重慶中梁山北段隧道堵水后地下水環(huán)境可恢復(fù)性初步探討

劉智 盧丙清 曹聰 孫一博

摘要：重慶中梁山北段地區(qū)因隧道修建導(dǎo)致地區(qū)地下水環(huán)境遭受強(qiáng)烈破壞，本文選取已建歇馬隧道為研究對象，在充分了解掌握地區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過區(qū)域地下水位發(fā)育高程，搜集隧址區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境資料，分別計(jì)算隧道在排水和堵水條件下，一定時(shí)間內(nèi)對地區(qū)地下水疏干情況以及恢復(fù)情況，從而科學(xué)合理的進(jìn)行隧道影響評價(jià)及結(jié)論。

關(guān)鍵詞：隧道；水文地質(zhì)條件；三維數(shù)值模擬；地下水疏干情況

1 研究背景

歇馬隧道位于“四山”區(qū)域的中梁山北段，區(qū)內(nèi)干堰塘一帶為整個(gè)中梁山僅有的兩處地下水資源未遭受破壞的區(qū)域之一，分布有多處巖溶大泉和水庫魚塘，地下水資源較為豐富，老百姓灌溉、飲用等均在使用地下水。歇馬隧道正好從該區(qū)域地下穿過，屬典型的水平循環(huán)帶以下深部巖溶中穿行隧道，研究其對水環(huán)境破壞及堵水后可恢復(fù)性，對中梁山北段乃至整個(gè)“四山”地區(qū)其他具有類似地質(zhì)條件的隧道規(guī)劃建設(shè)具有很高的借鑒意義。

基于上述背景，本文選取歇馬隧道作為研究對象，分析區(qū)域地下水環(huán)境特點(diǎn)，搜集隧址區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境資料，分別計(jì)算隧道在排水和堵水條件下，一定時(shí)間內(nèi)對地區(qū)地下水疏干情況以及恢復(fù)情況，初步探討其對水環(huán)境破壞及堵水后可恢復(fù)性初步探討。

2 基礎(chǔ)地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

工作區(qū)山體呈“一山三嶺夾兩槽”的形式，最高點(diǎn)高程707m，最低標(biāo)高為250m，相對高差457m。

2.2 地層巖性

工作區(qū)出露地層由老至新分別為二疊系上統(tǒng)長興組（P2c）、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、嘉陵江組（T1j）、中統(tǒng)雷口坡組（T2l）、上統(tǒng)須家河組（T3xj），侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（J1z）、中下統(tǒng)自流井組（J12z）、中統(tǒng)新田溝組（J2x）、中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）以及第四系松散堆積物構(gòu)成。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工作區(qū)具體構(gòu)造部位為觀音峽背斜中段。該背斜為緊密褶皺，巖層產(chǎn)狀在兩翼陡，中部較平緩，其西翼地層產(chǎn)狀260～285°∠50～84°，局部反傾。東翼地層產(chǎn)狀85～110°∠40～82°，近軸部巖層傾角10～25°。

2.4 巖溶地質(zhì)

工作區(qū)巖溶主要發(fā)育于三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、嘉陵江組（T1j）和中統(tǒng)雷口坡組（T2l）地層的薄～中厚層狀灰?guī)r、鹽溶角礫巖及白云巖為主，受地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造影響明顯。

2.5 含水巖組的劃分及富水性

根據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)主要有以下三種主要地下水類型：

①極富水的碳酸鹽類巖類巖溶水含水巖組：主要由三疊系下統(tǒng)嘉陵江組和中統(tǒng)雷口坡組（T2l）等含鹽溶角礫巖、石膏層的可溶性碳酸鹽巖類組成，屬極富水的含水巖組。

②中等富水的層間承壓孔隙裂隙含水巖組：主要由三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）厚層長石石英砂巖、巖屑砂巖等組成，屬中等富水的碎屑巖含水巖組。

