巖溶隧道工程修建對地下水環(huán)境的影響

趙瑜 胡波 陳海林 向偉

摘 要：

巖溶地區(qū)隧道施工期涌突水危害巨大，而大量輸排地下水又會引發(fā)一系列的地質(zhì)災(zāi)害。對中梁山隧道水文地質(zhì)進(jìn)行分析，采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并對滲透參數(shù)進(jìn)行反演，研究了隧道工程不同埋深、排水量對地下水環(huán)境的影響規(guī)律，并探究了隧道施工期和運(yùn)行期地下水環(huán)境隨時間的演變規(guī)律。結(jié)果表明：富水巖溶地區(qū)隧道具有從隔水層到含水層界面處涌突水風(fēng)險最大的特點；開挖隧道時隧道高程越低、排水量越大，地下水環(huán)境變化越大；隧址區(qū)降落漏斗呈現(xiàn)出南側(cè)小于北側(cè)、東側(cè)小于西側(cè)的特征?，F(xiàn)有施工期排水條件下施工地下水位下降很快且不能恢復(fù)到原水位，建議該地區(qū)在隧道施工期控制排水量，并在施工期及運(yùn)營期采取保護(hù)地下水環(huán)境的措施。

關(guān)鍵詞：

隧道；地下水；數(shù)值模擬；水位降深；降落漏斗

中圖分類號：X45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：16744764（2018）05000108

收稿日期：20171015

基金項目：

國家自然科學(xué)基金（51374257）

作者簡介：

趙瑜（1978），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖石力學(xué)、計算力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)方面的研究，Email： zytyut1@126.com。

Received：20171015

Foundation item：

National Natural Science Foundation of China （No. 51374257）

Author brief：

Zhao Yu （1978），professor， doctorial supervisor， main research interests： rock mechanics， computational mechanics， geomechanics，Email：zytyut1@126.com.

Impact of tunnel engineering on groundwater environment in karst area

Zhao Yua，b，Hu Boa，Chen Hailina，Xiang Weia

（a.College of Civil Engineering；b.National Joint Engineering Research Center for Prevention and

Control of Environmental Geological Hazards in the TGR Area， Chongqing 400045， P.R. China）

Abstract：

During the tunnel construction in the karst area， there is a great danger of water inrush， and the discharge of groundwater will lead to the geological disasters. The hydrogeology in Zhongliang mountain tunnel area was analyzed and the BP neural network optimized by the genetic algorithm is used for inverse analysis of the permeability coefficient of aquifer. The impact of tunnel elevation and the discharge of groundwater on groundwater environment change was studied， and the groundwater environment change with time was explored. The results show that water inrush during karst tunnels construction is most likely to occur on the interface between the aquifuge and the aquifer， and that tunnel elevation and the discharge of groundwater have both great impacts on the groundwater environment. The results indicate that the groundwater level drops rapidly and cannot return to the original level in the current drainage conditions. Consequently the discharge of groundwater should be controlled properly during construction. Measures should be also taken to protect the groundwater environment during construction and operation stage of tunnels.

Keywords：

tunnel； groundwater； numerical simulation； groundwater level drawdown； depression cone

中國交通事業(yè)的發(fā)展日新月異，隧道工程不僅越建越多，而且越建越長。有效的交通在很大程度上依賴于具有良好線形的公路和鐵路隧道[1]。經(jīng)統(tǒng)計，中國己建長隧道（長度大于3 km）中的41.27%的隧道在修建過程中幾乎不同程度遇到了地下水的危害，并產(chǎn)生了隧道涌突水、區(qū)域地下水位下降、巖溶塌陷、地下水污染和生態(tài)環(huán)境退化等一系列的地下水環(huán)境問題[2]。巖溶地區(qū)隧道地下水涌水問題是長期以來難以突破的水文地質(zhì)難題。富水巖溶地區(qū)地下水不僅危及施工安全、影響施工進(jìn)度，而且在隧道施工期大量輸排地下水情況下極大地惡化當(dāng)?shù)丨h(huán)境。2016年《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則》[3]的修訂則突顯地下水環(huán)境影響研究的必要性。掌握隧道工程因素以及隧道施工和運(yùn)行不同時期對地下水環(huán)境的影響規(guī)律，是對地下水環(huán)境進(jìn)行科學(xué)評價的理論基礎(chǔ)[4]。

