壁板坡隧道施工期可溶巖段涌水特征分析

劉光士 ，丁秀美

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2. 成都理工大學，成都 610059)

1 工程概況

壁板坡特長隧道是上海至昆明(滬昆)鐵路客運專線的控制性工程之一，全長約14.8 km，最大埋深約750 m，進口位于貴州盤縣紅果鎮(zhèn)上紙廠村，出口位于云南省富源縣后所鎮(zhèn)三丘田村。隧道穿越一系列碳酸鹽巖地層，由碳酸鹽巖構(gòu)成的可溶巖段累計長度10 143 m，占隧道總長的68.53%。為了降低施工風險，全隧道設(shè)計“人”字坡及分修方案，進口合修，出口分修，最大線間距約為167 m；進口高程1 832.97 m，采用25‰坡度上坡，出口高程1 885.97 m，采用18‰坡度下坡?？辈炱陂g經(jīng)調(diào)研論證，在隧道左側(cè)設(shè)置貫通平導(dǎo)，并提前施工，目的在于提前排水，降低正洞的施工風險[1]。

隧道平導(dǎo)于2010年10月開始施工，2014月6月5日貫通；正洞左線于2011年1月1日開始施工，2014年12月25日貫通； 2015年6月7日右線貫通。施工期間，隧道產(chǎn)生大量涌水，2014年雨季隧道雨季最大涌水量達19.27×104m3/d，對施工產(chǎn)生嚴重影響。

2 隧址區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件分析

2.1 地形地貌

隧址區(qū)位于貴州高原西部的老黑山山脈北段，山脈呈北東-南西走向，山脊高程一般2 184～2 310 m，主峰高程2 733.9 m，屬條形高中山，具構(gòu)造剝蝕、溶蝕地貌特點。山間槽谷較發(fā)育，局部平臺上呈串珠狀分布有溶蝕洼地、落水洞、漏斗等巖溶形態(tài)和景觀[2]。

2.2 地層巖性

隧址區(qū)內(nèi)出露有石炭系、二疊系、三疊系、第三系和第四系地層，其中洞身直接穿越的地層有飛仙關(guān)組(T1f)、宣威群(P2xn)、峨眉山玄武巖組(P2β)、茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)、梁山組(P1l)、馬平群(C3mp)和黃龍群(C2hn)，其巖性特征及分布見圖1和表1。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)地處南嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶西段之北緣，為北北東向新華夏系構(gòu)造與蓮花狀構(gòu)造接壤地帶，構(gòu)造形跡復(fù)雜，發(fā)育一系列總體為北北東向平行排列的開闊短軸褶曲和高角度壓性逆沖斷層，構(gòu)造線呈“S”形。隧道洞身位于東側(cè)的燕子巖-小竹箐背斜與西側(cè)彌勒-富源大斷裂間。隧道進口可溶巖層傾角70°～45°。區(qū)內(nèi)斷層可分為3組，即NNE組、EW組和NE組，其中EW組和NE組斷層將NNE組斷層錯開、改造、疊加，形成了復(fù)雜的構(gòu)造格局。隧道穿越的6條較大規(guī)模斷層分別為楊梅山斷層(NE組)、發(fā)伍多-東鋪斷層(NNE組)和迤后所-羊洞斷層(NNE組)、大落沖斷層(F1)和F3斷層等。發(fā)育NEE組、NE組和NWW組等3組節(jié)理，與層面近于垂直，間距一般在0.2～1 m。

