淺談隧道施工釋能降壓法對(duì)環(huán)境的影響

(鐵道部工程管理中心，北京　100038)

釋能降壓法主要應(yīng)用于深埋巖溶隧道遇到高水壓、大能量的富水溶腔，包含半充填溶腔，開(kāi)挖存在突水突泥風(fēng)險(xiǎn)、施工難度大時(shí)采取的一種方法，而這種高水壓大能量的富水溶腔一般處于巖溶垂直分帶中的深部循環(huán)帶中。深部循環(huán)帶為飽水帶的下部，埋藏深度較大，水動(dòng)力循環(huán)微弱，大多為古巖溶，溶腔處于充填或半充填狀態(tài)，一般與上部暗河或大型水囊相連。一旦溶腔處理不當(dāng)被擊穿，溶腔充填物或水在上部強(qiáng)大地下水壓作用下，將會(huì)失穩(wěn)而突水突泥，導(dǎo)致人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失。

1　釋能降壓法對(duì)環(huán)境的影響

釋能降壓法雖然解決了施工風(fēng)險(xiǎn)的難題，但不可避免地造成對(duì)地表和地下水環(huán)境的影響。隧道在排水過(guò)程中，常常伴隨著突泥，造成隧道及附近區(qū)域地表水的漏失、地下水水位的下降、地表或地下松散堆積物的變形或再搬運(yùn)，從而誘發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境或環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。山區(qū)巖溶隧道，通常埋藏深度大，且一般地處深山峽谷，人類(lèi)生存和生產(chǎn)活動(dòng)相對(duì)比較弱，釋能降壓法對(duì)環(huán)境的影響或破壞程度以及危害一般也比較小，但是在一些特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)和人類(lèi)活動(dòng)比較集中的地區(qū)，也可能產(chǎn)生一些比較嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，例如，地表水的漏失和地下水位的區(qū)域性下降，可能導(dǎo)致地表或地下水源的干枯，造成這些水源地的短期甚至長(zhǎng)期失效；由于土壤水份的大量減少引起地表植被和農(nóng)作物的退化或死亡；地表或地下松散堆積物的變形或再搬運(yùn)，會(huì)誘發(fā)地面變形或塌陷，導(dǎo)致地面建筑物的破壞等。

釋能降壓法的主要特征就是泄水消能，也可通俗講為排水。隧道排水對(duì)環(huán)境可能產(chǎn)生的影響，一般表現(xiàn)為以下三個(gè)方面。

1.1　巖溶塌陷

隧道排水，加大了地下水的水力坡度，加快了地下水的下滲速率，使與地下水暗河相通的地表洼地中松散土體被地下水?dāng)y帶而涌入隧道，可能導(dǎo)致上部土體失去支撐產(chǎn)生塌陷(如圖1)；隧道排水造成地下水位的降低，使覆蓋型溶蝕洼地下部易形成真空負(fù)壓，因吸蝕作用而產(chǎn)生地表塌陷(如圖2)。地面巖溶塌陷后形成的負(fù)地形或巖溶塌坑又常成為地表水下滲的通道，引起地表水的漏失。

圖1　潛蝕作用為主的巖溶塌陷

圖2　真空吸蝕作用為主的巖溶塌陷

1.2　水源枯竭

巖溶隧道大量的排水，會(huì)導(dǎo)致隧道充水巖層地下水位的大幅下降，使得原有地下水開(kāi)采井失效，或與之水力聯(lián)系密切的巖溶泉水(或暗河)、地表河流或巖溶湖的流量減少，甚至干枯、斷流，從而影響到隧道附近的生活或生產(chǎn)用水。

如隧道穿越區(qū)屬巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，地表發(fā)育的落水洞、漏斗構(gòu)成大氣降水入滲的直接通道，一般無(wú)地表水分布，但有較多的巖溶裂隙泉出露，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)僅靠表層巖溶泉和裂隙上層滯水泉或天水維持生活，隧道涌水，將可能形成地下水襲奪，造成部分泉水流量減小甚至斷流枯竭，對(duì)農(nóng)戶(hù)生活、生產(chǎn)用水造成不便；隧道涌水造成地下水位降低，對(duì)使用地下水的用戶(hù)取水困難，或沒(méi)有地下水可取。