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，滲流參數(shù)是局部和粗糙的，因此，裂隙巖體系統(tǒng)水力參數(shù)的確定非常困難。人工智能、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性研究工具的興起，對參數(shù)反演這一問題開辟了新的思路。許多學(xué)者將遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用到參數(shù)反演中[[59]，結(jié)果表明遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均能得到滿意的結(jié)果。巖溶區(qū)隧道地下水與環(huán)境相互作用及相互影響已有不少研究[4，1018]，隧道工程“以排為主”的設(shè)計原則已不能適應(yīng)當(dāng)前水環(huán)境保護(hù)的要求，而完全封堵地下水又會使隧道襯砌難以承受巨大的水壓力，如何控制隧道施工期和運(yùn)行期的排水量成為了隧道排水設(shè)計的關(guān)鍵。目前對于隧道施工排水量與地下水自動修復(fù)時間的研究仍處于薄弱階段。針對于此，采用Visual Modflow建立了隧道滲流模型，基于遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并對滲透參數(shù)進(jìn)行反演，研究了隧道工程因素中埋深、排水量對地下水位變化、降落漏斗范圍的影響規(guī)律，分析了隧道施工期和運(yùn)營期的地下水環(huán)境變化規(guī)律，為隧道安全施工和地下水環(huán)境保護(hù)提供理論參考和依據(jù)。

1 隧址區(qū)水文地質(zhì)分析

1.1 隧址區(qū)構(gòu)造

川東地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要以隔檔式構(gòu)造為主。即由一系列平行的背斜和向斜相間組成，其中背斜是窄而緊閉的，形態(tài)完整清楚，呈線狀延伸；而兩個背斜之間的向斜則開闊平緩。圖1為研究隧道穿越典型川東隔擋式構(gòu)造山剖面圖，背斜核部為二疊系上統(tǒng)長興組（P2c），兩翼依次為三疊系飛仙觀組（T1f）、嘉陵江組（T1j）、雷口坡組（T2l）、須家河組（T3xj）及侏羅系地層（J）。

重慶軌道交通六號線Ⅱ期工程中梁山隧道中梁山區(qū)域—觀音峽沖斷背斜即為典型的隔擋式背斜。背斜軸部位于山頂巖溶槽谷下（隧道穿越地層P2c上方），兩翼分布有巖溶槽（地層為T1j、T2l）。該背斜特點導(dǎo)致其隧道修建主要存在以下問題：1）高水壓。背斜核部為碳酸鹽巖和碎屑巖類為主，給地下水提供了良好的賦存條件，而背斜兩翼隔水層，地下水區(qū)域徑流緩慢，使得背斜核部巖溶賦水層位內(nèi)的水位普遍較高，而隧址區(qū)巖層傾角較大，易形成地下水徑流（隧址區(qū)為巖溶水（地層為T1f1、T1f3、T1j、T2l）和裂隙水（地層為T3xj2、T3xj4）為主）。2）地下水環(huán)境復(fù)雜。背斜以可溶性巖和不可溶性巖交叉發(fā)育，巖溶發(fā)育，與一般的地下水徑流存在很大的差異，其水壓大小與溶洞形態(tài)、大小密切相關(guān)。3）難恢復(fù)。背斜窄而緊閉、向斜則開闊平緩、且由于背斜延伸長，地下水區(qū)域徑流緩慢、排泄不暢，隧道開挖排水情況下，一旦超過了其恢復(fù)能力，將很難恢復(fù)，對自然和地下水環(huán)境影響很大。

