地表水文監(jiān)測(cè)在巖溶隧道施工中的應(yīng)用

周 坤，方俊波

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

20世紀(jì)50年代，圓梁山地區(qū)被國(guó)內(nèi)水文、地質(zhì)專(zhuān)家判定為修建隧道的“禁區(qū)”，修建渝懷鐵路的計(jì)劃一再被推遲。圓梁山地區(qū)地質(zhì)非常復(fù)雜:向斜和背斜地質(zhì)構(gòu)造普遍存在，張裂隙和斷層交互，地表巖溶漏斗、洼地密布，地下存在大規(guī)模的暗河及網(wǎng)狀發(fā)育的巖溶管道。隧道開(kāi)挖一旦觸及高壓富水的巖溶管道，將會(huì)出現(xiàn)涌突水和涌突泥。隧道涌水會(huì)對(duì)地表井泉、懸掛泉、地下水、地表植被等生態(tài)環(huán)境以及居民生活用水產(chǎn)生影響。埋深較小時(shí)，隧道涌水會(huì)直接襲奪并疏干地表水，但涌水量不會(huì)很大;埋深較大時(shí)，地下巖溶水來(lái)源補(bǔ)給廣泛，其水位下降緩慢，至巖溶管道疏通到一定程度后，才會(huì)受地表大氣降雨的影響，與地表水文發(fā)生直接聯(lián)系，此時(shí)隧道涌水量會(huì)很大，對(duì)施工的影響亦大［1］。向斜區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境，決定了懸掛泉、地表井泉等水體與地下水有著密切的水力聯(lián)系。地下水的流失或漏失將會(huì)破壞地表水與地下水之間的水力平衡，使地表水體水量減少、甚至被疏干，從而影響地表居民的生活和生產(chǎn)，進(jìn)而會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

目前，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了隧道涌水對(duì)地表環(huán)境影響方面的研究。文獻(xiàn)［2］介紹了歌樂(lè)山隧道洞口及地表水的環(huán)境監(jiān)測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的建立情況;文獻(xiàn)［3］研究了隧道疏干排水對(duì)周?chē)叵滤到y(tǒng)的影響，并模擬預(yù)測(cè)堵水成功后水位的恢復(fù)情況，分析了隧道對(duì)周?chē)叵滤灰约耙鸬牡孛嫠莸挠绊?文獻(xiàn)［4］通過(guò)預(yù)測(cè)隧道涌水量，分析預(yù)測(cè)隧道涌水及洞頂漏水對(duì)頂部泉眼、地下水、植被、居民生活用水產(chǎn)生的影響;文獻(xiàn)［5］結(jié)合隧道施工涌水狀況以及已開(kāi)挖段所揭示的地質(zhì)條件等，利用地質(zhì)原形研究和同位素分析等方法重點(diǎn)分析隧道涌水來(lái)源及其與杞麓湖的水力聯(lián)系，明確隧道工程對(duì)周邊地區(qū)水環(huán)境的影響;文獻(xiàn)［6］通過(guò)圓梁山隧道毛壩向斜段涌突水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合地表降水資料，分析了影響隧道排水量、隧道支護(hù)穩(wěn)定性的主要自然因素及排水工程對(duì)地表水環(huán)境產(chǎn)生的影響;文獻(xiàn)［7］敘述了宜萬(wàn)鐵路所有的風(fēng)險(xiǎn)隧道均要求進(jìn)行系統(tǒng)性地表水文監(jiān)測(cè)，制定巖溶隧道安全施工管理等級(jí)，確定進(jìn)洞安全施工條件。以上相關(guān)文獻(xiàn)在論述隧道涌水對(duì)地表環(huán)境的影響程度和范圍方面的還比較少。本文主要開(kāi)展一系列地表水文監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，對(duì)巖溶隧道地表水文環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，評(píng)估出隧道涌水對(duì)地表環(huán)境的影響程度及范圍。