圖1 壁板坡隧道隧址區(qū)工程地質(zhì)簡圖

地層巖性特征在洞身段出露范圍飛仙關(guān)組(T1f)厚286～864 m,以紫紅、灰綠色粉砂巖、泥質(zhì)砂巖及泥巖為主D1K991+925-D1K992+435宣威群(P2xn)以灰綠色泥巖、粉砂巖、砂巖為主,夾煤層D1K892+916-D1K894+90峨眉山玄武巖組(P2β)厚300～597 m,以灰綠色、褐黃色玄武巖、玄武質(zhì)凝灰?guī)r為主D1K977+655-D1K978+313、D1K981+710-D1K982+906、 D1K984+94-D1K988+602茅口組(P1m)厚440～560 m,為灰至淺灰色厚層-塊狀灰?guī)r、燧石灰?guī)rD1K978+313- D1K979+220、D1K988+ 608-D1K989+6、D1K990+117-D1K991+70棲霞組(P1q)厚100～127m,為灰至深灰色厚層-塊狀灰?guī)r、燧石團塊灰?guī)rD1K979+220-D1K979+427梁山組(P1l)厚35～100 m,為灰色薄至中厚層狀石英砂巖及泥巖夾煤線D1K979+427-D1K979+586馬平群(C3mp)厚70～125 m,以淺灰至深灰色中厚層至塊狀灰?guī)r為主D1K979+586-D1K979+796黃龍群(C2hn)厚350～457 m,為灰色中厚層至塊狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖D1K979+796-D1K980+285擺佐組(C1b)以灰白、淺肉紅色厚層至塊狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主D1K980+285- D1K980+906大塘組(C1d)以深灰色中層狀含燧石團塊泥質(zhì)灰?guī)r為主D1K980+906-D1K981+710

2.4 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水和基巖裂隙水等3類。其中松散巖類孔隙水少量分布。基巖裂隙水主要分布于非可溶巖地層中，其中峨眉山玄武巖的枯季徑流模數(shù)為0.73～1.8 l/s·km2，富水性屬中-弱；飛仙關(guān)組(T1f)的枯季徑流模數(shù)為0.94～2.73 l/s·km2、宣威組(P2xn)的枯季徑流模數(shù)0.94～2.73 l/s·km2，富水性均為弱，而梁山組(P1l)屬于隔水層。

碳酸鹽巖巖溶水可分為2個亞類，一是碳酸鹽巖裂隙溶洞水，賦存于棲霞組-茅口組巖性段和擺佐組-黃龍群-馬坪群巖性段，前者逕流模數(shù)為5.23～11.26 l/s·km2，地下水以管流為主，含水極不均一，富水性強-中。在無隔水層情況下，地下水以巖溶泉及暗河出口形式從河谷地帶排泄出地表。后者徑流模數(shù)3.3～4.72 l/s·km2，富水性強-中。二是碳酸巖鹽夾碎屑巖裂隙溶洞水，賦存于永寧鎮(zhèn)組(T1yn)和大塘組(C1d)，其中永寧鎮(zhèn)組(T1yn)的徑流模數(shù)3.8～8.3 l/s·km2，富水性強-中，大塘組的徑流模數(shù)0.71～0.8 l/s·km2，屬于富水性貧乏巖組。

隧址區(qū)為南盤江、北盤江分水嶺地區(qū)。大氣降水是地下水主要補給源，在可溶巖分布區(qū)，大氣降水通過落水洞、漏斗迅速落入地下，補給地下水。而非可溶巖地層區(qū)，大氣降水則沿巖石的裂隙或孔隙滲入地下。前期勘察經(jīng)調(diào)研論證認為，隧址區(qū)進口段地下水由南向北運移，出口段地下水由北向南運移，隧道洞身主要位于地下水水平循環(huán)帶內(nèi)。

3 隧道施工期可溶巖段涌水長期觀測

壁板坡隧道進口段平導(dǎo)與正洞左線線距約31 m，左線與右線線距0～84 m。在壁板坡隧道的平導(dǎo)和正洞施工過程中，陸續(xù)揭露了一系列出水點。施工期對這些出水點進行了系統(tǒng)的長期觀測，發(fā)現(xiàn)涌水點主要集中在平導(dǎo)進口段PDK978+460～PDK980+380和正洞左線的進口段D1K978+704～D1K981+640。下面以進口典型出水點的觀測數(shù)據(jù)為例分析出水特征。