1.2 工程概況

重慶軌道交通六號線二期工程中梁山隧道為單洞雙線輕軌專用隧道，該隧道設(shè)計縱坡呈“人”字坡，里程YDK47+509～YDK49+050段設(shè)計縱坡3000‰、里程YDK49+050～YDK52+173段設(shè)計縱坡-21.000‰，進(jìn)洞口軌頂設(shè)計高程309.789 m、里程樁號YDK49+000處軌頂設(shè)計高程312.412 m（隧道最高點）、出洞口軌頂設(shè)計高程246.829 m；隧道跨度：最大開挖寬12.720 m（IVB斷面）、凈跨9600 m，隧道高度：最大開挖高10.621 m（IVB斷面）、凈高8.104 m。

1.3 隧道涌水、排水分析

中梁山隧道于2010年開始掘進(jìn)，根據(jù)隧道進(jìn)、出口的涌水量監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)口出水量在85.19～3 894.96 m3/d，平均日出水量約710 m3/d；隧道出口出水量在499.79～3 894.96 m3/d，平均日出水量約1 821 m3/d，隧道建設(shè)將導(dǎo)致大量的地下水排出。2012年1月在2#通風(fēng)斜井掘進(jìn)至鄭家院子煤窯（KD1），造成了隧道涌水量突然增大，KD1流量迅速減小并最終干涸。2012年1月，隧道掘進(jìn)至孔雀谷附近時，水庫在幾天時間內(nèi)完全干涸，在經(jīng)過治理后水庫又重新開始蓄水。經(jīng)分析，此階段為地層T3xj3進(jìn)入地層T3xj2，裂隙發(fā)育，表層水與地下水聯(lián)系緊密。2012年4—5月，隧道掘進(jìn)至T1j含水層，隧道涌水量增大明顯，最大達(dá)3 849 m3/d。如圖2所示?？梢钥闯觯瑤r溶隧道在從隔水層到含水層界面處涌突水風(fēng)險最大。

2 三維模型建立和參數(shù)反演

2.1 三維模型建立

以上述隧道地形建立地質(zhì)模型，以三疊系嘉陵江組（T1j）、三疊系中統(tǒng)雷口坡組（T2l）、三疊系飛仙觀組（T1f1、T1f3））在模型中作為主要含水層，三疊系上統(tǒng)須家河組二段和四段（T3xj2、T3xj4）作為含水層。山體東、西兩側(cè)的侏羅紀(jì)中統(tǒng)沙溪廟組（J2S）、侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（J1z）作為弱透水層；其外的侏羅系地層（J1-2zl+J2x）作為隔水層處理。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、現(xiàn)場調(diào)查確定以隧道所在的水文地質(zhì)單元為分析模型區(qū)域。長（沿中梁山走向）為11.6 km，寬（隧道軸線方向）為5.4 km，底部高程為0 m，劃分單元格300×110×10個。三維地質(zhì)模型如圖3所示。模型采用等效連續(xù)介質(zhì)模型。

2.2 地層參數(shù)選取

按不同地質(zhì)地層賦滲流參數(shù)，參考勘察報告及區(qū)域水文地質(zhì)資料的作為初始值。并按照平面上出露的巖性分布及地表地形進(jìn)行分區(qū)賦值。給水度近似于空隙裂隙度，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗孔隙度作為儲水系數(shù)。地層滲透系數(shù)選取如表1所示。

2.3 參數(shù)反演

地層初始滲透系數(shù)結(jié)合勘查報告和經(jīng)驗選取，通過Modflow數(shù)值模擬軟件模擬地下水位初始滲流場。不同滲透系數(shù)反應(yīng)地下水位變化，記錄每組滲透系數(shù)值和觀測水頭值。遺傳算法種群規(guī)模為10，進(jìn)化次數(shù)50次，交叉概率為0.3，變異概率為01。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層6個節(jié)點，隱含層5個節(jié)點，輸出層8個節(jié)點。為了得到更多的訓(xùn)練樣本，采用有限元對三維滲流進(jìn)行計算，得到100組訓(xùn)練樣本。把計算水頭當(dāng)作輸入訓(xùn)練樣本，滲透系數(shù)作為輸出樣本，觀測水頭是鉆孔取得的實際水位值，當(dāng)作預(yù)測數(shù)據(jù)。利用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的手段，對滲透系數(shù)值進(jìn)行反演。參數(shù)反演結(jié)果如表2所示。