1 工程概況

圓梁山深埋特長(zhǎng)隧道是重慶至懷化線(xiàn)的關(guān)鍵性控制工程，隧道進(jìn)口位于細(xì)砂河?xùn)|岸的瞻家壩，出口位于屬麻旺河源頭的炭廠(chǎng)河西岸，最大埋深約780 m。隧道穿越烏江與沅江水系分水嶺圓梁山地區(qū)，為中、低山深切河谷地貌，相對(duì)高差800余米，主要地質(zhì)構(gòu)造為毛壩向斜和桐麻嶺背斜及其伴生或次生斷裂等構(gòu)造。

圓梁山地區(qū)河流除細(xì)砂河屬烏江水系外，其余均屬沅江水系，兩者分水嶺位于毛壩向斜西翼標(biāo)高1 350 m以上的長(zhǎng)條形山地(屬大婁山期臺(tái)面)。水系主要呈羽毛狀，主河流大多沿北東向發(fā)育。如細(xì)砂河，發(fā)育于本區(qū)西北部，流向南西，經(jīng)細(xì)砂鄉(xiāng)、細(xì)砂口流出本區(qū);位于毛壩向斜和桐麻嶺背斜之間的后河，發(fā)育于犀牛洞暗河和半節(jié)河暗河，流向北東，至鴉雀口后轉(zhuǎn)成南東，成為切穿背斜軸部的橫向河谷;志留系泥、頁(yè)巖地層中多發(fā)育與北東向主構(gòu)造線(xiàn)垂直的橫向河谷，流入主河流，與主河流構(gòu)成羽狀水系。毛壩向斜中的可溶巖地塊中多為各自封閉的巖溶洼地，難以形成較大的地表徑流。毛壩蓋山脈其余地段大氣降水多轉(zhuǎn)為地下水，從東、西兩側(cè)懸崖下以巖溶泉(暗河)流出地表，東側(cè)匯入冷水河，西側(cè)匯入細(xì)砂河流出隧道區(qū)外［8］。圓梁山隧道毛壩向斜地表水文情況如圖1所示。

圖1 圓梁山隧道毛壩向斜地表水文地質(zhì)圖Fig.1 Ground surface hydrology of Maoba syncline of Yuanliangshan tunnel

圓梁山地區(qū)氣候溫和，多年平均降水量為1 383.6 mm，且分布不均，主要集中在 5，6，7，8 等月，占年降雨量的54.3%。1951—1970年當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄昶骄邓咳绫?所示。

2 地表水文監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

為了明確圓梁山隧道施工對(duì)向斜地表環(huán)境的影響程度及范圍，施工階段根據(jù)向斜段地表水文情況，進(jìn)行了懸掛泉流量監(jiān)測(cè)、井泉水位監(jiān)測(cè)、大氣降雨量監(jiān)測(cè)。

表1 當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄杲邓拷y(tǒng)計(jì)表(1951—1970年)Table 1 Rainfall statistics

1)懸掛泉流量監(jiān)測(cè)。毛壩向斜區(qū)地下存在著較發(fā)育的巖溶系統(tǒng)，如區(qū)域性地下暗河等，其排泄點(diǎn)主要以懸掛泉的形式存在，監(jiān)測(cè)其流量變化可確定隧道涌水對(duì)向斜區(qū)域地下水位產(chǎn)生的影響。

2)井泉水位監(jiān)測(cè)。隨著地下水位下降，地下水力梯度增加、溶蝕加強(qiáng)、隧道與地表的連通性更加明顯，可能會(huì)使依靠大氣降雨補(bǔ)給、局部地表徑流形成的地表的水源點(diǎn)被襲奪疏干，導(dǎo)致隧道通過(guò)地區(qū)居民的飲水困難。進(jìn)行地表井泉水位監(jiān)測(cè)，可以得知隧道涌水對(duì)地表水文環(huán)境的影響程度及范圍。

