地下工程排水對背斜區地下水環境的影響

盧鵬飛，李善濤，王 輝，劉 軼

（1.重慶市地質環境監測總站，重慶 401122；2.重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶 401113）

1 明月峽背斜工程特征

1.1 背斜基本特征

明月峽背斜為四川盆地東部的華鎣山穹褶束形成的隔斷式背斜，為條帶狀山脈，背斜軸部出露碳酸鹽巖的地層，形成與山脈走向一致的巖溶槽谷，兩側為砂巖構成的單斜山，呈“一山二嶺一槽”。如圖1所示，明月峽背斜走向總體呈北東向，軸向北25°～30°東，軸面傾向東南，核部轉折端較窄，核部出露最老地層為二疊系茅口組，兩翼地層為三疊系—侏羅系地層，東翼巖層傾角為35°～45°，西翼巖層傾角為40°～69°，為一不對稱斜歪背斜。

圖1 明月峽背斜地質剖面及可溶巖體系示意圖

1.2 明月峽背斜水文地質特征

明月峽背斜槽谷屬峽谷型排水系統，主要以御臨河和長江為排泄基準面劃分為四個巖溶水含水單元，長江以北區域巖溶含水系統水平循環帶標高為180～500m，500m以上為垂向洞隙帶，標高180m以下為深循環帶[1-4]。明月峽背斜軸部長江南岸主要為覆蓋型巖溶區、長江北岸屬裸露型巖溶區[5-8]。

2 地下工程排水對背斜區地下水環境的影響

在明月山背斜儲水構造部位的三疊系飛仙關組—須家河組等高壓富水巖層開挖地下工程，水文地質條件復雜，在掘進過程中破壞地下水的儲存場所及運移通道，形成地下水排出的新通道，易引發隧道涌突水、突泥災害。地下工程排水直接導致原有地下水動力場被改變和大量地下水流失，并對工程施工和隧址區地表生態環境及居民生產生活飲水困難和地面塌陷等地質災害，引起房屋土地損毀等[9-13]。

此外，明月峽背斜區的木洞隧道、明月山公路隧道及華山隧道等工程建成后，隧址區尤其是隧道頂部槽谷區堰塘干涸、井泉斷流，煤洞水流量急劇減小，居民生產生活用水受到隧道排水的嚴重影響。

2.1 地下水位疏降

地下工程建設造成了地下水的大量漏失，引起區域地下水原有的動態平衡被破壞，形成以地下工程部位為中心的地下水降落漏斗，引起疏干區地表水體的枯竭、水質下降，甚至地表塌陷等現象。

（1）地下工程對地下水的疏干機理。地下工程開挖中經常采取以排為主的處理方式，人類工程活動破壞了含水層的連續性，地下水不斷滲入地下工程中并以其為中心形成新的降落漏斗，大量地下水通過地下工程進入地表水循環。當地下洞室排水口通過導水裂隙與巖溶管道連通時，降落漏斗通過巖溶管道擴張的規模和速度尤為驚人。

（2）地下工程對地下水的疏降程度及范圍。明月峽背斜區碳酸鹽巖地層地下水降落漏斗范圍已擴至須家河組的碎屑巖區域，受河谷切割和隧道排水的影響，漏斗形態較為低平，在碳酸鹽地區地下水位埋藏較深，一般大于50m，在漏斗中心區新黃家灣隧道或長沖隧道附近，水位埋深可達200～300m。

2.2 地表水漏失

因地下工程建設，目前在明月山隧道、長沖隧道隧址區巖溶槽谷的地表水體都遭到嚴重疏干影響，給當地群眾飲用水帶來較大困難。在明月山隧道貫通后一個月內，關山附近大、小數十眼泉水溢出點干涸或衰竭，特別是分布在山體高坡流淌數千年知名度很高的“神泉”在幾日內消失，社會影響強烈。背斜區的小煤窯多數基本斷流，僅有西翼的分水埡煤礦、芭蕉灣煤礦和東翼的菜子溝煤礦、向陽煤礦、棟青煤礦還有少量出水。

2.3 巖溶塌陷

（1）地面塌陷分布情況。由于地下工程建設開挖，導致地下水水位下降，造成原有區域內地下水位大量下降，上覆土體失去地下水的浮托力或承壓水壓力消失，從而在地表形成塌陷。在明月峽背斜區域地面塌陷的分布一般沿槽谷、洼地的走向延伸，與地質構造和巖層走向一致，與區內巖溶地下水關系密切。

