巖溶深長隧道水文地質調查分析與涌水量預測方法研究

黎德波LI De-bo

（廣西水文地質工程地質勘察院，柳州 545006）

0 引言

我國不僅是隧道數量最多、長度最大的國家，同時也是水文地質最復雜的國度，因為地質條件非常復雜，所以在巖溶發育區進行隧道施工，很容易受到突泥、突水等自然災害的威脅，導致嚴重的人員傷亡事故和重大經濟損失，尤其是巖溶深長隧道，一方面是因為巖溶地質復雜，另一方面還在于巖溶隧道勘察、評估涌水方法缺乏科學性，所以很難精準判別災害性涌水，最終引發隧道施工安全事故[1]。本文通過綜合分析某段巖溶隧道水文地質情況，預測評估隧道涌突水量，有效遏制地質災害，只有保證隧道安全施工，才能實現巖溶深長隧道的成功通行。

1 工程概況

某隧道為分離式隧道，隧道設計長度為5000m，最大埋深300m。在充分收集前人工作成果的基礎上，首先在線路經過區開展1∶50000 水、工、環調查，基本查明隧道區水文地質條件、地下河分布特征；在線路兩側2km 范圍內段開展1∶10000 水文地質工程地質調查，為隧道設計施工擇提供水文地質參數及科學依據。開展1∶50000 水工環調查，主要工作內容是：①基本查明沿線巖溶地下水的補給、徑流、排泄條件及各灰巖地層的富水情況，重點在于沿線巖溶地下水的垂直分帶、水力坡度、地下分水嶺的確定等；②基本查明巖溶分布特征（與地層、地質構造、地形地貌關系），基本查明沿線所經各地下河的分布及其與線路的關系，查明各個地下河的補逕排特征；開展1∶10000 隧道選線工程地質調查，主要工作內容是：①初步查明隧道區工程條件；②分析評價擬選隧道線隧道工程施工、運行對周圍地質環境條件的影響程度。

2 工程地質條件

某隧道位于調查區為峰從谷地、陡坡中低山邊緣緩坡丘陵，根據區內地層巖性的分布特征，結合地質構造，和巖組組合條件的不同，調查區可分為：侵蝕-溶蝕類型的巖溶峰叢谷地和構造-侵蝕的陡坡中低山兩種地貌。隧址區位于向斜東翼，發育F1 逆斷層，斷裂走向北西-南東，傾向西，傾角69~82°，局部切割泥盆系地層，斷裂影響帶寬約60～120m 不等。與設計線路近平行排布，斷層帶局部擠壓破碎現象，膠結一般。地質構造條件復雜為中等，屬抗震重點工程，可按7 度采取抗震措施，區域地質背景屬中等。隧址區屬構造-剝蝕的中低山邊緣丘陵地貌，西側為侵蝕-溶蝕類型的峰叢谷地，相對高差一般大于200m，地面坡度一般大于25°，地形復雜，切割強烈影響，溝谷發育，西側巖溶區發育2 條地下河，巖溶中等～強發育。據現場踏勘，確定1∶50000 水、工、環調查范圍：線路兩側2km 范圍及沿線所經各地下河流域。

3 巖溶發育特征

3.1 巖溶形態特征

該隧道所在區域屬于侵蝕-溶蝕類型的巖溶峰叢谷地和構造-侵蝕的陡坡中低山兩種地貌，由于地質構造部位、形跡及組合特征不同，巖溶化強度、程度與富水性有著明顯的差異性。如穿巖地下河，順層切割巖層面的裂隙發育，而白家界地下河順層發育。巖溶發育與巖溶分布具有突出的方向性和分帶性，巖溶個體形態特征為沿著斷裂構造發育的地下河型的洞穴。溶丘洼地、丘從洼地以及峰從洼地位置分布溶縫與巖溶管道[2]。

3.2 巖溶發育規律

通過實地調查發現，隧道西部巖溶峰叢谷地，巖溶水水量中等，地下水向西徑流排泄。峰叢間洼地、消水洞相間出現，以及洼地中消水洞串珠狀發育。洼地、谷地軸向發育，向西部江河傾斜，洼地底標高400～208m，從隧道區含水層結構看，隧道位于F1 斷層下盤，泥盆系中統應堂組砂巖、泥巖弱含水層阻隔巖性接觸帶附近的高位洼地導水補給。