3)地表降雨量監(jiān)測(cè)。巖溶區(qū)地表及地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源均為大氣降水，進(jìn)行大氣降雨量監(jiān)測(cè)并對(duì)比隧道涌水，對(duì)判斷隧道所揭露出的溶管、裂隙及溶洞涌水等是否與地表發(fā)生水力聯(lián)系意義重大，即能較準(zhǔn)確地評(píng)估隧道與地表的連通性大小。地表水文與隧道涌水發(fā)生較強(qiáng)水力聯(lián)系時(shí)或隧道與地表連通性明顯時(shí)，則大氣降雨將直接影響隧道的涌水量。此時(shí)監(jiān)測(cè)大氣降雨能及時(shí)預(yù)測(cè)出隧道出現(xiàn)的涌水量以及最高涌水量，從而能反饋信息，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，確保隧道施工安全。同時(shí)，根據(jù)雨季與枯雨季的辯識(shí)，能選擇良好的施工時(shí)機(jī)。

3 地表水文監(jiān)測(cè)及分析

3.1 懸掛泉流量監(jiān)測(cè)

3.1.1 典型地表懸掛泉

圓梁山隧道進(jìn)口端由向斜西翼向東翼施工，首先遇到的是屬于向斜東翼龍家壩—茨竹壩—犀牛洞巖溶水系統(tǒng)，隨著向向斜核心推進(jìn)，隧道已出現(xiàn)有特大溶洞的征兆，此時(shí)監(jiān)測(cè)該地下巖溶水系統(tǒng)或地下暗河的一個(gè)重要排泄點(diǎn)——茨竹壩龍洞懸掛泉流量的意義特別重大。通過(guò)監(jiān)測(cè)與隧道垂直距離為300～400 m的茨竹壩龍洞懸掛泉流量變化，可以得知隧道所揭示出的向斜核部附近的巖溶水系統(tǒng)是否與埋深為300～400 m的地下巖溶系統(tǒng)或暗河相通。

茨竹壩龍洞位于向斜東翼的P1地層中，洞口標(biāo)高為976.7 m，距向斜軸部地面300～400 m。隧道穿越的向斜核部懸掛泉、井泉平面位置如圖2所示。

3.1.2 監(jiān)測(cè)方法及頻率

茨竹壩龍洞是一個(gè)常年有泉水流出的懸掛泉，有穩(wěn)定的水源補(bǔ)給，即使在當(dāng)?shù)刈钊庇晁亩?，仍有泉水流出，為?dāng)?shù)鼐用窈导舅此诘亍｝埗磧?nèi)深水潭是地下暗河天窗，地下暗河水位高則滿(mǎn)溢，故龍洞水流量較小。在水流量較小時(shí)，采用容積法測(cè)量;水流量較大時(shí)，采用三角堰板法或矩形堰板法測(cè)量。又由于龍洞地處高山懸崖下，路陡而險(xiǎn)，平時(shí)少有人經(jīng)過(guò)，故將其監(jiān)測(cè)頻率控制在1～3次/月。茨竹壩龍洞懸掛泉流量自2002年1月開(kāi)始測(cè)量。

圖2 隧道穿越的向斜核部懸掛泉、井泉平面位置圖Fig.2 Plan layout of hanging springs and well springs at core section of syncline through which the tunnel passes

3.1.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

茨竹壩龍洞懸掛泉水流量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 茨竹壩龍洞2002年1月至10月水流量柱狀圖Fig.3 Water flow volume of Cizhuba cave from January to October in 2002

由圖3可知，龍洞水具有典型的巖溶山區(qū)井泉特性，動(dòng)態(tài)變化比較明顯，在雨季4月至8月，龍洞涌水量明顯增大，在枯雨季節(jié)1月至3月，水流量則明顯減小，且減小量在數(shù)倍以上。對(duì)照毛壩地區(qū)降雨量曲線(xiàn)可知，龍洞水流量與向斜地表降雨量關(guān)系密切，一旦降雨量大，則龍洞水流量有比較明顯的變化，如2002年5月4日毛壩地區(qū)降特大暴雨，日降雨量在112 mm以上，2 d后，監(jiān)測(cè)到龍洞最大水流量為51.75 m3/h。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，在隧道開(kāi)挖前，龍洞最大水流量為69.699 m3/h，最小水流量為 1.12 m3/h，平均水流量為36.578 m3/h。茨竹壩龍洞水流量與地勘資料對(duì)比如圖4所示。