③弱富水的基巖（紅層）裂隙水含水巖組：主要以侏羅系（J）的紫紅色泥巖夾薄層砂巖等組成，屬弱富水的含水巖組。

3 歇馬隧道堵水前后隧道涌水量動態(tài)變化情況

根據(jù)歇馬隧道水文地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測資料[3]顯示：

（1）2015年9月隧道開挖掘進(jìn)至雷口坡和嘉陵江巖溶地層之后，隧道涌水量突增，在此期間，主要的堵水方式是對股狀涌水點(diǎn)進(jìn)行注漿封堵，為進(jìn)行全斷面治理，堵水效果不明顯。11月掘進(jìn)至嘉陵江2段時(shí)，涌水量達(dá)到峰值，雙洞總涌水量達(dá)到10600m3/d。

（2）2015年12月起，設(shè)計(jì)和施工單位對堵水方案進(jìn)行了調(diào)整，分區(qū)分段，采取了普通注漿、全斷面徑向注漿封堵、巖腔的襯砌加固等措施。之后進(jìn)（出）洞口涌水量都出現(xiàn)了較為明顯的下降，至2017年2月，雙洞總涌水量為3300m3/d，堵水效果較為明顯。

（3）根據(jù)監(jiān)測情況顯示，歇馬隧道總體堵水率為67%，低于全斷面注漿堵水段落堵水率（90%）。這主要是由于變更堵水設(shè)計(jì)之前，部分段落已進(jìn)行了二次襯砌，導(dǎo)致施工條件困難，若從施工開始即采用分區(qū)分段堵水措施，實(shí)際涌水量將進(jìn)一步降低。

4 隧道對地下水影響的三維數(shù)值模擬

根據(jù)歇馬隧道堵水前后的隧道涌水量，分別計(jì)算隧道在排水和堵水條件下，一定時(shí)間內(nèi)對地區(qū)地下水疏干情況以及恢復(fù)情況。

4.1 方法選取及模型概化

本次數(shù)學(xué)模擬計(jì)算采用的是美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey）開發(fā)的VISUAL MODFLOW軟件。根據(jù)對研究區(qū)水文地質(zhì)條件及邊界條件的分析，依據(jù)滲流連續(xù)性方程和達(dá)西定律，可將研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定流，其數(shù)學(xué)模型如下式所示：

[JP4]xkxHx+ykyHy+zkzHz+ε=0[JP]x，y，z∈Ω

Hx，y，z，t=H0x，y，z，0x，y，z∈Ω

KHn|Γ2=qx，y，z，tx，y，z∈Γ2，t0

式中：x—東西向坐標(biāo)，y—南北向坐標(biāo)，z—垂向坐標(biāo)；kx，ky，kz—分別為沿x，y，z坐標(biāo)方向的滲透系數(shù)函數(shù)（m/d）；

H—某空間的（x，y，z）在t時(shí)刻的水頭函數(shù)（m）；

H0—某空間的（x，y，z）在t0時(shí)刻的水頭函數(shù)（m）；

ε—源匯項(xiàng)（l/d）；t—時(shí)間（d）；Ω—模擬區(qū)；Γ2—第二類邊界；

n—邊界面的外法線方向；

qx，y，z，t—第二類邊界上已知流量函數(shù)；

4.2 隧址區(qū)模擬范圍及單元剖分

歇馬隧道位于研究區(qū)中部，在施工監(jiān)測期間進(jìn)行了地表水文監(jiān)測，并掌握了該工程項(xiàng)目對隧址區(qū)地下水影響程度及范圍，可以作為模擬時(shí)的驗(yàn)證手段。

本次模擬選取模型底板為0m高程，按照100m網(wǎng)格將其剖分。模擬隧址區(qū)X方向總長度5020m，Y方向總長度6934m，共剖分成347行，251列，單層單元格數(shù)目為87097個(gè)；垂向Z方向的高差最大約700m，劃分為10層，模型總共870970個(gè)單元格。模擬區(qū)總面積為31.3km2。

并按照含水性質(zhì)進(jìn)行水文參數(shù)賦值，各地層滲透性K取值基于《歇馬隧道專項(xiàng)水文地質(zhì)勘察報(bào)告》滲透系數(shù)，降雨量采取區(qū)域內(nèi)的多年平均降雨量1163mm，并按照平面上出露的巖性分布及地表地形進(jìn)行分區(qū)。