2011年7月24日19時，平導(dǎo)開挖至PDK978+699時，掌子面右側(cè)邊墻揭露一裂隙型溶洞，溶洞沿N30°E/74°S陡傾節(jié)理發(fā)育，推測延伸至正洞左線里程D1K978+734處，左線開挖至此處時未揭露到。溶隙開口寬1.5 m、高4 m，充填棕黃色中細砂。細砂掉落后，目測高約12 m，橫向深4～5 m。溶隙中部有股狀出水。隧道正洞左線D1K978+701～+711于2011年12月8日～15日開挖完成，在D1K978+702處左側(cè)邊墻上部拱腰處揭露1#溶洞，在D1K978+704～+707.8段揭露2#溶洞，在D1K978+707.8處揭露3#溶洞。其中1#溶洞開口呈橢圓形，長2.5 m，寬1.5 m，斜向上發(fā)展，高2.5 m，無充填，無其他通道；2#溶洞在D1K978+704～+707.8段位于洞身范圍內(nèi)，被挖掉，在D1K978+707.8中心拱頂處沿層面斜上方發(fā)育，開口呈狹長型，環(huán)向長3.2 m，寬1.5 m，向上2～3 m后開始變窄，看不到頂；3#溶洞在在D1K978+707.8左側(cè)邊墻處，溶洞開口直徑約2 m，向上發(fā)展，深1 m，無充填。D1K978+702～+704開挖支護時間為2011年12月8日～15日，而D1K978+701～+711段二襯暫未施做，預(yù)留觀測。對該段涌水特征進行了長期觀測，動態(tài)變化特征見表2和圖2?？梢姡淼烙克c降雨關(guān)系密切，其中平導(dǎo)在大-暴雨當天約24 h內(nèi)達到出水峰值。而正洞左線在大-暴雨后約36 h內(nèi)達到出水峰值。在仔細對比了該段平導(dǎo)和正洞的涌水特征后發(fā)現(xiàn)，兩洞涌水點的通道并沒有直接貫通。

長期觀測中也發(fā)現(xiàn)，1#、3#溶洞開挖揭示至2014年6月份，未見有涌水情況。

4 隧道施工期間巖溶水涌水特征分析

4.1 巖溶水過水通道特征分析

壁板坡隧道過水通道大多發(fā)育在中-厚層灰?guī)r巖體中(棲霞組、茅口組灰?guī)r段)，在開挖揭露時大部分有出水。典型出水通道有：平導(dǎo)進口PDK978+460出水點為無充填寬張溶隙發(fā)育成為過水通道，開挖過程出水；平導(dǎo)進口PDK978+699過水通道充填中細砂；PDK980+372～+380出水點涌水夾有大量泥沙；左線D1K978+704出水點形成向上延伸橢圓形管道，局部充填中細砂及少量卵礫石；左線D1K980+004出水點為管道仰拱冒水；左線D1K980+770出水點為無充填溶隙出水；左線D1K981+580～+640出水點為斷層破碎帶內(nèi)，開挖過程無出水現(xiàn)象，雨季出水；D1K988+535出水點為過水通道仰拱冒水；D1K988+535出水點為過水通道出水，局部底部存在卵礫石。這些出水點的特征表現(xiàn)為溶隙局部無充填，存在水流沖刷過等過水痕跡，在平緩處充填砂黏土或中細砂，周邊均沒有石灰華等結(jié)晶體，形成過水通道的管道，一般向上延伸，看不到盡頭，洞底碎塊石磨圓度較好，大多為卵礫石。

