隧道施工對水資源的影響及防治方法探討

黃寶安

摘要：隧道屬線狀的地下工程，是道路交通、水利、能源以及其他相關(guān)建設(shè)工程的重要組成部分，山嶺隧道在建設(shè)過程中需穿越各種不同地質(zhì)體及斷裂層破碎帶、裂隙密集帶等水文地質(zhì)單元，不可避免的改變圍巖介質(zhì)的水文地質(zhì)條件，并在一定程度上破壞水資源環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，造成隧址區(qū)及周邊區(qū)域補、逕、排平衡破壞和地下水位下降，地面溪溝水量減小甚至枯竭、井泉干涸、泉口下移或消失，甚至誘發(fā)地面裂縫、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，影響當?shù)厝嗣裆詈凸?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。同時，可能造成洞內(nèi)流泥突水、塌方冒頂、淹井等事故，影響工程建設(shè)乃至營運安全，危害嚴重，本文以龍巖某隧道施工過程水文工程地質(zhì)問題為背景，探討隧道施工對水資源環(huán)境的影響、地下水對工程施工的危害及其防治措施，對山嶺隧道建設(shè)提供治水思路，有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隧道施工、滲漏、突涌、水資源流失、災(zāi)害防治

一、概況

梅花山隧道是贛龍復(fù)線重難點控制性工程之一，屬山嶺隧道，位于龍巖市連城縣與上杭縣接壤地帶，設(shè)計全長13780m，為單洞雙線的鐵路隧道，橫斷面按橢圓曲線設(shè)計，道床寬度12m，洞徑較大，屬特長大斷面隧道。進出口設(shè)計高程分別為462.212m、550.032 m，最大埋深688.21m，屬深埋隧道，縱向采用折線坡形設(shè)計，進出口坡率分別為10.9‰～7‰和-3‰，分水變坡拐點設(shè)于地表主分水嶺地帶附近。本隧道DK219+300～DK223+460段從蘭橋、江畬村莊下方通過，橫穿上部的溪流水系，隨著開挖深度的逐步推進，隧洞開挖所到之處當?shù)厝∷獪狭髁矿E減并逐漸加劇（沿線見多處漏水點，圖1），枯水期沿線兩側(cè)附近較大范圍及其下游河段出現(xiàn)溪溝斷流現(xiàn)象、泉水干涸或泉口下移，造成農(nóng)田荒蕪、糧食絕收、地表開裂、土地持水能力下降，當?shù)卮迕窈蛷S礦企業(yè)的生產(chǎn)、生活用水受到嚴重影響，生態(tài)環(huán)境遭受破壞，百姓生活困難。同時突水災(zāi)害也嚴重影響隧道施工進度，甚至出現(xiàn)淹井事故，被迫停工、延誤工期。

二、地質(zhì)概況

1、區(qū)域地質(zhì)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和現(xiàn)場地面調(diào)查，隧址區(qū)大地構(gòu)造單元處于武夷山脈南段與博平嶺之間的玳瑁山腹地，歷經(jīng)長期地質(zhì)歷史演變和多次構(gòu)造運動，形成以脆性斷裂為主的構(gòu)造形式。

區(qū)域地層主要由白堊系上統(tǒng)沙縣組（K2s）、侏羅系上統(tǒng)兜嶺群（J3dl）、侏羅系下統(tǒng)梨山組下段（J1la）、二疊系上統(tǒng)翠屏山組（P2cp）、二疊系下統(tǒng)童子巖組（P1t）、二疊系下統(tǒng)文筆山組（P1w）、二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）、石炭系下統(tǒng)林地組（C1l）、泥盆系上統(tǒng)桃子坑組（D3tz）。后期巖漿活動較強烈，喜瑪拉雅運動、燕山運動導(dǎo)致大規(guī)模的巖漿侵入，巖性以花崗巖為主的酸性巖。

2、地形地貌

隧址區(qū)所處的地貌單元屬構(gòu)造侵蝕剝蝕中低山、低山及山嶺之間的斷裂谷地和斷陷盆地地貌，海拔高程一般介于約430～1250m，沿線地形形態(tài)復(fù)雜，山高谷深，坡度一般介于35°～45°，局部達70°～80°，并常見懸崖峭壁，溝谷多呈“V”形，谷底多見基巖裸露，縱向坡降較大，水系發(fā)育，呈樹枝狀或羽狀，地表徑流量較大，自古以來是水源充沛的地方。沿線樹木茂盛，屬典型的亞熱帶森林植被，覆蓋良好，為重要的水源涵養(yǎng)地。

