巖溶區(qū)某擬建隧道的地下水災(zāi)害評(píng)價(jià)

路曉光，王慶林，張肆紅

（1.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局川東南地質(zhì)大隊(duì)，重慶400038；2.云南建投博昕工程建設(shè)中心試驗(yàn)有限公司，云南 昆明650217）

0 引言

在我國(guó)，巖溶是一種分布較廣的不良地質(zhì)，占國(guó)土面積的1/3以上[1]，已成為巖溶地區(qū)地下工程建設(shè)面臨的主要地質(zhì)問(wèn)題。隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，在巖溶地區(qū)進(jìn)行了大量隧道工程建設(shè)，在施工時(shí)遭遇了各種巖溶地質(zhì)災(zāi)害的侵?jǐn)_，給國(guó)民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)80%的巖溶隧道施工時(shí)遭遇過(guò)水害，至今仍有30%的隧道處于地下水的威脅中[2]。我國(guó)已建長(zhǎng)隧道（長(zhǎng)度大于3 km）中，41.27%在修建過(guò)程中遭到了地下水的危害，產(chǎn)生了隧道涌突水、巖溶塌陷等地下水環(huán)境問(wèn)題[3]。因此，巖溶地區(qū)隧址區(qū)水文地質(zhì)條件調(diào)查和地下水災(zāi)害評(píng)價(jià)具有重要的意義。本文基于重慶市某地區(qū)巖溶區(qū)隧道工程背景，研究該區(qū)域巖溶發(fā)育特征及其影響因素，探討區(qū)域水文地質(zhì)條件并進(jìn)行地下水災(zāi)害評(píng)價(jià)。

1 工程及隧址區(qū)概況

1.1 工程概況

為緩解重慶市黔江區(qū)老城區(qū)交通壓力，加快城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程，擬修建桐坪隧道。擬建隧道設(shè)計(jì)起點(diǎn)位處于黔江區(qū)城南街道南溝社區(qū)南青路，設(shè)計(jì)終點(diǎn)位于黔江區(qū)正陽(yáng)街道桐坪村正舟路，連接桐坪路，為城市主干路，設(shè)計(jì)速度為50 km/h，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度為26.5/14.25 m（單洞），雙向四車(chē)道，道路左線長(zhǎng)3350.881 m，右線長(zhǎng)3342.725 m。其中左線隧道設(shè)計(jì)范圍為ZK0+170～ZK3+300，隧道長(zhǎng)3130 m，右線隧道設(shè)計(jì)范圍為YK0+200～YK3+295，隧道長(zhǎng)3095 m。道路最小圓曲線半徑為1300 m，最大縱坡為2.8%。

1.2 隧址區(qū)構(gòu)造

黔江區(qū)地處四川盆地盆周山地區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，屬新華夏構(gòu)造體系，北北東方向展布褶皺及伴生斷裂明顯。褶皺有咸豐背斜、濯河壩—大集場(chǎng)向斜、筲箕灘背斜、桑柘坪向斜、郁山背斜、普子向斜、馬槽壩向斜、老廠坪背斜、金鈴壩背斜和石柱向斜。斷層有馬喇湖—咸豐正斷層、龍?zhí)秹握龜鄬?、大水坪正斷層、郁山正斷層、龍咀河正斷層、馬武正斷層、三岔溪正斷層。出露巖層以元古界震旦系白云巖為基底，到白堊系為止，接受了厚達(dá)數(shù)千米的巨厚沉積巖系的淀積。隧址區(qū)出露的地層從老到新主要為志留系上統(tǒng)羅惹坪組～三疊系下統(tǒng)嘉陵江組的一套碳酸鹽巖類(lèi)及碎屑巖類(lèi)地層，巖性主要以可溶性碳酸鹽為主。

隧址區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上位于濯河壩～大集場(chǎng)緊束向斜的北西翼，以及濯河壩向斜與次級(jí)構(gòu)造黔江向、背斜的共同轉(zhuǎn)折部位，出口處位于肖箕灘斷裂帶的影響帶，受褶鄒構(gòu)造和斷層構(gòu)造的影響，巖層大多單斜陡立，層間錯(cuò)動(dòng)局部很發(fā)育。巖層產(chǎn)狀在碳酸巖分布區(qū)一般為98°～130°∠56°～82°，在碎屑分布區(qū)一般為90°～122°∠29°～56°，往進(jìn)洞口方向漸轉(zhuǎn)變?yōu)?02°～310°∠8°～28°。