圖4為反演擬合曲線。水頭校正是用已知的水頭和對應(yīng)的計算水頭比較，兩者間的誤差在精度范圍內(nèi)說明模型準(zhǔn)確，達(dá)到模擬精度，可以采用該模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)勘察資料，隧址區(qū)分布有6個鉆孔，通過鉆孔可以直接得到該鉆孔水位。在模型中添加6個觀測井，將計算水位和觀測水位進(jìn)行對比，如表3所示。

3 隧道工程因素對地下水環(huán)境的影響

規(guī)律

校正好的模型符合真實的地質(zhì)條件，可以用來模擬隧道施工滲流場的演變規(guī)律，模擬的穩(wěn)定流水位作為非穩(wěn)定流的初始水位。圖5為初始水位等值線圖。

3.1 隧道高程對地下水環(huán)境影響規(guī)律

模型原型隧道進(jìn)洞口軌頂設(shè)計高程309.789 m、隧道最高點設(shè)計高程312.412 m、出洞口軌頂設(shè)計高程246.829 m。隧道高程越高，埋深越小，同時相對于地下水位埋深越小。根據(jù)隧道排水量監(jiān)測結(jié)果，現(xiàn)設(shè)定排水量為2 500 m3/d，分別設(shè)置隧道高程為250、300、350、400 m，分析不同埋深條件下隧道施工對地下水環(huán)境的影響。

程越低，即天然水位相對越高，隧道處水頭越高，地下水位降深越大，降落漏斗范圍越大，地下水流失量越大。降落漏斗影響范圍并不嚴(yán)格的沿隧道軸向?qū)ΨQ分布，降落漏斗范圍呈現(xiàn)出隧道北側(cè)大于南側(cè)，西側(cè)大于東側(cè)。這與隧道兩側(cè)相對水頭高度和地下水徑流有關(guān)，南側(cè)補(bǔ)給范圍更廣，影響較小，北側(cè)為觀音峽背斜北部邊界，與嘉陵江相鄰，其地下水儲存量較小有關(guān)；同時，隧道出口（西側(cè)）埋深低于進(jìn)口（東側(cè)）。在隧道開挖后，沿線含水層被破壞，水位降深很快，影響范圍較廣。

從圖6和圖7可以看出，隨著隧道高程的增大，地下水位降深減小，降落漏斗范圍變小，隧道高程升高150 m（即地下水位相對下降150 m）時，最大地下水位降深減小約50%，降落漏斗范圍減小約50%；在高水位、排水量較大情況下，地下水環(huán)境改變明顯，最大水位降深達(dá)到了97 m。隧道高程增大后圍巖處水頭降低，孔隙水壓力減少，在同等隧道堵水措施條件下，隧道滲水量減少?？梢姡淼肋x址高程在地下水位之下時，應(yīng)盡量淺埋，既保證隧道施工安全，又減少對水環(huán)境的影響。

通過對數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，富水巖溶區(qū)在施工期排水量較大情況下，水位降深和降落漏斗范圍均變化很快，施工期地下水環(huán)境保護(hù)工程控制方法及措施：在富水巖溶地區(qū)，應(yīng)盡量選擇高位隧道。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析[1819]，高位隧道施工風(fēng)險低，對襯砌和注漿要求均較低，高位隧道對地下水環(huán)境影響較小，且增加隧道高程效果顯著。

3.2 排水量對地下水環(huán)境影響規(guī)律

根據(jù)隧道施工期進(jìn)出口排水量監(jiān)測結(jié)果，平均排水量約2 531 m3/d，分別模擬排水量為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 m3/d的滲流場，探討不同的排水量對地下水滲流場的影響，各排水量條件下滲流場（90 d）如圖8所示。