圖4 茨竹壩龍洞水流量與地勘資料對(duì)比圖Fig.4 Comparison and contrast between water flow volume of Cizhuba cave and geological survey result

由圖4可知，隧道施工后，龍洞水流量于雨季比較接近于地勘資料所述平均涌水量，但在枯雨季則遠(yuǎn)低于平均值，即龍洞水在枯雨季，水流量沒(méi)有以往豐富。至目前為止，龍洞在枯雨季每天仍有近50 m3的水量流出，足夠山谷中數(shù)百居民生活及生產(chǎn)所用。

水淹沱—茨竹壩—毛壩巖溶水系統(tǒng)的另一個(gè)主要排泄點(diǎn)——毛壩犀牛洞懸掛泉與隧道距離較遠(yuǎn)(5 km左右)，其水位正常，利用該水源發(fā)電的毛壩水電站正常工作，能滿(mǎn)足全鄉(xiāng)用電需要;利用犀牛洞地下暗河天窗對(duì)毛壩鄉(xiāng)進(jìn)行供水的毛壩抽水站亦能正常工作，滿(mǎn)足全毛壩居民生活之用，故圓梁山隧道施工對(duì)犀牛洞的水流量無(wú)影響。

綜上所述，圓梁山隧道向斜核部溶洞涌水對(duì)相距較近的地下暗河排泄點(diǎn)水流量有一定影響，而對(duì)相距較遠(yuǎn)地勢(shì)更低的另一個(gè)地下暗河排泄點(diǎn)水流量基本上無(wú)影響或影響較小。

3.2 地表井泉水位監(jiān)測(cè)

3.2.1 典型地表井泉

進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)的地表井泉主要集中在距隧道中軸線(xiàn)南北兩側(cè)600 m內(nèi)，主要有三股水1#、三股水2#、石水井、茨竹壩井和木林堡泉等，5個(gè)井泉中除三股水1#和三股水2#位于向斜西翼外，其余3個(gè)井泉均位于向斜東翼。5個(gè)井泉點(diǎn)與隧道平面位置如圖2所示。

三股水共包括2個(gè)小泉點(diǎn)，呈直線(xiàn)排列，幾乎與隧道中軸線(xiàn)平行，相距僅10 m左右。三股水1#位于近向斜核部西側(cè)的一大型槽谷底部，滲漏條件較好，即使在雨季其亦時(shí)常干枯;三股水2#位于槽谷壁上，距谷底高2～3 m，三股水2#由于地表徑流補(bǔ)給區(qū)較大，水量較充裕，即使在枯雨季也沒(méi)有干枯過(guò)。三股水2個(gè)井泉均未被當(dāng)?shù)鼐用裆罴吧a(chǎn)所用，所測(cè)量到的井泉水位受外界影響較小。

木林堡泉和茨竹壩井均位于向斜東翼、隧道南側(cè)、近核部軸線(xiàn)、處于F8斷層上、距隧道中軸線(xiàn)不足百米的一個(gè)較大的巖溶洼地中央，接受四周高地地表徑流補(bǔ)給。木林堡泉在雨季時(shí)，水位較高，較充裕;在枯雨季時(shí)，較茨竹壩井泉干枯得快，為一典型洼地季節(jié)性井泉。茨竹壩井可供茨竹壩村近百人生活用水，枯雨季水量少，滲水量能被當(dāng)天用干，但至第二天時(shí)則又蓄水至一定水位;雨季時(shí)則井水取之不盡，不會(huì)干枯。

