安六鐵路巖腳隧道巖溶水分析及整治方案研究

周關(guān)學(xué)， 李 峰， 曾 誠(chéng)

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

隧道涌水是隧道施工中，圍巖含水層的地下水在水頭壓力和其他壓力綜合作用下，克服了隔水層、斷層以及裂隙等阻力，以突然方式從隧道洞室周邊涌入坑道內(nèi)的工程地質(zhì)現(xiàn)象，隧道涌水中常攜帶大量泥沙及卵石層，隧道涌水是巖溶地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害[1]。巖溶隧道的涌水主要與地下巖溶管道及巖溶水發(fā)育程度密切相關(guān)，還突出表現(xiàn)為受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地貌的控制，背斜軸部巖溶發(fā)育，兩翼深切溝谷內(nèi)由可溶巖與非可溶巖的接觸帶有巖溶管道水的露頭及暗河出口，溶洞、地下暗河、巖溶大泉發(fā)育[2]。地質(zhì)勘查要充分分析水文地質(zhì)條件，采用多種方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道涌水量，線路選線應(yīng)避開巖溶水富集地帶，可盡量拔高線路標(biāo)高，隧道縱坡設(shè)計(jì)呈人字坡。

1 工程地質(zhì)水文地質(zhì)概況

1.1 工程概況

安六鐵路東接滬昆客運(yùn)專線安順西站，向西經(jīng)六盤水市的六枝特區(qū)，于六盤水樞紐水城站接軌后利用既有滬昆鐵路至六盤水站，運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度124.65km，設(shè)計(jì)速度250km/h，是六盤水市至貴陽(yáng)市的快速通道。巖腳隧道全長(zhǎng)2 407m，進(jìn)口以i=16.000‰上坡，出口以i=-3.000‰下坡，隧道最大埋深約220m。巖腳隧道縱斷面見圖1。

圖1 巖腳隧道縱斷面

1.2 工程地質(zhì)特征

1.2.1 地層巖性

本隧道穿過(guò)三疊系(T)和二疊系(P)地層，進(jìn)口段為大隆組(P2d)、長(zhǎng)興組(P2c)和龍?zhí)督M(P2l)等含煤地層，出口段為大冶組(T1d)、夜郎組(T1y)、永寧鎮(zhèn)組(T1yn)的碳酸鹽地層(圖1)。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

大地構(gòu)造屬于揚(yáng)子地臺(tái)之滇黔鄂臺(tái)褶皺帶，處于南丹-紫云-水城斷裂帶上。巖腳隧道位于大煤山背斜南翼和六枝向斜北翼，巖層產(chǎn)狀N25 °～45 °W/25 °～35 °SW,兩組張性節(jié)理N10 °～50 °E/90 °和N50 °～65 °W/90 °在一定的巖溶化作用形成巖溶裂隙及巖溶管道，其中N10 °～50 °E/90 °控制地下水流向。

1.3 水文地質(zhì)特征

1.3.1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)位于長(zhǎng)江水系與珠江水系的分水嶺地帶，南北兩側(cè)分屬不同的水文地質(zhì)單元，地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致[3]。在分水嶺北部, 地下水流向北及北東方向，排向?yàn)踅荒喜?，地下水流向南及南東方向,排向北盤江。隧道進(jìn)口屬于長(zhǎng)江流域?yàn)踅?，出口屬于珠江流域北盤江水系。

1.3.2 巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄

地下水類型為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水，巖溶水豐富。大煤山背斜軸部為中低山，兩翼為低洼溶蝕槽谷，地下水由軸部向兩翼分流，形成較為完整的補(bǔ)給、徑流、排泄空間分布。背斜軸部為煤系地層的地下水補(bǔ)給區(qū)，地表水主要靠大氣降雨補(bǔ)給，地表溝水在可溶巖與非可溶巖分界線形成斷頭溝、落水洞[2]，地表水以洼地、落水洞、溶腔、裂隙匯入巖層，補(bǔ)給地下形成地下水；背斜兩翼碳酸鹽地層為地下水徑流區(qū)，在新構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，張性節(jié)理裂隙處于拉張狀態(tài)，對(duì)地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移創(chuàng)造了有利條件，地下水在深部巖溶水以網(wǎng)絡(luò)狀巖溶裂隙管道、暗河等運(yùn)移，背斜兩側(cè)深切溝谷內(nèi)由可溶巖與非可溶巖地層的接觸地帶有巖溶管道水露頭及暗河出口，溶洞、地下暗河、巖溶大泉發(fā)育，隧道區(qū)巖溶水補(bǔ)給、徑流、排泄與隧道關(guān)系見圖2。