1.3　破壞水文地質(zhì)環(huán)境

隧道涌水長(zhǎng)期排放將徹底改變?cè)械牡叵滤胶鉅顟B(tài)，降低了地下水位，或改變了地下水的流向，從而破壞水文地質(zhì)環(huán)境。

2　602溶腔釋能降壓后對(duì)環(huán)境的影響

宜萬(wàn)線的野三關(guān)、大支坪、云霧山、馬鹿箐及齊岳山等五座隧道均為深埋越嶺巖溶長(zhǎng)大隧道，開(kāi)挖過(guò)程中均遇到了高水壓、大能量的富水溶腔，在施工中采用了釋能降壓法通過(guò)，目前還未產(chǎn)生較明顯的環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題，但若采取長(zhǎng)期排水，將對(duì)環(huán)境造成一定的影響。

野三關(guān)隧道602溶腔發(fā)育于二疊系茅口棲霞組灰?guī)r中，溶腔埋深450 m，地下水位埋深150 m、高于隧道300 m左右。溶腔在隧道處為充填溶腔，其上部與野三關(guān)隧道③號(hào)暗河相連，地表為容蝕洼地和槽谷。③號(hào)暗河發(fā)育于石馬壩背斜核部二疊系茅口棲霞組(P1m+q)的灰?guī)r層中，兩側(cè)受二疊系吳家坪組(P2w)頁(yè)巖的阻隔，呈帶狀分布。暗河起于石馬附近的旺碑沖洼地，經(jīng)水洞坪、發(fā)屋灣、小兒坪，在苦桃溪中排出，暗河出口高程1 050 m，高于隧道250 m。暗河呈南西走向，在隧道上方斜穿隧道，長(zhǎng)5 km左右，總體水力坡度6%～7%，補(bǔ)給區(qū)域14.57 km2(如圖3)。苦桃溪屬于清江流域的三級(jí)支流，是支井河的支流，為峽谷河流，長(zhǎng)7 km左右。

圖3　野三關(guān)隧道地下暗河分布

野三關(guān)隧道602溶腔已采用了釋能降壓法通過(guò)，溶腔充填物已釋放，地下水通過(guò)隧道排水洞排放，為長(zhǎng)流水。溶腔排水疏干了③號(hào)暗河。

2.1　目前602溶腔排水對(duì)環(huán)境的影響

(1)602溶腔隧道排水段高程835 m左右，而地面高程在1 100～1 400 m間，隧道埋深大，溶腔地下水主要來(lái)源于灰?guī)r巖溶裂隙水，以及襲奪上部③號(hào)暗河地下水。排水降低了地下水水位，改變了地下水流向。

(2)溶腔排水通過(guò)裂隙、巖溶管道及斷層等途徑，將③號(hào)暗河徑流段的地下水襲奪，改變了③號(hào)暗河地下水的排泄流向，使暗河排泄口斷流，造成暗河排泄口下游苦桃溪河水減少，但對(duì)暗河補(bǔ)給區(qū)(水洞坪等洼地)地下水影響較小。

(3)暗河補(bǔ)給區(qū)旺碑沖、水洞坪、發(fā)屋灣等洼地居民生產(chǎn)生活用水為表層滯水和雨水，沒(méi)有采用深層地下水，且表層巖溶泉與深層地下水(飽水帶)之間沒(méi)有直接水力聯(lián)系，所以，溶腔排水對(duì)補(bǔ)給區(qū)洼地居民生產(chǎn)生活用水暫沒(méi)有影響。

(4)溶腔排水，使本來(lái)排泄于苦桃溪流入支井河的地下水直接通過(guò)隧道排泄于支井河中，造成暗河排泄口至支井河間的苦桃溪段(6 km左右)河水減少，但由于苦桃溪該河流段為峽谷地形，為無(wú)人區(qū)，河水沒(méi)有被附近居民利用，所以河水減少對(duì)該段附近居民沒(méi)有影響。

(5)因溶腔排水只是影響③號(hào)暗河徑流、排泄區(qū)地下水，對(duì)暗河補(bǔ)給區(qū)地下水幾乎沒(méi)有影響，溶腔排水暫不會(huì)產(chǎn)生旺碑沖、水洞坪、發(fā)屋灣等洼地塌陷。

(6)溶腔排水段上方稻子坪洼地處于三疊系大冶組灰?guī)r中，與隧道二疊系茅口組灰?guī)r間存在二疊系吳家坪組隔水巖層，其洼地地下水與隧道涌水段沒(méi)有直接水力聯(lián)系，隧道涌水對(duì)稻子坪洼地環(huán)境沒(méi)有影響。

2.2　602溶腔長(zhǎng)期排水情況下對(duì)環(huán)境的影響

(1)長(zhǎng)期排水使已斷流的③號(hào)暗河將徹底改變了流向，降低了地下水排泄高程，加大了地下水水力坡度，加快了洼地上層滯水下滲速率，破壞了原有地下水的平衡，將會(huì)引起地下水位降低、地表塌陷等環(huán)境問(wèn)題。

