貴州某特長隧道涌水原因分析

郭 彪

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

貴州某特長隧道施工到ZK83+210掌子面時(shí)，隧道出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。受隧道涌水影響，隧道施工暫停。為此，對該隧道進(jìn)行了專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查，以查清本次涌水的原因。

1 工程概況

擬建隧道左幅里程樁號為ZK80+745～ZK84+738,全長3993m，右幅里程樁號為K80+737～K84+744,全長4007m，為特長隧道[1]，隧道最大埋深約328m。

2 自然地理概況

2.1 地理位置及交通

擬建隧道位于貴州省銅仁市，區(qū)內(nèi)有鄉(xiāng)村公路通往各村，但路面較窄，通行能力差。

2.2 氣象水文

(1)氣象

隧道區(qū)多年平均降水量為1137mm，降水量分布不均，夏季最多占41.2%，冬季最少僅占6.1%。

(2)水文

場區(qū)地表水較發(fā)育。隧道進(jìn)口端西側(cè)發(fā)育一常年流水黑攤河，與線位相交；隧道出口端右側(cè)發(fā)育一常年流水龍?zhí)梁印Ｋ淼蓝瓷砦匆姵Ｄ晷缘乇韽搅鳌Ｆ渲兴淼览锍蘘K82+700～ZK83+500區(qū)間經(jīng)現(xiàn)場水文地質(zhì)調(diào)查未見常年地表水發(fā)育。

3 區(qū)域地質(zhì)條件

3.1 地形、地貌

隧道區(qū)屬中低山溶蝕地貌，地形較復(fù)雜。ZK82+700～ZK83+500區(qū)間經(jīng)現(xiàn)場踏勘調(diào)查及無人機(jī)飛行航拍，ZK82+700～ZK82+900為谷地，且ZK82+750為谷底，修筑有369鄉(xiāng)道公路。ZK82+900～ZK83+150區(qū)段山頂有農(nóng)作物，并且可見溶蝕洼地發(fā)育。ZK83+150～ZK83+500區(qū)間內(nèi)的ZK83+190～ZK83+250段為溝谷地貌，最大高差近40m，ZK83+310～ZK83+430區(qū)段為溶蝕洼地，最大高差近10m，該區(qū)間由于地形地貌原因易于匯水集水，調(diào)查期間未見溝谷、巖溶洼地內(nèi)發(fā)育地表水。

3.2 地層巖性

隧址區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系含礫粉質(zhì)黏土，下伏奧陶系下統(tǒng)湄潭組頁巖夾薄層灰?guī)r、砂巖，二疊系上統(tǒng)長興組、吳家坪組中厚層、厚層細(xì)粒石灰?guī)r含燧石結(jié)核，二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖，二疊系下統(tǒng)梁山組粉砂質(zhì)泥巖含劣質(zhì)煤線。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

線路區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷層發(fā)育，主要褶皺有本莊向斜、河壩背斜、塘頭向斜等；主要斷層有涼風(fēng)哨斷層、關(guān)塘斷層等。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪資料，場區(qū)發(fā)育兩條非活動(dòng)性逆斷層，其中一條斷層位于隧道進(jìn)口西側(cè)1.5km處，與設(shè)計(jì)線位正交，走向北北東向，斷層面傾向309°，傾角80°；另一條斷層位于隧道進(jìn)口北西側(cè)，距線位垂直距離2.3km，斷層面傾向136°，傾角60°。

據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)及《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，設(shè)計(jì)帶的抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)地震峰值加速度為0.05g。

3.4 巖溶發(fā)育特征

隧道區(qū)粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖不具備巖溶發(fā)育條件，灰?guī)r、泥灰?guī)r分布地帶巖溶比較發(fā)育，影響不可忽視。經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、無人機(jī)多角度航拍圖并結(jié)合隧道鉆孔資料，場區(qū)未發(fā)現(xiàn)落水洞、泄水洞及暗河管道[2]。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪結(jié)合鉆探資料，隧址區(qū)巖溶發(fā)育類型主要為巖溶洼地、溶洞及巖溶化石灰?guī)r。

(1)巖溶洼地

隧址區(qū)發(fā)現(xiàn)明顯巖溶洼地2處，分別位于線位ZK82+980～ZK83+010、ZK83+320～ZK83+410，見圖1。

圖1 巖溶洼地

(2)溶洞

受構(gòu)造和巖性限制，溶洞多呈帶狀和塊狀出現(xiàn)，根據(jù)已有資料分析其多分布于高程700～800m的灰?guī)r之間，溶洞多呈半充填～無充填，充填物主要為礫石及黏性土。鉆探揭露厚度0.2～20.8m。

