道與隧道立交，隧道處于季節變動帶。強降雨時，涌水點K53+152附近會發生季節性有壓溶洞、溶隙涌水。雨季一個強降雨過程(24h降水221mm時)引起的涌水量可達0.99×104m3/d，約為115L/s;涌水部位外水最大壓力約為40m,約為0.39MPa。

3.2.3沉沙情況分析

流水機械搬運能力(M)與流速(V)密切相關。沉積物顆粒的大小也與流速關系密切，詳見圖4。

圖4 沉積顆粒物大小與流速的關系曲線

當地下水運移速度小于0.5m/s時，地下水可以攜帶顆粒直徑小于0.2cm的粗砂、細砂、粘土。

該區地表徑流主要以入滲式補給地下水，一般情況下，地表水不會攜帶泥沙進入地下水，僅以渾濁狀態進入地下，涌入隧道后不會形成沉積物。然而，塌陷坑為人工松散堆積物，若封堵不利時，地表水通過塌陷坑會帶入大量的粘土和砂涌入隧道，當排水溝流速低于0.5m/s時，將會沉積粒徑大于0.2cm的粗砂。

目前，除隧道涌水口處沉積少量粒徑0.1cm左右的砂和粘土，其它排水通道未見明顯沉積物。

4 處治方案

(1)溶洞位于四車道斷面行車方向右側范圍，既有排水溝設計情況為右側排水溝85cm×65cm，中心排水溝85cm×120cm，隧道縱坡1.95%，向隧道出口方向排出。經計算右側排水溝排水能力約為2.4m3/s，中心排水溝排水能力約為5m3/s，合計約7.4m3/s，大于水文勘察提供的峰值用水量0.115m3/s，因此采用橫溝(60cm×100cm，無壓排水能力約5.2m3/s)將涌水點與右側排水溝及中心水溝聯通，保證涌水高峰期地下水能夠順利進入溝中排泄[2]。處治方案示意圖見圖5。

(2)溶洞內清淤后采用C20混凝土回填，自溶洞底部向上逐層回填，回填高度3m，回填混凝土上方吹填1m厚沙土。預留管道與涌水點聯通，并保證通道暢通[3]。

(3)對地表棄土場情況進行調查，對隧道上方圓形塌坑回填封堵，對地表可能存在的洼地采用黏土回填，使地表具有自然排水的能力，減少地表水滲入地下。

圖5 處治方案示意圖

(4)針對涌水含泥沙現象，經理論計算，當水流速度接近0.5m/s時即可保證不出現沉沙現象，對于涌水末期水流速度下降產生的沉沙，可通過排水溝內常規流水沖排，對于較大顆粒的沉積物亦可隨下次涌水的水流峰值期排除。經現場調查，現場歷次涌水后均未對排水管道進行清淤，管內沉積物厚度較薄，說明沉沙問題可以通過常規流水和涌水自行清除。

5 結語

在實際工程中，應結合現場實際情況，有針對性地對溶洞及涌水現象進行處治，采用“防、排”為主，“堵、截”輔助的思路。并應對涌水產生的原因進行系統性的調查，從源頭上治理。本項目通過對隧道上方塌腔填充和洞內將出水口與排水系統聯通的兩種措施，有效地處理了溶洞涌水的現象，處治后，隧道內未再出現涌水情況。