圖2 隧道區(qū)巖溶水補(bǔ)給、徑流、排泄與隧道關(guān)系

2 施工揭示溶洞及水害特征

2016年11月12日～2016年12月3日，隧道出口工區(qū)于DK32+396～DK32+343段揭示溶洞，溶洞出現(xiàn)涌水，涌水成瀑布形，水質(zhì)渾濁，摻雜黑色淤泥夾砂卵石，隧道掌子面揭示溶洞及出水點(diǎn)見圖3。

圖3 隧道掌子面揭示溶洞及出水點(diǎn)平面示意

2.1 DK32+396 3#出水點(diǎn)揭示溶洞

隧道出口工區(qū)施工至DK32+396，在掌子面線路中線軌面以上約5.5m處裂隙有水涌出，涌水呈黃色、渾濁狀，摻雜泥沙，涌水量為1 312m3/d，涌出泥砂100m3/d。

2.2 DK32+379 4#出水點(diǎn)揭示溶洞

隧道出口工區(qū)施工至DK32+379，在掌子面線路左側(cè)軌面以上約5.5m處有一溶洞，溶洞高約1.5m，寬約1m，溶洞有水涌出，涌水量為1 400m3/d，涌出泥砂約120m3/d。

2.3 DK32+360 2#出水點(diǎn)揭示溶洞

隧道出口工區(qū)施工至DK32+360，在掌子面線路左側(cè)軌面以上約5m有一溶洞，溶洞高約1.5m，寬約1.5m，斜向上發(fā)育，溶洞有水涌出，涌水渾濁狀，摻雜黑色淤泥夾卵石，卵石磨圓度好,石質(zhì)較雜以砂巖為主，涌水量約1 800m3/d，涌出泥砂約180m3/d。

2.4 DK32+353 6#出水點(diǎn)揭示溶洞

隧道出口工區(qū)施工至DK32+353，在掌子面出現(xiàn)4個(gè)溶洞，溶洞位置見圖4。1#、2#位于線路左側(cè)軌面以上約5m，3#溶洞位于掌子面中線軌面以上約6m位置，4#溶洞位于掌子面右側(cè)軌面以上約4m位置， 2#、4#溶洞分別有水涌出，涌水渾濁狀，摻雜泥卵石，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)出2#溶洞涌水量約2 300m3/d, 4#溶洞涌水量約500m3/d，2#、4#溶洞涌泥砂量約380m3/d。

圖4 DK32+353掌子面溶洞位置

2.5 DK32+346 5#出水點(diǎn)揭示溶洞

隧道出口工區(qū)施工至DK32+346，在掌子面出現(xiàn)2個(gè)溶洞，溶洞位置見圖5。1#溶洞位于掌子面線路右側(cè)上臺(tái)階中部，為出水暗河通道，環(huán)向?qū)挾燃s2.5m，縱向長(zhǎng)度約3m,可見深度約30m，并向右上方發(fā)育，溶洞有水涌出，成瀑布形，水質(zhì)渾濁，摻雜黑色淤泥夾砂卵石，卵石磨圓度好，石質(zhì)為砂巖，卵石直徑為5～10cm，涌水量約4 200m3/d，涌泥砂量為300m3/d；2#溶洞位于掌子面線路左側(cè)上臺(tái)階底部，為原暗河出水通道，現(xiàn)無(wú)水涌出，無(wú)來(lái)水通道，已轉(zhuǎn)向線右側(cè)溶洞涌出，環(huán)向?qū)挾?～5m，縱向4～5m，可見深度約10m。2016年12月4日核查后，1#溶洞在DK32+343發(fā)現(xiàn)在拱頂連通，邊墻處向外寬度約7m，溶洞頂與拱頂高差約13.5m。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，DK32+396～DK32+343段拱頂揭示的多個(gè)溶洞，最終出水點(diǎn)位置為：1#溶洞出水點(diǎn)里程為DK32+343線路右側(cè)拱腳處；2#溶洞出水點(diǎn)里程為DK32+360線路左側(cè)拱腳處。