(3)巖溶化灰?guī)r

該層僅在鉆孔CYSZK06揭露，揭露厚度2.6～5.0m，鉆探揭露該地層近隧道頂板。

4 場區(qū)水文地質(zhì)特征

4.1 地下水類型

根據(jù)場區(qū)地層巖性及其組合特征地下水賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，將區(qū)內(nèi)地下水類型分為碳酸鹽巖累巖溶水、碎屑巖類基巖裂隙水及第四系松散巖類孔隙水[2]。

4.2 含水巖組富水特征

(1)松散巖類孔隙水

富水性差，水量貧乏，對隧道影響小。

(2)碎屑巖類基巖裂隙水

富水性弱-中等，其中裂隙不發(fā)育的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為隔水層。

(3)碳酸鹽巖累巖溶水

富水性中等～強(qiáng)，水量較大，對隧道影響較大。

4.3 含水層及隔水層

白云巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r富水性強(qiáng)，為主要含水層，粉砂質(zhì)泥巖、泥巖富水性弱，可視為隔水層。

4.4 地下水動(dòng)態(tài)和埋藏深度

區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)變化多樣，與地下水賦存狀態(tài)有關(guān)，地下水廣泛接受大氣降水和部分地表水補(bǔ)給，地下水動(dòng)態(tài)類型基本屬于滲入-徑流型。地下水埋藏深度主要體現(xiàn)在灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r含水系統(tǒng)，受地形控制較大。根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件和隧道鉆孔現(xiàn)場水位測試分析，地下水穩(wěn)定水位位于隧道底板之下，地下水埋藏較深，隧道洞身位于地下水垂直滲入帶。

5 水文地質(zhì)單元分區(qū)及水資源評價(jià)

5.1 水文地質(zhì)單元分區(qū)

場區(qū)地表分水嶺與地下分水嶺不重合，地下水分水嶺為志留系與二疊系地層分界。根據(jù)地表水文網(wǎng)，地下水分水嶺以及地質(zhì)構(gòu)造對地下水補(bǔ)、徑、排條件所起的相對控制作用，按“地下水水文地質(zhì)單元相對獨(dú)立、完整”的原則進(jìn)行劃分，將場區(qū)分為龍?zhí)梁恿饔蛩牡刭|(zhì)區(qū)(巖石產(chǎn)狀115°∠48°)和黑攤河流域水文地質(zhì)區(qū)(巖石產(chǎn)狀123°∠26°)。

5.2水資源評價(jià)

采用大氣降水入滲系數(shù)法計(jì)算區(qū)內(nèi)地下水資源的天然補(bǔ)給量。ZK83+150～ZK84+738、K83+150～K84+737地下水天然補(bǔ)給量為938722.8～1571377.9m3/a。

6 涌水段所在區(qū)間涌水量預(yù)測

經(jīng)對隧道兩洞“人字坡”至涌水段一側(cè)的隧道大樁號端口范圍(含左洞出口及右洞入口段)，對應(yīng)里程為ZK83+150～ZK84+738、K83+150～K84+737 進(jìn)行計(jì)算，所得涌水量為132553.32 m3/d。

本次涌水發(fā)生于隧道左洞出口端一側(cè)，結(jié)合場區(qū)水文地質(zhì)情況折減系數(shù)取0.7，“人字坡”至隧道左洞大樁號端口范圍的最大涌水量計(jì)算值為Qs=132553.32×0.7=92787.32 m3/d。

7 隧道涌水原因分析

7.1 場區(qū)地形地貌易于匯水

經(jīng)場區(qū)實(shí)地踏勘調(diào)繪結(jié)合無人機(jī)技術(shù)，涌水區(qū)段地表ZK83+190～ZK83+250區(qū)段為溝谷地貌，最大高差近40m，線位ZK82+980～ZK83+010、ZK83+320～ZK83+410區(qū)段發(fā)育巖溶洼地，該區(qū)段地形地貌易于集水、匯水。該地區(qū)2020年9月月降水量達(dá)335.8mm為近2年最大值，而調(diào)查期間未見溝谷、巖溶洼地發(fā)育地表徑流，說明降水能夠較為順利地流入地下形成地下水。

7.2 涌水區(qū)段巖溶發(fā)育

場區(qū)常年降水量較大，區(qū)域地層巖性以灰?guī)r為主，巖溶較為發(fā)育。隧道涌水段地表巖溶洼地發(fā)育，根據(jù)前期鉆探資料、物探解釋可知隧道涌水段位于兩處鉆探解釋巖溶發(fā)育區(qū)之間，詳見圖2。