3、地層巖性

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和現(xiàn)場調(diào)查，梅花山隧道地層為二疊系下統(tǒng)文筆山組（P1w）灰色、灰黃色泥巖、粉砂巖；石炭系下統(tǒng)林地組（C1l）灰黃、灰白色石英砂礫巖、砂巖；泥盆系上統(tǒng)桃子坑組（D3tz）灰白色石英砂礫巖、砂巖夾紫紅色千枚狀粉砂巖。后期侵入巖——燕山早期（γ52（3）c）淺肉紅、淺褐灰色中、粗?；◢弾r構(gòu)成隧道主要圍巖。

4、地質(zhì)構(gòu)造

隧道沿線圍巖以脆性硬質(zhì)巖為主，受區(qū)域構(gòu)造作用和長期地質(zhì)歷史演變影響，形成復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造形式，山脊走向與構(gòu)造線基本一致，以斷裂構(gòu)造為主，規(guī)模較大，切穿不同層位和不同性質(zhì)巖層或巖體，區(qū)內(nèi)出露的斷層有北東向、北北東向、及北西向多條區(qū)域性斷裂，以及次一級的節(jié)理裂隙發(fā)育密集帶、擠壓碎裂帶。據(jù)已有搜集到的資料和現(xiàn)場調(diào)查走訪，隧址區(qū)沿線自東南向西北四次橫穿北東向（F3、F4、F6、F7）區(qū)域性斷層，一次穿越北西向區(qū)域性斷層（F5），斷距較大，破碎帶及兩側(cè)影響帶寬度達120m以上，接受大氣降水補給條件好，大小斷裂構(gòu)造相互交切貫通，導(dǎo)水性好。見圖1（本圖刪除部分涉密內(nèi)容）。

北東向斷層F3、F4、F6、F7，呈張扭性、張性特征，產(chǎn)狀336～1130°∠73～87°，充填構(gòu)造角礫巖、石英脈等，與洞軸線交角35～74°北西向F5斷層發(fā)育于花崗巖，并切割北東向的F4斷層，呈壓扭性特征，充填糜棱巖、壓碎巖和石英脈等，與洞軸線交角約65°，其次一級羽狀構(gòu)造發(fā)育，具備良好的地下水儲存空間。

5、水文地質(zhì)特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)出露的地層、巖性組合結(jié)合含水介質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造的空隙性質(zhì)及地下水的水力特性，本區(qū)主要為基巖裂隙含水巖組，對隧道充水有直接影響的主要是構(gòu)造裂隙水，賦存于塊狀巖類或碎屑巖類裂隙密集發(fā)育帶、擠壓碎裂帶和斷裂構(gòu)造中，受地質(zhì)構(gòu)造控制，一般具承壓性質(zhì)，富水性各向異性且極不均勻，斷裂帶的中心部位尤其是相同體系不同方向斷裂的交接部位富水性強。主要接受大氣降水和風(fēng)化孔隙裂隙水、鄰近含水層（帶）的垂向或側(cè)向補給，自然狀態(tài)下一般以泉的形式在地形有利的溝谷底部出露，匯集后形成地表溪流（見圖1）。

三、水資源流失原因分析及影響評價

梅花山隧道位于區(qū)域構(gòu)造帶影響區(qū)，尤其是在江畬、蘭橋村莊上游斷層、節(jié)理裂隙等脆性變形發(fā)育，規(guī)模較大，區(qū)內(nèi)地形切割強烈，溝壑縱橫，山間溝谷狹長縱坡降較大，巖石斷裂發(fā)育，相互交切，巖體被切割破碎，呈菱形小塊體，裂隙密集帶、構(gòu)造破碎帶、斷層透水性較強，有利于地下水運移，地下水的水力坡度較大，流速較快，循環(huán)交替作用較強烈。