圖5 DK32+346掌子面溶洞位置

3 巖溶水分析及隧道涌水量計(jì)算

3.1 巖溶水分析

經(jīng)水文地質(zhì)分析：2018年6月9日，于DK31+936右側(cè)158m暗河入口處投入谷殼介質(zhì)和海綿顆粒介質(zhì)進(jìn)行連通試驗(yàn)，經(jīng)幾小時(shí)后于DK32+343線路右側(cè)拱腳涌水處出現(xiàn)投入的谷殼介質(zhì)和海綿顆粒介質(zhì)，DK32+396～DK32+343段隧道揭示溶洞涌出砂卵石層與爛泥箐至黑曬暗河上游明流段溝底的砂卵石層粒徑及成分一致，分析隧道揭穿了爛泥箐至黑曬暗河。

DK32+396～DK32+343段隧道揭示的溶洞及涌水、涌砂卵石段穿越爛泥箐-黑曬暗河下方約60m，該暗河與線路夾角約36 °，隧道掌子面沿暗河揭示有多個(gè)溶洞，溶洞內(nèi)均出現(xiàn)涌水、涌砂卵石，地下水沿節(jié)理N124 °E/90 °巖溶化作用形成的溶洞、巖溶裂隙及巖溶管道徑流。該地下暗河入口位于DK31+936右側(cè)158m處的封閉洼地內(nèi)(編號(hào)為1#洼地)，洼地長(zhǎng)約210m，寬約140m，暗河入口標(biāo)高1 481m，暗河入口上游為煤系地層的明流段，明流段地表水溝長(zhǎng)約1km，該洼地匯水面積1.17km2，水溝底部可見砂卵層；暗河向南徑流，穿越2#封閉洼地，2#洼地位于線路DK32+426左側(cè)131m處，洼地長(zhǎng)約250m，寬約100m，洼地底部標(biāo)高1 439m，該洼地匯水面積0.47km2，暗河繼續(xù)向南徑流，穿越一線洼地后于大用鎮(zhèn)黑曬村溝底出露，暗河出口標(biāo)高1 318m。爛泥箐-黑曬暗河總長(zhǎng)度3 295m。

涌水點(diǎn)分析：DK32+343線路右側(cè)拱腳處出現(xiàn)涌水、涌砂卵石，是暗河DK31+936右側(cè)158m的1#封閉洼地匯聚的地表水向南徑流于此處形成；DK32+360線路左側(cè)拱腳處出現(xiàn)涌水，是暗河DK32+426左側(cè)131m的2#封閉洼地匯聚的地表水經(jīng)暗河回流于此處形成。

3.2 隧道涌水量計(jì)算

經(jīng)過(guò)分析，選用洼地法及井泉補(bǔ)給法計(jì)算隧道涌水量。

3.2.1 洼地法

洼地法計(jì)算隧道涌水量公式：

Q=F×X×(1/T)×0.1)×0.6×α(m3/d)

式中：F為洼地地表匯水面積(km2)；X測(cè)區(qū)日最大降雨量(mm)；T為洼地等效消水天數(shù)；α為降雨入滲系數(shù)；隧道采用參數(shù)及涌水量計(jì)算見表1。

表1 洼地法計(jì)算隧道涌水量匯總

3.2.2 井泉補(bǔ)給法

經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)隧道附近井泉點(diǎn)流量匯總來(lái)預(yù)測(cè)隧道涌水量的方法叫井泉補(bǔ)給法。

隧道涌水量計(jì)算公式：

Q總=Q1+Q2+Q3+Q4

Q1為DK32+922右側(cè)418m泉點(diǎn)流量；Q2為DK33+009右側(cè)232m泉點(diǎn)流量 ；Q3為既有巖腳寨隧道進(jìn)口暗河口流量；Q4為黑曬村大用鎮(zhèn)引用水源井點(diǎn)流量。