（2）地面塌陷對人居環境的破壞。由于隧道及礦井等地下工程建設中的大量排水，到2013年長沖隧道、華山隧道、新屋基隧道和天池隧道洞頂地表塌陷12處。影響最大范圍造成隧道中線巖溶區兩側10～15km范圍內的池塘漏失、農田缺水、河溝斷流，對當地人民生活造成嚴重影響。

（3）地面塌陷成因分析。據調查分析，巖溶塌陷的發生地質條件應具備地下豎向巖溶洞隙（管道）、上部覆蓋土層、地下水以及地下水位降。人類工程活動（如隧道建設和礦山開采）、大氣降水等因素是巖溶塌陷誘因。巖溶塌陷發生可劃分為三個時期：

①在開挖地下工程前，巖溶管道充水。地表覆土層與豎向巖溶洞隙充填的土體整體處于穩定狀態。

②隧道或礦山施工時的施工放炮震動，震動造成的氣壓和液壓破壞性大，可能導致深部巖溶管道與淺部巖溶管道聯通，造成淺部巖溶水短時大量疏降到深部巖溶管道。另外是地下工程揭穿巖溶水運移管道，造成原地下水位迅速下降，對淺部豎向巖溶管道中的土體造成真空吸蝕效應，發生沉降變形，出現地表裂縫、建筑開裂、塌陷等。

③如圖2所示，由于地下水下降，上覆土體自重應力增加，在自重應力作用下原有土體發生垮塌、掉落，使得巖溶洞隙（土洞）逐步變大，上部覆蓋層逐漸變薄。豎向巖溶洞隙（管道）上部土體可視為一個密閉蓋層，當地下工程揭穿巖溶管道后，造成巖溶洞穴內地下水快速下降，下部空洞形成真空負壓，極易產生豎向下落，從而發生地面塌陷。

圖2 巖溶塌陷形成條件及過程

2.4 地下工程涌突水

（1）巖溶隧道突水。巖溶隧道施工涌突水主要有三種情況：

①直接誘發，在地下工程施工過程中因直接開挖揭穿了高壓富水的巖溶（管道）含水層，導致含水層空間的大量巖溶水直接涌入隧道的情況；

②間接誘發，是指爆破或非爆破施工作業人為導致可溶巖巖體溶隙擴張，造成圍巖巖體局部應力集中和破裂，隧道洞壁與巖溶管道末端的導水裂隙連通，含水層空間的大量巖溶水間接通過導水裂隙擴張而突然涌（滲）入隧道的情況；

③開挖面后方突水，隧道的開挖擾動，使得臨空面附近塑性區松散圍巖體的圍巖壓力增大和大氣降雨下的水頭壓力突然升高，開挖作業面后方的支護結構在高水壓和高圍壓綜合作用下發生整體或部分失穩，從而引發洞壁圍巖巖體破壞，隧道洞壁與巖溶管道末端的導水裂隙連通，含水層空間的大量巖溶水間接通過導水裂隙擴張而突然涌（滲）入隧道的情況。

（2）老窯突水。老窯突水是指在地下工程掘進過程中，受水壓、圍壓等因素綜合作用，地下工程硐室周邊臨近老窯（空）水突破相間阻隔層，或沿期間的斷層等突然涌入地下工程的現象，老窯（空）突水時，來勢兇猛，瞬時水量大，每分鐘可達數十方至數百方，持續時間短，易疏干；一般伴有CO2、H2S、CH4等有害氣體涌出。老煤窯井口多，采區小，有時各采區互相獨立，其中某一采區透水后，因與附近采區有水壓差，且采區間巖壁長期浸泡松軟，故易出現先期突水后，間隙一會兒突水猛又增大的現象。

3 結論

（1）地下工程排水（主要是指涌突水）不僅會造成各種地下洞室水害，而且能引發區域性地下水水位下降、洞頂地表水和井泉流量減小甚至枯竭、巖溶塌陷和生態環境惡化等。

（2）背斜區地下工程排水造成了地下水的大量漏失，引起區域地下水原有的動態平衡被破壞，形成在巖溶區富水段以地下工程部位為中心的地下水降落漏斗，引起地表水體疏干枯竭、水質下降，甚至地表塌陷等現象。

（3）明月峽背斜區巖溶槽谷局部被疏干，屬地下水疏干區；兩翼須家河組地層區屬地下水位疏降區，地下水降落漏斗區范圍主要局限在隧道鄰近地段，因其含水層水力聯系明顯較巖溶水弱，受隧道排水的影響也較小。