表2 壁板坡隧道進口段的平導(dǎo)和正洞左線典型涌水點涌水動態(tài)特征表

圖2 壁板坡隧道進口段DK987+704 m處出水量與降雨量關(guān)系曲線

隧道進口段，地表河流切割強烈、地形陡峻，為溶蝕-侵蝕-構(gòu)造形態(tài)組合[3]。從地表至隧道洞身，表層巖溶強烈發(fā)育，巖體溶蝕破碎嚴重。根據(jù)洞身鉆孔(深孔)巖芯分析，可將垂向過水通道分為三段，第一段孔深0～125 m，為強烈溶蝕段，過水通道由眾多溶隙、落水洞及下部管道組成，地表水會快速入滲；第二段孔深125～205 m，少量溶洞與溶孔發(fā)育，過水通道由溶隙和管道組成，能形成全貫通式過水通道；第3段205 m至隧道洞身，巖溶弱發(fā)育，過水通道主要由管道和少量溶隙組成。本區(qū)新構(gòu)造運動特點是整體間歇性抬升，其分期大致對應(yīng)了過水通道這3段，第三段過水通道由于構(gòu)造穩(wěn)定期短，因而以垂向小通道為主，橫向聯(lián)系相對較弱。暴雨入滲至第二段全貫通式過水通道時，進口段受地形影響，在下滲的同時也向南側(cè)滲流。左側(cè)平導(dǎo)開挖，加大了第三段內(nèi)的巖溶水排泄，減小第二段側(cè)向滲流水頭，從而減少了右側(cè)正洞第三段過水通道的流量。施工期實際觀測顯示，平導(dǎo)在大-暴雨當天約24 h內(nèi)達到出水峰值，比正洞左線早約12 h；平導(dǎo)出水量是正洞左線的兩倍，右線無異常出水。

4.2 洞身所處巖溶水循環(huán)帶分析

在可溶巖段的9個出水點中，有7個在開挖過程有出水，其中有兩次仰拱冒水。施工時期出水點觀測，旱季出水量小，甚至斷流，雨季出水量大，而且出水口具一定壓力，出水量直接受降雨影響。2處仰拱冒水點，雨季出水口壓力增加，但出水量常年變化不大。由此判斷，隧道洞身位于水平流動帶上層，巖溶水在雨季潛水面上升時作水平運動，在枯季潛水面下降時作垂直運動[4]。

4.3 涌水量預(yù)測計算及修正

隧道洞身穿越的碳酸鹽巖段涌突水量采用水均衡原理的降水入滲系數(shù)法來預(yù)測計算。依據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10049-2004)中式B1.1.2計算正常隧道涌水量為Qs:

Qs=2.74a×W×A

Q=nQs

式中，Q為雨季最大涌水量(m3/d)；Qs為隧道正常涌水量(m3/d)；A為匯水面積(km2)，按隧道埋深、地形、地質(zhì)構(gòu)造、綜合因素考慮的隧道地下水匯水范圍；W為年平均降雨量；α為入滲系數(shù)，根據(jù)區(qū)域數(shù)據(jù)采用經(jīng)驗值。

雨季最大涌水量Q的計算結(jié)果是指隧道在雨季施工時的最大可能涌水量，按正常涌水量的n倍估算，估算隧道正常涌水量為93 800 m3/d，最大涌水量為320 600 m3/d。該隧道從人字坡分開，估算結(jié)果為進口最大涌水量189 900 m3/d，出口段最大涌水量130 700 m3/d。根據(jù)施工期間觀測，2014年9月17～18日進口段隧區(qū)遇近20 a最大降雨量為169.1 mm，最大涌水量為189 608 m3/d；出口段2014年最大降雨量為64.2 mm，最大涌水量為3 110.4 m3/d，根據(jù)收集當?shù)刈罱?0 a氣象資料，日最大降雨量為147.3 mm，以此推算，隧道出口段最大涌水量為7 136 m3/d。采用水均衡原理的降水入滲系數(shù)法來預(yù)測計算，隧道總涌水量相差較大，但隧道進口預(yù)測計算與施工期間實際最大涌水量基本一致，相差0.154%。按水均衡原理的降水入滲系數(shù)法來預(yù)測計算的正常涌水量不變Qs=93 800 m3/d，隧道進出口地區(qū)同時達到最近20 a最大日降雨量，該隧道實際最大涌水量為196 744 m3/d。所以，由正常涌水量估算最大涌水量的估算參數(shù)n≈2.1。

其他估算方法，如用地下水徑流模數(shù)法計算得到的隧道正常涌水量為42 447 m3/d，最大涌水量為63 670 m3/d，與實際相差較大。根據(jù)相鄰工程盤西線的勝景關(guān)隧道采用均衡法預(yù)測最大涌水量為95 510 m3/d，施工期間實際涌水量為92 000 m3/d；平關(guān)隧道預(yù)測最大涌水量為113 100 m3/d，施工期間實際涌水量為108 600 m3/d，估算結(jié)果與實際涌水量較接近。