巖腳隧道地下水排泄到天生橋至黑曬沖溝內(nèi)，沖溝內(nèi)發(fā)育4個(gè)井泉點(diǎn)，2016年5月10日～2016年7月13日時(shí)間段對(duì)井泉點(diǎn)進(jìn)行流量觀測(cè)，其井泉點(diǎn)流量折線圖見圖6～圖9。經(jīng)分析：2016年6月28日～6月30日六枝地區(qū)天降特大暴雨，各井泉點(diǎn)最大流量為最大值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)各井泉點(diǎn)最大流量累計(jì)為：

Q總=Q1+Q2+Q3+Q4

=27648+21168+39657+42163

=130636(m3/d)。

故預(yù)測(cè)巖腳隧道出口最大涌水量為13.06×104m3/d。

圖6 DK32+922右418m泉點(diǎn)流量折線

圖7 DK33+009右側(cè)232m泉點(diǎn)流量折線

圖8 既有巖腳寨隧道進(jìn)口暗河流量折線

圖9 黑曬村大用鎮(zhèn)引用水源井流量折線

4 巖溶水整治方案研究

DK32+396～DK32+343段穿越爛泥箐至黑曬暗河，施工中出現(xiàn)涌水、涌砂卵石，經(jīng)計(jì)算隧道涌水量達(dá)13.06×104m3/d，研究小組提出采取截流、引排、疏導(dǎo)等措施[4]，研究泄水洞整治隧道涌水、涌砂卵石方案，通過(guò)其泄水降壓，對(duì)地下水進(jìn)行充分引排，確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的安全。

經(jīng)分析：泄水洞設(shè)置于上游來(lái)水側(cè)，巖腳隧道地下水由線路右側(cè)流向左側(cè)，故隧道泄水洞設(shè)置于線右來(lái)水側(cè),結(jié)合隧道縱坡及人字坡情況，泄水洞順坡排水，于本隧前進(jìn)方向右側(cè)距離左中線30m處設(shè)置泄水洞，全長(zhǎng)824m，巖腳隧道泄水洞平面示意見圖10。

圖10 巖腳隧道泄水洞平面示意

經(jīng)分析，DK32+343線路右側(cè)拱腳處出現(xiàn)涌水、涌砂卵石，涌水量達(dá)8.71×104m3/d；DK32+360線路左側(cè)拱腳處也出現(xiàn)涌水，涌水量為3.59×104m3/d，為將DK32+343線路右側(cè)拱頂處出水直接引至泄水洞，達(dá)到泄水降壓的效果，本泄水洞于XDK32+343處設(shè)置1#集水廊道引排巖溶水，于集水廊道頂部設(shè)2處導(dǎo)流井，將該處出水引排至泄水洞主洞內(nèi)。為將DK32+360左側(cè)邊墻處出水直接引至泄水洞，達(dá)到泄水降壓的效果，本泄水洞于XDK32+360處設(shè)置2#集水廊道下穿正洞至DK32+360左側(cè)邊墻出水處，于集水廊道拱頂設(shè)置2處導(dǎo)流井直接與巖溶管道聯(lián)通，達(dá)到引排地下水的目的。隧道1#、2#集水廊道平面布置圖見圖11。

5 結(jié)論

(1)勘察中對(duì)巖溶隧道建議采用封閉洼地法計(jì)算預(yù)測(cè)隧道涌水量，施工中隧道涌水要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間涌水量觀測(cè)，建議采用封閉洼地、暗河井泉補(bǔ)給等多種方法預(yù)測(cè)隧道涌水量，綜合對(duì)比分析后確定推薦隧道涌水量。

圖11 隧道1#、2#集水廊道平面布置

(2)隧道工程巖溶水采取截流、引排、疏導(dǎo)等措施，泄水洞與正洞出水點(diǎn)應(yīng)設(shè)置好集水廊道，通過(guò)對(duì)地下水進(jìn)行充分引排，泄水降壓，確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的安全。