隧道開挖揭露含水帶（體），加上施工爆破產(chǎn)生一定的震動裂紋（縫），破壞了自然水文地質(zhì)環(huán)境，改變原有的地下水逕流、排泄的循環(huán)的自然平衡，逕流系統(tǒng)發(fā)生變化，隧道成為地下水的低位排泄長廊，并通過斷層延伸襲奪匯水區(qū)域以外的地下水，地表水、地下水通過導(dǎo)水斷裂構(gòu)造和破碎帶下滲，排入洞內(nèi)，從隧道大量流失，形成相互疊加的區(qū)域降落漏斗，降落漏斗范圍內(nèi)含水層（帶）被疏干，造成區(qū)域地下水位下降，溪溝流量驟減乃至斷流，沿線當?shù)卮迕窈蛷S礦企業(yè)深受斷水困擾，無法正常生產(chǎn)生活（見圖1、下圖2）。

理論和經(jīng)驗都表明，一般情況下水源地與洞軸線距離愈小，導(dǎo)水構(gòu)造愈發(fā)育，水資源流失受隧道挖掘影響的程度就愈大，反之則小。DK219+300～DK223+460段所在的蘭橋村和江畬村地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，各種結(jié)構(gòu)面相互穿插交切，連通性較好，巖石破碎，導(dǎo)水性較強，取水溪溝處于洞軸線兩側(cè)，隧洞橫穿溪溝匯水區(qū)域中部，隧道設(shè)計標高低于各取水溝谷匯水范圍標高，因此水資源流失情況最嚴重，出水點多，形態(tài)復(fù)雜，滲、滴、淋、涌、突、噴、暴為主要出露形式，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)編錄統(tǒng)計，隧道開挖過程中出現(xiàn)13處較大的涌水、突水災(zāi)害，經(jīng)量測最大單股流量達1172.5 m3/d，呈噴射狀，水流成河，下坡施工段出現(xiàn)淹井險情。

地下水的逕流模數(shù)根據(jù)枯水期隧洞內(nèi)代表性段地下水流失量和隧洞影響區(qū)面積之比反算該地區(qū)地下水逕流模數(shù)，同時考慮襲奪區(qū)外地下水等情況和地區(qū)經(jīng)驗，結(jié)合類似工程的水文地質(zhì)比擬法綜合確定梅花山隧道地下水逕流模數(shù)為6.68l/s·km2。

四、防治對策和措施

有關(guān)國家標準和行業(yè)規(guī)范要求隧道設(shè)計、施工對地表水、地下水應(yīng)作妥善處理，采取防水資源流失而破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境及造成農(nóng)田灌溉和生活用水困難等后患的措施，采用一定的技術(shù)手段進行綜合防治，標本兼治。施工過程中密切觀察隧道挖掘施工中地層巖性、節(jié)理裂隙、破碎帶、分散性或小股地下水出露情況和變化情形，輔以物探（紅外線探水或采用地質(zhì)雷達、地震波反射TSP）、超前鉆探、測試試驗等進行超前探水，摸清工作面前方水文地質(zhì)情況，綜合采用連通疏導(dǎo)、襯砌封閉、帷幕灌漿、徑向環(huán)狀止水注漿、頂水注漿等施工工藝，掌子面小導(dǎo)管超前預(yù)注漿和周邊預(yù)注漿，開挖后圍巖回填灌漿、固結(jié)灌漿等措施對沿隧洞軸線含水帶地下水進行堵截，在隧道開挖線外圍一定范圍內(nèi)截斷地下水域隧道之間的水流通路，經(jīng)處理在隧道洞室周邊形成注漿堵水圈，有效的預(yù)防隧道突水、透水事故。從理論上講，采用上述防治措施能確保隧道工程竣工后基本屬于封閉性質(zhì)，洞體對地下水環(huán)境的影響僅相當于巖體中的一個阻水棱體，基本保持地下水的原始循環(huán)與貯存狀態(tài)，地下水逕流或滲流途徑未被重大改變，地下水的工程性流失量小，對周邊的水文地質(zhì)環(huán)境影響小。本隧洞采用上述措施對一般滲、滴、淋、小股涌水等出水地段成效顯著，封堵基本達到預(yù)期目標和效果。