從圖8和圖9可以看出，模擬表明：隧道施工期排水量為500 m3/d時，在90 d后地下水位降落漏斗已經(jīng)形成。降落漏斗范圍沿隧道軸線并不嚴(yán)格對稱，與不同高程類似，北側(cè)大于南側(cè)，西側(cè)大于東側(cè)，分析其原因，隧道西側(cè)（出口）隧道高程較東側(cè)（進(jìn)口）低，排水量較東側(cè)（進(jìn)口）大。隨著隧道排水量的增加，地下水環(huán)境影響范圍和最大水位降深均加，隧道排水量從500 m3/d增加到3 500 m3/d時，最大地下水位降深增加了約4倍，地下水影響范圍增加約1倍。

3.3 施工期地下水環(huán)境隨時間的變化規(guī)律

假設(shè)隧道施工期間排水量為2 500 m3/d，根據(jù)隧道施工進(jìn)程，隧道施工工期為2年，分為8個應(yīng)力期，每個應(yīng)力周期為90 d，模擬隧道非穩(wěn)定滲流的動態(tài)變化，如圖10所示。經(jīng)分析，地下水位變化很快的可能原因為巖溶區(qū)隧道一旦穿越含水層，其地下水位迅速下降。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著地下水位的下降，地下水與地表徑流發(fā)生相應(yīng)改變，直接造成了隧址區(qū)巖溶泉的出水量減少甚至消失、機(jī)井水位的下降或者干涸。地下水位下降同時造成原來農(nóng)田的含水量降低，甚至變?yōu)楹档亍?/p>

3.4 運(yùn)營期地下水環(huán)境隨時間的變化規(guī)律

模擬發(fā)現(xiàn)，隧道完工后地下水位降深最大達(dá)到97 m，影響范圍2 km。說明隧道開挖破壞了地下水循環(huán)系統(tǒng)，改變了滲流路徑。通過圖10滲流場變化可以看出，影響最大的是隧道軸線頂部以上部分?，F(xiàn)分別模擬運(yùn)營期為0.5、1、2、3、5、10、20 a時地下水滲流場，如圖11所示。

觀測井水頭的變化即地下水降深。從圖11可以看出，隧道運(yùn)營1 a內(nèi)地下水位上升較快，隧道軸線頂部降落漏斗慢慢減小。5 a后減小到約30 m處，之后隨著時間推移，地下水位基本穩(wěn)定，降深維持在約30 m。分析其原因是隧道開挖破壞了地下水循環(huán)系統(tǒng)，同時改變了地表水徑流，使得水位難以恢復(fù)到初始水位。隧道完工時降落漏斗范圍向隧道中線兩側(cè)延伸2 km，5 a后影響范圍擴(kuò)大到約4 km，以后不再發(fā)生較大變化。

經(jīng)分析，由于隧道運(yùn)營期間堵水作用，隧道兩側(cè)較遠(yuǎn)區(qū)域地下水向隧道軸線附近區(qū)域補(bǔ)給，使得隧道軸線附近水位有所上升，然而影響范圍卻向兩側(cè)逐漸擴(kuò)展。通過調(diào)查和監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，重慶軌道交通六號線二期中梁山隧道施工期間大量疏干地下水，對周邊環(huán)境造成不可恢復(fù)的影響。

實際工程中人們更關(guān)注運(yùn)營期地下水環(huán)境情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗和相關(guān)研究[4，18]，運(yùn)營期地下水環(huán)境保護(hù)控制方法及措施：主要是控制好隧道施工期排水量，同時減小運(yùn)營期滲水量（如施工階段進(jìn)行注漿、襯砌等方法加大圍巖和隧道的抗?jié)B性），可有效保護(hù)地下水環(huán)境。