4 巖溶水文地質特征

4.1 巖溶含水層

該工程中的隧道區以第四系坡殘積層、泥盆系東崗嶺組灰巖地層為主要揭露區域，第四系殘坡積大多在斜坡地帶與洼地分布。①純碳酸鹽含水巖組。純碳酸鹽含水巖組有著非常豐富的含水量，而且溶液發育非常強烈[3]。隧道施工區內以泥盆系東崗嶺組為主，并且處在白云質灰巖含水層、灰色白云巖，含水介質以熔巖管道與溶縫為主，隧道共計5000m，處于該層中；②不純碳酸鹽溶洞裂隙含水巖組。本含水巖組存在非常豐富的含水量，而且表現為巖溶強發育。

4.2 巖溶垂向水動力分帶

通過調查研究當地水文地質發現，本區域的巖溶垂向動力分帶主要包括水平徑流帶、表層巖溶帶、季節變動帶以及垂向滲濾帶，具體如圖1 所示。

圖1 某隧道巖溶水動力分帶示意圖

①垂向滲濾帶。地表徑流沿著縱向巖溶裂隙、溶縫以及消水洞等持續下滲，垂向滲濾帶的巖溶發育程度非常不均勻，而且存在非常大的發育深度變化，通常在20~100m；②表層巖溶帶。因為土層比較普遍，所以表層巖溶帶的厚度值比較大，周邊會有大量的小泉水，大量表層泉分布在隧道的出口位置[4]；③季節變動帶。由于受降水的影響，隧道地下水深度呈現季節性變動特征，此為具有非常強巖溶作用的地帶，隧道區域的變化帶厚度大約在20~30m；④水平徑流帶。因為隧道選址區域存在非常大的地形高差，且溶蝕切割相對較深，地下水平徑流帶深度較大，通常在170~200m 以下的位置。

4.3 巖溶水系統特征

該隧道因受巖溶水動力條件、地質地貌構造地層巖性等諸多因素影響，具體劃分為三大水系統：穿巖地下水系統、白家界地下水系統、觀音地下水系統。①穿巖地下水系統分布于隧道進口區段，發育穿巖地下河，源于穿巖伏流入口，向西徑流，枯季流量461.77L/s。地層出露泥盆系東崗嶺組上段厚層狀灰巖、白云巖，中下游巖溶洼地、溶隙、消水洞等較發育，中上游為巖溶谷地及碎屑巖區地下水補給區，幾乎不影響隧道施工。②白家界地下水系統，分布于隧道中部，癩頭山至白家界附近，于南部出口，枯季流量9.7L/s。發育泥盆系上統融縣組、中統東崗嶺組上段灰巖，巖溶洼地、溶隙、消水洞等發育，地下水補給條件好，富水性中等；上游接受中低山沖溝水及基巖裂隙水的側向補給，于大巖門伏流入口進入地下，補給地下河[5]。③觀音地下水系統，分布于隧道南部，附近至南面出口屬于該地下水子系統，以次一級地下水分水嶺為界，含水巖組為泥盆系中統東崗嶺組灰巖、白云巖，含純碳酸鹽巖裂隙溶洞水，富水性中等。地下水類型主要有基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。碎屑巖區基巖裂隙水多以山脊為界，向兩側溝谷徑流排泄，沿隧道直沿線，尚有少量側向補給巖溶水。巖溶谷地區，降雨通過表層裂隙，洼地（谷地）消水洞滲入補給。