石水井位于向斜東翼、隧道軸線(xiàn)北側(cè)，距隧道中軸線(xiàn)不足500 m。根據(jù)地勘資料，石水井位于F9橫向斷層上，自地表水力坡度走向分析，其對(duì)隧道涌水相關(guān)性不大。

根據(jù)調(diào)查，在向斜地表核部，除有較多巖溶洼地外，還有數(shù)個(gè)巖溶漏斗，說(shuō)明向斜核部地表與地下暗河系統(tǒng)的連通性較好。

3.2.2 監(jiān)測(cè)方法及頻率

用長(zhǎng)直尺直接測(cè)量或設(shè)立固定標(biāo)桿測(cè)量，要求每次均在居民吃水以前且在同一時(shí)間進(jìn)行。量測(cè)頻率為1次/(1～3)d。

3.2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

隧道上方地表井泉水位變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 隧道上方地表井泉水位變化曲線(xiàn)Fig.5 Variation of water level of well springs above tunnel

由圖5可知:1)木林堡受大氣降雨的影響較大，曲線(xiàn)梯度變化明顯，在枯雨季，其干枯得較快，而在雨季又能維持在一定的高水位，表明木林堡地表徑流補(bǔ)給區(qū)較大，匯水面積較大，同時(shí)亦表明其下滲條件(即巖溶發(fā)育)相對(duì)要好一些;2)石水井、茨竹壩井水位變化幅度不大，受大氣降雨的影響不大，接受地表徑流有限，分析其主要是通過(guò)F7斷層和F8斷層進(jìn)行水源補(bǔ)給，有較長(zhǎng)、較穩(wěn)定的補(bǔ)給源;3)三股水2個(gè)泉點(diǎn)位于大型槽谷底部，巖溶發(fā)育，使其下滲條件好，水位并不隨大氣降雨有明顯的變化(實(shí)際上，三股水2個(gè)泉點(diǎn)均得到了向斜另一側(cè)東翼的匯水繞軸補(bǔ)給)。

為分析隧道涌水對(duì)地表井泉水位的影響，將地表井泉水位、大氣降雨及隧道涌水量變化進(jìn)行對(duì)比，具體情況如圖6所示。

由圖6可知:1)隧道于2，4，9月發(fā)生了3次涌水，但地表井泉水位于4月至8月基本上穩(wěn)定在同一水平，并沒(méi)有因隧道大量失水而下降，僅僅是由于進(jìn)入枯雨季，地表井泉9月水位有所下降。2)地表井泉水位變化曲線(xiàn)與大氣降雨量曲線(xiàn)的相關(guān)性更大，而與隧道涌水的關(guān)系不大，說(shuō)明隧道涌水對(duì)地表水文環(huán)境的影響程度較小(即圓梁山隧道向斜段地表井泉水源均為淺層地表徑流補(bǔ)給，隧道涌水并不會(huì)疏干地表上所有的井泉點(diǎn)水源，對(duì)居民的生活影響有限)。

圖6 井泉水位、大氣降雨及隧道涌水變化曲線(xiàn)圖Fig.6 Comparison and contrast among well spring water level，rainfall and water burst

3.3 大氣降雨量監(jiān)測(cè)

3.3.1 監(jiān)測(cè)方法及頻率

在毛壩向斜區(qū)租用民房并設(shè)立臨時(shí)降雨量監(jiān)測(cè)站，用氣象專(zhuān)用雨量?jī)x進(jìn)行量測(cè)，每天早晚定時(shí)觀(guān)測(cè)2次，同時(shí)記錄天氣情況和氣溫等。大氣降雨量監(jiān)測(cè)頻率為2次/d。

3.3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

自2002年1月1日開(kāi)始進(jìn)行大氣降雨量監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)至2003年5月20日。隧道上方毛壩向斜區(qū)月降雨量如圖7所示。

圖7 隧道上方毛壩向斜區(qū)月降雨量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monthly rainfall of Maoba syncline above tunnel