圖2 隧道涌水區(qū)間地層結(jié)構(gòu)及揭露巖溶

隧道施工至ZK83+215掌子面時(shí)，掌子面右側(cè)拱腰輪廓線7m 范圍內(nèi)出現(xiàn)溶洞，該溶洞近垂直隧道走向方向發(fā)育，延隧道走向?qū)捈s5m，高約8m。

為更好探明涌水區(qū)間隧道底板巖溶情況，現(xiàn)場進(jìn)行超前鉆探及雷達(dá)探測。

(1)超前鉆探

為探明涌水區(qū)段在隧道地板淺層是否存在溶洞或其他不良地質(zhì)，現(xiàn)場進(jìn)行超前鉆探。

超前鉆探結(jié)果顯示ZK13、ZK14 揭露地層為中風(fēng)化灰?guī)r，鉆進(jìn)6m后，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，揭示該位置下部為巖溶發(fā)育區(qū)。ZK18、ZK19、ZK22揭露地層為中風(fēng)化灰?guī)r，鉆進(jìn)過程揭露地下水，揭露埋深為1.5～7.0m，揭示該處下部為地下水運(yùn)移通道。

(2)雷達(dá)探測

對ZK83+240～ZK83+150區(qū)段進(jìn)行了隧底隱伏巖溶探測，探測采用地質(zhì)雷達(dá)法。

經(jīng)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析：ZK83+240～ZK83+150 段隧底下方5～15m深度范圍內(nèi)存在不同程度的雷達(dá)電磁波異常反射區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料證實(shí)ZK83+150～ZK83+240 段隧底下方5～15m 深度范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，其中ZK83+150～ZK83+210段巖溶發(fā)育相對強(qiáng)烈，發(fā)育有溶蝕管道、溶蝕裂隙密集帶或溶腔。

綜合鉆探資料、水文地質(zhì)調(diào)繪、物探解釋、超前鉆探及雷達(dá)測線說明本區(qū)段巖溶較為發(fā)育，特別是ZK83+150～ZK83+210段巖溶發(fā)育相對強(qiáng)烈，該段為巖溶水通道分布密集區(qū)間，巖溶所形成的溶洞、溶隙等不良地質(zhì)為地下水提供富存空間及運(yùn)移通道。

7.3 隧道涌水前期降水量大

龍?zhí)伶?zhèn)降雨主要集中于每年5月～9 月，且根據(jù)最新龍?zhí)伶?zhèn)已測降水資料，2020年9月月降水量為335.8mm，為該地區(qū)從2014年8 月至今的最大月降水量，見圖3。根據(jù)降水資料揭示隧涌水前期恰為每年降水集中階段，且當(dāng)月(2020 年9 月)降水量為近60 個(gè)月最大月降水量，調(diào)查期間未見該區(qū)域地表溝谷、巖溶洼地發(fā)育地表水，說明該期間的降水大部分已通過溶隙、裂隙等流入地下，富存于地下巖溶區(qū)或巖石節(jié)理裂隙中。

圖3 2014年8月至2020年10月降水量統(tǒng)計(jì)

7.4 綜合分析

(1)場區(qū)溝谷、巖溶洼地等地形地貌條件易于匯水、集水。

(2)根據(jù)鉆探、水文地質(zhì)調(diào)繪、超前鉆探、雷達(dá)探測等資料證實(shí)隧洞涌水區(qū)間ZK83+145～ZK83+260為巖溶發(fā)育區(qū)且位于兩處巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)之間，該區(qū)間發(fā)育的溶隙、溶洞等為兩側(cè)巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)提供地下水運(yùn)移通道。

(3)隧道涌水前期降水量大，為地下水提供豐富補(bǔ)給。

(4)場區(qū)大氣降水通過節(jié)理裂隙、溶隙等各種形式滲入含水層進(jìn)行地下水循環(huán)。隧道發(fā)生涌水前，該地區(qū)連續(xù)多日降水，降水量較大，導(dǎo)致水壓力較大，且位于涌水段兩側(cè)的物探異常區(qū)由于其巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，儲備大量地下水，且地下水通過巖溶發(fā)育段ZK83+145～ZK83+260進(jìn)行運(yùn)移。隧道在施工過程中打通地下水運(yùn)移通道導(dǎo)致富存于溶洞、溶隙及巖石裂隙中的地下水突然涌出或頂破隧道地板薄弱區(qū)涌出。

8 結(jié)語

本次隧道涌水集合“有效的匯水地貌、大量的降水補(bǔ)給、豐富的地下水通道及存儲空間”等因素于一體，由于施工過程中打通地下水運(yùn)移通道，導(dǎo)致富存積累的地下水“瞬時(shí)”涌出。