5 深長隧道巖溶涌水分析

5.1 深長隧道巖溶涌水評估

通過分析巖溶垂向枯水期與水動力分帶高度發現，該深長隧道區域的巖溶水位多在季節變動帶與飽氣帶分布，具體如表1 所示。分析巖溶水位、水系統以及地質構造，該深長隧道已經具備巖溶涌水條件，具有非常大的涌水概率。其中YK44+100 到YK45+900 段、YK45+900 到YK46+500 段的隧道都在季節變動帶，然而，通過分析區域內的水文地質發現，該隧道段在巖溶水系統徑流與補給區域，具有非常小的季節性突水發生率[6]。然而，該段必須明確注意溶洞的填充物會有坍塌的危險，尤其是雨水后很容易出現突發泥石流、突水等地質災害。而K46+500 到YK47+500 段的隧道在飽水帶，尤其是YK45+200 到K46+100 段的位置在淺飽水帶，呈現構造發育，所以會有遭遇巖溶管道與裂隙狀溶洞的可能性，進而引發突水。所以，該段具有較高的大型溶洞揭露率，涌水初期主要來自靜儲量，水量大、壓力高，而且具有非常強的突發性，很容易導致重大安全事故，水壓力在后期會隨之下降，水流量也會慢慢減小，繼而趨于平穩。

表1 某隧道巖溶水位分類

5.2 隧道巖溶涌水量預測

在預測隧道巖溶涌水量環節，考慮到隧道所在位置巖溶發育程度、巖溶水動力分帶、巖溶發育特征等，總結出涌水來源多為大氣降水通過落水洞、洼地以及漏斗入滲造成，因此預測方法選擇洼地滲入法與地下水疏干法。如果隧道位于淺飽水帶，水頭為50~100m 的高度，發育包括巖溶管道和巖溶裂縫，那么隧道用水量必須考慮到雨期動儲量與靜儲量，具體計算公式為[7]：

①靜儲量涌水：

以上公式中，QS表示靜儲量，N 表示涌入系數，μ 表示給水度，H 表示隧道底板以上的含水厚度，FS表示降落區域的匯水面積，TS為疏干時間。

②雨期動儲量涌水：

以上公式中，Qf表示靜儲量，N 表示涌入系數，α 表示入滲系數，A 表示降水量，Ff表示降落區域的匯水面積，Tf表示降水周期。

5.3 涌水量預測結果

分析表1 的計算結果、巖溶水動力分帶以及巖溶水系統特征，分析YK44+100 至YK45+900 段、YK5+900 至YK47+500 段，結果如表2 所示。

表2 隧道涌水量預測結果

5.4 隧道施工中突水突泥分析

預測各隧道涌水災害嚴重等級與地表環境特征、巖石性質、地質構造、防水措施、氣候條件、最大埋深、隧道長度有關，從斷層影響破碎帶底下穿過的隧道區段，由于斷層切割巖層，裂隙發育，巖體破碎，破碎帶的張性裂隙及層理面可能形成裂隙水道，雨季可形成較線狀、股狀的形式或突水突泥，由于雨水注入，有一定威脅，做好超前探放水工作，則不會形成水害。

此外，隧道西部巖溶峰叢谷地，巖溶水水量中等，地下水向西徑流排泄。峰叢間洼地、消水洞相間出現，以及洼地中消水洞串珠狀發育[8-10]。洼地、谷地軸向發育，向西部傾斜，洼地底標高400～208m，從隧道區含水層結構看，隧道位于F1 斷層下盤，泥盆系中統應堂組砂巖、泥巖弱含水層阻隔巖性接觸帶附近的高位洼地導水補給。通過分析預測突水量和突水實際情況，實際涌水量相對來說比較小，然而，和預測涌水量沒有太大的差別，通常突水時間處于雨后的1~2d，可見降水對突水地質災害產生的影響非常大。實際情況和預測的涌水量基本相符合，可見，預報方法具有合理性。

6 結論

通過以上研究，得出以下結論：①該隧道是比較典型的一種強巖溶隧道。隧道底層屬于上泥盆系東崗嶺組地表巖溶與石灰質礫巖發育，隧道區分布由漏斗、洼地以及消水洞，大氣降水通過漏斗與落水洞直接滲透至地下；②分析巖溶水位、地質構造以及水系統發現，該隧道已經具備巖溶涌水條件，且隧道位于季節變動帶和飽水帶，所以隧道施工揭露破碎帶概率相對較大，尤其是雨水較大時，很容易引發突泥或突水等地質災害，隧道涌水存在突發性強、壓力高以及水量大等特性，很容易引發重大事故；③對比實際和預測的突水量、突水時間，預測的涌水量基本符合實際涌水量，說明預測的涌水量具有合理性。