1.3 巖溶發(fā)育的形態(tài)

隧址及鄰近區(qū)域可溶巖由三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）、三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、二疊系上統(tǒng)、下統(tǒng)地層、以及泥盆系水車(chē)坪組（D3s）泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖組成。其中三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）二、四段含較多的鹽溶角礫巖、膏鹽角礫巖，極易被溶蝕，同時(shí)受區(qū)域沉積環(huán)境影響，出露于所有巖層表面，是調(diào)查區(qū)內(nèi)巖溶化最高的可溶巖。嘉陵江組（T1j）一、三段與二疊系灰?guī)r質(zhì)純、單層厚度大，為巖溶次發(fā)育層位。而三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r單層厚度較薄，夾較多泥質(zhì)夾層與白云巖，巖溶相對(duì)中等發(fā)育。區(qū)域上表現(xiàn)為以垂直分布為主的間歇性上升，受長(zhǎng)期溶蝕和侵蝕作用，形成了較為豐富的地表、地下巖溶形態(tài)。主要有溶溝、溶槽、落水洞、溶洞、巖溶洼地、暗河，其中比較大的巖溶洼地有8個(gè)，落水洞10個(gè)，溶洞1個(gè)，以及暗河1條（見(jiàn)圖 1）。

圖1 隧址區(qū)典型巖溶形態(tài)

2 巖溶發(fā)育規(guī)律

2.1 巖溶發(fā)育的呈層性

調(diào)查區(qū)的主要巖溶形態(tài)是在區(qū)域間歇性抬升運(yùn)動(dòng)和巖溶發(fā)育的產(chǎn)物。特別是第四系以來(lái)由于地殼處于間歇性上升，使槽谷不斷發(fā)育分化，不同形態(tài)類(lèi)型的差異日益顯著，相互高差日益增大。地殼抬升時(shí)期，巖溶水以豎向的溶蝕、侵蝕作用為主，地表向垂直方向發(fā)展，從而在可溶巖分布區(qū)域地面形成豎向的巖溶形態(tài)，主要表現(xiàn)為漏斗、落水洞及天窗等。地殼相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期，巖溶水以側(cè)向溶蝕、侵蝕作用為主，地表向夷平方向發(fā)展，形成各級(jí)剝夷面，在可溶巖分布區(qū)域形成水平洞隙，主要表現(xiàn)為溶洞和暗河管道。

2.2 巖溶發(fā)育的順層性

通過(guò)對(duì)調(diào)查區(qū)的調(diào)查，控制本區(qū)的巖溶發(fā)育的主要因素是南西北東走向的地質(zhì)構(gòu)造，以及這種構(gòu)造條件下的巖性條帶狀展布。調(diào)查區(qū)地層呈層狀，局部含隔水層相間產(chǎn)出，相鄰地層巖體巖溶化特征、規(guī)律存在差異，從平面圖上看，區(qū)內(nèi)巖溶漏斗、落水洞串珠狀延伸方向與巖層走向方向基本相同，暗河發(fā)育方向亦與巖層走向基本相同。

2.3 巖溶發(fā)育的不均勻性

受諸多因素控制，巖溶在巖體內(nèi)的發(fā)育是不均勻的，甚至是極不均勻的，即巖溶化程度是不同的。也就是說(shuō)，在有利的部位可形成規(guī)模較大的地下廓道式洞穴，在不利的部位僅有溶隙或小溶孔發(fā)育。

2.4 巖溶發(fā)育的垂直分帶性

由于本區(qū)地殼呈大面積間歇性上升，使得巖溶發(fā)育的速率小于地殼上升的速度。這就造成巖溶發(fā)育隨深度的增加而減弱的大格局。在近地表地帶，巖溶水交替循環(huán)劇烈，巖溶十分發(fā)育，巖溶洞隙規(guī)模大、數(shù)量多。而在地下深處，地下水交替運(yùn)動(dòng)十分緩慢，僅發(fā)育一些溶孔和小溶隙。故形成了巖溶發(fā)育的垂直分帶特征。