4 結(jié)果分析

隧道工程與水環(huán)境的相互作用包括水環(huán)境對隧道工程的作用和隧道工程對水環(huán)境的反作用2個方面。水環(huán)境對隧道工程的作用表現(xiàn)為隧洞涌漏水和承受水壓力。隧道工程對水環(huán)境的反作用導(dǎo)致洞頂?shù)沫h(huán)境災(zāi)害：隧道涌排水使地下水逐漸疏干，使地下水位不斷下降，地下水疏干漏斗不斷擴(kuò)大，水環(huán)境失去平衡。而如何平衡這兩方面關(guān)系則是隧道設(shè)計的關(guān)鍵。

中梁山觀音峽背斜由南至北地質(zhì)構(gòu)造較為相近，對已建成的隧道對地下水環(huán)境影響進(jìn)行分析對于未來隧道修建的環(huán)境影響有重要的借鑒意義。

通過表4和圖12分析可知，中梁山隧道工程的影響均在所處的局部系統(tǒng)范圍內(nèi)，各隧道影響程度有限，并未影響至深部徑流的地下水。從圖12（a）和12（b）、12（c）和12（d）對比分析可以看出，模擬結(jié)果和調(diào)查結(jié)果均顯示隧道高程對地下水環(huán)境影響很大。模擬結(jié)果基本符合實際情況。但需要注意的是本次模擬均只模擬了一條隧道，而研究區(qū)兩側(cè)均有隧道（歇馬隧道在其后修建），隧道修建后地下水影響范圍和最大水位降深可能與實際有細(xì)微出入。

5 結(jié)論

1）對隧址區(qū)水文地質(zhì)進(jìn)行分析，總結(jié)出巖溶地區(qū)隧道難題：高水壓、地下水環(huán)境復(fù)雜、難恢復(fù)的特點，其主要地層含水為巖溶水（主要地層為T1f1、T1f3、T1j、T2l）和裂隙水（主要地層為T3xj2、T3xj4），隧道施工期間涌水和排水量均表明巖溶地區(qū)隧道施工隔水層和含水層交界處涌水風(fēng)險非常大，應(yīng)注意防排水措施。

2）采用遺傳算法優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)方法對含水層滲透系數(shù)進(jìn)行參數(shù)反演，通過與調(diào)查結(jié)果對比，模擬結(jié)果理想，表明遺傳算法優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)方法在參數(shù)反演的可行性，以及模型概化的準(zhǔn)確性。

3）分別對隧道工程因素中的隧道埋深和排水量對地下水環(huán)境的影響進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，隨著隧道高程的增大，地下水位降深減小，降落漏斗范圍變小；隨著施工期排水量的增大，最大地下水位降深增加，降落漏斗范圍變大；研究區(qū)降落漏斗范圍并不嚴(yán)格對稱分布，呈現(xiàn)出西側(cè)大于東側(cè)、北側(cè)大于南側(cè)的趨勢。富水巖溶地區(qū)開挖隧道對地下水環(huán)境影響很大，隧道選線時應(yīng)盡量選擇高位隧道和控制施工期排水量。

4）分別對隧道施工期（2 a）和運(yùn)營期（20 a）進(jìn)行地下水滲流場模擬，結(jié)果表明，施工期內(nèi)，降落漏斗在建設(shè)初期就已初步形成；運(yùn)營期內(nèi)，地下水位在1年內(nèi)恢復(fù)較快，5 a后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在現(xiàn)有施工排水量情況，如果不采取相關(guān)措施，隧道地下水環(huán)境20 a內(nèi)并不能完全恢復(fù)。

5）隧道開挖使原來的滲流場發(fā)生變化，當(dāng)排水量較大時，即使?jié)B流場穩(wěn)定后，地下水也難以恢復(fù)到初始水平；中梁山地區(qū)隧道建設(shè)應(yīng)該加深分析隧道群對地下水環(huán)境影響，同時在施工過程中應(yīng)該采取相應(yīng)的控制措施。

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（編輯 胡玲）