然而對于規(guī)模較大強透水的張性、張扭性斷層，切穿多含水巖組，尤其是不同方向斷裂交匯部位的強富水帶，由于隧道埋深大，滲流壓力高，流速快、水量大，盡管采取上述預(yù)防治理措施，限于目前技術(shù)水平和施工工藝，采用傳統(tǒng)防治手段進行洞內(nèi)疏堵代價高昂且難以達到預(yù)想效果、實現(xiàn)防治目標。從洞內(nèi)出水情況看，本隧道出水主要為斷裂構(gòu)造導(dǎo)通，以點狀成股噴涌為主，出水較集中但補給位置至出露點有一定距離，滲漏（逕流）途徑較長，鑒于上述情況，筆者認為治理可轉(zhuǎn)換思路，尋求技術(shù)突破，采用地面工程進行治理，在溪溝滲漏河段通過相關(guān)技術(shù)支持如遙感遙測、地質(zhì)、物探、鉆探，以及地表坑道工程（剝土、探槽、淺井）等方法查明滲漏通道，制定合理的治理方案、措施。

首先可利用現(xiàn)有的航空照片，通過目標地物的色調(diào)、陰影、形狀、紋理、大小、位置等識別特征，對影像進行解譯判讀粗略圈定異常區(qū)域，通過地面調(diào)查和觀測地表水滲漏流失位置和水量，各河段地表水流量等變化情況，將航片解譯成果與水文地質(zhì)資料擬合的情況進行綜合分析進一步縮小目標區(qū)域范圍，利用不同含水構(gòu)造與圍巖介質(zhì)的物性差異采用激電法、電測深、核磁共振等物探方法和手段探測物性異常，并選擇代表性的典型地段進行鉆探驗證，確定導(dǎo)水斷層或構(gòu)造破碎帶的平面位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及空間形態(tài)，圈定滲漏范圍，采用鉆孔注漿、縫隙填塞等方法截斷地下水滲漏通道。對于透（富）水性較強、滲流壓力較大造成漿液流失的部位，可考慮采用高分子化學(xué)材料進行高壓灌注堵水，采取間歇性施工、水泥、水玻璃雙液注漿等施工措施。對于溝底集中漏失的地段，可采用埋地渠道或引水管道跨越。通過以上綜合措施治理減小水資源流失，最大限度地恢復(fù)地下水位和保護生態(tài)環(huán)境，從根本上解決當?shù)卮迕窈蛷S礦企業(yè)生產(chǎn)生活用水問題，同時減小地下水對隧道施工和鐵路運行的影響，避免留下“后遺癥”。

五、結(jié)語

地下水漏失是隧道工程施工中的普遍現(xiàn)象，是隧道工程的第一頑疾，通常有“十隧九漏”之說?？偟膩碚f，隧道等地下工程治水應(yīng)貫徹以防為主的方針，重視預(yù)防，事前的預(yù)測預(yù)報工作是治水能夠成功與否的關(guān)鍵，應(yīng)在“治本”上下功夫，影響區(qū)范圍內(nèi)地下水補給、逕流、排泄自然系統(tǒng)平衡破壞之前進行預(yù)處理，才能達到預(yù)期效果，一旦水自然循環(huán)平衡系統(tǒng)遭受破壞，治理的效果將是事倍功半。本區(qū)屬丘陵山地，地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，是工程地質(zhì)、水文地質(zhì)最復(fù)雜的地區(qū)之一，隧道工程施工由于水的因素引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，隧道建設(shè)如何有效進行水患防治，打造綠色工程、環(huán)保工程是隧道工程建設(shè)的重要課題。一方面可確保工程建設(shè)安全和運營安全；另一方面可避免工程性水資源大量流失，沿線村莊、廠礦生產(chǎn)生活不因工程建設(shè)產(chǎn)生重大影響，保障人民安居樂業(yè)，創(chuàng)建生態(tài)文明、環(huán)境友好型社會。本文通過對裂隙型隧洞水患進行調(diào)查，提供一種治理方法的新思路，對類似工程水害治理、防災(zāi)減災(zāi)有一定借鑒作用。

參考文獻：

（1）《1/20萬上杭幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》.

（2）根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》TB10003-2001.

（3）《鐵路隧道施工規(guī)范》TB10204-2002 .