2.5 巖溶發(fā)育的向深性

巖溶發(fā)育的“向深性”就是巖溶作用急劇向地球深處發(fā)育的特性。這是裸露型巖溶巖石地區(qū)巖溶發(fā)育的主要特性之一。在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，地殼呈大面積間隙性上升之中，侵蝕基準(zhǔn)面和溶蝕基準(zhǔn)面則隨之急劇下切，形成高山峽谷巖溶地貌。地下水為適應(yīng)不斷下降的排泄基準(zhǔn)面，隨之向深處徑流，包氣帶也隨之不斷加厚。表現(xiàn)在中高山嵌巖溶洼地、洼地底部套生著漏斗，漏斗底部又發(fā)育著深達(dá)數(shù)十米至幾十米的落水洞，落水洞末端又與地下河相連。區(qū)內(nèi)落水洞、漏水洞分別深達(dá)幾十米，就是這一特性的典型，說(shuō)明了巖溶發(fā)育的繼承性和向深性特點(diǎn)。同時(shí)，部分地下河或巖溶泉的洞穴管道為適應(yīng)不同時(shí)期的侵蝕基準(zhǔn)面而導(dǎo)致洞穴的多層性。也是巖溶發(fā)育向深性的真實(shí)反映。垂向洞隙的向深發(fā)育，是造成區(qū)內(nèi)地下水深埋的根本原因。

2.6 巖溶發(fā)育的多系統(tǒng)性

區(qū)域上，碳酸鹽巖地層在時(shí)空分布上的不一致性，造成巖溶發(fā)育的多系統(tǒng)性。區(qū)內(nèi)巖溶主要位于二疊系中統(tǒng)與下統(tǒng)這兩大套碳酸鹽巖地層中，三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、志留系（S）、泥盆系（D）夾較多泥質(zhì)物形成不透水層而形成可溶巖相對(duì)分隔狀態(tài)。

3 區(qū)域水文地質(zhì)條件

隧址及鄰近區(qū)因巖溶作用形成較多的落水洞、洼地、槽谷，并有地下暗河分布，桐坪隧道可溶分布段無(wú)大的地表水體分布，降水主要沿裂隙、落水洞、漏斗等匯入巖溶管道及暗河排泄。區(qū)內(nèi)有暗河出口、泉點(diǎn)及煤礦共計(jì)18處，調(diào)查期間，出口、泉點(diǎn)的流量在0.1 L/s～35 L/s之間。

區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型為松散巖類(lèi)孔隙水、碎屑巖類(lèi)裂隙水、可溶性巖類(lèi)溶洞溶隙水。其中調(diào)查區(qū)以可溶性巖類(lèi)溶洞溶隙水為主。棲霞組、茅口組及大冶組地層的石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，為該區(qū)主要巖溶含水巖組。該組巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，其中暗河、溶洞強(qiáng)烈發(fā)育。該含水巖組地下水含量豐富，對(duì)隧道影響及危害程度大，為強(qiáng)富水區(qū)。在施工過(guò)程中存在涌水、突泥和塌方的可能。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受自然環(huán)境影響較大，只有實(shí)際種植才能真正反映出種植技術(shù)的作用。首先，為了提高小麥抗逆穩(wěn)產(chǎn)高品質(zhì)栽培技術(shù)的知名度，和江蘇省農(nóng)委作栽站合作，在江蘇省糧食高產(chǎn)創(chuàng)建工程中進(jìn)行示范推廣。其次，和江蘇省農(nóng)墾局達(dá)成合作，充分發(fā)揮農(nóng)墾局下屬農(nóng)場(chǎng)稻麥生產(chǎn)現(xiàn)代化的優(yōu)勢(shì)條件，展示小麥增產(chǎn)抗倒伏新技術(shù)，起到了示范效應(yīng)。再次，適應(yīng)當(dāng)下農(nóng)村新型種糧主體調(diào)整的現(xiàn)狀，探索在種糧大戶(hù)、家庭農(nóng)場(chǎng)和合作社等3者之間開(kāi)展新技術(shù)培訓(xùn)和示范推廣的新模式、新途徑，進(jìn)行了一些試驗(yàn)。