依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳举Y料，隧道所在地每年降雨量均集中在4月至8月，故可認(rèn)為隧道上方地表4月至8月為雨季，11月至次年3月為枯雨季，9月至11月為雨季向枯雨季過(guò)渡期。自4月進(jìn)入雨季后，地表連續(xù)5個(gè)月的降雨量幾乎均在同一水平(250 mm左右)，并且降雨量較大的月份均出現(xiàn)過(guò)暴雨或大暴雨。如2002年4月16日，向斜地表降大暴雨，日降雨量達(dá)124.7 mm，為全年日降雨量之最，使2002年4月月降雨量上升到383.2 mm，亦為全年之最;2003年4月18日，向斜地表降大暴雨，日降雨量達(dá)73.5 mm，使2003年4月月降雨量上升到248.9 mm。由此可知，暴雨是月降雨量多少的主要原因。

圓梁山隧道向斜地表2002年9月1日至2003年5月20日隧道涌水與大氣降雨的時(shí)程對(duì)比曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 隧道涌水與大氣降雨曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.8 Comparison and contrast between water burst and rainfall

對(duì)比地表降雨曲線(xiàn)，可將隧道向斜段的涌水動(dòng)態(tài)劃分為隧道與地表水力未連通、基本連通和完全連通3個(gè)階段。在未連通階段，即2002年9月1日至10月16日，隧道除9月10日一次突水涌砂事故引起水量增加外，其余時(shí)間內(nèi)涌水曲線(xiàn)變化平緩，不受地表降雨的影響;在基本連通階段，即2002年10月17日至2003年4月10日涌水曲線(xiàn)有所起伏，變化幅度與隧道施工及地表降雨相關(guān);在完全連通階段，即2003年4月11日后，隧道涌水大小基本上受地表降雨的影響，與施工過(guò)程相關(guān)性不大。

由圖8可知:1)在未連通或基本連通階段，即使是特大暴雨所引起的隧道涌水量亦沒(méi)有超過(guò)96萬(wàn)m3/h;2)進(jìn)入完全連通階段，地表中雨以上強(qiáng)度的降雨能引起隧道144萬(wàn)m3/h以上強(qiáng)度的涌水量;3)2003年4月一次地表暴雨將隧道與地表基本連通的巖溶管道完全疏通，從而使隧道后續(xù)施工更加困難;4)在完全連通階段，地表暴雨對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的破壞作用最大，隧道內(nèi)涌水最大，對(duì)施工的影響最大。

2002年11月至2003年3月地表降雨強(qiáng)度及密度明顯減弱，降雨量基本在20 mm以下，超過(guò)10 mm的雨量不多。10 mm以下的降雨基本上不會(huì)引起隧道涌水量的變化，故在枯雨季2002年11月至2003年3月進(jìn)行隧道施工要相對(duì)安全一些，隧道突水涌砂的可能性較小。

4 結(jié)論與討論

1)隧道涌水可能對(duì)向斜區(qū)深層巖溶系統(tǒng)(如地下暗河水位等)有一定程度的影響，對(duì)地表淺層的巖溶水系統(tǒng)影響有限，即隧道失水對(duì)地表井泉水位影響較小。毛壩向斜地表居民在隧道修建后的10年內(nèi)生活用水正常，地表植被能正常生長(zhǎng)。

2)圓梁山隧道選定在分水嶺附近穿越向斜地層是合理的，可以將隧道施工對(duì)地表環(huán)境的影響降至最低。

3)通過(guò)對(duì)比地表大氣降雨及隧道涌水，可以評(píng)估出隧道與地表的水力連通性大小;通過(guò)分析降雨量，可以確定當(dāng)?shù)氐挠昙炯翱萦昙静ふ页龃髿饨涤暌?guī)律。

4)若隧道已與地表產(chǎn)生水力連通，則應(yīng)在枯雨季突破涌水溶洞，雨季施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行分級(jí)管理(地表降雨量在10 mm以下時(shí)可安全施工)。

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