所以，采用水均衡原理的降水入滲系數(shù)法來預(yù)測計算隧道洞身穿越的碳酸鹽巖段總涌突水量的方法是適用的，關(guān)鍵是由正常涌水量估算最大涌水量的估算參數(shù)n的取值。參數(shù)n主要與巖溶水通道大小形狀、過水坡度、隧道洞身所處的地下水循環(huán)帶位置、隧區(qū)地下水分水嶺和溶蝕基準面等有關(guān)。壁板坡隧道根據(jù)實際涌水量進行反算，應(yīng)取值n=2.1。

5 結(jié)論

壁板坡特長隧道是上海至昆明(滬昆)鐵路客運專線的控制性工程之一，全長約14.8 km，隧道穿越的可溶巖段累計長度10 143 m，占隧道總長的68.53%。隧道可溶巖段涌水特征分析是支護工程設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。施工期間對可溶巖段涌水特征進行了長期的系統(tǒng)觀測，基于現(xiàn)場前期勘察、施工期地質(zhì)調(diào)查和涌水觀測成果，對壁板坡隧道施工期可溶巖段涌水特征進行了系統(tǒng)分析，主要取得如下認識：

(1) 隧址區(qū)碳酸鹽巖類可溶巖發(fā)育，在長期地質(zhì)演化過程中，過水通道隨深度不同，垂直分帶特征顯著，根據(jù)鉆探，0～125 m深，為強烈溶蝕段；125～205 m深，溶洞與溶孔發(fā)育，形成全貫通式過水通道；205 m至隧道洞身，過水通道主要由管道和少量溶隙組成，過水通道相對獨立，該段橫向聯(lián)系相對較弱，沒有相互貫通形成暗河。

(2) 隧洞進口段出水點特征分析及涌水觀測表明，左側(cè)平導(dǎo)出水點與正洞左線出水點的直接水力聯(lián)系弱；隧洞涌水與降雨關(guān)系密切，但平導(dǎo)在大-暴雨當天約24 h內(nèi)達到出水峰值，而正洞左線則需要36 h；平導(dǎo)出水量是正洞左線的兩倍，平導(dǎo)排水效應(yīng)較明顯。隧道洞身位于地下水水平流動帶上層。

(3) 采用水均衡原理的降水入滲系數(shù)法來預(yù)測計算隧道洞身穿越的碳酸鹽巖段總涌突水量的方法是適用的，本工程由正常涌水量估算最大涌水量的估算參數(shù)n≈2.1。

(4) 巖溶隧道施工期間應(yīng)根據(jù)出水情況和溶洞(縫)延伸、充填情況及其中夾泥、砂和卵礫石、沖刷痕跡、沒有石灰華等過水通道特征，判定巖溶水危害與否，決定隧道施工下一個工序。

(在此文完成過程中得到中鐵二院工程集團有限責任公司壁板坡隧道勘察小組成員喻洪平高工、徐學淵高工、劉熙高工、張營旭工程師等；成都理工大學地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境保護國家重點實驗室許模教授、張強教授等；中鐵五局四、五公司曾鵬高工、陳明高工、彭亮亮工程師和王鐵山工程師等人的幫助，在此表示衷心的感謝！)

[1] 徐學淵,屈科．壁板坡隧道巖溶水系統(tǒng)地下分水嶺確定及平導(dǎo)位置研究[J].西南交通大學學報，2012,(增刊3):0258-2724．

[2] 中鐵二院工程集團有限責任公司.長昆線盤縣至曲靖段壁板坡隧道工程地質(zhì)說明書[R].成都:中鐵二院工程集團有限責任公司檔案館，2011．

[3] 鐵道部第二勘測設(shè)計院.巖溶工程地質(zhì)[M].北京：中國中鐵出版社，1984．

[4] 張倬元，王士天，王蘭生．工程地質(zhì)分析原理[M]．北京：地質(zhì)出版社,1994.