根據(jù)采取的水樣水質(zhì)試驗(yàn)分析結(jié)果，按環(huán)境類(lèi)型評(píng)價(jià)，該區(qū)為Ⅱ類(lèi)環(huán)境SO42-、Mg2+、總礦化度對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)均有微腐蝕性；按地層滲透性評(píng)價(jià)，在B類(lèi)條件下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有微腐蝕性（pH值為微腐蝕性，侵蝕性CO2為微腐蝕性）。

4 地下水災(zāi)害評(píng)價(jià)

4.1 隧道涌水量評(píng)價(jià)

隧道的涌水預(yù)測(cè)是長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)困擾生產(chǎn)實(shí)踐的難題，在巖溶地區(qū)尤其如此。對(duì)于條件復(fù)雜的深埋長(zhǎng)隧道涌水量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低，其原因主要是：（1）巖溶地下水賦存極不均衡，主要呈獨(dú)立的管道流，無(wú)統(tǒng)一的地下水潛水面，所以，很難確定隧道內(nèi)確切涌水部位及水量的大??；（2）調(diào)查區(qū)域有限及勘察精度不夠，又無(wú)動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料及試驗(yàn)資料較少，不能準(zhǔn)確地描述地質(zhì)條件及水動(dòng)力場(chǎng)特征；（3）合理的計(jì)算方法和參數(shù)難以確定。

本工程水文地質(zhì)區(qū)為山脊富水帶，選用大氣降雨入滲系數(shù)法、地下徑流模數(shù)法分別計(jì)算擬建隧道穿越可溶巖段及非可溶性地層的地下水涌水量。

4.1.1 大氣降水入滲法

大氣降水入滲法計(jì)算公式見(jiàn)式（1）：

式中：Q為隧道涌水量，m3/d；α為降水入滲系數(shù)；W為年平均降雨量，根據(jù)氣象資料該地區(qū)多年平均降雨量1200.3 mm；A為隧道通過(guò)含水體地段的集水面積。

根據(jù)黔江幅水文地質(zhì)資料，擬建場(chǎng)地巖性入滲系數(shù)α取值：碎屑巖：0.01-0.1；碎屑巖（背斜、向斜）：0.05～0.2；碳酸鹽（T1-P2）：0.3～0.8。大氣降水滲入法計(jì)算隧道涌水量見(jiàn)表1。

表1 涌水量計(jì)算表（大氣降水入滲法）

需要注意的是，這里計(jì)算是常規(guī)隧道施工方法(鉆爆法)情況下對(duì)單洞涌水量的預(yù)測(cè)。本隧道為雙線隧道，所提供的涌水量為兩隧洞的總涌水量。若兩洞同時(shí)施工，單洞涌水量約為總涌水量的二分之一，若不同時(shí)施工則其涌水量不能按總涌水量的二分之一考慮。

另外，隧道涌水量計(jì)算是假設(shè)含水巖層是均質(zhì)體，但實(shí)際上含水巖層極不均一，而且采用了封堵措施后地下水徑流將變得更加復(fù)雜化，降雨后涌水量大增的情況必須引起高度重視。因此，在施工中遇到突發(fā)涌水、大量涌水等特別情況時(shí)其設(shè)計(jì)封堵措施不應(yīng)受上述計(jì)算的限制。

4.1.2 地下徑流模數(shù)法

地下徑流模數(shù)法計(jì)算公式見(jiàn)式（2）：

式中：Q 為地下徑流量，m3/d；M 為地下徑流模數(shù)，L/（s·km2）；F為含水層出露面積，km2，在1∶10000水文地質(zhì)圖上CAD直接量測(cè)。

計(jì)算選用地下水徑流模數(shù)值參考區(qū)域水文地質(zhì)報(bào)告(黔江幅)，不同的地層巖性、富水性及巖溶發(fā)育程度時(shí)枯季徑流模數(shù)的取值和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 隧道涌水量預(yù)測(cè)表（地下徑流模數(shù)法）