4.3 隧址區(qū)排水條件下模擬

在建歇馬隧道北側(cè)還分布有已建軌道6號線隧道隧道，據(jù)《歇馬隧道專項(xiàng)水文地質(zhì)勘察報(bào)告》資料[2]，未采取有效堵水措施之前，兩條隧道總排水量分別能達(dá)到9728m3/d、7970 m3/d。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，按照2015年11月隧道涌水量疏干后，歇馬隧道北側(cè)至軌道6號線之間將完全疏干。南側(cè)疏干范圍存在差異性，其中西槽谷的影響半徑擴(kuò)大在4公里左右，東槽谷的影響半徑在3公里左右。

4.4 隧道堵水條件下模擬

通過有效堵水措施，歇馬隧道涌水量減小之后，通過一個(gè)完整水文年的監(jiān)測情況，隧址區(qū)東西東西槽谷的地下水均出現(xiàn)了不同程度的恢復(fù)?，F(xiàn)在基于以上條件，在現(xiàn)狀模擬的基礎(chǔ)上，對隧道堵水后工況進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測地下水位的恢復(fù)情況。

其地下水運(yùn)動數(shù)學(xué)模型的建立和隧址區(qū)模擬范圍及單元剖分見上節(jié)。根據(jù)《歇馬隧道水文地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測報(bào)告》，在采取有效堵水措施之后經(jīng)過1個(gè)完整水文年的監(jiān)測，2017年2月軌道6號線涌水量4640m3/d，在建歇馬隧道流量為3346 m3/d。將涌水量數(shù)據(jù)代入VISUAL MODFLOW軟件，預(yù)測在模型計(jì)算分別達(dá)到1825天（5年）、3650天（10年）穩(wěn)定后，隧道對地區(qū)地下水疏干程度（見圖2、3）。

根據(jù)數(shù)值模擬圖分析

（1）隧址區(qū)在采取有效堵水措施之后，隨著地下水位的不斷恢復(fù)，地表疏干范圍將不斷減小。

（2）在堵水5年之后，隧道南側(cè)疏干范圍出現(xiàn)了較為明顯的減小，其中西槽谷影響范圍約3公里，恢復(fù)率為25%，東槽谷影響范圍約2.2公里，恢復(fù)率為27%，東槽谷的恢復(fù)速度略大于西槽谷。北側(cè)由于受到軌道6號線隧道疏干的共同影響，兩條隧道的降落漏斗相互交叉，在兩條隧道之間3公里的范圍內(nèi)仍為一連續(xù)的疏干區(qū)。

（3）在堵水10年之后，隧道北側(cè)疏干范圍開始縮小，軌道6號線和歇馬隧道形成了各自獨(dú)立的降落漏斗，南側(cè)疏干范圍出現(xiàn)了進(jìn)一步減小，最終疏干范圍在隧道軸線兩側(cè)0.50.9km，其中西槽谷的疏干范圍略大于東槽谷。

（4）以上模擬條件是基于隧道遭遇大規(guī)模突水，形成較大疏干范圍之后的恢復(fù)性預(yù)測。若在隧道施工過程中始終采取超前堵水措施，其影響范圍將進(jìn)一步縮小。

5 結(jié)論

（1）1隧道開挖將形成較大的集水廊道，將會造成隧道上部較大范圍內(nèi)的水源枯竭，按照2015年11月隧道涌水量疏干后，歇馬隧道北側(cè)至軌道6號線之間將完全疏干。南側(cè)疏干范圍存在差異性，其中西槽谷的影響半徑擴(kuò)大在4公里左右，東槽谷的影響半徑在3公里左右。

（2）歇馬隧道堵水后經(jīng)過一個(gè)完整水文年，隧道涌水量明顯減小，巖溶區(qū)地下水位也出現(xiàn)了不同程度的恢復(fù)。在此基礎(chǔ)上通過隧址區(qū)疏干影響范圍數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隧址區(qū)在采取有效堵水措施之后，隨著地下水位的不斷恢復(fù)，地表疏干范圍將不斷減小，地下水環(huán)境是可恢復(fù)的。

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