(2)正常情況下，③號(hào)暗河地下水位高于苦桃溪河流，向苦桃溪排泄，若③號(hào)暗河地下水位降低到苦桃溪河水位高程以下時(shí)，形成倒漏斗，將會(huì)產(chǎn)生河水補(bǔ)給地下水，破壞河流環(huán)境。

(3)苦桃溪流經(jīng)二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r，與602溶腔排水段處于同一水文地質(zhì)單元中，當(dāng)?shù)叵滤唤档偷胶铀灰韵聲r(shí)，河水會(huì)沿灰?guī)r巖溶裂隙滲入隧道，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)襲奪苦桃溪表水，造成局部河流干枯，且隧道排水量將不斷增大。

(4)長(zhǎng)期排水降低地下水位會(huì)使地表洼地溶腔、裂隙形成負(fù)壓，造成洼地覆蓋層產(chǎn)生塌陷，繼而疏干表水，使居民生產(chǎn)生活環(huán)境會(huì)變得惡劣，影響居民生活。

(5)稻子坪巖溶洼地的地表匯水進(jìn)入地下后，順長(zhǎng)興組灰?guī)r(下部為吳家坪組頁(yè)巖)地層以巖溶泉的形式，在隧道上游的苦桃溪出露并匯入苦桃溪明流，示蹤試驗(yàn)表明稻子坪洼地水與602溶腔地下水無(wú)聯(lián)系，可見(jiàn)長(zhǎng)期排水對(duì)稻子坪洼地的環(huán)境影響甚微。

(6)隧道施工至今，地表還沒(méi)有產(chǎn)生新的巖溶塌陷，若隧道長(zhǎng)期排水，地表匯水入滲速度加快，加速了入滲循環(huán)，不排除有發(fā)生新的塌陷的可能。

602溶腔短期排水只改變了局部地下水環(huán)境，對(duì)地表及居民生產(chǎn)生活暫沒(méi)有影響；長(zhǎng)期排水將會(huì)帶來(lái)地表塌陷、水源枯竭等新的水文地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

3　結(jié)論及建議

在巖溶發(fā)育的深埋越嶺隧道，采用釋能降壓法處理高壓富水溶腔可降低施工風(fēng)險(xiǎn)、便于隧道快速通過(guò)，但對(duì)地表和地下水環(huán)境具有一定的影響，只有在查明地下水的補(bǔ)給來(lái)源、徑流、溶腔的規(guī)模等水文地質(zhì)條件情況下，可預(yù)估釋能降壓法對(duì)環(huán)境的短期和長(zhǎng)期影響。針對(duì)宜萬(wàn)線五座隧道采取的釋能降壓，短期內(nèi)對(duì)地表環(huán)境影響不大，但對(duì)地下水的水位、流向等有一定的影響，長(zhǎng)期排放將會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題。

建議隧道采用釋能降壓法通過(guò)后，對(duì)釋放的地下水進(jìn)行封堵，慢慢恢復(fù)地下水原有的狀態(tài)，避免徹底改變既有的水文地質(zhì)環(huán)境，保持生態(tài)平衡。

[1]夏日元，王廷，等.新建鐵路萬(wàn)宜線野三關(guān)、大支坪隧道區(qū)巖溶水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R].桂林:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，2002

[2]張梅，張明慶，朱鵬飛,等.高壓富水充填溶腔釋能降壓技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué)，2009，11(12):13-19

[3]汪繼鋒，江培兵.野三關(guān)地下暗河分布及其對(duì)隧道的影響[J].土工基礎(chǔ)，2007，12(5):21-23

[4]徐紅星，鄧誼民.野三關(guān)隧道出口DK124+602突水相關(guān)水文地質(zhì)分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，4:29-34

[5]蒙彥，雷明堂.巖溶區(qū)隧道涌水研究現(xiàn)狀及建議[J].中國(guó)巖溶，2003，22(4):5-10

[6]周啟霞.宜萬(wàn)線長(zhǎng)大巖溶隧道專(zhuān)項(xiàng)地質(zhì)勘察野三關(guān)隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2002

[7]沈繼方，李焰云，徐瑞春，等.清江流域巖溶研究[M].北京:地質(zhì)出版社，1996

[8]徐紅星.宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道出口突水段巖溶水文地質(zhì)勘察報(bào)告[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2008

[9]中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所巖溶研究組.中國(guó)巖溶研究[M].北京:科學(xué)出版社，1987

[10]鄧誼明.宜萬(wàn)線一個(gè)值得注意的巖溶地質(zhì)問(wèn)題-P1m地層中的古巖溶[J].地質(zhì)與路基，2004(2)：2-3