同上，可得則平水期和豐水期涌水量分別為5946.56 m3/d和8919.84 m3/d。

4.1.3 計(jì)算結(jié)果評(píng)述

根據(jù)上述計(jì)算成果，發(fā)現(xiàn)以上兩種計(jì)算方法所得出的結(jié)果相差較大，大氣降水入滲法得到的涌水量為地下徑流模數(shù)法的2.7倍。其原因在于大氣降水入滲法給出的是任意條件下進(jìn)入施工地段的總的可能涌水量，地下水徑流模數(shù)法則是根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告（黔江幅），不同的地層巖性、富水性及巖溶發(fā)育程度選用不同的枯季徑流模數(shù)值，再根據(jù)隧道的匯水面積確定的宏觀、概率的隧道涌水量預(yù)測(cè)值[7]。根據(jù)場(chǎng)區(qū)的巖溶發(fā)育特征和水文地質(zhì)條件，考慮到隧道施工用水的突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，建議采用最大涌水量，即全隧道枯期、平水期和豐水期涌水量分別為16069.52 m3/d、32139.04 m3/d和48208.56 m3/d。

4.2 主要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題

（1）隧道是一種較大規(guī)模的地下工程，根據(jù)建設(shè)設(shè)計(jì)方案，本隧道工程施工建設(shè)橫穿區(qū)內(nèi)多個(gè)含水層，由于地下水滲流影響，隧道開(kāi)挖過(guò)程中將會(huì)有大量地下水涌入，隧道的長(zhǎng)期排水將導(dǎo)致地下水位下降，并逐步擴(kuò)大形成地下水疏干區(qū)。

（2）隧道水主要來(lái)源于含水層中的疏干水量和地表水的補(bǔ)給，當(dāng)排泄達(dá)到一定的規(guī)模時(shí)，則會(huì)形成地下水降落漏斗，隨著漏斗的滲透能力越來(lái)越強(qiáng)，促使大量地表水滲入地下，從而導(dǎo)致地表的泉點(diǎn)、水井、水庫(kù)和堰塘等的干枯，溪溝斷流等現(xiàn)象的發(fā)生，會(huì)嚴(yán)重影響隧道沿線村民的生產(chǎn)生活。

（3）隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢水的排放將會(huì)對(duì)該地區(qū)地表水造成污染，其來(lái)源為隧道開(kāi)挖過(guò)程中鉆渣混合天然涌水形成的泥漿，其次為隧道施工的爆破、施工機(jī)械設(shè)備的油污滲漏均會(huì)對(duì)天然涌水的水質(zhì)造成污染，另外還有施工人員生活產(chǎn)生的垃圾、生活廢水及糞便污水等。

（4）隧道在施工中放炮將產(chǎn)生劇烈的震動(dòng)波，地下震動(dòng)產(chǎn)生的氣壓和液壓的沖擊，破壞性大，可導(dǎo)致深部巖溶管道與淺部巖溶管道聯(lián)通。另外大量的地下水排泄，使得地下水位迅速下降，淺部的豎向巖溶管道中的土體由于潛蝕作用和真空吸蝕，巖溶洞隙充填物又不斷地被地下水帶走，其下部形成空洞，土體在重力作用下，地表出現(xiàn)拉裂縫、下沉跡象，最終形成塌陷。

（5）在擬建隧道沿線有已關(guān)閉的黔江區(qū)龍橋煤礦分布，礦山老采空區(qū)開(kāi)采標(biāo)高為640 m～830 m，此處隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高約為577 m。在隧道開(kāi)挖過(guò)程應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)預(yù)報(bào)，防止隧道施工時(shí)產(chǎn)生塌陷，避免在隧道開(kāi)挖時(shí)形成突水。

5 結(jié)論

（1）對(duì)隧址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析，總結(jié)出該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和地形地貌特征對(duì)巖溶發(fā)育的影響方式。

（2）采用大氣降水入滲法和地下徑流模數(shù)法分別計(jì)算隧道涌水量，發(fā)現(xiàn)前者得到的結(jié)果為后者的2.7倍。分析兩種方法所得結(jié)果差異的原因；根據(jù)場(chǎng)區(qū)的巖溶發(fā)育特征和水文地質(zhì)條件并考慮到隧道施工用水的突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，建議采用大氣降水入滲法。

（3）隧道工程中可能遇到隧道開(kāi)挖形成較大的集水廊道造成隧道兩側(cè)較大范圍內(nèi)的水源枯竭、巖溶塌陷，隧道涌水及施工過(guò)程中的廢水、廢渣外排污染問(wèn)題，針對(duì)以上環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了分析。